Processos Siderúrgicos

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

FACULDADE DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO – MECÂNICA

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA IV

Siderurgia e Tratamento Térmico dos Aços

Prof. Jaques Jonas Santos Silva

Resende, março de 2009.

Materiais de Construção Mecânica IV 2

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................4

1.1. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS .......................................................................5

1.2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS .....................................................................6

2. SIDERURGIA...................................................................................................................8

3. MATÉRIAS-PRIMAS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA........................................10

3.1. MINÉRIO DE FERRO.............................................................................................10

3.2. CARVÃO..................................................................................................................13

3.3. FUNDENTE .............................................................................................................16

3.4. OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS.............................................................................16

4. PRODUÇÃO DO FERRO GUSA.................................................................................17

4.1. ALTO FORNO .........................................................................................................17

4.2. REAÇÕES DO ALTO FORNO................................................................................18

4.3. PRODUTOS E SUBPRODUTOS DO ALTO FORNO............................................19

4.4. EQUIPAMENTOS AUXILIARES DO ALTO FORNO ..........................................21

5. PRODUÇÃO DO AÇO ..................................................................................................27

5.1. PROCESSOS PNEUMÁTICOS ..............................................................................27

5.2. CONVERSOR BESSEMER ....................................................................................28

5.3. CONVERSOR THOMAS ........................................................................................30

5.4. CONVERSOR DE SOPRO LATERAL...................................................................30

5.5. CONVERSOR DE SOPRO PELO TOPO ...............................................................30

6. SISTEMA FERRO-CARBONO ...................................................................................33

6.1. FASES DO SISTEMA Fe-Fe3C ...............................................................................33

6.2. PONTOS INVARIANTES .......................................................................................34

6.3. CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE Fe-C..............................................................35

6.4. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS DE Fe-C..........35

6.4.1. Ligas eutetóides ................................................................................................35

6.4.2. Ligas hipoeutetóides .........................................................................................37

6.4.3. Ligas hipereutetóides........................................................................................38


7. TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS ......................................................40

7.1. TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS...............................................................41

7.2. DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRIMCAS .................................41

7.3. DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO TEMPO – TEMPERATURA

(DIAGRAMAS TTT) ...........................................................................................................42

7.4. PRINCIPAIS ESTRUTURAS FORMADAS NA SOLIDIFICAÇÃO DOS AÇOS

(SISTEMAS EM NÃO EQUILÍBRIO)................................................................................43

7.4.1. Perlita................................................................................................................43

7.4.2. Bainita...............................................................................................................44

7.4.3. Martensita .........................................................................................................45

7.4.4. Cementita globulizada ......................................................................................46

7.4.5. Martensita revenida ..........................................................................................46

8. TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS ...................................................................48

8.1. RECOZIMENTO......................................................................................................50

8.1.1. Recozimento total (ou pleno) ...........................................................................51

8.1.2. Recozimento isotérmico ...................................................................................52

8.1.3. Recozimento para alívio de tensões..................................................................53

8.2. NORMALIZAÇÃO..................................................................................................53

8.3. TÊMPERA ...............................................................................................................54

8.4. REVENIDO..............................................................................................................56

8.5. TÊMPERA SUPERFICIAL .....................................................................................57

9. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................60


1. INTRODUÇÃO

Desde os primórdios da evolução o ser humano utiliza-se de diversos tipos de

materiais para a fabricação de utensílios, equipamentos e máquinas. Em ordem crescente de

complexidade, pode-se citar alguns exemplos de materiais utilizados pelo homem:

� Pedras, madeiras e fibras;

� Bronze, ferro e outros metais;

� Borrachas e polímeros;

� Compostos cerâmicos, novas ligas, materiais compósitos.

A busca do material adequado para uma determinada aplicação pode trazer

como resultado uma vasta lista de possibilidades. A escolha deve visar fatores tais como:

� Propriedades (mecânicas, físicas, químicas, etc);

� Custo;

� Vida útil;

� Facilidade de obtenção e manipulação.

A ciência dos materiais busca a relação existente entre a estrutura dos materiais

e suas propriedades. A estrutura de um material está relacionada ao arranjo interno de seus

componentes, seja ao nível atômico, microscópico ou macroscópico.

A estrutura de um material depende de seu processamento. Havendo alterações

estruturais, haverão também modificações nas propriedades do material e, conseqüentemente,

em sua performance (Figura 1).

Processamento

Estrutura

Propriedades

Performance

Tratamento térmico do aço

(têmpera)

Formação da martensita

Aumento da dureza

Aumento da resistência ao

desgaste

Figura 1 – Inter-relacionamento entre o processamento dos materiais e sua performance.


1.1. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

Quando em uso, os materiais estão sujeitos a estímulos externos, os quais

causam algum tipo de resposta. As propriedades dos materiais referem-se à magnitude da

resposta em relação a determinado estímulo (Quadro 1).

Quadro 1 - Relação estímulo / resposta de algumas propriedades de materiais.

Estímulo externo Resposta

Tensões externas Deformação

Aumento de temperatura Dilatação volumétrica

Campo elétrico Resistividade elétrica

Atmosfera ambiente Resistência à corrosão

A escolha do material adequado à fabricação de um produto deve levar em

conta suas propriedades, as quais podem ser divididas em 6 categorias:

� Propriedades mecânicas;

� Propriedades elétricas;

� Propriedades magnéticas;

� Propriedades ópticas;

� Propriedades térmicas;

� Propriedades deteriorativas.

Dentre as principais propriedades dos materiais, podemos citar:

a) Resistência mecânica: resistência a esforços (tração, compressão,

cisalhamento, etc);

b) Elasticidade: capacidade de deformar e retornar à forma original;

c) Plasticidade: capacidade de se deformar e manter uma parcela da

deformação;

d) Ductilidade: medida do grau de deformação plástica do material até a

ruptura;

e) Tenacidade: capacidade de absorver energia até a ruptura. Área sob a curva


σ x ε (tensão x deformação);

f) Dureza: resistência à penetração, à deformação plástica e ao desgaste;

g) Fragilidade: capacidade do material romper-se sem sofrer deformação

plástica significativa;

h) Ponto de fusão: temperatura na qual o material passa do estado sólido para o

líquido.

i) Ponto de ebulição: temperatura na qual o material passa do estado líquido

para vapor ou gasoso;

j) Dilatação térmica: variação dimensional devido à variação de temperatura;

k) Condutividade térmica: capacidade de conduzir calor;

l) Condutividade elétrica: capacidade de conduzir correntes elétricas;

m) Resistividade: capacidade de resistir à passagem de correntes elétricas (o

oposto da condutividade elétrica);

n) Resistência à corrosão: capacidade do material de resistir à deterioração

causada pelo meio ambiente;

o) Densidade: quantidade de matéria por unidade de volume.

1.2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS

Os materiais sólidos podem ser agrupados em três classificações básicas:

a) Metais: normalmente os materiais metálicos são combinações de

elementos metálicos, os quais possuem um grande número de elétrons

não localizados, o que confere a estes materiais algumas características

peculiares (bons condutores de calor e eletricidade, resistência

mecânica, etc).

b) Polímeros: incluem as borrachas e os materiais plásticos, muitos destes

constituídos de compostos orgânicos à base de carbono, hidrogênio e

elementos não-metálicos. Possuem estruturas moleculares muito

grandes e são, em geral, pouco densos e muito flexíveis.

c) Cerâmicas: são compostos de elementos metálicos e não-metálicos,

geralmente óxidos, nitratos e carbetos. São tipicamente isolantes


elétricos e térmicos, duros porém frágeis e mais resistentes a altas

temperaturas e ambientes hostis do que os metais e os polímeros.

Alguns exemplos de materiais utilizados na construção mecânica são

mostrados abaixo:

– Aço

– Ferro fundido (FoFo)

– Fofo branco

– Fofo cinzento

– Fofo maleável

– Fofo de grafita compactada

– Fofo dúctil ou nodular

– Ferro

– Alumínio

– Cobre

– Chumbo

– Estanho

– Zinco

– Níquel

– Magnésio

Metais

– Resinas

– Poliamidas

– Poliuretanos

– Policarbonatos

– Poliésteres

– Silicones

– Plásticos

– Borrachas Polímeros

– Vinílicas

– Acrílicas

– Celulósicas

– Fluorcarbonadas

– Materiais refratários

– Cimentos

– Vidros

– Porcelana

Cerâmicas


2. SIDERURGIA

O termo siderurgia provém do grego siderourgia (sideros = ferro + ergon =

trabalho), e pode ser definido como o conjunto de técnicas para a obtenção dos produtos

ferrosos (ferro gusa, ferro fundido e aço) a partir da redução dos óxidos de ferro.

As referências mais antigas sugerem que o ferro já era utilizado por volta de

2000 A.C. e que o homem já reduzia os óxidos de ferro entre 1350 A.C. e 1100 A.C. Desde os

primórdios o minério de ferro era misturado ao carvão e submetido a altas temperaturas para a

redução dos óxidos ao ferro metálico. A Figura 2 ilustra alguns tipo primitivos de fornos

utilizados para a redução dos minérios.

Figura 2 - Fornos primitivos utilizados na redução dos óxidos de ferro.


Em fornos com temperaturas mais baixas, o ferro reduzido tinha forma de

grânulos porosos (ferro esponja). Em temperaturas mais elevadas, os grânulos tornavam-se

pastosos e aglomeravam-se formando uma massa a qual era martelada para a eliminação das

impurezas e formação de uma porção de ferro sólido (ferro “pudlado”).

Se o ferro reduzido for mantido em contato com carbono a altas temperaturas

na ausência de ar, há a difusão de carbono no metal, aumentado sua resistência mecânica

devido à precipitação de carbetos. O produtos dos fornos tipo chaminé, os quais permitiam

maiores temperaturas de operação, facilitando a difusão do carbono, continham entre 1% e

4% de carbono, apresentando propriedades mecânicas superiores ao do ferro puro.


3. MATÉRIAS-PRIMAS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA

São as seguintes as principais matérias-primas da indústria siderúrgica:

a) Minério de ferro: matéria-prima essencial, contém o ferro na forma de

óxidos.

b) Carvão: atua como elemento combustível, redutor do minério de ferro

e fornecedor de carbono (principal elemento de ligas dos produtos

siderúrgicos).

c) Calcário: de natureza básica, age como fundente ao reagir com as

impurezas do minério e do carvão (de natureza ácida), diminuindo o

seu ponto de fusão e formando a escória

Tanto o minério de ferro quanto o carvão devem ser beneficiados antes de sua

utilização.

3.1. MINÉRIO DE FERRO

Os principais minerais que contém o elemento Fe (ferro) são:

� óxidos;

� carbonatos;

� sulfetos;

� silicatos.

Dentre estes, os óxidos são os mais importantes, sendo os principais:

� magnetita (óxido ferroso férrico) – Fe3O4 – 72,4% em peso de Fe;

� hematita (óxido férrico) – Fe2O3 – 69,9% em peso de Fe;

� limonita (óxido hidratado de ferro) – 2Fe2O3.3H2O – 48,3% em peso de Fe.

A hematita é o minério mais comum e compõe as principais reservas

brasileiras.

Para a sua utilização em altos-fornos, os minérios de ferro devem ser


beneficiados de forma a adequar suas características físico-químicas (granulação, composição,

etc), tornando a carga do alto-forno mais homogênea.

As operações para o beneficiamento envolvem geralmente operações de:

� britamento;

� peneiramento;

� mistura;

� moagem;

� concentração;

� classificação;

� aglomeração.

Os processos de aglomeração tem como objetivos:

� melhorar as propriedades mecânicas da carga;

� melhorar a permeabilidade da carga no alto-forno;

� reduzir o consumo de carvão;

� acelerar os processos de redução;

� reduzir a quantidade de “finos” (material finamente particulado) lançados

pelo alto-forno no sistema de recuperação de gases.

Entre os principais processos de aglomeração pode-se citar:

� sinterização;

� pelotização;

� briquetagem;

� nodulização.

No processo de sinterização, uma mistura de finos de minério e carvão

(eventualmente pode-se adicionar um fundente) é aquecida a uma temperatura da ordem de

1300ºC a 1500ºC de forma a promover a união das partículas. O produto final apresenta-se

poroso e de composição uniforme, denominado “sínter” (Figura 3).


Figura 3 - Aspecto do sínter (produto do processo de sinterização).

No processo de pelotização são formadas “pelotas” (Figura 4) a partir de uma

mistura de finos de minério, água e uma substância aglomerante. Eventualmente podem ser

empregados aditivos para aumentar a resistência mecânica das pelotas. Posteriormente, as

pelotas são secadas e queimadas em fornos à temperaturas da ordem de 1350ºC para

consolidação da resistência mecânica.

Figura 4 - Aspecto das pelotas (produto do processo de pelotização).


3.2. CARVÃO

Os carvões utilizados na indústria siderúrgica podem ser de origem vegetal ou

mineral. Dentre estes últimos, destacam-se as turfas, os linhitos, as hulhas e os antracitos (em

ordem crescente de tempo de formação), sendo as hulhas (ou carvões betuminosos) os mais

comuns.

Os carvões vegetais são obtidos através da pirólise1 da madeira, a qual resulta

em um resíduo sólido rido em carbono fixo, além de subprodutos gasosos (CO2, CO, H2, etc)

e líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool metílico, etc). No Brasil, a carbonização da madeira

para a obtenção de carvão vegetal é feita em fornos rudimentares e pouco eficientes, com a

perda dos subprodutos gasosos e líquidos.

O carvão vegetal apresenta, em média, a seguinte composição química (Tabela

1):

Tabela 1 - Composição típica de um carvão vegetal.

Composição

Cinzas 5%

Substâncias voláteis 25%

Carbono fixo 70%

Estes índices mostram um produto de alta qualidade, mesmo se comparados

aos melhores carvões minerais. Entretanto, sua resistência mecânica é baixa, de forma que os

altos-fornos à carvão vegetal tenham uma capacidade de produção bem menor que os altos-

fornos à carvão mineral (Tabela 2).

1 Aquecimento na ausência de ar para a quebra de moléculas complexas.

– Turfas

– Linhitos

– Hulhas

– Antracitos

Carvão

– Vegetal – Mineral

Tempo de formação


Tabela 2 - Capacidades típicas de altos-fornos.

Capacidade típica do alto-forno

À carvão vegetal 1.200 T / dia

À carvão mineral (coque) 10.000 T / dia

Os carvões minerais são constituídos basicamente de matéria vegetal

decomposta e fossilizada, convertendo-se progressivamente em turfas, linhitos, hulhas

(carvões betuminosos) e antracitos. Para adequar suas características físico-químicas, os

carvões minerais devem ser submetidos a um processo de coqueificação, do qual resulta o

coque siderúrgico (ou simplesmente coque). Um carvão betuminoso adequado à produção de

coque apresenta a seguinte composição média (Tabela 3):

Tabela 3 - Composição típica de um carvão mineral para a produção de coque.

Composição

Cinzas 7%

Substâncias voláteis 33%

Carbono fixo 60%

O processo de coqueificação tem como objetivos o aumento da resistência

mecânica e da porosidade, além da redução do teor de substâncias voláteis.

A resistência mecânica deve ser o suficientemente alta para suportar o peso da

carga no alto-forno sem que haja seu esmagamento, de forma a não prejudicar sua

permeabilidade.

A porosidade aumenta a área de contato do coque com o oxigênio, favorecendo

as reações de formação do CO e do CO2 e aumentando o rendimento das reações de redução

dos minérios.

O processo de coqueificação é realizado nas plantas de coqueificação e

consiste basicamente no aquecimento à temperaturas entre 1100ºC e 1300ºC de carvões

minerais (principalmente os carvões betuminosos) em câmaras de coqueificação

hermeticamente fechadas (ausência de ar) por períodos de até 18 horas. Os fornos de

coqueificação são compostos por uma bateria de até 100 câmaras de coqueificação

intercaladas com câmaras de aquecimento (Figura 5). O produto da coqueificação é o coque, o


qual se apresenta como uma substância porosa, com resistência mecânica elevada (se

comparada com os carvões vegetais) e alto teor de carbono, além de subprodutos gasosos e

líquidos (Figura 6).

Os carvões minerais brasileiros possuem propriedades de coqueificação pobres,

motivo pelo qual devem ser misturados a carvões importados de alta qualidade, na proporção

de 20% a 30% de carvão nacional.

Figura 5 - Vista geral de um forno de coqueificação. No detalhe, uma câmara de coqueificação aberta, prestes a ser descarregada.

CARVÃO MINERAL

Gás impuro (25%)

COQUE (75%)

Outros (0,29%)

Óleos leves (1,20%)

Piridina (0,01%)

Alcatrão (5,30%)

Sulfato de amônio (1,20%)

Gás combustível (17,00%)

Figura 6 - Produtos e subprodutos da coqueificação.


3.3. FUNDENTE

A principal função do fundente é a formação da escória de alto-forno, através

de sua combinação com as cinzas do coque e as impurezas do minério, reduzindo o ponto de

fusão e fazendo com que estes se separem do metal líquido (ferro gusa).

Os principais fundentes utilizados são o calcário (CaCO3) e a dolomita

(CaCO3.MgCO3). Uma vez no alto forno, estes se decompõem em cal (CaO) e magnésia

(MgO), os quais combinam-se com os óxidos ácidos além de possuir poder dessulfurante2.

3.4. OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS

Além das matérias-primas já citadas, outras matérias-primas também

importantes no indústria siderúrgica são:

a) Manganês: elemento de liga imprescindível nos aços, age como

dessulfurante e desoxidante. O mineral mais importante para o

fornecimento de manganês é a pirolusita (MnO2), cujo teor de

manganês varia de 30% a 50%.

b) Elementos de liga: necessários para a produção das ligas de aço e

ferros-liga. Incluem elementos como silício, vanádio, molibdênio,

níquel, tungstênio, titânio, alumínio e cobalto.

c) Sucatas de ferro e aço: sua utilização nos altos-fornos ou nos fornos

conversores para a produção de ferro gusa ou aço permite uma

apreciável economia de minério, coque e calcário (necessários para a

produção do ferro gusa), além de proporcionar a reciclagem destes

materiais.

2 A dessulfuração consiste na redução dos teores de enxofre, elemento que tende a conferir fragilidade ao ferro ou aço.


cadinho

rampa

cuba

topo sistema de carregamento

anel de vento

ventaneiras

saída de gusa

saída de escória

4. PRODUÇÃO DO FERRO GUSA

O ferro gusa é o produto da redução dos óxidos de ferro, apresentando-se como

ferro em estado líquido com 3% a 4% de carbono, além de impurezas como enxofre, fósforo,

silício e manganês.

A produção do ferro gusa envolve principalmente o alto forno, no qual ocorrem

as reações de redução, além de equipamentos auxiliares, tais como sistemas de carregamento,

regeneradores, sistemas de limpeza de gases, etc.

4.1. ALTO FORNO

O alto forno é um reator tipo chaminé com carga sólida descendente (minério,

coque e fundentes) e carga gasosa ascendente (gases de redução, gases de alto forno). Seu

funcionamento é contínuo, permanecendo anos em operação ininterrupta.

A estrutura do alto forno pode ser dividida basicamente em cadinho, rampa, cuba e topo

(Figura 7).

Figura 7- Estrutura do alto forno.


O cadinho corresponde à parte onde se acumulam o metal em estado líquido

(gusa) e a escória, resultantes dos processos de redução. O vazamento destes materiais é feito

através dos furos de corrida do gusa e da escória, sendo que este último é posicionado acima

do primeiro devido à densidade da escória ser menor que a do gusa, fazendo com que a

escória fique sobrenadando o gusa. O vazamento destes materiais é feito na casa de corrida.

Na parte superior do cadinho encontram-se posicionadas as ventaneiras,

geralmente em número de 20 a 32, as quais injetam ar pré-aquecido sob pressão no interior do

alto forno para as reações de redução. As ventaneiras estão ligadas ao anel de vento, o qual

circunda a estrutura do alto forno e recebe o ar aquecido dos regeneradores.

Logo acima do cadinho encontra-se a rampa, região mais aquecida do alto

forno, concentrando a maioria das reações de redução dos minérios.

A cuba recebe a carga inserida pelo topo do alto forno através de um sistema

de carregamento. Também no topo ocorre a saída dos gases de alto forno, através dos tubos de

ascensão de gases. Estes gases são reaproveitados em outros processos após passarem por um

processo de limpeza.

4.2. REAÇÕES DO ALTO FORNO

� Formação do CO (monóxido de carbono) e do CO2 (dióxido de carbono): ocorre

na região das ventaneiras em temperaturas da ordem de 1800oC a 2000oC.

C + O2 � CO2

CO2 + C � 2CO (elemento redutor)

� Decomposição dos carbonatos: ocorre a aproximadamente 800oC, formando os

óxidos de cálcio (CaO – cal) e magnésio (MgO – magnésia), os quais combinarão com

a ganga do minério e as cinzas do carvão para a formação da escória.

CaCO3 � CaO (cal) + CO2

MgCO3 � MgO (magnésia) + CO2

� Redução dos óxidos de ferro: se dá principalmente pela ação do monóxido de

carbono, e também pela ação do carbono do carvão.


3Fe2O3 + CO � 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO � 3FeO + CO2

FeO + CO � Fe + CO2

Fe2O3 + 3C � 2Fe + 3CO

� Formação da cementita (carbeto de ferro): a saturação do ferro com carbono dá

origem à precipitação do carbeto de ferro (Fe3C – cementita), composto que confere

dureza e resistência ao ferro.

3Fe + C � Fe3C�

3Fe + 2CO � Fe3C� + CO2

Outras dezenas de reações poderiam ser citadas, tais como a redução do

manganês, silício e fósforo a partir de seus óxidos, a redução do ferro a partir do sulfeto de

ferro (FeS) além das reações de formação da escória.

4.3. PRODUTOS E SUBPRODUTOS DO ALTO FORNO

O principal produto do alto forno é o ferro gusa, além de subprodutos como a

escória e o gás de alto forno. Para a produção de 1.000Kg de ferro gusa são necessários, em

média:

� 1.700Kg de minério de ferro;

� 400a 600 Kg de coque;

� 140Kg de cal ou magnésia;

� 1.600 a 2.000Kg de ar.

Além destes insumos há o consumo de água para refrigeração (da ordem de 20m3/T de ferro

gusa) e energia elétrica para acionamento de dispositivos de carregamento, compressores, etc

(da ordem de 10KWh/T de ferro gusa).

Elemento redutor: CO

Elemento redutor: C


O ferro gusa resultante tem composição média como a mostrada na Tabela 4:

Tabela 4 – Composição média do ferro gusa.

Elemento % (peso)

Si 0,5 – 3,0

S 0,035 – 0,050

P 0,040 – 0,400

Mn 1,0 – 2,0

C 3,0 – 4,5

Fe Balanço

A escória formada tem composição média como mostrado na Tabela 5:

Tabela 5 - Composição média da escória de alto forno.

Componente % (peso)

SiO2 23 – 55

CaO 27 – 55

Al2O3 5 – 25

MgO 1 – 12

FeO 0,5 – 2,0

S 0,4 – 1,2

A aplicação mais importante da escória é na fabricação de cimento, em substituição ao

clínquer (mistura cozida de sílica e argila).

Os gases resultantes dos processos de redução possuem alto poder calorífico,

sendo aproveitados depois de limpos (eliminação dos finos) em processos de aquecimento de

regeneradores, fornos, produção de energia elétrica, etc. Sua composição média é mostrada na

Tabela 6:


Tabela 6 - Composição média do gás de alto forno.

Componente % (volume)

CO2 13

CO 27

H2 3

N2 57

4.4. EQUIPAMENTOS AUXILIARES DO ALTO FORNO

A Figura 8 e a Figura 15 mostram o alto forno e seus equipamentos auxiliares,

os quais são descritos a seguir:

Casa de silos

Sistema de transporte ao topo do alto

forno

Casa de corrida

Sistema de

limpeza dos gases

Regeneradores

Sistema de carregamento do alto forno

Carro torpedo

Figura 8 - Alto forno e seus equipamentos auxiliares.


• Casa de silos: mantém estocadas as matérias primas para a produção do gusa.

• Sistema de transporte ao topo do alto forno: o tipo de sistema varia em função do

volume de produção de gusa. São utilizados caçambas, carros (skip cars) ou correias

transportadoras.

� Caçambas: são levadas ao topo do alto forno por meio de

guindastes e descarregadas pelo fundo. Limitado a pequenos

volumes de produção (até 200T/dia).

� Carros: dois carros tracionados por cabos movimentam-se num

plano inclinado unindo a casa de silos ao topo do alto forno.

Adequado para volumes de produção até 3500T/dia.

� Correias transportadoras: a matéria prima é conduzida até o

topo do alto forno por correias transportadoras movendo-se

sobre um plano inclinado. Adequado para volumes de

produção acima de 3500T/dia.

• Sistema de carregamento do alto forno: devem permitir a entrada de matérias

primas no alto forno sem que haja escape dos gases de alto forno para a atmosfera.

São utilizados os sistemas duplo cone e calha rotativa.

� Duplo com (ou duplo sino): a carga é recebida na tremonha de

recebimento passando para a tremonha de inferior com a

abertura do cone pequeno. Após o fechamento do cone

pequeno, vedando a saída de gases do alto forno, abre-se o

cone grande para que a carga passe da tremonha inferior para o

interior do alto forno (Figura 9). Este sistema apresenta o

inconveniente do desgaste dos cones pelo atrito causado na

passagem da carga, prejudicando a vedação com o conseqüente

vazamento dos gases de alto forno. Além disso, o sistema

carrega a carga em pilhas circulares, prejudicando sua

distribuição no interior do alto forno.


� Calha rotativa: a carga é distribuída no interior do alto forno

através de uma calha que gira em torno do eixo do alto forno,

podendo ainda ajustar seu ângulo em relação ao eixo de forma

a proporcionar uma melhor distribuição da carga (Figura 10).

Neste sistema os selos de gás estão fora do fluxo do material,

evitando-se os problemas de desgaste dos selos de gás do

sistema duplo cone.

• Sistema de limpeza dos gases: responsável pela limpeza dos gases de alto forno antes

de sua reutilização em outros processos. O gás de alto forno apresenta entre 5 e

40g/m3 de material pulverelento (finos de minério, carvão e fundentes), devendo após

a limpeza apresentar, no máximo, 10mg/m3. A limpeza é feita com o auxílio de um

Tremonha de recebimento Cone

pequeno

Cone grande

Selo de gás

Calha rotativa

Figura 9 - Sistema de carregamento tipo duplo cone ou duplo sino.

Figura 10 - Sistema de carregamento tipo calha rotativa.


coletor de poeiras, o qual recolhe parte dos finos arrastados pelo gás de alto forno, e

lavadores de gás, os quais empregam um precipitador eletrostático que ioniza as

partículas de pó atraindo-as para suas paredes, sendo em seguida arrastadas por uma

camada de água que escorre pelas paredes (Figura 11).

• Casa de corrida: local onde é feito o vazamento do gusa e da escória contidos no

cadinho do alto forno através de orifícios vedados com lama refratária. Os orifícios

são abertos com um perfurador pneumático e após a corrida são novamente fechados

com o auxílio de um canhão de lama.

Figura 12 - Casa e corrida e seus equipamentos.

Figura 11 - Sistema de limpeza dos gases de alto forno.

Perfurador pneumático

Canhão de lama


• Regeneradores: a função do regenerador (estufa) é armazenar o calor gerado pela

queima de uma mistura de gases de coqueria e alto forno em uma câmara de

combustão. O calor resultante é armazenado em uma pilha de tijolos refratários

dispostos em uma câmara adjacente à câmara de combustão. Após este processo, ar

comprimido é soprado da base da câmara de empilhamento, aquecendo-se em meio à

pilha de tijolos refratários até chegar a temperaturas da ordem de 900oC a 1350oC. O

ar assim aquecido será conduzido até o alto forno, para dento do qual será soprado

através das ventaneiras (Figura 13). Normalmente são empregados três regeneradores

operando alternadamente, ou quatro para volumes de produção acima de 4000T/dia.

• Carros torpedo: com capacidade de 200 a 250T, transportam o gusa em estado

líquido da casa de corrida até a aciaria, movendo-se sobre trilhos (Figura 14). Podem

também servir como recipientes para as reações de dessulfuração do gusa – injeção de

pó de CaC2-CaO-C (proporção de 50-40-10) por meio gasoso (N2).

CaC2 + S � CaS� + 2C

CaO + C + S � CaS� + CO

Figura 13 - Regenerador.


Figura 14 - Carro torpedo sendo carregado na casa de corrida.

Figura 15 - Vista real do alto forno, mostrando alguns de seus equipamentos auxiliares.

Carro torpedo

Regenerador

Sistema de limpeza dos

gases

Alto forno

Casa de silos

Sistema de transporte ao topo do alto forno

Sistema de carregamento


5. PRODUÇÃO DO AÇO

O ferro gusa pode ser definido como uma liga de Fe-C contendo teores

elevados de C e impurezas como Si, Mn, P e S. O aço é uma liga obtida a partir do ferro gusa,

contendo baixos teores de C e impurezas (Si, Mn, P e S). A redução dos teores destes

elementos se dá através de processos de oxidação em fornos conversores.

Os agentes oxidantes podem ser de natureza gasosa (ar ou oxigênio) ou sólida

(minérios na forma de óxidos). Independente do tipo de agente oxidante utilizados, os

processos de fabricação do aço podem ser classificados em:

� Processos ácidos: oxidação do C, Si e Mn;

� Processos básicos: oxidação do C, Si, Mn, P e S.

O que determina se um processo é ácido ou básico é a natureza ácida ou básica do

revestimento refratário do conversor.

5.1. PROCESSOS PNEUMÁTICOS

O princípio básico dos processos pneumáticos é a introdução (sopro) de ar ou

oxigênio no conversor carregado com ferro gusa no estado líquido de forma a provocar as

reações de oxidação do C, Si, Mn, P e S. O sopro pode ser feito pelo fundo, pelo lado ou pelo

topo do conversor, dependendo do processo (Figura 16).

Figura 16 - Tipos de conversores pneumáticos.


5.2. CONVERSOR BESSEMER

Processo pneumático tradicional, desenvolvido na Inglaterra em 1847, utiliza-

se de um conversor composto por uma carcaça metálica de formato cilíndrico revestida

internamente com material refratário silicoso de natureza ácida. No fundo do conversor são

posicionadas ventaneiras por onde o ar é soprado através da carga de gusa líquido (Figura 17).

Figura 17 - Conversor Bessemer.

As reações de oxidação que ocorrem durante o sopro são fortemente

exotérmicas, não havendo necessidade de aquecimento da carga. A operação do conversor

pode ser dividida em carregamento, sopro e vazamento (Figura 18).

Figura 18 - Etapas da operação do conversor Bessemer.

No carregamento o conversor é basculado até a posição quase horizontal,

procedendo-se ao carregamento de materiais sólidos (sucata e/ou minério) seguido do gusa

em estado líquido, de forma que o metal fique restrito ao “ventre” do conversor, sem que entre


em contato com as ventaneiras. Inicia-se então o sopro pelo fundo do conversor ao mesmo

tempo em que este é basculado até a posição vertical, permanecendo nesta posição até que a

oxidação se complete.

As principais reações de oxidação verificadas durante o sopro são a oxidação

do silício (fortemente exotérmica) e do carbono, cujo teor deve ser no máximo de 2,11%:

2Fe + O2 � 2FeO

2FeO + Si � SiO2+ 2Fe��

FeO + C � Fe + CO��

�

�

O controle do processo é feito pela inspeção (com auxílio de instrumentos) da

chama projetada pela boca do conversor.� Após o término da oxidação, o conversor é

novamente basculado para o vazamento, enquanto o suprimento de ar é reduzido até o

desligamento.�Já na panela, o metal é adicionado de Mn para desoxidação e dessulfuração:�

FeO + Mn � MnO + Fe

FeS + Mn � MnS + Fe��

O aço obtido no processo Bessemer possui a seguinte composição típica

(Tabela 7):

Tabela 7 - Composição típica do aço produzido em um conversor Bessemer, evidenciando a baixa redução dos teores de P e S.

Elemento % peso (antes

da conversão)

% peso (depois

da conversão)

C 3,0 – 4,5 0,10

Mn 0,4 – 0,7 0,50

Si 1,1 – 1,5 0,005

P 0,090 0,080

S 0,030 0,025


Entre as desvantagens deste processo, podem-se citar as dificuldades para o

controle do processo, temperatura e composição química do banho.

5.3. CONVERSOR THOMAS

Processo desenvolvido em 1879 na Inglaterra, é essencialmente semelhante ao

processo Bessemer, com a diferença do revestimento refratário do conversor, que neste caso

é constituído de dolomita, de natureza básica.

As características físicas do conversor são essencialmente iguais ao do

conversor Bessemer, entretanto a operação do conversor Thomas apresenta algumas

peculiaridades.

O ferro gusa sofre dessulfuração prévia ao carregamento no conversor, com a

adição de barrilha ou carbonato de sódio. O conversor é basculado até a posição de

carregamento e é carregado com cal (CaO – 130 Kg / T de gusa) e o gusa líquido. A

seqüência de operações a partir daí é semelhante ao processo Bessemer.

Nas reações processadas no conversor, tem-se a remoção do P e S pela ação da

cal, a qual pode ser utilizada devido ao revestimento refratário ser de natureza básica.

5.4. CONVERSOR DE SOPRO LATERAL

São conversores de pequena capacidade (até 2,5 T) com revestimento silicoso

de natureza ácida.

O sopro é feito pela lateral do conversor, acima da superfície do banho

metálico. As reações de oxidação são exotérmicas e semelhantes à do conversor Bessemer.

5.5. CONVERSOR DE SOPRO PELO TOPO

O processo mais comum deste tipo é o L-D (Linz – Donawitz), também

conhecido como BOP (Basic Oxigen Process – Processo Básico à Oxigênio).

O forno não apresenta abertura no fundo e possui revestimento refratário de

natureza básica, permitindo a redução dos teores dos principais elementos contidos no gusa

(Figura 19).


Figura 19 - Conversor L-D.

A capacidade dos conversores L-D situam-se freqüentemente acima de 100

T de carga. O sopro é feito através de uma lança refrigerada a água, a qual injeta

oxigênio com grau de pureza entre 95% e 99,5%, a uma pressão entre 960 KPa e 1250

KPa, a uma distância entre 0,30 m a 1,00 m do nível do banho metálico. O impacto do

jato de oxigênio provoca uma reação violenta, fazendo com que se atinjam

temperaturas elevadas, da ordem de 2500ºC a 3000ºC.

Na operação do conversor L-D, este é basculado até a posição de

carregamento (inclinado horizontalmente – Figura 20) para introdução da carga de

gusa em estado líquido, sucata e cal. A seguir, o conversor retorna à posição vertical, a

lança de oxigênio é abaixada e inicia-se o sopro, o qual dura em torno de 15 minutos

(Figura 21).

Figura 20 - Carregamento do conversor L-D.


Figura 21 - Sequência de operação do conversor L-D.

As reações de oxidação são semelhantes às dos outros processos básicos,

com a diferença de que o teor de Mn residual é maior do que nos outros processos,

de forma que comumente não há necessidade da adição de Mn na panela de

vazamento para desoxidação e dessulfuração.

Uma variante deste processo é o Stora-Kaldo no qual a operação do forno é

feito com o mesmo inclinado de 15º a 20º em relação à posição horizontal, sendo

ainda submetido a uma rotação de até 30 RPM ao longo do eixo longitudinal (Figura

22).

O revestimento, como no conversor L-D é de natureza básica. O oxigênio é

soprado através de uma lança, a qual varre uma superfície maior do banho metálico, o que

aumenta a área de reação e protege o fundo do conversor do aquecimento excessivo.

Figura 22 - Processo Stora-Kaldo.


6. SISTEMA FERRO-CARBONO

Mais importante sistema de ligas binárias, formado pelo ferro e o carbono, no

qual se incluem os aços e os ferros fundidos. O diagrama de fases para o sistema Fe-C é

mostrado na Figura 23.

O ferro apresenta duas transformações em sua estrutura cristalina ao ser

aquecido:

� Até 912ºC o ferro possui estrutura CCC, conhecida como ferrita ou ferro

αααα;

� De 912ºC até 1394ºC o ferro sofre transformação polimórfica para

estrutura CFC, conhecida como austenita ou ferro γγγγ;

� De 1394º até 1538ºC o ferro volta a apresentar estrutura CCC, conhecida

como ferrita δδδδ ou ferro δδδδ;

� Acima de 1538ºC o ferro se funde.

O eixo das composições se estende até 6,70%p C, concentração esta em que se

forma a cementita (Fe3C – carbeto de ferro), motivo pelo qual o diagrama de fases do Fe-C é

mais apropriadamente chamado de diagrama de fases do ferro – carbeto de ferro (Fe-Fe3C).

6.1. FASES DO SISTEMA Fe-Fe3C

O carbono é uma impureza intersticial no ferro, formando soluções sólidas

com a ferrita, austenita e ferro δ. Na ferrita e no ferro δ a solubilidade do carbono é limitada,

o que pode ser explicado pelas estruturas CCC possuírem posições intersticiais que dificultam

a acomodação dos átomos de carbono.

A solubilidade do carbono na austenita é cerca de 100 vezes maior que na

ferrita, uma vez que as posições intersticiais na estrutura CFC são maiores. A austenita ligada

somente ao carbono não é estável em temperaturas abaixo de 727ºC, e sua transformação é de

extrema importância no tratamento térmico dos aços. A austenita é não-magnética.

O ferro δ por existir somente em altas temperaturas não tem importância

tecnológica.


Figura 23 – Diagrama de fases do sistema Fe-Fe3C.

A cementita se forma quando o limite de solubilidade do carbono no ferro é

excedido nas fases α (ferrita) e γ (austenita). Mecanicamente, possui elevadas dureza e

fragilidade, sendo que a resistência dos aços é aumentada devido à sua presença. A cementita

é um composto metaestável podendo, sob aquecimento prolongado (vários anos), se

decompor em ferro e carbono na forma de grafita, de forma que o diagrama de fases do

sistema Fe-Fe3C não é um verdadeiro diagrama de equilíbrio. Contudo, como a taxa de

decomposição da cementita é extremamente lenta, o diagrama de fases do Fe-Fe3C é válido

para todos os fins práticos.

6.2. PONTOS INVARIANTES

Existe um ponto invariante à composição de 4,30%p C à 1147ºC chamado de

eutético (“facilmente fundido”), onde ocorre a reação eutética:

L (4,30%p C) γ (2,11%p C) + Fe3C (6,70%p C) aquecimento

resfriamento


Observa-se que na reação eutética uma fase líquida (L) se transforma em duas fases sólidas

(γ e Fe3C).

Outro ponto invariante ocorre à composição de 0,76%p C à 727ºC, chamado

de eutetóide (“como o eutético”). Neste ponto, ocorre a seguinte reação eutetóide:

γ (0,76%p C) α (0,022%p C) + Fe3C (6,70%p C)

Observa-se que na reação eutetóide uma fase sólida (γ) se transforma em duas novas fases

sólidas (α e Fe3C). As transformações de fases eutetóides são de suma importância no

tratamento térmico dos aços.

6.3. CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE Fe-C

As ligas ferrosas podem ser classificadas em:

� Ferro comercialmente puro: concentração de carbono menor que

0,022%p. À temperatura ambiente, composto quase que exclusivamente

pela fase α;

� Aço: concentração de carbono entre 0,022%p e 2,14%p, composto pela

fase α e Fe3C. Durante o resfriamento à temperatura ambiente, uma liga

classificada como aço deve necessariamente passar pelo campo de fases γ,

com a produção de microestruturas distintas;

� Ferros fundidos: concentração de carbono entre 2,14%p e 6,70%p

(raramente maior que 4,50%p).

6.4. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS DE Fe-C

6.4.1. Ligas eutetóides

As microestruturas desenvolvidas nas ligas de aço dependem tanto do

tratamento térmico a que são submetidas como da sua composição. As mudanças de fase que

ocorrem na passagem do campo de fases γ para o campo de fases α + Fe3C são semelhantes às

mudanças descritas para os sistemas eutéticos binários.

aquecimento

resfriamento


Uma liga eutetóide (0,76%p C) resfriada lentamente a partir do ponto a (Figura

24) dará origem, ao passar pela temperatura eutetóide (727ºC) a uma microestrutura composta

por lamelas alternadas da fase α (ferrita) e Fe3C (cementita), as quais se formam

simultaneamente através da reação eutetóide.

Figura 24 - Resfriamento de uma liga eutetóide, evidenciando a formação da perlita (fase α + Fe3C) a partir da austenita (fase γ).

A estrutura resultante (ponto b) é conhecida como perlita (Figura 25) e

apresenta propriedades mecânicas intermediárias entre a ferrita (macia e dúctil) e a cementita

(dura e frágil).

Estrutura Fases presentes

Perlita Ferrita (ferro α) + cementita (Fe3C)

Figura 25 - Micrografia da perlita, mostrando as lamelas de cementita (linhas escuras) em meio às lamelas de ferrita (linhas claras). Aumento de 500X.


A distribuição lamelar das fases se dá pela diferença da composição da fase

original (γ, 0,76%p C) e das fases resultantes (α, 0,022%p C e Fe3C, 6,70%p C), exigindo

uma redistribuição por difusão do carbono (Figura 26).

Figura 26 - Redistribuição do carbono por difusão na formação da perlita.

6.4.2. Ligas hipoeutetóides

As ligas hipoeutetóides (“menos que o eutetóide”) possuem entre 0,022%p C e

0,76%p C. O resfriamento lento destas ligas dará origem ao surgimento da ferrita

proeutetóide (“que se forma antes do eutetóide”) ao passar do campo de fases γ para o campo

de fases γ + α (Figura 27).

Figura 27 - Resfriamento de uma liga hipoeutetóide, evidenciando a formação da ferrita proeutetóide.


Os grãos de ferrita proeutetóide formados crescem até que o resfriamento

atinja a temperatura eutetóide. Abaixo desta temperatura, toda a fase γ remanescente se

transforma em perlita. A estrutura resultante apresentará grãos de ferrita proeutetóide em

meio a grãos de perlita que se formaram pela reação eutetóide (Figura 28).

Figura 28 - Micrografia de um aço hipoeutetóide (0,38%p C), mostrando os grãos de ferrita proeutetóide (áreas claras) em meio aos grãos de perlita (áreas escuras). Aumento de 635X.

6.4.3. Ligas hipereutetóides

As ligas hipereutetóides (“mais que o eutetóide”) possuem entre 0,76%p C e

2,11%p C. De forma análoga às ligas hipoeutetóides, o resfriamento lento das ligas

hipereutetóides dá origem ao surgimento da cementita proeutetóide ao passar do campo de

fases γ para o campo de fases α + Fe3C.

Figura 29- Resfriamento de uma liga hipereutetóide, evidenciando a formação da cementita proeutetóide.


A estrutura resultante consiste de uma rede de cementita proeutetóide

envolvendo as colônias de perlita que se formaram pela transformação da austenita

remanescente à temperatura eutetóide através da reação eutetóide (Figura 30).

Figura 30 - Micrografia de um aço hipereutetóide (1,40%p C), mostrando a rede de cementita proeutetóide (linhas espessas claras) em meio às colônias de perlita (áreas escuras). Aumento de 1000X.


7. TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS

A maioria das transformações de fases não são instantâneas. Obstáculos às

reações de transformações (rearranjos atômicos via difusão, aumento de energia interfacial

entre as fases sendo formadas) as tornam dependentes do tempo.

Do ponto de vista microestrutural, a transformação de fases pode ser dividida

em dois estágios

� Nucleação: formação de partículas ou núcleos da nova fase, os quais são

capazes de crescer.

� Crescimento: os núcleos formados aumentam de tamanho, formando a

nova fase enquanto a fase original vai desaparecendo.

As taxas temporais de transformação isotérmicas no estado sólido (cinética de

transformação) são extremamente importantes nos tratamento térmicos dos metais, e exibem

um comportamento típico como o mostrado na Figura 31.

Figura 31 - Gráfico da fração da fase transformada pelo logaritmo do tempo à temperatura constante. Note-se os estágios de nucleação e crescimento da fase.

As transformações que exibem tal comportamento podem ser expressas pela

equação de Avrami:

Onde:

k, n = constantes empíricas;

nktey −−=1


t = tempo;

y = fração da transformação.

7.1. TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS

Transformações de fases podem ser induzidas em ligas metálicas pela variação

de temperatura (tratamentos térmicos).

Em sistemas sólidos em equilíbrio, a taxa de transformação é tão lenta que a

torna impraticável para todos os fins práticos. Para transformações à taxas maiores que

aquelas que conduzem a sistemas em equilíbrio, as temperaturas de transformação nos

diagramas de fase são deslocadas em relação às temperaturas em condições de equilíbrio.

Em geral, as microestruturas metaestáveis que se formam através de taxas de

transformação que conduzem a sistemas em não equilíbrio são mais desejáveis que aquelas

obtidas em sistemas em equilíbrio. Desta forma, o conhecimento da cinética das

transformações de fase, em muitos casos, mais importante que o conhecimento do estado final

de equilíbrio.

7.2. DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRIMCAS

Os diagramas de transformações isotérmicas relacionam o percentual de

transformação das fases com o logaritmo do tempo de transformação para uma determinada

temperatura (Figura 32).

Figura 32 – Diagrama de transformação isotérmica para um aço eutetóide (0,76%p C) mostrando a transformação da austenita em perlita.


7.3. DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO TEMPO – TEMPERATURA

(DIAGRAMAS TTT)

Os diagramas TTT (Figura 34) representam de forma mais conveniente a

dependência do tempo e da temperatura para as transformações de fases. Estes diagramas são

gerados a partir de uma série de diagramas de transformações isotérmicas, os quais fornecem

os pontos do início da transformação, o final da transformação e o ponto correspondente a

50% da transformação, os quais são plotados em um plano temperatura x tempo (Figura 33).

Note-se que estes diagramas são válidos apenas para a previsão de estruturas formadas através

de transformações isotérmicas.

Figura 33 - Demonstração de como um diagrama TTT é gerado a partir de um diagrama de transformação isotérmico.


Figura 34 - Diagrama TTT mostrando as estruturas formadas durante o resfriamento de uma liga de Fe-C eutetóide (0,76%p C).

7.4. PRINCIPAIS ESTRUTURAS FORMADAS NA SOLIDIFICAÇÃO DOS AÇOS

(SISTEMAS EM NÃO EQUILÍBRIO)

7.4.1. Perlita

A perlita é formada na reação eutetóide do sistema Fe-Fe3C através da

transformação da austenita instável (abaixo da temperatura eutetóide) nas fases α (ferrita) e

Fe3C (cementita), as quais se distribuem em lamelas alternadas.

A perlita formada em temperaturas imediatamente abaixo da temperatura

eutetóide (727ºC) possui camadas espessas das fases α e Fe3C, devido à alta taxa de difusão

do carbono, favorecendo sua difusão ao longo de distâncias mais elevadas, originando uma

estrutura conhecida como perlita grosseira (Figura 35).

Em temperaturas mais baixas (em torno de 540ºC) a taxa de difusão do

carbono cai e em conseqüência a perlita formada possui lamelas mais finas, devido à difusão


do carbono a distâncias menores. Esta estrutura é conhecida como perlita fina (Figura 35).

Em relação às propriedades mecânicas, a perlita possui propriedades

intermediárias entre a fase α (dúctil) e Fe3C (dura e frágil). A perlita grosseira possui maior

ductilidade, ao passo que a perlita fina é mais dura e resistente.

Figura 35 - Micrografias da perlita grosseira (à esquerda) e fina (à direita). Ampliação 3000X.

7.4.2. Bainita

A bainita é também formada pelas fases α e Fe3C, porém com distribuição

diferente da estrutura lamelar da perlita.

Para temperaturas de transformação entre 300ºC e 540ºC, forma-se a bainita

superior, a qual se apresenta na forma de agulhas da fase α separadas por partículas alongadas

de Fe3C (Figura 36).

Figura 36 - Micrografia mostrando um grão de bainita superior em meio a uma matriz de martensita. Observe-se os cristais alongados de Fe3C (cementita) em meio às partículas alongadas da fase α (ferrita).

Para temperaturas de transformação entre 200ºC e 300ºC é formada a bainita

inferior, na qual a fase α se apresenta na forma de lâminas finas com partículas muito finas de


Fe3C em seu interior.

Mecanicamente, a bainita por sua estrutura mais refinada é, em geral, mais

dura e resistente que a perlita. Ainda assim, esta estrutura exibe uma combinação desejável de

resistência e ductilidade.

7.4.3. Martensita

A martensita é uma estrutura formada pelo resfriamento rápido de ligas de Fe-

C austenitizadas (aquecidas até que toda a estrutura se transformarem austenita – fase γ) até

temperaturas próximas à temperatura ambiente.

A martensita é uma estrutura monofásica a qual não se encontra em equilíbrio,

motivo pelo qual não aparece no diagrama de fases do sistema Fe-Fe3C.

A taxa de resfriamento para a formação da martensita deve ser o

suficientemente rápida para prevenir a difusão do carbono. Nestes casos, a austenita, de

estrutura CFC sofre uma transformação polimórfica para uma estrutura martensítica TCC

como mostrado na Figura 37, onde os círculos representam as posições dos átomos de ferro e

as cruzes representam as posições ocupadas pelos átomos de carbono. Note-se que c > a.

Figura 37 - Estrutura TCC da martensita.

Os átomos de carbono ocupam posições intersticiais formando uma solução

sólida supersaturada, a qual pode, sob aquecimento, se transformar rapidamente em outras

estruturas.


Como a transformação martensítica não envolve processos de difusão atômica,

ela ocorre quase que instantaneamente, sendo portanto independente do tempo. Isto explica o

fato das linhas de formação da martensita nos diagramas TTT serem paralelas ao eixo do

tempo.

7.4.4. Cementita globulizada

A cementita globulizada é uma estrutura formada pelo aquecimento de

estruturas perlíticas ou bainíticas abaixo da temperatura eutetóide por um longo período de

tempo.

Nesta estrutura, as partículas de cementita aparecem com o aspecto esférico

(Figura 38) em meio a uma matriz contínua da fase α, sendo que esta estrutura também é

conhecida como esferoidita.

A formação da cementita globulizada ocorre pela difusão adicional do

carbono, sem qualquer alteração nas fases ferrita e cementita.

Figura 38 - Micrografia da cementita globulizada. As partículas escuras são cementita em meio a uma fase contínua de ferrita, mais clara. Ampliação 1000X.

7.4.5. Martensita revenida

A martensita formada pelo resfriamento rápido das ligas de Fe-C apresenta


elevada dureza e fragilidade, tornando-a inadequada para a maioria das aplicações. Além

disso, tensões internas causadas pelo resfriamento rápido produzem um efeito de

enfraquecimento da estrutura.

A ductilidade e a tenacidade podem ser melhoradas através do aquecimento da

martensita a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide de forma a favorecer os

processos de difusão do carbono, resultando numa estrutura conhecida como martensita

revenida.

Na reação de formação da martensita revenida, a martensita (estrutura TCC)

se decompõem nas fases α e Fe3C por difusão.

Martensita α + Fe3C

(TCC, monofásica) Martensita revenida

A microestrutura da martensita revenida apresenta-se como partículas de

cementita extremamente pequenas dispersas numa matriz de ferrita (Figura 39).

Mecanicamente, a martensita revenida pode ser tão dura e resistente como a martensita,

porém com a tenacidade e ductilidade substancialmente aprimoradas.

Figura 39 - Micrografia da martensita revenida. As pequenas partículas claras são cementita, em meio a uma fase contínua de ferrita, mais escura. Ampliação 9300X.


8. TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS

Tratamentos térmicos são o conjunto de operações de aquecimento e

resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo,

atmosfera e velocidade de resfriamento. Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são:

� Remoção de tensões (oriundas de esfriamento desigual, trabalho mecânico

ou outra causa);

� Aumento ou diminuição da dureza;

� Aumento da resistência mecânica;

� Melhora da ductilidade;

� Melhora da usinabilidade;

� Melhora da resistência ao desgaste;

� Melhora das propriedades de corte;

� Melhora da resistência à corrosão;

� Melhora da resistência ao calor;

� Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.

Os principais fatores a serem considerados num tratamento térmico são:

aquecimento, tempo de permanência à temperatura e resfriamento, além da atmosfera

do recinto, a qual possui grande influência sobre os resultados finais.

A velocidade de aquecimento, embora na maioria dos casos seja fator

secundário, apresenta certa importância principalmente quando os aços estão em estado de

tensão interna ou possuem tensões residuais (devidas a encruamento prévio ou ao estado

inteiramente martensítico3), uma vez que nessas condições um aquecimento muito rápido

pode provocar empenamento ou mesmo aparecimento de fissuras.

A temperatura de aquecimento é um fator determinado pela natureza do

processo, das propriedades e estruturas finais desejadas e da composição química do aço

(principalmente quanto ao teor de carbono). Quanto mais alta essa temperatura acima da zona

crítica4, maior segurança se tem da completa transformação das fases presentes e

solubilização de elementos de liga na fase γ (austenita), entretanto, maior será o tamanho de

grão da austenita.

3 Estado no qual a estrutura do aço é composta exclusivamente por martensita. 4 Zona onde ocorre a formação da austenita.


As desvantagens de um tamanho de grão excessivo são maiores que as

desvantagens de não se ter a total transformação das fases em austenita, de modo que se deve

procurar evitar temperaturas muito acima da linha superior (A3 - Figura 40) da zona crítica.

Figura 40 - Diagrama de fases do sistema Fe-Fe3C, evidenciando as linhas A1, A2, A3 e ACM.

Na prática, o máximo que se admite é 50 ºC acima de A3 para aços

hipoeutetóides. Para aços hipereutetóides, a temperatura recomendada é inferior à da linha

ACM.

A influência do tempo de permanência do aço à temperatura de aquecimento

escolhida é mais ou menos idêntica à da máxima temperatura de aquecimento, ou seja, quanto

mais longo o tempo de permanência à temperatura considerada, mais completa a

transformação das fases e solubilização de elementos de liga presentes na fase γ, entretanto

maior o tamanho de grão resultante. Procura-se utilizar o tempo necessário para que a

temperatura seja uniforme em toda a seção da peça.

O resfriamento é o fator mais importante de um tratamento térmico, pois ele

que determinará definitivamente a estrutura e, conseqüentemente, as propriedades finais dos

aços. Cuidados devem ser tomados para que os resfriamentos não sejam demasiadamente

lentos, resultando estruturas com baixa resistência mecânica e baixa dureza, ou então

resfriamentos bruscos demais, causando empenamento ou até mesmo ruptura da peça devido

A1

A3

ACM

A2 760

Aços hipoeutetóides

Aços hipereutetóides


às tensões causadas pelas diferenças de temperatura ao longo da seção da peça. Os meios mais

comumente utilizados são: soluções aquosas, água, óleo e ar, os quais podem estar em

repouso ou em agitação. As soluções aquosas são os meios mais drásticos de resfriamento,

seguido pela água, óleo e ar, menos drásticos (Figura 41.

Figura 41 - Velocidade de resfriamento em diferentes meios.

8.1. RECOZIMENTO

É o tratamento térmico realizado com o fim de alcançar um ou mais dos

seguintes objetivos:

� Remover tensões devidas aos tratamentos mecânicos a frio ou a quente;

� Diminuir a dureza para aumentar a usinabilidade do aço;

� Alterar as propriedades mecânicas como resistência, ductilidade, etc.;

� Modificar as características elétricas e magnéticas;

� Ajustar o tamanho de grão;

� Regularizar a textura bruta de fusão;

� Remover gases;

� Produzir uma microestrutura definida;

� Eliminar os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânicos a que

o aço tiver sido submetido.

O recozimento pode ser total (ou pleno), isotérmico ou para alívio de tensões.


8.1.1. Recozimento total (ou pleno)

Consiste no aquecimento do aço acima da zona crítica, durante o tempo

necessário e suficiente para se ter solução do carbono ou dos elementos de liga na austenita,

seguido de um resfriamento muito lento, realizado ou mediante o controle da velocidade de

resfriamento do forno ou desligando-se o mesmo e deixando que o aço resfrie ao mesmo

tempo que ele. Nessas condições, obtém-se perlita grosseira que é a estrutura ideal para

melhorar a usinabilidade dos aços de baixo e médio carbono.

Para aços de alto carbono, a perlita grosseira não é vantajosa sob o ponto de

vista da usinabilidade e neles prefere-se uma estrutura diferente, a esferoidita (Figura 42),

obtida pelo coalescimento. Este pode consistir em qualquer uma das seguintes operações:

� Aquecimento prolongado de aços laminados ou normalizados a uma

temperatura logo abaixo da linha inferior da zona crítica A1, também

conhecido como recozimento subcrítico;

� Aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas logo acima e

abaixo de A1, ou seja, fazer a temperatura de aquecimento oscilar em torno

de A1 (recozimento cíclico).

Figura 42 - Aspecto micrográfico da esferoidita (cementita globulizada).

A temperatura para recozimento pleno é de mais ou menos 50 ºC acima do

limite superior da zona crítica – linha A3 – para os aços hipoeutetóides e acima do limite

inferior – linha A1 – para os hipereutetóides (Figura 43). Os constituintes estruturais que

resultam do recozimento pleno são: perlita e ferrita para os aços hipoeutetóides, cementita e

perlita para os aços hipereutetóides e perlita para os aços eutetóides.


Figura 43 – Diagrama esquemático de transformação para recozimento pleno.

8.1.2. Recozimento isotérmico

Consiste no aquecimento do aço nas mesmas condições que para o recozimento

total, seguido de um resfriamento rápido até uma temperatura dentro da porção superior do

diagrama de transformação isotérmico, onde o material é mantido durante o tempo necessário

a se produzir a transformação completa. Em seguida, o resfriamento até a temperatura

ambiente pode ser acelerado (Figura 44).

Os produtos resultantes desse tratamento térmico são também perlita e ferrita

(para aços hipoeutetóides), perlita e cementita (para aços hipereutetóides) ou só perlita (para

aços eutetóides). A estrutura final, contudo, é mais uniforme que no caso do recozimento

pleno. Além disso, o ciclo de tratamento pode ser encurtado sensivelmente de modo que o

tratamento é muito prático para casos em que se queira tirar vantagem do resfriamento rápido

desde a temperatura crítica até a temperatura de transformação e desta à temperatura

ambiente, como em peças relativamente pequenas que possam ser aquecidas em banhos de sal

ou de chumbo fundido.

Para peças grandes, entretanto, o recozimento isotérmico não é vantajoso sobre

o pleno, visto que a velocidade de resfriamento no centro de peças de grande secção pode ser

tão baixa que torna impossível o seu rápido resfriamento à temperatura de transformação.

Temperatura eutetóide

Mi

Mf

Curva de resfriamento


Figura 44 – Diagrama esquemático de transformação para recozimento isotérmico ou cíclico.

8.1.3. Recozimento para alívio de tensões

Consiste no aquecimento do aço a temperaturas abaixo do limite inferior da

zona crítica. O objetivo é aliviar as tensões originadas durante a solidificação ou produzidas

em operações de transformação mecânica a frio, como estampagem profunda, ou em

operações de endireitamento, corte por chama, soldagem ou usinagem.

Essas tensões começam a ser aliviadas a temperaturas logo acima da ambiente.

Entretanto é aconselhável aquecimento lento até pelo menos 500ºC para garantir os melhores

resultados. De qualquer modo, a temperatura de aquecimento deve ser a mínima compatível

com o tipo e as condições da peça, para que não se modifique sua estrutura interna, assim

como não se produzam alterações sensíveis de suas propriedades mecânicas.

8.2. NORMALIZAÇÃO

Consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica,

seguido de resfriamento ao ar. A normalização visa principalmente refinar a granulação

grosseira de peças de aço fundido. Freqüentemente, e com o mesmo objetivo, a normalização

é aplicada em peças depois de laminadas ou forjadas.

A normalização é ainda usada como tratamento preliminar à têmpera e ao

revenido, justamente para produzir estrutura mais uniforme, além de reduzir a tendência ao

empenamento e facilitar a solução de carbonetos e elementos de liga. Sobretudo nos aços liga


Mi

Mf



quando os mesmos são esfriados lentamente após a laminação, os carbonetos tendem a ser

maciços e volumosos, difíceis de se dissolver em tratamentos posteriores de austenitização. A

normalização corrige este inconveniente.

Os constituintes que se obtém na normalização são ferrita e perlita fina (para

aços hipoeutetóides), cementita e perlita fina (para aços hipereutetóides) ou apenas perlita

fina (para aços eutetóides). Eventualmente, dependendo do tipo de aço, pode obter-se a

bainita.

8.3. TÊMPERA

Consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura superior à

temperatura crítica (mais ou menos 50 ºC acima da linha A1 para os hipereutetóides) em um

meio como óleo, água, salmoura ou mesmo ar. O objetivo da têmpera é a obtenção da

estrutura martensítica (Figura 45), obtida quando a curva de resfriamento passa à esquerda do

cotovelo da curva em “C” no diagrama TTT, evitando-se assim a transformação da austenita.

A velocidade de resfriamento, nessas condições, dependerá do tipo de aço, da forma e das

dimensões das peças.

Um fator importante que deve ser considerado na têmpera, devido à ação que

exerce na estrutura final do aço, é a temperatura de aquecimento. Em princípio, qualquer que

seja o tipo de aço hipoeutetóide ou hipereutetóide – a temperatura de aquecimento para

têmpera deve ser superior à da linha de transformação A1, quando a estrutura consistirá de

grãos de austenita, em vez de perlita.

O aço sendo hipoeutetóide, entretanto, além da austenita, estarão presentes

grãos de ferrita. Assim sendo, um aço com tal estrutura, quando resfriado em água, por

exemplo, apresentará martensita conjuntamente com ferrita, pois esta que estava presente

acima da temperatura A1, não sofre qualquer alteração ao ser o aço temperado. Desta forma,

tem-se a têmpera ou endurecimento incompleto do material, o que geralmente deve ser

evitado, pois na têmpera visa-se obter máxima dureza.

Portanto, ao aquecer-se um aço hipoeutetóide para têmpera, deve-se elevar sua

temperatura acima do limite superior da zona crítica – linha A3 – pois então a sua estrutura

consistirá exclusivamente de austenita que se transformará em martensita no resfriamento

rápido subseqüente. É evidente que devem ser evitadas temperaturas muito acima da A3,

devido ao superaquecimento que se poderia produzir, e que ocasionaria uma martensita

acicular grosseira e de elevada fragilidade.


Ao contrário dos aços hipoeutetóides, os aços hipereutetóides são normalmente

aquecidos acima de A1, sem necessidade de se ultrapassar a temperatura correspondente a

ACM. De fato, acima de A1 o aço será constituído de grãos de austenita e pequenas partículas

de carbonetos secundários. No resfriamento subseqüente, a estrutura resultante apresentará

martensita e os mesmos carbonetos secundários. Como estes apresentam uma dureza até

mesmo superior à da martensita, não haverá maiores inconvenientes. Procura-se, por outro

lado, evitar, nesses aços hipereutetóides, aquecimento acima de ACM, visto que a austenita

resultante apresentará granulação grosseira, com conseqüente formação da martensita

acicular, cujos inconvenientes já foram apontados.

Figura 45 - Aspecto micrográfico da martensita.

Pelo que foi exposto sobre a natureza da estrutura martensítica, conclui-se que

a mesma se caracteriza por elevada dureza e por apresentar tensões internas consideráveis.

Simultaneamente a essas tensões, por assim dizer estruturais, o aço temperado caracteriza-se

por apresentar tensões térmicas. Estas são ocasionadas pelo fato de que materiais resfriados

rapidamente esfriam de maneira não uniforme, visto que a sua superfície atinge a temperatura

ambiente mais rapidamente do que as regiões centrais, ocasionando mudanças volumétricas

não uniformes, com as camadas superficiais contraindo mais rapidamente do que as regiões

internas. Como conseqüência, tem-se a parte central sob compressão, e as camadas mais

externas sob tração.

Desta forma, o aço após temperado apresenta-se em um estado de apreciáveis

tensões internas, tanto de natureza estrutural como de natureza térmica. Quando estas tensões

internas ultrapassam o limite de escoamento do aço, ocorre sua deformação plástica e as peças

apresentar-se-ão empenadas. Entretanto, se as tensões internas excederem o limite da

resistência à tração do material, então ocorrerão inevitáveis fissuras e as peças estarão

perdidas.


Essas tensões internas não podem ser totalmente evitadas, contudo podem ser

reduzidas mediante vários artifícios práticos e de vários tratamentos térmicos.

Os inconvenientes apontados, excessiva dureza da martensita e estado de

tensões internas, são atenuados pelo reaquecimento do aço temperado a temperaturas

determinadas. É óbvio que tal operação torna-se inócua se as tensões internas originadas

tiverem sido de tal vulto de modo a provocar a inutilização das peças. A operação mencionada

constitui o revenido.

8.4. REVENIDO

O revenido é o tratamento térmico que normalmente acompanha a têmpera,

pois elimina a maioria dos inconvenientes produzidos por esta; além de aliviar ou remover as

tensões internas, corrige as excessivas dureza e fragilidade do material, aumentando sua

ductilidade e resistência ao choque.

Recomenda-se que o revenido seja realizado logo após a têmpera, para

diminuir a perda de peças por ruptura, a qual pode ocorrer caso se decorra muito tempo para

realizar o revenido.

A temperatura para o revenido situa-se abaixo da zona crítica, entre 100 ºC e

700 ºC, e o tempo de permanência no forno varia de 1 a 3 horas (Figura 46). Quanto mais alta

a temperatura ou quanto maior o tempo do revenido, maior a diminuição da dureza do

material.

De uma forma geral, a dureza do material é afetada pela temperatura do do

revenido apresenta da forma que se segue:

� Entre 25 ºC e 100 ºC a dureza do material é pouco afetada;

� Entre 100 ºC e 250 ºC a dureza pode chegar a 60 RC. É conhecido como 1º

estágio do revenido;

� Entre 200 ºC e 300 ºC a dureza continua caindo. 2º estágio do revenido;

� Entre 250 ºC e 350 ºC a dureza alcança valores pouco superiores a 50 RC.

3º estágio;

� Entre 400 ºC e 600 ºC a dureza cai para valores de 45 a 25 RC;

� Entre 500 ºC e 600 ºC nos aços contendo Ti, Cr, Mo, V, Nb ou W ocorre

uma transformação conhecida como “endurecimento secundário”, devido à

precipitação de alguns carbonetos de liga;


� Entre 600 ºC e 700 ºC a estrutura resultante caracteriza-se por ser muito

tenaz e de baixa dureza, variando de 5 a 20 RC.

Figura 46 - Diagrama esquemático de transformação para têmpera e revenido.

8.5. TÊMPERA SUPERFICIAL

Esta operação tem por objetivo produzir um endurecimento superficial, pela

obtenção de martensita apenas na camada externa do aço. É aplicado em peças que, pela sua

forma e dimensões, são impossíveis de temperar inteiramente, ou quando se deseja alta dureza

e alta resistência ao desgaste superficial, aliadas a boa ductilidade e tenacidade do núcleo das

peças. É um tratamento rápido, o qual não exige fornos de aquecimento.

Vários são os motivos que determinam a preferência do endurecimento

superficial em relação ao endurecimento total:

� Dificuldade, sob os pontos de vista prático e econômico, de tratar-se de

peças de grandes dimensões nos fornos de tratamento térmico

convencional;

� Possibilidade de endurecer-se apenas áreas críticas de determinadas peças,

como por exemplo, dentes de grandes engrenagens, guias de máquinas

operatrizes, grandes cilindros, etc.;


Mi

Mf


Revenido


� Possibilidade de melhorar a precisão dimensional de peças planas, grandes

ou delgadas, evitando-se o endurecimento total. Exemplos: hastes de

êmbolos de cilindros hidráulicos;

� Possibilidade de utilizar-se aços mais econômicos, como aços-carbono, em

lugar de aços-liga;

� Possibilidade de controlar o processo de modo a produzir, se desejável,

variações em profundidades de endurecimento ou dureza, em seções

diferentes das peças;

� Investimento de capital médio, no caso de adotar-se endurecimento

superficial por indução e bem menor, no caso de endurecimento por chama;

� Diminuição dos riscos de aparecimento de fissuras originadas no

resfriamento, após o aquecimento.

Por outro lado, as propriedades resultantes da têmpera superficial são:

� Superfícies de alta dureza e resistência ao desgaste;

� Boa resistência à fadiga por dobramento;

� Boa capacidade de resistir a cargas de contato;

� Resistência satisfatória ao empenamento.

Sugere-se que, antes da têmpera superficial, seja realizado um tratamento de

normalização, a fim de obter-se uma granulação mais refinada e regular para a estrutura.

Em função da fonte de aquecimento, a têmpera superficial compreende dois

processos:

� Têmpera por chama;

� Têmpera por indução.

Na têmpera por chama, a superfície a ser endurecida é rapidamente aquecida à

temperatura de austenitização, por intermédio de uma chama de oxiacetileno (podem ser

utilizados outros gases combustíveis) e logo a seguir é resfriada por meio de um borrifo de

água, ou imersa em óleo.

Em geral dividem-se os processos de têmpera superficial por chama em três

métodos:


� Estacionário;

� Progressivo;

� Combinado.

No método estacionário a peça permanece fixa, e a chama desloca-se a fim de

aquecer a superfície a ser temperada.

Com o método progressivo, a peça se move e o maçarico permanece fixo.

No método combinado, a peça e o maçarico movem-se simultaneamente. Este

método requer o uso de máquinas ou dispositivos especiais. É aplicado, geralmente, em peças

cilíndricas e de grandes dimensões.

Na têmpera por indução, o calor é gerado na própria peça por indução

eletromagnética, utilizando-se, para isso, bobinas de indução através das quais flui uma

corrente elétrica. O aquecimento é mais rápido por esse processo, o qual apresenta ainda a

vantagem de bobinas de diversos formatos poderem ser facilmente construídas e adaptadas à

forma das peças a serem tratadas. Pode-se controlar a profundidade de aquecimento pela

forma da bobina, espaço entre a bobina de indução e a peça, taxa de alimentação da força

elétrica, freqüência e tempo de aquecimento.

Após a têmpera superficial os aços são revenidos geralmente a temperaturas

baixas, com o objetivo principal de aliviar as tensões originadas. A dureza final obtida varia

de 53 a 62 Rockwell C. A espessura da camada endurecida pode atingir até 10 mm,

dependendo da composição do aço e da velocidade de deslocamento da chama.


9. BIBLIOGRAFIA

CALLISTER, WILLIAM D. – Fundamentals of Materials Science and Engineering – 5th Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY – USA – 2001; CHIAVERINI, VICENTE – Tecnologia Mecânica - Materiais de Construção Mecânica Vol. III – 2ª Edição – Mc Graw Hill, São Paulo, SP – Brasil – 1986; MOREIRA, MARCELO F. – www.dalmolim.com.br/EDUCACAO/MATERIAIS/Biblimat/siderurgia2.pdf capturado em 10/03/2009 às 17h00, Brasil – 2009. POSTAL, MAURÍCIO – Materiais de Construção Mecânica – SENAI-MG/CETAL/FAM, Uberlândia, MG – Brasil – 1999.

Documents

Processos Siderúrgicos