Unidade Tematica1

7/17/2019 Unidade Tematica1

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Metalurgia da Soldadura II-I-1

Fabrica ão Classifica ão dos A os

UNIDADE TEMÁTICA I – FABRICAÇÃO DOS AÇOS

ÍNDICE TEMÁTICO

• Introdução à fabricação dos aços• Alto Forno• Processos de fabrico do aço• Procedimentos de acabamento• Vazamento e solidificação do aço• Processos de refusão• Origem dos defeitos dos aços• Classificação dos aços•

Actividades / avaliação

Objectivos Específicos

No final desta unidade temática, o formando deve estar apto a:

• Caracterizar as principais reacções químicas que ocorrem no Alto-Forno e naAciaria.

• Analisar comparativamente os processos estudados de fabrico dos aços.• Enumerar as formas de vazamento e solidificação do aço, bem como os defeitos

mais comuns nestas ligas.• Classificar os aços de acordo com os aspectos abordados.





INTRODUÇÃO À FABRICAÇÃO DOS AÇOS

Os métodos de fabricação dos aços são extremamente importantes para qualquer

técnico de soldadura e, portanto, também para o encarregado de soldadura, já que emcada processo de fabrico existem limitações práticas que afectam as características doproduto. Normalmente, são as próprias especificações dos materiais que determinamqual o processo de fabrico mais adequado à aplicação em causa.

Antes de passarmos a descrever estes processos pudemos antecipar que um dosaspectos que mais interessa ao utilizador do aço é o seu teor em gases dissolvidos,em especial o azoto. Com efeito, pequenas quantidades deste elemento afectamseriamente a dureza e as propriedades, introduzindo defeitos de difícil detecçãomediante ensaios não destrutivos.

Uma solução simples seria a de aceitar unicamente aços fabricados por processos queconseguissem eliminar esses gases.

Por exemplo, o procedimento Bessemer, que confere ao aço um elevado teor deazoto, é posto de parte na maioria das especificações de aços para recipientes sobpressão.

Outras impurezas não gasosas, como o enxofre e o fósforo, são prejudiciais a partir dedeterminadas concentrações pelo que as especificações limitam as quantidadesindividuais e conjugadas destes elementos no aço.

Um aço é, na sua essência, uma liga de ferro-carbono, sendo possível obtê-lo por doisprocessos diferentes. A Fig. 1 mostra um esquema geral da fabricação deste material.

Efeito do Azoto nosAços

Enxofre e o Fósforocomo impurezas





Fig. 1 Fabricação do Aço

A primeira via é aquela em que, a partir das matérias primas, tais como minério deferro, carvão mineral, carbonetos de cálcio, etc., se obtém o produto comercial que

conhecemos com o nome de aço, através de um semi-produto designado como gusa.Trata-se do processo seguido pela Siderurgia Integral.

Outro processo é o da reciclagem dos aços que por alguma razão, deixaram de serúteis para o fim que se lhes destinou - equipamentos fabris, automóveis e maquinaria,etc. Este material é agora considerado como sucata, podendo ser refundido em fornoseléctricos e tratado para obter produtos comercializáveis.

É contudo através do primeiro caminho que se obtém a maior parte dos aços utilizadosna indústria. Basicamente obtêm-se por esta via aços não ligados e produtosfundamentais, tais como: perfis, chapas e arame.

Pela segunda via, quer dizer, mediante a refusão de sucatas, produz-se a maior parte

dos aços especiais, quer sejam de baixa, média ou alta liga. A instalação principal podeser o forno eléctrico, o qual, dado a sua facilidade de controlo e versatilidade defuncionamento, é o mais utilizado na actualidade para o fabrico de aços ligados.

Siderurgia Integral

Recuperação de Sucatas





Para os utilizadores, não só tem interesse a fase da redução do minério, mas tambéma sua afinação, a qual se leva a cabo nas acearias. Por isso, quando numa dadanorma se faz referência à fabricação do aço, este processo começa na acearia e nãona preparação do minério e do carvão para obter o lingote. Contudo, para se entendermelhor o processo geral, vamos abordar seguidamente o conjunto das operações que

vão desde as matérias primas até ao produto acabado.alto Forno

O Alto Forno é a instalação principal para a redução dos minérios de ferro, compostosessencialmente por carbonatos deste metal. O facto de cerca de 5% da crosta terrestreser composta por ferro, justifica a utilização preferencial do aço em construções.

Existem, contudo, outros procedimentos utilizados em zonas que dispõem de umagente redutor mais económico que o carvão, como o gás natural, ou em que o minérioapresenta características especiais que impossibilita o seu tratamento por aquelesistema.

A forma e tamanho do Alto Forno têm evoluído até aos nossos dias. A Fig. 2 ilustra

esquematicamente os componentes essenciais que o constituem.

Fig. 2 Esquema do Alto Forno

Alto Forno





As reacções mais importantes que têm lugar no Alto Forno são as seguintes:1. Combustão do coque, (o carvão mineral isento de fracções voláteis) para produzir

monóxido de carbono, CO. Esta reacção liberta uma determinada quantidade decalor que é aproveitada para elevar a temperatura da massa em reacção eaumentar, assim, a velocidade da própria reacção. O CO é o elemento redutor

fundamental, utilizado por esta instalação.2. O CO reage com os óxidos de ferro produzindo Fe metálico e CO2, saindo esteúltimo nos gases expelidos pela parte superior do Alto Forno.

No Alto Forno reduzem-se também as impurezas que acompanham o mineral,nomeadamente a totalidade dos fosfatos, a maior parte dos minerais de manganês,parte da sílica e algum outro metal que possa acompanhar ou formar parte da "ganga"do mineral.

O C, que não foi transformado em CO, dissolve-se no ferro reduzido, dando origem aum produto rico naquele elemento (podem atingir-se teores superiores a 4%), o qualserá significativamente reduzido nas operações posteriores para obtenção do aço.

Este produto do Alto Forno, no estado líquido, é conhecido pelo nome de "gusa". Apóssolidificação, recebe o nome de "lingote".

Uma das limitações que o Alto Forno impõe à sua alimentação é a granulometria.

Não se podem utilizar minérios finos nem pulverulentos, que impeçam que as reacçõesse processem de uma forma eficaz, podendo inclusivamente a corrente gasosa, queexiste no seu interior arrastar o pó, obstruindo o respectivo escoamento. Como asquantidades de mineral utilizadas no processo de tratamento de sólidos sãoconsideráveis, desenharam-se instalações auxiliares que recuperam estes materiais,transformando-os noutros de maior granulometria e com características adequadaspara poderem ser tratados no Alto Forno. Estas instalações são denominadas fábricasde sinterização.

Outra solução para aproveitamento de minérios pulverulentos é a denominadapelitização, que consiste em fabricar bolas com o pó do minério. Estas sãoposteriormente cozidas, com o intuito de atingirem resistência mecânica adequada, ecarregadas no Alto Forno.

Quando o carvão não pode ser introduzido directamente no forno, é necessárioeliminar previamente os compostos voláteis e condensáveis que se produzem aodestilá-lo na ausência de ar. Esta operação efectua-se nas chamadas baterias decoque, exigindo aos carvões certas características de forma a que, quando destilados,originem um produto poroso de adequada resistência à compressão, de modo apermitir a passagem do ar insuflado pelas caixas de vento, aumentando, assim, a suasuperfície esférica e a sua reactividade : C + O2 ↔ CO + CO2 .

Este tratamento prévio do carvão supõe um consumo apreciável na redução dosminérios de ferro.

Processos de fabrico do aço

Na fabricação do aço ocorrem processos de purificação e afinação da mistura de gusae de sucata, que permitem obter as composições químicas previstas nas diferentesespecificações.

A gusa fundida vem directamente do Alto Forno ou então é transportada em colheresou misturadores, os quais são utilizados para misturar e armazenar o material fundidoprocedente do mesmo Alto Forno. O processo pressupõe a fusão da sucata e a adição

de elementos de ligas. Nos aços especiais os elementos de ligas adicionam-se naforma de ferro-ligas na última fase, depois da eliminação do P e S, já que as condiçõesoxidantes necessárias para eliminar estas impurezas poderiam ao mesmo tempo

Gusa

Fábricas deSinterização

Pelitização

Técnicas depurificação eafinação da Gusa

Reacções no AltoForno





eliminar os elementos de liga.

Antes da descrição destes procedimentos de fabricação, vamos abordar de uma formaresumida, o que se entende por processo ácido e processo básico.

O óxido de cálcio, ou cal, é a substância principal utilizada para eliminar o S e o P

através da escória. Contudo, se num forno se utiliza cal juntamente com um refractárioà base de silício, formam-se silicatos cálcicos e a cal arrasta e desgasta rapidamenteos refractários.

Por esta razão, as escórias básicas de alto teor em cal necessitam de refractáriosbásicos como o MgO, ou pelo menos neutros como o Cr 2O3. Os processos queutilizam um aditivo como o CaO juntamente com um refractário básico sãodenominados processos básicos. Aqueles em que se adiciona, por exemplo, granitopara produzir escória ácida com um ponto de fusão adequado e que utilizamrefractários à base de silício designam-se por processos ácidos.Para além do tipo de refractário, a fabricação do aço é classificada consoante a origemdo calor utilizado no processo:1. Processos em que o calor necessário para a fusão do aço se obtém mediante

gases combustíveis derivados do petróleo ou através de energia eléctrica.2. Processos em que o calor necessário é conseguido por meio de uma reacçãodirecta entre O2 e impurezas tais como o C, Si e P contidas na gusa. Esteselementos denominam-se termogéneos.

PROCESSO BESSEMER

A exploração industrial deste método de fabrico foi iniciada no Reino Unido, tendo sidoBessemer a primeira pessoa a idealizar um processo para a fabricação do aço, atravésda injecção de ar numa dada massa de gusa. Nessa altura, não se conhecia ainfluência do refractário, pelo que se utilizavam unicamente tijolos de SiO2 norevestimento. A sua natureza ácida impedia a eliminação de S e P, sendo o C e o Si oselementos termogéneos deste processo.

O fundo do convertidor é perfurado por uma série de orifícios que o atravessam,denominados de tubeiras, tal como se mostra na Fig. 3. Quando carregado, o

convertidor encontra-se na posição vertical.

Processo básico eÁcido de afinação daGusa

Processo Básico

Processo Ácido

Processo Bessemer





Fig. 3 Convertidor Bessemer

Funcionamento

A gusa não deve estar nunca em contacto com a caixa de ventilação ou com astubeiras, dado o perigo de a massa líquida as obstruir ou deteriorar o seu fundo. Poreste motivo, tem de se regular cuidadosamente a pressão de entrada de ar através dastubeiras, já que, se ela for menor que a necessária, existe o risco de obstrução e se for

maior, pode haver projecção de aço a uma altura considerável. Assim a pressão deveser a apropriada para equilibrar o peso de aço e criar uma atmosfera de ar próximo dastubeiras.

O processo tem uma duração de cerca de 30 minutos e o seu controlo é difícil, já que,devido ao efeito de refrigeração causada pelo azoto, a temperatura final é muito baixa,não se dispondo de tempo suficiente para analisar e ajustar a composição química. Osfundos só poderiam suportar uma média de 20 vazamentos, havendo o risco de sedeteriorarem logo após as primeiras utilizações.

Utilização

Com este processo podem-se tratar gusas com teores de 1,5 a 2,5% de manganês. A

ordem de oxidação é a seguinte: Si-C-Mn. As ferroligas de Mn e Si são adicionadas nofinal do processo de afinamento para eliminar o FeO dissolvido no banho através da

Princípio deFuncionamento doProcesso





passagem dos respectivos óxidos e escória.

Perspectivas

Este convertidor tratava originalmente minérios cujo teor em fósforo era tão pequenoque não era necessário eliminar este metalóide para se produzirem os aços comuns.

Hoje em dia esses minérios estão praticamente esgotados, pelo que o processoBessemer deixou de ser utilizado industrialmente, desde o início da década de 70.

Uma versão deste convertidor, mas com revestimento básico, foi desenvolvida porGilchrist Thomas, estando também hoje em dia a sua utilização praticamente reduzidaa zero.

Outro factor importante, para além da sua pequena capacidade para receber sucata, éa baixa qualidade do aço, especialmente devido ao alto teor de azoto, já que apassagem do ar através da massa fundida satura completamente aquele elementogasoso.

PROCESSO SIEMENS MARTIN

Foi até há relativamente pouco tempo o processo mais utilizado. A Cuba, tal como semostra na Fig. 4, é um recipiente de grande diâmetro e pequena profundidade, menosde um metro, capaz de conter até cerca de 300 toneladas de aço.

Dispõe de um tecto refractário suspenso a cerca de dois metros da superfície. Aschamas de gás natural, Alto Forno, Coqueria etc, cobrem o espaço por cima dasuperfície do material fundido.

Fig. 4 Cuba Siemens Martin

A cuba do forno tem um revestimento básico ou à base de tijolos de CaO, com oobjectivo de assim se poder tratar uma vasta gama de misturas de gusa e sucata,incluindo grandes e pesadas peças desta última, difíceis de carregar noutro tipo deConvertidor. A operação é lenta dado que se necessitam de 6 a 8 horas para afinaruma carga, sendo esta a razão por que se tem vindo a substituir este método defabrico pelos processos LD e Forno Eléctrico.

Contudo, a lentidão de fabrico permitia realizar várias análises para controlar acomposição química final, de forma muito precisa. Com o actual desenvolvimento dainstrumentação, consegue-se um controlo similar em processos mais rápidos, pelo quea vantagem do Convertidor Siemens-Martin desaparece. A temperatura máxima não émuito superior à da fusão do aço e a absorção de azoto é relativamente pequena.

A reacção neste processo é a seguinte:

( ) ( )( )CaOOPfractárioReCaOOPOP 52522 →+→+

Processo SiemensMartin

Princípios de

Funcionamento doProcesso





A escória, rica em fósforo, é solúvel na água e é utilizada na agricultura como adubo.

A oxidação das principais impurezas realiza-se através da adição de minérios de ferro(principalmente óxidos), os quais reagem com o carbono para formar CO. Este gásatinge a superfície produzindo um efeito de ebulição, o que contribui para

homogeneizar a composição química de toda a carga.Como há um consumo do refractário durante o processo, adiciona-se-lhe CaO, deforma a aumentar a sua duração. Neste processo os teores de S e P podem serreduzidos a níveis inferiores a 0.04%, através da sua passagem à escória comosulfatos e fosfatos cálcicos. Eliminar o fósforo requer, contudo, condições fortementeoxidantes, perdendo-se todo o Mn, Si, e C antes de se eliminar aquele elemento. Poresta razão tem de se adicionar estes elementos sob a forma de ferro-ligas depois dasescórias fosforosas terem sido eliminadas.

Utilização

O processo Siemens Martin utiliza-se principalmente para produzir aços não ligados e

de baixa liga com menos de 2% de Crómio, ainda que, em alguns casos, com injecçãoextra de oxigénio, se cheguem a conseguir ligas mais ricas e até aços inoxidáveisausteníticos do tipo 18Cr - 8Ni. Contudo é difícil reduzir o C nos aços com elevadapercentagem de Cr, preferindo-se nestes casos o forno eléctrico, que é, por seu lado, oexigido pela maioria das especificações da American Society for Testing and Materials,ASTM .

Perspectivas

Actualmente, este processo já quase não é utilizado. A causa fundamental é o seuelevado consumo de energia. Efectivamente, este processo necessita de uma grandequantidade de calor, o que encarece de forma extraordinária o preço do aço,diminuindo a sua competitividade. A qualidade dos aços produzidos por este processo

é, contudo, muito boa.

PROCESSO L.D.

O nome deste processo de fabrico de aço vem das iniciais de duas cidades austríacasLinz e Donawitz , cujas siderurgias foram as pioneiras na sua utilização industrial.

Entre os anos de 1935 e 1945, as siderurgias Belgas, Francesas e Alemãs realizaramensaios e testes para a fabricação de aço, com a utilização de oxigénio, enriquecendoo ar que se insuflava nos convertidores Thomas .

Descrição

Na sua essência, este processo consiste num desenvolvimento do antigo ConvertidorBessemer , substituindo a insuflagem de ar pela injecção de oxigénio projectado a umapressão adequada, entre 6 e 15 kg/cm2 em função da espessura da camada deescória, de forma a poder atravessá-la e chegar até ao banho metálico, sem entrarnela em demasiada profundidade.

O oxigénio com uma pureza mínima de 99% é lançado sobre o material fundidoatravés de orifícios existentes na tubeira situada no extremo de uma lança refrigerada aágua ou por meio de bocas localizadas nos lados ou no fundo do Convertidor.

O revestimento interno é de natureza básica com tijolos à base de magnésio. A suaespessura, de acordo com o tamanho do Convertidor, varia entre 300 e 800 mm. NaFig. 5 mostra-se em esquema uma secção de um convertidor do tipo LD .

Processo L.D.

Princípio deFuncionamento doProcesso





Fig. 5 Esquema do processo LD para fabricação de aço por meio da

sopragem de oxigénio puro

Funcionamento

O Convertidor trabalha sem adição de combustível ou potência eléctrica equivalente. Ooxigénio actua como elemento oxidante. O calor é originado na combustão do excessode silício, carbono e fósforo

Neste processo são fundamentais a pressão de sopro, a altura da lança sobre o banho- que varia durante a operação entre 1 e 1,5m - e a pureza do oxigénio. Para gerar aescória, adiciona-se cal ou caliça.

Atingem-se em pouco tempo temperaturas muito elevadas, da ordem dos 2 500 a 3000°C, as quais facilitam e aceleram a reacção. As escórias formam-se rapidamente eo desaparecimento de impurezas é quase simultâneo.

Com efeito, nos primeiros minutos da sopragem, começa a eliminação do silício e,quase ao mesmo tempo, a do manganês. O carbono e o fósforo começam a sereliminados um pouco depois, de forma contínua, durante toda a operação.

O enxofre e o fósforo podem ser reduzidos aos baixos níveis exigidos nas actuais

especificações.

Devido à brevidade do ciclo, é necessário facilitar as operações de carga e descarga.Isto obriga a situar os Convertidores sobre estruturas que permitam o seudesenvolvimento.

Nas Fig. 6 e Fig. 7 mostram-se os processos Kaldo e Rotor , variantes do processo LD .Estes processos são utilizados para tratar gusas fosforosas utilizando uma mistura deoxigénio com 95% de pureza e de cal em pó. Estes Convertidores rodam em torno doseu eixo principal, o que ajuda a homogeneizar a temperatura e a composição química.

Fig. 6 Processo Kaldo





Fig. 7 Esquema de operação do processo rotor para fabricação de aço

Utilização

O investimento necessário numa instalação LD corresponde a cerca de metade deuma acearia Siemens Martin . O convertidor LD é muito versátil pois tem a vantagem deutilizar uma grande quantidade de gusa líquida, a qual é a principal matéria prima paraa fabricação dos aços, e pode carregar de 10 a 30% de sucata. Partilha com o FornoEléctrico a facilidade de eliminar as escórias.

A utilização de oxigénio puro leva à obtenção de teores em Azoto da ordem de 0.002%a 0.004%.

O aço produzido tem uma qualidade similar ao do processo Siemens - Martin , sendo,

porém o seu custo menor, devido, entre outras razões, à economia do refractário.

Perspectivas

A capacidade típica deste Convertidor varia entre 250 a 300 toneladas, sendo a suaprodutividade muito elevada devido à rapidez da operação. Com efeito, com umConvertidor de 300 toneladas pode-se ter o que em Siderurgia se chama "Tap to Tap",isto é, um ciclo de cerca de 50 minutos.

Este processo, que é uma contribuição europeia para a Indústria Siderúrgica, temsofrido nos últimos anos uma grande expansão, ocupando destacadamente o primeirolugar entre os sistemas de fabricação de aços no mundo.

PROCESSO DE FORNO ELÉCTRICO

Dado o número de unidades em funcionamento na indústria, trata--se do processo defabricação de aços especiais mais utilizado.

O sistema de transmissão de calor é feito por arco eléctrico ou por indução, sendo oprimeiro o mais utilizado para fornos de média e grande capacidade.

Descrição

O Forno Eléctrico por arco é um recipiente vertical revestido de refractário, maiscompacto e espesso que o do Convertidor Siemens Martin .

O revestimento pode ser básico ou ácido.

Vantagens doprocesso L.D.

Processo de FornoEléctrico

Princípios deFuncionamento





O primeiro, à base de tijolos de magnésio ou dolomite, é o mais utilizado em açosespeciais. O ácido, com soleira à base de areia siliciosa, é utilizado sobretudo parafabricar peças de aço forjado.

O Forno trifásico possui na sua parte superior três eléctrodos de grafite presos emsuportes roscados, dispostos nos vértices de um triângulo equilátero e com diâmetro

variável entre 100 a 800 mm, consoante o tamanho do forno. Estes eléctrodosconsomem-se à razão de 5 a 6 Kg de grafite por tonelada de aço produzido.

Da mesma forma, a tensão eléctrica varia entre os 100 e 500 V e a intensidade entreos 10 000 e os 50 000 A.

Os eléctrodos operam como grandes sistemas de soldadura, dirigindo o arco eléctricodirectamente sobre a parte superior da carga, subindo e descendo automaticamentepara controlar a corrente do arco, e, desta forma, regular a potência do mesmo.

A Fig. 8 mostra a secção de um Forno Eléctrico, no qual uma camada de escória isolaos eléctrodos do banho, evitando-se desta maneira a absorção de carbono procedentedos mesmos.

1 - Tijolos de Silício2 - Tijolos com elevado teor em alumínio3 - Tijolos de óxido de magnésio4 - Tijolos de argila refractários Fig. 8 Forno Eléctrico (Heroult)

Funcionamento

A carga do Forno é constituída fundamentalmente por sucata. No banho, leva-se acabo uma reacção de oxidação-redução ou "Reacção Redox ". Durante a fusãooxidante, elimina-se o fósforo (como fosfato tricálcio) e, durante a fase redutora, oóxido de ferro dissolvido no banho, bem como o enxofre, são eliminados (comosulfuretos cálcicos) à medida que vai desaparecendo o FeO. O controlo do tipo deatmosfera no banho é fácil.

O calor concentra-se na parte superior da carga, sendo necessário, em geral, utilizarbobinas electromagnéticas de forma a se induzir uma agitação no recipiente, para queo material mais frio do fundo atinja a superfície e vice-versa.

Quando se carregam grandes quantidades de gusa, estas oxidam-se com gangas deferro de forma similar ao processo Siemens - Martin ou então injecta-se um jacto de





oxigénio.

Para gerar a escória adiciona-se cal, caliça e, em certos casos, coque.

É fácil eliminar as primeiras cargas de escória enriquecidas de enxofre e fósforo esubstituí-las por uma escória nova e fina de cal/silício, a qual tende a englobar

rapidamente mais S e P procedentes do metal.Quando se utilizam escórias básicas, o Forno Eléctrico pode conseguir quantidadesmenores de fósforo e enxofre do que as obtidas no Convertidor Siemens - Martin .Teores de 0.03% de cada elemento e inclusivamente, próximos de 0.015% sãofrequentemente obtidos.

O teor em azoto tende a ser elevado devido às elevadas temperaturas debaixo doseléctrodos, embora se obtenha um nível aceitável deste elemento para a maioria dasespecificações existentes.

As ferro-ligas adicionam-se tanto no Forno como no vazamento, sendo este o processomais adequado para a fabricação dos aços especiais.

Utilização

O factor facilidade de carga do recipiente faz deste processo o sistema ideal para fundirsucata de baixa densidade, tal como carrocerias compactadas de automóveis e aparasde tornos e outras máquinas e ferramentas.Embora a sua aplicação nos aços não ligados não seja económica, utiliza-se esteprocesso sempre que existe excesso de capacidade. É melhor que o processoSiemens Martin e LD para fundir e afinar uma carga composta por 100% de sucata,podendo ser operado com alguma economia, admitindo até 50% de gusa. Trata-se dométodo mais utilizado na fabricação de aço forjado.

Perspectivas

O preço destes aços está intimamente ligado ao preço da KW.hora e da sucata, peloque será sempre ditado pela conjuntura em que se insere.Procedimentos de acabamento

Os aços produzidos através dos processos atrás descritos contêm, em geral, pouco C,Mn e Si já que o fósforo não pode ser oxidado sem oxidar também estes elementos.

Para produzir aços conforme as especificações é preciso adicionar C, Mn, Si e outroselementos, momentos antes de verter o aço nas lingoteiras ou, às vezes, depois de ofazer. Estes elementos são adicionados sob a forma de ferro-ligas.

O Mn adiciona-se sempre em quantidade suficiente para reagir com todo o enxofre

residual, pois caso contrário seria impossível laminar a quente ou forjar o aço.O Si é fundamental para calmar o aço ou seja para decompor o óxido de ferro,combinando-se preferencialmente com o oxigénio.

Existem vários processos de purificação para melhorar a qualidade do aço, sendoutilizados entre a fabricação e o vazamento. De entre estes destacam-se os seguintes:• Desgaseificação em vácuo.• Descarbonação em atmosfera de Árgon-Oxigénio.

Vantagens

Introdução deelementos liga parapurificação do Aço

Processo de -purificação





No Quadro 1, apresentam-se os teores de gases contidos no aço consoante a fasede fabrico.

GASES DISSOLVIDOS NO AÇO

Solubilidademáxima àtemperatura devazamento%

Valores antes dadesgaseificaçãodo açoSiemens-Martin%

Valores do mesmoaço desgaseificadoem vácuo%

H2 0,0027 0,0005-0,0008 0,00023

O2 0,22 0,004-0,005 0,002

N2 0,038 0,003-0,006 0,002

Quadro 1 Teores dos diferentes gases dissolvidos no aço

O processo de desgaseificação em vácuo encontra-se normalizado para preparargrandes massas de aço com destino à forja. Por vezes este processo é utilizado parareduzir o carbono dos aços inoxidáveis austeníticos a valores exigidos nos graus ELC (Extra Low Carbon).

O processo de descarbonação, denominado simplesmente de AOD (Argon OxygenDescarburization) tem a finalidade de reduzir a valores muito baixos o teor dos açosinoxidáveis em carbono, bem como de permitir no acabamento dos aços, a utilizaçãode ferro-ligas com altas percentagens em carbono, as quais são mais fáceis deencontrar no mercado.

Vazamento e solidificação do açoUtilização de vazamentos intermédios

O aço fundido procedente de qualquer dos processos de fabrico atrás descritos évazado em recipientes metálicos, revestidos interiormente de refractário de alto teor emalumínio, com um orifício ou fenda, o qual é fechado por uma válvula accionável doexterior, através de uma alavanca.

Este passo intermédio do aço fundido tem um duplo objectivo:• Facilitar uma separação das escórias adicional e final.• Permitir que a temperatura do aço baixe para os valores mais adequados ao

método de moldação escolhido. Estas temperaturas são controladas através de

pirómetros imersos no banho de aço em fusão.

Os sistemas de vazamento utilizados são os seguintes:• Vazamento em lingoteira.• Vazamento contínuo.• Moldagem de peças de aço.

Os dois primeiros são a base dos produtos forjados e laminados.

VAZAMENTO EM LINGOTEIRA

A lingoteira é um molde de fundição de secção poligonal, sendo a quadrada e arectangular a mais usual. A sua capacidade é muito variável, utilizando-se com maior

frequência as de 5 e 10 toneladas.

Purificação pordesgaseificação emvácuo

Objectivos dosVazamentosintermédios

Sistemas deVazamento

Purificação pordescarbonação

Vazamento em

lingoteira





Os aços não solidificam a uma temperatura fixa, mas sim num determinado momento,consoante o seu teor em carbono.

Quando o aço fundido arrefece até à gama de temperaturas a que se inicia a

solidificação, a solubilidade dos gases dissolvidos decresce, obrigando o excessodesses gases a sair do metal.

É muito importante saber que o equilíbrio químico entre o carbono e o oxigénio semodifica quando a temperatura baixa, de tal forma que ambos os elementos reagementre si para formar monóxido e dióxido de carbono.

A quantidade de gases e o oxigénio residual dissolvido no aço líquido e os gasesgerados durante a solidificação influenciam o tipo de estrutura do lingote.

Aços Calmados

São aços que se obtêm adicionando Fe, Mn, FeSi ou grenalha de Al. Algumas acearias

juntam SiNn, SiCa. O objectivo é eliminar o FeO e o oxigénio dissolvidos. Esteprocesso de eliminação de oxigénio denomina-se de desoxidação. As principaisreacções químicas que ocorrem são as seguintes:

Si + 2 O2 → SiO2 Mn + O → MnO

2 Al + 3 O → Al2O3

O aço ao solidificar lentamente nas lingoteiras não liberta gases. Como inconvenientedestacam-se as grandes cavidades de contracção (rechupes) que inevitavelmente seproduzem na parte superior do lingote, como se pode ver na Fig. 9 , as quais sãoeliminadas através do gito.

Fig. 9 Aparecimento de rechupe durante a solidificação de aço calmado na

lingoteira

É precisamente neste apêndice oco, com forma de cilindro ou tronco de cone, que seproduz a segregação da maior parte das impurezas e se forma o rechupe. Esta partedo lingote é de muito baixa qualidade pelo que se corta e se envia para a sucata. Osaços calmados apresentam-se praticamente isentos de porosidades.

Aços Efervescentes

Ao solidificar nas lingoteiras produzem uma forte efervescência e um grandedesprendimento de gases e salpicos.

Aços Calmadoseliminam asporosidades

Aços efervescentestêm um grande índicede porosidade

Desoxidação





São fabricados adicionando-se-lhes FeMn, o que eleva as características mecânicasdos aços, mas não havendo, contudo, uma desoxidação completa.

Neste caso, o volume total dos poros que aparecem dispersos no lingote solidificado éaproximadamente igual ao volume de contracção que sofre o aço durante asolidificação (Fig. 10).

Fig. 10 Lingotes de Aço Efervescente

Estes aços, como o ASTM-A-285 em chapa e ASTM-A53 em tubo, não são adequadospara serem utilizados em atmosferas contendo hidrogénio, já que este atravessaria a

estrutura ferrítica alojando-se nas porosidades internas, podendo provocar o fenómenode "blistering" detectável na periferia externa do lingote (Fig. 11).

Fig. 11 Fenómeno de "Blistering"

Aços Semi-Calmados

Trata-se de aços de um grau intermédio entre os dois tipos anteriores. São pouco

utilizados, já que são difíceis de fabricar (Fig. 12).





Fig. 12 Lingote de aço semi-calmado

Vazamento contínuo

Um esquema de uma instalação de vazamento contínuo é apresentado na Fig. 13.Neste caso é utilizado, à saída do recipiente que contém o aço no estado líquido, ummolde de cobre arrefecido a água.

Fig. 13 Instalação de vazamento contínuo

À medida que o aço vai solidificando no fundo do molde. O material desloca-se no

sentido descendente, afluindo novo líquido ao molde. O vazamento e movimentodescendente são sincronizados ao ritmo da solidificação periférica, favorecendo oprocesso contínuo.

Este processo melhora o rendimento da Siderurgia já que elimina os lingotesindividuais, reduz as etapas de fabricação, aproveita energia e aumenta aprodutividade.

Processos de refusão

Para a fabricação de aços especiais de alta pureza utiliza-se um método que tem porfinalidade voltar a fundir lingotes já processados.

São utilizados sobretudo os seguintes processos industriais:• Refusão por electroescória.• Refusão por arco no vácuo.

Princípio deFuncionamento

Vazamento Contínuo

Aplicação da Refusão

Tipos de Processosde Refusão





O primeiro processo abreviadamente designado por ESR (Electroslag Remelt) produz um lingote de material limpo e uniforme através da fusão de um lingoteconvencional imerso em escória fundida. A escória actua como catalisador paraeliminar as impurezas. A fusão tem lugar conforme se mostra na Fig. 14 quando olingote original, actuando como eléctrodo, desce na escória contida num cadinho de

cobre refrigerado por água.

Fig. 14 Processo de Refusão por electroescória (ESR)

Produzem-se assim, a um ritmo controlado, muitas pequenas gotas de metalenvoltas em escória fundida, a qual reage com o aço para eliminar o enxofre eoutras inclusões não metálicas.

O processo de refusão por arco no vácuo, designado abreviadamente VAR (VacuumArc Remelt), utiliza um lingote fabricado num Forno Eléctrico ou de indução, ligadocomo um eléctrodo a uma fonte de energia. Este lingote é colocado num molde dediâmetro ligeiramente superior.

O molde actua como um Forno ligado a um sistema de vácuo que produz ao mesmotempo no aço um efeito de afinamento, reduzindo o seu teor de hidrogénio e de outrosgases dissolvidos.

Origem dos defeitos dos aços

Os defeitos ou imperfeições dos aços são causados pela própria natureza dosprocessos de fabrico ou das etapas posteriores de acabamento.

São os seguintes os defeitos originados em cada fase:

Produzidos no Alto Forno

Uma boa parte das impurezas existentes na gusa eliminam-se no momento do

Origem dos defeitosem aços





afinamento do aço.

Como para reduzir o teor de fósforo se necessita de ter condições fortemente básicasna oxidação, outras substâncias mais facilmente oxidáveis são eliminadasanteriormente. Na prática, significa que muito poucas impurezas procedentes do AltoForno permanecem em quantidades que possam ser prejudiciais para os aços

fabricados por qualquer processo denominado básico.Nenhuma especificação, tanto de aços para recipientes sob pressão como paraqualquer outra finalidade, faz referência a esta etapa da fabricação.

Procedentes das Sucatas

A sucata sem ser classificada tem muitos e diversos componentes.

Alguns metais podem ser introduzidos involuntariamente no aço, sendo posteriormentedifíceis de eliminar. O problema reside em certos elementos da liga como o cobre,níquel, crómio, molibdénio, vanádio, etc, que prejudicam a dureza da zonatermicamente afectada pela soldadura, chegando a provocar fissuras quando essa

soldadura se realiza sem as necessárias precauções. Algumas especificações, emespecial as referentes a aços de alto limite elástico ou elevada carga de rotura, limitamos teores destes elementos desnecessários.

O enxofre, fósforo, silício etc que podem estar presentes na sucata em quantidadesexcessivas reduzem-se facilmente a valores aceitáveis através dos processos normaisde afinação.

Devidos ao Azoto

Referimos repetidamente a difícil detecção e o risco que comporta um elevado teor deazoto nos aços destinados a suportar esforços em condições de serviço.

É conveniente assinalar que, ainda que este problema seja relembrado na altura daselecção dos materiais de adição de soldadura, a influência relativa dos processos defabrico do aço no seu teor de azoto deve ser analisada anteriormente. No Quadro 2vêm assinalados os diferentes teores deste elemento em função do processo defabrico do aço.

PROCESSO TEORES NORMAISDEN 2 (%)

OBSERVAÇÕES

Bessemer 0,015-0,025 O mais alto de todos osprocessos de fabricação

Siemens-Martin 0,003-0,006 Considerado como o teor"standard"

L.D. 0,002 Utilizando O 2 com 99,5% depureza

Forno Eléctrico 0,007-0,0010 Aproximadamente duplo do AçoSiemens Martin

Quadro 2 Teores em azoto no aço em função do processo de fabrico

Os riscos acentuam-se quando o N2 existe em elevada percentagem na sucata, comoacontece por exemplo, quando se voltam a fundir no Forno Eléctrico lingotesprocedentes de um Convertidor Bessemer .

O teor em Azoto deveser controlado





Problemas devidos a uma excessiva pureza do aço

A investigação siderúrgica tem originado avanços que permitem obter aços cada vezmais puros. Contudo, a experiência veio a demonstrar que certas inclusões sãocapazes de reter consideráveis quantidades de hidrogénio sem que representem sérios

riscos para o material, sendo esta situação, em condições de serviço, menosdesfavorável que um excesso de hidrogénio num aço extra puro.

Desenvolveram-se por esta razão materiais de adição para soldadura com teoresextremamente baixos de hidrogénio.

Classificação dos aços

Como já referimos, chama-se aço a toda a liga ferro-carbono, com ou sem outroselementos de liga, forjável, cujo teor em carbono varia geralmente entre 0,03 e 2,1 %.A classificação dos aços pode ser encarada sob vários pontos de vista.

Assim, podemos classificá-los quanto:• À composição química.• Ao teor em carbono.• Ao grau de desoxidação.• À constituição estrutural.• Ao modo de produção.• À aplicação.

DESIGNAÇÕES DE AÇOS SEGUNDO A SUA COMPOSIÇÃO QUÍMICA

Segundo este processo de classificação consideraram-se dois tipos de aço, dividindo-se um deles em dois subtipos:• aços não ligados• aços ligados

. baixa liga

. fortemente ligados

Os aços não ligados são os que possuem apenas o carbono como elemento de ligado ferro. Podem surgir nestes aços quantidades reduzidas de outros elementos taiscomo o silício, o manganês, o alumínio, o titânio e o cobre, que não são, no entanto,considerados como elementos de liga.

Para que um aço seja considerado não ligado, os teores destes elementos residuais,que dependem do processo de fabrico e da matéria-prima, não podem ser superioresa:

0,5% de Si1,5% de Mn0,1% de Al0,05% de Ti0,35% de Cu

Os aços ligados são aqueles em que os elementos anteriormente consideradossurgem com teores superiores aos indicados ou em que surgem outros elementos deliga tais como Cr, Ni, Mo, W, V, intencionalmente adicionados. Os aços de baixa liga são aqueles em que o somatório das percentagens dos elementos de liga é menor ouigual a 5%.

Os aços fortemente ligados são aqueles em que o teor total dos elementos de liga ésuperior a 5%.

A demasiada pureza deum aço pode serprejudicial

Classificação de Aços

Classificação deaços segundo acomposição química





DESIGNAÇÕES DE AÇO SEGUNDO O TEOR EM CARBONO

Segundo este ponto de vista temos a considerar os aços:• Hipoeutectóides.

• Eutectóides.• Hipereutectóides.

Como sabemos, o aço eutectoide é o que tem o teor em carbono correspondente aoponto (S) onde se dá a reacção eutectóide e que é ilustrado no diagrama de equilíbrio.Nos aços não ligados, este ponto corresponde a aproximadamente 0,8% de carbono ea uma temperatura de cerca de 730 ºC. Nos aços de liga, varia conforme a suacomposição.

Os aços hipoeutectóides e hipoeutectóides são os que têm respectivamente teoresem carbono inferior e superior ao ponto S.

DESIGNAÇÕES DOS AÇOS SEGUNDO O GRAU DE DESOXIDAÇÃO

Segundo este critério, temos a considerar os seguintes tipos de aço:• Calmados (R).• Especialmente calmados (RR).• Efervescentes (U).

Os aços calmados são aqueles em que se procedeu à completa desoxidação, não sedesprendendo gases durante a sua solidificação.

Os aços efervescentes são aqueles em que a desoxidação foi incompleta, havendodesprendimento de gases durante a sua solidificação, o que origina a formação dechochos e segregações (normalmente compostos contendo P e S) no núcleo.

Normalmente utiliza-se o alumínio para calmar os aços.

Os aços com mais de 0,3% de C, os aços ligados, os aços de cementação e os açosditos de tratamento térmico (melhoramento) são calmados.

DESIGNAÇÕES DE AÇO SEGUNDO A CONSTITUIÇÃO ESTRUTURAL

Segundo este critério de classificação temos a considerar os aços:• Ferríticos.• Perlíticos.• Austeníticos.•

Martensíticos.• Ledeburíticos.

DESIGNAÇÕES DOS AÇOS SEGUNDO O MODO DE PRODUÇÃO

Segundo este critério de classificação temos a considerar os aços produzidos nosseguintes fornos:- Bassemer (B)- Thomas (T)- Oxiconvertidores (LD)- Siemens-Martin (SM)- Eléctricos (E)- Cadinho (TI)

Poderíamos ainda considerar os aços vazados em vazio e os aços fundidos emvazio.

Classificação deaços segundo o teorem carbono

Classificação dosaços segundo ograu dedesoxidação

Classificação dosaços segundo aconstituiçãoestrutural

Classificação de açossegundo o modo deprodução





Os aços Bessmer e Thomas são ambos produzidos em Convertidores, partindo daGusa, sendo a afinação feita sempre por insuflação de ar.

No entanto, enquanto que nos Fornos Bessmer o revestimento é ácido (normalmentesilício), nos Fornos Thomas o revestimento utilizado é básico.

Os aços LD (Linzer-Dusenverfahren ) são produzidos em Convertidores comrevestimento normalmente básico a partir de fundições, sendo afinados por insuflaçãodo oxigénio (oxiconvertidores).

Os aços Siemens-Martin são produzidos em Fornos Siemens-Martin de soleira comrevestimento normalmente básico, partindo de fundição e sucata.

De um modo geral, os aços não ligados e de baixa liga são produzidos por esteprocesso.

Os aços E produzidos em Forno Eléctrico são obtidos por fusão, em Forno Eléctrico dearco com revestimento normalmente básico de Gusa e sucata. Os aços ligados são

geralmente produzidos por este processo.

Os aços TI são obtidos por fusão de Gusa e ferro em Cadinhos de terra refractáriaaquecidos em Fornos especiais. Os aços especiais em que se exige alta qualidade sãofabricados por este processo.

Os aços vazados em vazio são caracterizados pelo desaparecimento dos gasesneles incluídos em virtude do vazamento ser efectuado em vazio. Este procedimento émuito usado para os aços produzidos em Forno Eléctrico, melhorandoconsideravelmente a sua qualidade.

Os aços fundidos em vazio como o próprio nome indica são obtidos por fusão emvazio.

DESIGNAÇÕES DOS AÇOS SEGUNDO A SUA APLICAÇÃO

Segundo este critério, podemos dividir os aços em três grandes grupos, possuindocada um deles subdivisões. Os três principais grupos são:• Aços de construção.• Aços para ferramentas.• Aços especiais.

Os aços de construção são os aços ligados ou não ligados, usados na construção depeças a utilizar individualmente ou fazendo parte de máquinas. São trabalhados eusados no estado de fornecimento (natural, recozido ou melhorado), podendo, noentanto, sofrer tratamentos Térmicos e/ou Termoquímicos durante o fabrico das peças,

como por exemplo cementação, recozimento, têmpera e revenido.

Os aços para ferramentas são aços ligados ou não ligados, destinados ao fabrico deferramentas de qualquer tipo. Salvo raras excepções, são normalmente fornecidos noestado recozido, macio, sofrendo posteriormente um tratamento térmico, salvo rarasexcepções. Podem também, em alguns casos, ser fornecidos no estado tratado(matrizes de estampagem a quente fabricadas a partir de blocos tratados).

Os aços especiais são aços fortemente ligados (aços refractários, inoxidáveis,resistentes aos ácidos, amagnéticos, para ímans, para peças de turbina, etc),submetidos a diversos tratamentos térmicos para a obtenção de propriedades físicasespeciais.Vamo-nos ocupar em especial dos aços para ferramentas e um pouco dos aços paraconstrução dada a maior importância dos tratamentos térmicos nos primeiros.

Classificação dosaços segundo a suaaplicação





Veremos as subdivisões de cada uma destas categorias e faremos algumasconsiderações sobre cada uma delas, assim como daremos alguns exemplos detratamentos térmicos.

Aços para Ferramentas

Os aços para ferramentas podem, por sua vez, dividir-se em vários tipos segundodiversos critérios de classificação. Um deles divide os aços para ferramentas em doisgrupos: aços não ligados e aços ligados.

Dentro destes, e de acordo com o elemento de liga mais importante, ainda se podemconsiderar os aços contendo Crómio, Manganês, Tungsténio, Molibdénio, etc.

No entanto, a classificação que está mais de acordo com as necessidades doconsumidor e que pode mais facilmente ajudá-lo a escolher o aço mais convenientepara uma determinada função é a classificação segundo a sua utilização.

Assim, teremos:• Aços rápidos.

• Aços para trabalho a quente.• Aços para matrizes de trabalho a quente.• Aços resistentes aos choques.• Aços para trabalho a frio com tenacidade elevada e grande penetração de têmpera

(auto-temperantes).• Aços com fraca variação.

•

ligadosfortemente

ligabaixacomlDimensiona

•

ligados

ligadosnãoáguanaistemperáveAços

• Aços para cementação e nitruração.• Aços inoxidáveis e resistentes aos ácidos.

Aços de Construção

Usando o mesmo critério do parágrafo anterior, isto é, a classificação segundo aaplicação dos aços, podemos estabelecer as seguintes categorias, entre outras:

•

ligados

ligadosnãocementaçãoparaAços

•

ligados

ligadosnãotérmicotratamentoedAços

• Aços para nitruração.• Aços para têmpera superficial.• Aços para engrenagens.• Aços para rolamentos.• Aços para válvulas.• Aços de muito alta resistência.• Aços para molas.• Aços resistentes ao desgaste.• Aços para canos de espingarda.• Aços resistentes ao hidrogénio sob pressão.• Aços inoxidáveis e resistentes aos ácidos.• Aços inoxidáveis a temperaturas elevadas (refractários).•

Aços para peças de turbo-máquinas.• Aços para a física nuclear.

Classificação dos açossegundo a sua utilização





Aços Especiais

Entre outras, podemos anotar as seguintes categorias:• Aços inoxidáveis e resistentes aos ácidos.• Aços inoxidáveis a temperaturas elevadas (refractários).• Aços para fios condutores e de resistência eléctrica.

• Aços de coeficiente de dilatação térmica determinada.• Aços para ímans, relés, etc.• Aços amagnéticos.• Aços para baixas temperaturas.





ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO

Exercício 1:

Em siderurgia, na zona do Alto Forno, dá-se a transformação da carga em gusa,obtendo-se a chamada gusa de primeira fusão. Como se caracteriza esta gusa equais as suas principais diferenças relativamente ao aço? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________

Exercício 2:

Depois da gusa ter saído do alto forno, segue para uma unidade muito importante; o

misturador. Qual a sua função? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________

Exercício 3:

Quais são os objectivos da utilização de vazamentos intermédios? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________




BIBLIOGRAFIA

BARREIRO, José Apraiz, "Fabricacion de Hierro, Aceros Y Fundiciones" - Urmo, U.S.A.

de Ediciones, Espartero, 10 - Bilbao, 9 (Espanha).

COTTRELL, Alan H., "Introdução à Metalurgia" - Edição da Fundação CalousteGulbenkian, Lisboa, 1975.

FILHO, M.P. Campos, "Introdução à Metalurgia Extractiva e Siderurgia" , Rio de Janeiro,Livros Técnicos e Cientificos, Fundação do Desenvolvimento da UNICAMP, 1981.

Noções de Metalurgia - Edições Técnicas do ISQ.

SOARES, Pinto, "Aços - Características e Tratamentos" , 3ª Edição, Livraria Livroluz,Porto.

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