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Processo de Fabricação e História do Aço no Brasil

Um amigo, industrial em Manhumirim no ramo da serralharia a mais de quarenta anos (Sr Francisco J. F. Wagner) mostrou-se interessado em saber detalhes da transformação do minério de ferro em aço, no setor da siderurgia. Procuramos em vários livros como a Barsa, e Carvão Vegetal, onde tiramos cópia ilustrando como funciona os altos –fornos na obtenção do gusa ou aço para atender a curiosidade do amigo, motivando o presente estudo, que acreditamos de interesse geral. Assim temos:

Aço

açoAço – (Enciclopédia Barsa, Vol. 1) A produção de aço dá a medida do desenvolvimento econômico de um país. Seu consumo cresce proporcionalmente à construção de edifícios, à execução de obras públicas, à instalação de meios de comunicação e à produção de equipamentos utilizados na exploração das riquezas necessárias ao bem estar dos povos.

Aço é uma liga metálica de múltiplas aplicações industriais, cujo principal componente é o ferro, na qual entram quantidades variáveis de carbono, elemento que lhe confere propriedades específicas.

Os diferentes tipos de aço se classificam em dois grandes grupos. Ao primeiro pertencem os aços ao carbono, de cuja composição participam, além do ferro e do carbono, elementos residuais como enxofre, silício, fósforo e outros que o processo de fabricação não conseguem eliminar. Ao segundo grupo pertencem as ligas integradas por elementos adicionados intencionalmente, cuja função é melhorar a qualidade do aço.

Todas as variedades de aço contém certa quantidade de manganês, elemento que se acrescenta à liga para evitar a ação negativa do enxofre, que torna o aço quebradiço à temperatura de 1.300° C, à qual é submetido para a laminação e forja. A adição de 12% de cromo faz com que o aço se torne inoxidável. Um alto teor de carbono aumenta a resistência e a dureza do aço. O silício aumenta a elasticidade, enquanto a presença de fósforo faz com que o aço reduza sua resistência a impactos e vibrações.

Processo de fabricação 

O aço é obtido pela transformação do minério de ferro em ferro-gusa, processo que se dá em altos-fornos. A etapa seguinte é o refino, que elimina por oxidação os elementos indesejáveis. O ferro resultante desse processo tem alto grau de pureza e é acrescido de quantidades adequadas dos elementos que vão formar a liga final. Os principais processos de refino do gusa são:

1) Bessemer. Processo que tem lugar num conversor que contém o ferro em fusão, ao qual é insuflado ar. A operação elimina o carbono, que se combina com o oxigênio do ar.
2) Siemens-Martin. A oxidação se processa pela aplicação de ar pré-aquecido com os gases desprendidos do alto-forno. As temperaturas, mais elevadas do que as empregadas no processo anterior, permitem a fusão da sucata e seu aproveitamento.
3) Método elétrico. Usado na fabricação de aços especiais, este sistema utiliza fornalhas elétricas revestidas de material refratário.

Propriedades físico – químicas

O aço é uma substancia dura, flexível e resistente. Sua composição química varia de acordo com a finalidade a que é destinada. Para artefatos que requerem durabilidade, o aço-silício-manganês é o tipo que melhor reage ao desgaste. O chamado ferro de fundição resiste bem à pressão, enquanto o invar apresenta um coeficiente de dilatação reduzido e o aço-silício tem propriedades eletromagnéticas.

Grandes Produtores 

O emprego do coque (carvão mineral) na fabricação do aço foi testado pela primeira vez na Inglaterra por volta de 1780. Até essa época, o aço empregado na manufatura inglesa era importado da Suécia ou da Rússia, depois refinado por processos tradicionais que utilizavam carvão vegetal. O aço assim obtido era de baixa qualidade. O uso de coque favoreceu a expansão da industria inglesa, que no começo do século XIX contava com 160 altos-fornos.

A invenção do processo Bessemer de refino, em 1856, foi decisiva para a metalurgia inglesa, pois em poucos anos a produção de aço triplicou. Os novos métodos de fabricação do aço difundiram-se pela Europa ainda no século XIX.

Um dos maiores produtores da atualidade, o Japão, só deu impulso a sua produção de aço depois da primeira guerra mundial, em contato com técnicas ocidentais que aprimorou com pesquisa tecnológica própria. Rico em carvão mas com escassez de minério de ferro, explorou as ricas jazidas chinesas até que a revolução socialista suspendeu o fornecimento. Passou a importar matéria-prima do Brasil.

A Rússia, que já era produtora de aço refinado a carvão vegetal desde os primórdios da moderna metalurgia, intensificou a prospecção de carvão mineral e minério de ferro depois da revolução socialista de 1917. Com seus recursos naturais e a importação das técnicas ocidentais, o estado soviético construiu gigantescos complexos integrados, que combinavam a exploração do minério, do carvão e a produção do aço numa única cadeia.

A fabricação do aço nos Estados Unidos começou na primeira metade do século XIX. A primeira locomotiva a vapor do país foi produzida numa fábrica instalada em Baltimore em 1828. A guerra de secessão (1861- 1865) contribuiu para o desenvolvimento da indústria de aço indispensável à fabricação de canhões. Terminada a guerra, iniciou-se a construção de estradas de ferro, a maquinaria pesada. Um pujante parque industrial desenvolveu em Pittsburg, em cujas proximidades existiam abundantes jazidas de carvão de boa qualidade. Em meio século, os Estados Unidos se tornaram o maior produtor de aço do mundo.

Aço no Brasil

O Congresso Internacional de Geologia, realizado em Estocolmo em 1910, publicou estatística sobre as reservas ferríferas brasileiras que despertaram a atenção das nações industrializadas. A exportação do minério bruto prevaleceu sobre a industrialização até o final da década de 1930. Ao estourar a segunda guerra mundial, o Brasil contava com 11 pequenas siderurgias que produziam pouco mais de noventa mil toneladas de aço por ano.

Quase a metade dessa produção vinha da Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira. A Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) foi criada em 1941, em Volta Redonda, RJ. Sua construção foi negociada com os Estados Unidos durante a guerra, em troca de uso de bases militares no Nordeste. A Companhia Siderúrgica de Tubarão entrou em funcionamento em 1983.

Os baixos preços ordenados pelo governo federal, com o propósito de beneficiar a indústria automobilística, coincidiram com a depreciação do aço no mercado internacional, resultante da substituição progressiva por materiais como o plástico e a cerâmica. O déficit acumulado do setor provocou uma concentração salarial que gerou repetidas greves, a mais série ocorrida em 1988 na CSN, cujas instalações foram ocupadas pelo Exercito. A partir de 1991, o governo privatizou a maior parte das empresas estatais, inclusive as siderúrgicas. A primeira a passar para o setor privado foi a Usiminas, seguida de Tubarão e Acesita, em 1992, e da CSN, em 1993.” Barsa, Vol 1, p. 50 a 52.

siderurgia

Metalurgia 

(Barsa, Vol. 9, P. 471) Desde a primeira extração e a utilização do cobre, os metais tornaram-se elementos indispensáveis para o progresso das sociedades. A metalurgia é, por isso, uma das atividades a que o homem tem dedicado seus maiores esforços. Metalurgia é o conjunto de técnicas e processos usados para extração, beneficiamento e processamento industrial dos metais. De maneira geral, distingue-se a metalurgia extrativa, ligada à mineração, da metalurgia de preparação dos metais para formar ligas e produtos diversos. Nas sociedades industrializadas, cresce a importância dos processos de recuperação e reciclagem da sucata, pelos quais se obtém notável economia em relação à extração a partir do mineral.

Evolução histórica

As atividades metalúrgicas datam de aproximadamente 4000 anos a.C. Acredita-se que o cobre tenha sido o primeiro metal extraído de minério. Foram encontradas minas de cobre em vários pontos do Oriente Médio. O metal extraído era provavelmente utilizado na fabricação de armas e utensílios.

O bronze passou a ser conhecido provavelmente entre 4000 e 1400 a.C., quando se descobriu que a liga de cobre e estanho era menos quebradiça que o cobre puro. O uso do ferro, supostamente originário também do Oriente Médio, tornou-se comum por volta de 1200 a.C. e se disseminou gradualmente pela Europa e pela Ásia.

O latão, liga de cobre e zinco, surgiu entre 1600 e 600 a.C., mas só ganhou importância comercial quando os romanos passaram a usa-lo na confecção de moedas. Embora os romanos tenham introduzido poucas inovações na metalurgia, contribuíram muito para o progresso das técnicas de mineração e fundição. Encontraram também muitas aplicações novas para os metais.

A prata passou a ser extraída com sucesso em 500 a.C. e o chumbo, resíduo do minério de prata, é conhecido desde então. O ouro, extraído desde tempos remotos, foi usado em liga com a prata.

Metalurgia extrativa 

Poucos metais se apresentam na natureza em estado puro. Por isso, na maior parte dos casos, aplicam-se os métodos da metalurgia extrativa. Na seleção da técnica mais adequada de extração é importante considerar não apenas a estrutura química do minério, mas também fatores como a natureza das impurezas presentes no mineral que, em alguns casos, têm valor econômico.

O oxigênio, de elevada eletronegatividade e relativamente abundante, é o elemento químico que mais tende a combinar-se cm os metais na natureza. Por isso, o aspecto mais importante na extração dos metais é sua redução, processo que corresponde à reação química contrária à oxidação.

Antes de passar pela etapa da redução, os minérios são britados, moídos (em alguns casos), classificados por peneiramento e concentrados. O processo de concentração consiste em aumentar o teor metálico do minério por eliminação da ganga (resíduos não aproveitáveis). Essa etapa pode ser realizada por gravimetria, flotação, separação eletrostática ou magnética ou outros processos especiais. Ao remover-se a ganga, reduz-se a quantidade de minério a ser manipulada as etapas seguintes do processo de extração do metal.”

Processos da Metalurgia 

A segunda fase da extração é o processo, ou conjunto de processos, pelo qual o metal é extraído do concentrado obtido na primeira fase, refinado, transformado em liga e preparado para atender às especificações do mercado. Na escolha do método mais adequado para cada caso, consideram-se vários fatores, entre eles a natureza química do concentrado, que em geral é um óxido (no caso do ferro e do alumínio, por exemplo), um sulfeto (caso do cobre, do zinco e do chumbo), um carbonato ou um silicato. Nessa fase, os três processos mais comumente aplicados são: pirometalurgia, que utiliza o calor; eletrometalurgia, que utiliza a eletricidade; e hidrometalurgia, que utiliza a água. O produto pode ainda ser refinado mediante técnicas metalúrgicas adicionais, como a destilação.”

Pirometalurgia é o processo extrativo em que as reações se processam a altas temperaturas com auxílio de um agente redutor. O calor é fornecido normalmente por combustíveis, como coque, petróleo e gás, ou por energia elétrica. Na maioria dos casos, o fogo tem não só uma função química, mas também física, pois libera certos componentes do minério.

Geralmente aplicada a grandes quantidades de minério em fornos de alta temperatura, a pirometalurgia opera a redução dos óxidos pelo carbono – um exemplo típico é o alto-forno para ferro fundido. Às vezes é procedida de uma ustulação para transformar os sulfetos em óxidos, como ocorre no caso do chumbo, do zinco , do cobre e do níquel.
De acordo com a composição do minério, podem-se utilizar outros redutores em lugar do carbono, como por exemplo o magnésio (ou sódio) para preparação do titânio a partir de seu tetracloreto.

A dependência do calor necessário para a reação e do ponto de fusão do metal, ele pode ser obtido em estado liquido, como no caso do ferro fundido, ou solido, como no caso do tungstênio e do molibdênio.

Eletrometalurgia é o processo que utiliza a eletrólise, ou seja, uma corrente elétrica aplicada a uma solução (aquosa ou de sais fundidos), que contém o metal. Esse é o método empregado na extração do alumínio a partir da criolita, bem como do cobre, do zinco e em grande parte do magnésio.

A hidrometalurgia usa a lixiviação, que consiste no tratamento do minério com soluções aquosas para dissolver e reprecipitar os metais. É usada em alguns minérios de cobre, níquel e zinco. De modo geral, as operações hidrometalúrgicas compreendem três fases: dissolução do material em água pura ou com determinados reagentes; separação do resíduo e depuração da solução obtida; e precipitação do metal dessa solução por tratamento químico ou eletrolítico.

Também chamada metalurgia por via úmida, a hidrometalurgia é aplicável quando se pode dissolver uma combinação do metal desejado num solvente apropriado, que pode ser um ácido, uma base, um sal ou um solvente orgânico. Na produção de cobre e zinco, por exemplo, usa-se ácido sulfúrico diluído; na preparação do aluminato de sódio, usa-se a soda caustica, que é uma base; O cianeto de sódio, um sal, e usado para separar tanto o ouro como a prata de seus minérios. Na extração desses metais preciosos também se pode usar outro metal, o mercúrio, num processo denominado amalgamação.

Processo de uso relativamente restrito, a amalgamação só é aplicada aos metais que fazem liga com o mercúrio. Consiste em fazer passar partículas finamente trituradas de minério, em mistura com uma solução, sobre placas cobertas com mercúrio – único metal liquido a temperatura ambiente. O mercúrio combina-se com o metal, formando a liga denominada amálgama, que é, em seguida, aquecida. Após entrar em ebulição, o mercúrio escapa sob forma gasosa e deixa uma esponja metálica de metal puro.

Tratamentos 

Poucos métodos de extração, no entanto, resultam num produto puro. Em geral, o que se obtém é um metal mais ou menos impuro, que precisa ser tratado para chegar á forma adequada a suas finalidades comerciais, industriais ou de pesquisa. Nos tratamentos a frio, o metal endurecido sofre mudanças estruturais ao invés de mudanças químicas. Nos tratamentos a quente, o metal é amolecido pelo calor, num processo que altera sua cristalinidade, de tal forma que ele pode então ser trabalhado.

Uma das alternativas para a conformação dos metais é a fundição, que consiste em verter o metal fundido num molde, onde ele se solidifica e ganha a forma dos objetos desejados. Objetos de ferro, aço e metais não-ferrosos são feitos em moldes. Também se podem submeter os metais ou ligas a tratamentos mecânicos a partir do material sólido. A usinagem consiste em desgastar o bloco metálico por ferramentas de corte, mas os tratamentos mecânicos mais importantes são o forjamento e a laminação, feitos a partir do metal já transformado em lingotes.

Forjamento é um meio de modelagem de blocos metálicos, normalmente feito a quente, mediante golpes de martelo ou, em peças de grande tamanho, por pressão. Nesse caso, usa-se uma prensa que atua por gravidade e cuja elevação depois de cada golpe se produz mediante sistemas mecânicos rotativos. As principais operações de forjamento são o aplanamento, o estiramento e a flexão.

Laminação é um processo que consiste na obtenção de placas (lâminas) de metal mediante a passagem do lingote entre dois cilindros de eixos paralelos que giram em sentidos opostos. A continuidade e condição indispensável dessa operação, que deve, portanto, ser feita numa sucessão de laminadores chamados trens de laminagem. A distância entre os cilindros, ou interstício de laminação, é regulável e diminui progressivamente à medida que se repete a passagem das placas, cada vez de menor espessura.

A metalurgia do pó é um processo criado mais recentemente e permite tratar o metal sem a passagem pelo estado fundido. A forma desejada é obtida nesse caso pela compressão a frio de uma massa de pó que posteriormente é submetida a tratamento térmico para adquirir as características mecânicas desejadas. O pó metal pode ser produzido mecanicamente ou quimicamente. A metalurgia do pó é especialmente utilizada na elaboração de metais cujos pontos de fusão são elevados , como tungstênio, molibdênio, tântalo e nióbio e na preparação de ligas nucleares (urânio, tório, berílio, zircônio), semicondutores (telúrio-bismuto), produtos porosos e refratários.

Nos tratamentos térmicos, os metais são submetidos ao calor para produzir ou aprimorar determinadas qualidades como grau de dureza, ductilidade etc. Os tratamentos superficiais consistem em aplicar uma camada exterior aos metais por imersão a quente, eletrólise ou cimentação, entre outros métodos. A finalidade desse tratamento é proteger a substância básica ou modificar as características da superfície do metal, como ocorre na galvanização”.

Nota 

Reproduzido da Enciclopédia Barsa, Vol. 9, p. 471 a 474. , tendo em vista ser assunto econômico importante, de interesse geral, e pouco divulgado pela imprensa, sendo o minério, ferro e aço base de nossa economia interna e de exportação em produtos brutos como matéria prima ou manufaturados em produtos nobres como automóveis e aviões.

Ruy Gripp

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