Científico - tecnológico

AÇO

O caminho para a formação do aço começa com a extração de minério de ferro (sua principal matéria prima), que depois de extraído é levado para as siderurgicas para junto com porcentagens variáveis de carbono (entre 0,008 e 2,11%) e de outros elementos como enxofre e fósforo.

MINERAÇÃO

Fases de uma exploração mineira

A vida de uma exploração mineira (mina ou pedreira) é composta por um conjunto de etapas que se podem resumir a:

1- Pesquisa para localização do minério.

2- Prospecção para determinação da extensão e valor do minério localizado.

3- Estimativa dos recursos em termos de extensão e teor do depósito.

4- Planeamento, para avaliação da parte do depósito economicamente extraível.

5- Estudo de viabilidade para avaliação global do projecto e tomada de decisão entre iniciar ou abandonar a exploração do depósito.

6- Desenvolvimento de acessos ao depósito que se vai explorar.

7- Exploração, com vista à extracção de minério em grande escala.

8- Recuperação da zona afectada pela exploração de forma a que tenha um possível uso futuro.

LAVRA

Operações executadas visando a extração e o processamento de um minério.

Operações de lavra

1- Perfuração – o minério é furado utilizando máquina de perfuração hidráulicas; a perfuração é executada com diâmetro, comprimento e distâncias entre furos previamente calculadas;

2- Desmonte – os furos previamente executados são preenchidos (ou carregados) com explosivo, procedendo-se então à detonação deste e consequente fragmentação do minério;

3- Remoção – o minério assim fragmentado é carregado em caminhões, vagonetas ou outro meio de transporte, até à instalação de processamento, geralmente situada próximo da mina.

Processamento mineral
O processamento mineral, consiste em um conjunto de metódos que visa a separação física dos minerais úteis da ganga (a parte do minério que não tem interesse econômico e que é rejeitada) e a obtenção final de um concentrado, com um teor elevado de minerais úteis. Os métodos utilizados podem ser físicos ou químicos e podem ser divididos de forma aproximadamente sequencial em:

Pelotização
A pelotização é um processo de aglomeração de partículas ultrafinas de minério de ferro, através de um tratamento térmico. Esta fração ultrafina (abaixo de 0,15 mm) é encontrada desta forma na natureza ou gerada no beneficiamento. A pelotização tem como produto aglomerados esféricos de tamanhos na faixa de 8 a 18 mm, com características apropriadas para alimentação das unidades de redução, tais como altos-fornos.

Nos altos-fornos, resumidamente, ocorre fusão e redução do ferro, que passa da forma de óxido à forma metálica. Neste tipo de equipamento, toda a carga de óxido de ferro, agentes redutores e combustíveis é adicionada anteriormente ao acendimento do forno. No carregamento do forno faz-se uma pilha de material no interior do mesmo, chegando a alturas de 30 metros em alguns casos. Devido a essas características do processo, são necessárias ao material alimentado algumas propriedades.

Como o alto-forno é abastecido antes do início da combustão, são necessários meios de entrada e circulação de ar e gases de combustão, em todas as regiões da carga. Por esse motivo, é imprescindível que as partículas, seja de combustível ou minério de ferro, tenham dimensões grandes o suficiente para que remaneçam lacunas entre elas. Pela mesma razão, é preciso que estes materiais tenham resistência mecânica suficiente para suportar o próprio peso da carga do forno, para que não haja esmagamento e conseqüente obstrução do auto-forno, daí a necessidade de pelotização, em se tratando de frações finas de minério.

Além destes objetivos principais, a produção de pelotas também permite adição de maior valor agregado ao produto, sendo possível acrescentar na própria pelota agentes redutores do ferro como carvão mineral.

Processo
Os estágios envolvidos no processo de pelotização podem, de forma genérica, ser agrupadas em três estágios: Preparação das matérias-primas, formação das pelotas cruas e processamento térmico.

Preparação de matérias-primas
A preparação das matérias primas tem por objetivo adequar as características do minério de ferro às exigidas para a produção de pelotas cruas. Neste estágio é preparada a mistura a pelotizar, que pode comportar diferentes tipos de minérios e aditivos, estes utilizados para modificar a composição química e as propriedades metalúrgicas das pelotas. Em geral, incluem-se neste estágio as seguintes etapas: concentração / separação, homogeneização das matérias primas, moagem, classificação, espessamento, homogeneização da polpa e filtragem.

Formação de pelotas
A formação de pelotas cruas, também conhecida por pelotamento, tem por objetivo produzir pelotas numa faixa de tamanhos apropriada e com resistência mecânica suficiente para suportar as etapas de transferência e transporte entre os equipamentos de pelotamento e o de tratamento térmico.

Forno de pelotização
A fim de conferir às pelotas alta resistência mecânica e características metalúrgicas apropriadas, as mesmas são submetidas a um processamento térmico num forno de pelotização com o objetivo de siterizar(A sinterização é um processo no qual pós com preparação cristalina ou não, uma vez compactados, recebem tratamento térmico, no qual a temperatura de processamento é sempre menor que a sua temperatura de fusão. Este processo cria uma alteração na estrutura microscópica do elemento base. Isto ocorre devido a um ou mais métodos chamados “mecanismos de transporte”: estes podem ser consecutivos ou concorrentes. Sua finalidade é obter uma peça sólida coerente.) as pelotas. Há no forno regiões de secagem, pré queima, queima, pós-queima e resfriamento. O tempo de duração de cada etapa e a temperatura a que são submetidas as pelotas têm forte influência sobre a qualidade do produto final.

Siderúrgicas

Depois da extração e do processamento do minério de ferro, este é conduzido até as siderúrgicas.
Os aços são ligas metálicas formadas essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variáveis entre 0,008 e 2,11%. Atualmente há mais de 2.500 tipos de aço no mundo todo. Todos eles consistem principalmente de ferro-gusa, que por sua vez consiste de elemento de ferro e mais de três por cento de carbono. A diferença fundamental entre ambos é que os aços, pela sua ductibilidade, são facilmente deformáveis por forja, laminação e extrusão, enquanto que peças em ferros fundidos são fabricadas pelo processo de fundição.

O ferro-gusa é extraído de minério de ferro em explosões nas fornalhas. Ele então é processado em uma siderúrgica para criar aço com um conteúdo de carbono de menos de dois por cento. Esta proporção baixa faz o material ser mais macio permitindo o fácil processamento.

O gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque ou carvão e calcário num alto forno. O gusa normalmente contém até 5% de carbono, o que faz com que seja um material quebradiço e sem grande uso direto.

Geralmente nos processos industriais, o ferro gusa é considerado como uma liga de ferro e carbono, contendo de 4 a 4,5% de carbono e outros elementos ditos residuais como por exemplo: silício, manganês, fósforo e enxofre, dentre outros.

O gusa é vertido diretamente a partir do cadinho do alto forno para contentores para formar lingotes, ou usado diretamente no estado líquido em aciarias. Os lingotes são então usados para produzir ferro fundido e aço, ao extrair-se o carbono em excesso.

Os chineses produziam gusa nos finais da Dinastia Zhou. Na Europa, o processo só se tornou comum a partir do século XIV.

Normalmente, o aço é fabricado a partir de carbono e óxido de ferro, no alto forno. Nesta fase se produz o chamado ferro gusa, que contém um excesso de carbono e impurezas como silício (que torna o aço quebradiço), fósforo e enxôfre (que facilitam a oxidação). Retirado o excesso de carbono, silício e fósforo, através de processos relativamente fáceis, resta a retirada do enxôfre (dessulfuração), que é mais complicada.

Os processos atuais usam óxido de cálcio e carbonato de cálcio que reagem com o enxôfre, formando sulfeto de cálcio. Como a retirada do enxôfre não é muito eficiente, o aço chega a um padrão de qualidade 4 ou 5, numa escala de um a dez. "Acrescentamos carbeto de cálcio (conhecido como carbureto) e borra de alumínio (alumínio metálico), um resíduo da fabricação de alumínio, tóxico para as plantas", conta Elson Longo, da UFSCar, coordenador da pesquisa. "O alumínio eleva a temperatura do banho e melhora a dessulfuração, convertendo-se, ainda, de alumínio metálico em óxido de alumínio, que deixa de ser tóxico". Em seguida, é adicionada uma liga de magnésio e alumínio, ambos metálicos, e o resultado é um aço que chega a 10, na escala de qualidade.

As injeções dos elementos dessulfurizadores são feitas no carro torpedo - espécie de "esteira" na qual se faz o transporte do ferro gusa do alto forno para o conversor - de modo que não foi necessário fazer grande reformas na siderúrgica. O custo deste aço nobre, mesmo assim, é mais alto, porém a equipe também pensou num sistema de silos, que permite fabricar aço "a la carte", com o padrão de qualidade (e preço) definido pelos compradores.

À adaptação no sistema de fabricação, eles acrescentaram também uma modificação no revestimento do carro torpedo, que ganhou uma camada interna de cerâmica altamente refratária e uma tampa, com as quais deixou de perder calor - cerca de 40oC - em seu curto trajeto. Tais medidas, em conjunto, resultaram numa economia de energia de 18%. Para os altos fornos, que usam carvão coque ou mesmo carvão vegetal, isso também significa uma redução nas emissões de gases do efeito estufa.

O desenvolvimento de explosão na fornalha no século XIV tornou isso possível: o ferro podia ser esquentado até permanecer em forma líquida. Mas a tecnologia amadureceu gradualmente: enquanto oito toneladas de carvão ainda eram necessárias para se obter duas toneladas de ferro-gusa no século XVII, nós agora só precisamos de cerca de metade de uma tonelada de coque para produzir 10.000 toneladas de ferro-gusa por dia.

Enquanto buscava um material robusto para fazer armas, Henry Bessemer desenvolveu um novo processo no meio do século XIX que continuaria sendo utilizado por um longo período ainda por vir. O processo Bessemer facilita a produção de aço empregando a oxidação. Até então, trabalhadores tinham que mexer o aço derretido para separar a sobra de materiais, um processo que envolvia um grande gasto de energia. Agora isso poderia ser feito por uma máquina. O processo Siemens-Martin de 1864, que tornou possível derreter metal escovado em aço, foi mais um marco na produção de aço. E a indústria de aço continuou se desenvolvendo: processos ainda melhores significavam que uma maior quantidade de aço de alta qualidade poderia ser produzida com menos trabalho manual. Em 1850, cada siderúrgica estava produzindo oito toneladas de ferro por ano. Vinte anos mais tarde elas estavam produzindo dez vezes mais do que isso.
Em 1912, cientistas da siderúrgica de Krupp na Alemanha, acidentalmente descobriram como fabricar aço à prova de ferrugem. O chamado V2A ou aço inoxidável é composto de ferro, cromo e níquel e é usado em tecnologia médica, por exemplo.

O aço inoxidável é um aço de alta-liga com teores de cromo e de níquel em altas doses (ultrapassam 20%).

Hoje o aço representa um material de alta tecnologia. Por exemplo, o aço de alta potência e ductilidade (HDS em inglês) é capaz de fazer “zonas de amasso inteligente”: a idéia é que o material, que deforma facilmente, se torne mais duro depois de uma colisão por meios de transformações estruturais, oferecendo mais proteção. Carrocerias de veículos feitas com este tipo de “aço deformado” não só aumentam a segurança como também contribuem com a redução do consumo de energia por serem especialmente mais claras.

A classificação mais comum é de acordo com a composição química, dentre os sistemas de classificação química o SAE é o mais utilizado, e adota a notação ABXX, onde AB se refere a elementos de liga adicionados intencionalmente, e XX ao percentual em peso de carbono multiplicado por cem.

Além dos componentes principais indicados, os aços incorporam outros elementos químicos, alguns prejudiciais, provenientes da sucata, do mineral ou do combustível empregue no processo de fabricação, como o enxofre e o fósforo. Outros são adicionados intencionalmente para melhorar algumas características do aço para aumentar a sua resistência, ductibilidade,dureza ou outra, ou para facilitar algum processo de fabrico, como usinabilidade, é o caso de elementos de liga como o níquel, o cromo, o molibdênio e outros.

No aço comum o teor de impurezas (elementos além do Ferro e do Carbono) estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de outros elementos já pode considerado aço de baixa-liga, acima de 5% é considerado de alta-liga. O Enxofre e o Fósforo são elementos prejudicais ao aço pois acabam por intervir nas suas propriedades físicas deixando o aço quebradiço. Dependendo das exigências cobradas, o controle sobre as impurezas pode ser menos rigoroso ou então podem pedir o uso de um antisulfurante como o magnésio e outros elementos de liga benéficos.

O aço é atualmente a mais importante liga metálica, sendo empregue de forma intensiva em numerosas aplicações tais como máquinas, ferramentas, em construção, etc . Entretanto, a sua utilização está condicionada a determinadas aplicações devido a vantagens técnicas que oferecem outros materiais como o alumínio no transporte por sua maior leveza e na construção por sua maior resistência a corrosão, o cimento (mesmo combinado com o aço) pela sua maior resistência ao fogo, e os materiais cerâmicos em aplicações que necessitem de elevadas temperaturas.
Ainda assim atualmente emprega-se o aço devido a sua nítida superioridade frente às demais ligas considerando-se o seu preço. Já que:

* Existem numerosas jazidas de minerais de ferro suficientemente ricas, puras e fáceis de explorar, além da possibilidade de reciclar a sucata.

* Os procedimentos de fabricação são relativamente simples e económicos, e são chamados de aciaria. Os aços podem ser fabricados por processo de aciaria eléctrica, onde se utiliza eléctrodos e processo de aciaria LD, onde se utiliza sopro de oxigénio no metal líquido por meio de uma lança.

* Apresentam uma interessante combinação de propriedades mecânicas que podem ser modificados dentro de uma ampla faixa variando-se os componentes da liga e as suas quantidades, mediante a aplicação de tratamentos.

* A sua plasticidade permite obter peças de formas geométricas complexas com relativa facilidade.

* A experiência acumulada na sua utilização permite realizar previsões de seu comportamento, reduzindo custos de projectos e prazos de colocação no mercado.

Tal é a importância industrial deste material que a sua metalurgia recebe a denominação especial de siderurgia, e a sua influência no desenvolvimento humano foi tão importante que uma parte da história da humanidade foi denominada Idade do ferro, que se iniciou em 3500 a.C., e que, de certa forma, ainda perdura.

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(tópico por: BRUNO FAGUNDES E VINICIUS GAIA)