Materiais de construção mecânica

Materiais de construção mecânica

(Parte 1 de 4)

Siderurgia e Tratamento Térmico dos Aços Prof. Jaques Jonas Santos Silva

Resende, março de 2009.

Materiais de Construção Mecânica IV 2

1. INTRODUÇÃO4
1.1. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS5
1.2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS6
2. SIDERURGIA8
3. MATÉRIAS-PRIMAS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA10
3.1. MINÉRIO DE FERRO10
3.2. CARVÃO13
3.3. FUNDENTE16
3.4. OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS16
4. PRODUÇÃO DO FERRO GUSA17
4.1. ALTO FORNO17
4.2. REAÇÕES DO ALTO FORNO18
4.3. PRODUTOS E SUBPRODUTOS DO ALTO FORNO19
4.4. EQUIPAMENTOS AUXILIARES DO ALTO FORNO21
5. PRODUÇÃO DO AÇO27
5.1. PROCESSOS PNEUMÁTICOS27
5.2. CONVERSOR BESSEMER28
5.3. CONVERSOR THOMAS30
5.4. CONVERSOR DE SOPRO LATERAL30
5.5. CONVERSOR DE SOPRO PELO TOPO30
6. SISTEMA FERRO-CARBONO3
6.1. FASES DO SISTEMA Fe-Fe3C3
6.2. PONTOS INVARIANTES34
6.3. CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE Fe-C35
6.4. DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS DE Fe-C35
6.4.1. Ligas eutetóides35
6.4.2. Ligas hipoeutetóides37
7. TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS40
7.1. TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS41
7.2. DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRIMCAS41
(DIAGRAMAS T)42
(SISTEMAS EM NÃO EQUILÍBRIO)43
7.4.1. Perlita43
7.4.2. Bainita4
7.4.3. Martensita45
7.4.4. Cementita globulizada46
7.4.5. Martensita revenida46
8. TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS48
8.1. RECOZIMENTO50
8.1.1. Recozimento total (ou pleno)51
8.1.2. Recozimento isotérmico52
8.1.3. Recozimento para alívio de tensões53
8.2. NORMALIZAÇÃO53
8.3. TÊMPERA54
8.4. REVENIDO56
8.5. TÊMPERA SUPERFICIAL57

Materiais de Construção Mecânica IV 4

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.

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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

Materiais de Construção Mecânica IV 6 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

Materiais de Construção Mecânica IV 7 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

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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 10 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.

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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.

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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

Materiais de Construção Mecânica IV 1 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).

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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).

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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 altosfornos 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

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Tabela 2 - Capacidades típicas de altos-fornos. Capacidade típica do alto-forno

À carvão vegetal 1.200 T / dia À carvão mineral (coque) 10.0 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 3% 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

Materiais de Construção Mecânica IV 15 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.

Sulfato de amônio (1,20%) Gás combustível (17,0%)

Figura 6 - Produtos e subprodutos da coqueificação.

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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.

Materiais de Construção Mecânica IV 17 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.

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