Metais e produtos sidereurgicos

Metais e produtos sidereurgicos

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METAIS E PRODUTOS SIDERÚRGICOS

  1. INTRODUÇÃO

Entende-se por metal, do ponto de vista tecnológico, um elemento químico que existe como cristal ou agregado de cristais, no estado sólido, caracterizado pelas seguintes propriedades: alta dureza, grande resistência mecânica, elevada plasticidade (grandes deformações sem ruptura), relativamente alta condutibilidade térmica e elétrica.

Constituem os metais um dos grupos mais importante entre os materiais de construção, mercê das propriedades acima enumeradas que os fazem aptos a um sem-número de empregos do campo da Engenharia.

Acresce ainda que a possibilidade da obtenção das ligas metálicas, melhorando ou melhorando certas propriedades, fez alongar ainda mais o seu campo de aplicação.

O metal mais importante, ainda hoje, é o ferro, seguido pelo cobre, alumínio, chumbo e zinco.

A utilização dos metais foi um dos fatos mais importantes na historia da humanidade.

Não se sabe quando o metal foi utilizado pela primeira vez sendo variável a data de início do seu emprego em diferentes partes do globo.

Parece ter sido o cobre o primeiro metal atrair a atenção do Homem, pois só o cobre e o ouro apresentam-se, no estado nativo, com certa abundância. Sendo o cobre o mais duro é resistente do que o ouro foi ele utilizado para as primeiras armas e ferramentas. Além disso, trabalhado a frio torna-se mais duro e resistente, podendo oferecer vantagens sobre a pedra para o uso como arma ou ferramenta.

Não se sabe qual tenha sido o primeiro homem a obter propositalmente um metal. O fato deve ocorrido entre 4.000 e 5.000 A.C.

Os egípcios já utilizavam o aço, o mesmo acontecendo com os romanos. O progresso da metalografia foi muito grande na Idade Média, principalmente devido aos alquimistas.

A verdadeira ciência dos metais, entretanto, surgiu no século XIX, devendo ser citados Bessemer, Martin, Siemens, Gibbs, Roozeboom, Sorby, Martens, entre outros, como responsáveis por contribuições decisivas no progresso do conhecimento e desenvolvimento da aplicação dos materiais metálicos.

Denomina-se metalurgia a arte é a ciência dos metais e ligas metálicas, isto é, o estudo de suas propriedades em diferentes condições, e as mudanças sofridas nessas propriedades pelos tratamentos a que são submetidos os metais, ou então pelas substancias estranhas que com eles se misturam, sejam impurezas ou corpos introduzidos propositadamente.

A metalurgia se divide em química ou de produção, que engloba os processos de fabricação e os tratamentos mecânicos e térmicos posteriores; e metalurgia física ou metalografia, que compreende o estudo da constituição e estrutura dos metais e ligas bem como os fatores que afetam suas propriedades.

Os metais podem aparecer no estado nativo ou na forma de mineral. Aparecem em geral no estado puro: o ouro e a platina, podendo apresentar-se também nesta forma a prata, o cobre, o mercúrio, o enxofre e o ferro meteórico. Os minerais são combinações de metais com outros elementos formando óxidos, sulfetos, hidratos, carbonatos, etc.

Os depósitos de minerais que se encontram na superfície da Terra são, em geral, combinações de vários minerais. Quando o mineral contém uma quantidade de metal que permite sua exploração econômica, leva o nome de minério.

Os fatores geralmente considerados na conceituação de minérios são: teor de metal, ausência de impurezas que prejudiquem a sua utilização e facilidade de transporte. O tempo pode modificar o conceito de minério, pois o aperfeiçoamento de um processo de obtenção pode tornar econômica a utilização de minerais hoje considerados inadequados.

Denomina-se liga metálica a todo produto metalúrgico proveniente da mistura ou da combinação de um metal com um ou mais corpos simples (metais ou metalóides).

Os produtos siderúrgicos mais comuns são as ligas Fe-C. Freqüentemente juntam-se ao ferro e carbono outros elementos (níquel, vanádio, cromo, etc.), obtendo-se então produtos com propriedades especiais: são os produtos siderúrgicos especiais.

O ferro existe na natureza combinado sob a forma de óxidos ou carbonatos, constituindo os minérios de ferro. Quando se reduz o óxido (o carbonato sofre tratamento prévio que o transforma em óxido), o ferro resultante se liga ao carbono, dando a liga metálica, que depois de refinada constitui a matéria prima mais importante no ramo dos materiais metalúrgicos.

Nos produtos siderúrgicos Fe-C, o carbono está compreendido entre 0 e 6,67% (acima de 4,5% não tem valor comercial). Os produtos mais importantes são os aços e os ferros fundidos que diferem pelo teor de carbono.

Denominam-se aços os produtos com o teor de carbono ate 2% e ferro fundido acima deste valor. Além destes, podem ser indicados o ferro pudlado, ou ferro-pacote, o ferro-esponja e o ferro eletrolítico.

  1. METAIS

Os metais são materiais inorgânicos, resistentes e deformáveis. Isso justifica sua vasta aplicação e incontáveis utilidades.

Uma característica interessante dos metais é o fato de que possuem a chamada "nuvem de elétrons" que nada mais são que elétrons livres abundantes, ou seja, elétrons que não estão sujeitos a grandes forças intermoleculares e por isso se deslocam facilmente entre uma eletrosfera e outra. Várias das qualidades dos metais estão diretamente atribuídas a este fato, como exemplo a condutividade dos metais.

Os metais se classificam em metais não-ferrosos e ferrosos. A seguir será definidos e classificados cada um destes.

    1. Metais Não-Ferrosos

Consiste em metais que não contenham ferro em suas composições como elemento principal, tais como: cobre, bronze, níquel, alumínio e zinco.

      1. Cobre

Cobre é um dos metais mais versáteis. A combinação de propriedades mecânicas, elétricas, térmicas e químicas entre outras dá ao metal uma extensa gama de aplicações, seja na forma pura, seja em ligas como bronze, latão e outras.

É o metal não ferroso mais utilizado, após o alumínio, por ser excelente condutor de eletricidade e calor. A indústria de cobre primário se organiza em torno de quatro tipos de produtos, originados em etapas distintas dos processos de extração, fundição e refino, os quais estão relacionados a seguir:

  • Minério de cobre: corresponde ao mineral extraído da mina, cujo conteúdo oscila entre 0,7% e 2,5% de cobre;

  • Concentrado de cobre: corresponde ao minério de cobre que, através de um processo de moagem das rochas e mistura com água e reagentes, passa a apresentar entre 30% e 38% de cobre fino;

  • Cobre fundido: corresponde aos concentrados que, por meio de processos pirometalúrgicos, se transformam no chamado cobre blister (98,5%) e, posteriormente, no anodo de cobre, cujo teor é de 99,7% de cobre;

  • Cobre refinado: corresponde aos anodos e às soluções (no caso da lixiviação) que são refinados por processo de eletrólise, resultando nos catodos, com pureza de 99,9% de cobre.

Em relação ao cobre secundário, pode-se citar dois tipos principais de sucata:

  • Sucata para refino - é a sucata industrial de processo, assim como a sucata comprada de terceiros no mercado, necessitando processamento de refino;

  • Sucata para uso direto - direcionada aos transformadores, sem necessidade de refino.

O cobre é um dos metais menos abundantes na crosta terrestre, sendo que em muitos casos, é encontrado combinado com o ferro, o carbono e o oxigênio, situando-se na tabela periódica, entre os metais de transição, cuja familiaridade no mercado da construção civil deve-se ao fato de que sempre foi uma matéria-prima tradicional para tubulações em edificações de todo o tipo. Este também tem extenso uso nas indústrias de fios e cabos elétricos, que absorve mais de 50% desse metal, sendo o restante utilizado em ligas especiais, tubos, laminados e extrudados.

A maior rentabilidade na indústria do cobre é da mineração, sendo pequena a agregação de valor na metalurgia, visto que cerca de 70% a 80% do preço final do cobre metálico refere-se ao concentrado.

Fios e cabos elétricos aplicados à construção civil

Na transmissão de energia elétrica, são usados fios e cabos de alumínio ou de cobre. Na instalação domiciliar é quase só usado o cobre, por ser este o mais flexível. Geralmente nos fios e cabos, o cobre é capeado por uma camada delgada de estanho, para evitar a oxidação.

As ligas mais importantes do cobre são os bronzes (cobre e estanho), latões (cobre e zinco), metal monel (cobre e níquel). O estanho é duro e resistente.Essas ligas podem ser trabalhadas a frio e o uso de 0,2% a 0,4% de fósforo melhora muito a resistência, principalmete de bronze trabalhado a frio. O zinco proporciona uma ductibilidade alta, até um determinado teor (5% a 37%); além disso, aparece uma nova fase mais frágil que torna o latão menos trabalhável. Os latões são semelhantes aos bronzes quanto ao comportamento, mas a resistência é menor. Os latões com um pouco de estanho ou alumínio são mais resistentes à corrosão por água do mar. Ligas de metal monel têm resistência mecânica elevada e boa resistência à corrosão. Podem ser tratadas a frio. O uso de um pouco de silício, 3% a 4%, melhora as propriedades de endurecimento por envelhecimento.

Figura 1 - Fios, cabos de cobre utilizados em instalações de baixa tensão, como construção civil e lâminas lisas de cobre para cobertura de edifícios.

A arquitetura de interiores tem utilizado o cobre para revestir paredes, portas, móveis, etc. Há também o amplo uso em calhas e condutores de cobre para o escoamento de águas pluviais.

      1. Bronze

Originalmente o termo bronze era empregado para ligas de cobre e estanho, este último como principal elemento. Na atualidade, bronze é o nome genérico para ligas de cobre cujos principais elementos não são níquel nem zinco.

Uma das principais propriedades é a elevada resistência ao desgaste por fricção, o que faz do bronze um material amplamente usado em mancais de deslizamento. Bronzes podem ser agrupados em famílias de acordo com o processo de produção e a composição. Alguns exemplos na tabela abaixo.

  • Trabalhados Fundidos

  • Bronzes de fósforo (Cu, Sn, P).

  • Bronzes de chumbo e fósforo (Cu, Sn, Pb, P).

  • Bronzes de alumínio (Cu, Al).

  • Bronzes de silício (Cu, Si).

  • Bronzes de estanho (Cu, Sn).

  • Bronzes de estanho e chumbo (Cu, Sn, Pb).

  • Bronzes de estanho e níquel (Cu, Sn, Ni).

  • Bronzes de alumínio (Cu, Al).

Na área da construção civil o bronze é utilizado em tubos flexíveis, válvulas industriais, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, buchas, engrenagens, além da confecção de metais sanitários, ferragens (fechaduras, dobradiças, fechos, puxadores) e ornatos para a construção civil.

Figura 2 - Válvula de Retenção Horizontal e válvula para combate a incêndios (corpo de bronze).

      1. Níquel

O níquel tem seu ponto de fusão em aproximadamente 1453ºC, possuindo uma grande resistência a corrosão e oxidação. Deste modo o níquel é utilizado, tanto puro como em ligas, em aproximadamente 300 mil produtos para consumo, indústria, material militar, moedas, transporte/aeronaves e em aplicações voltadas para a construção civil. Nos países industrializados o níquel tem aproximadamente 70% de utilização na siderurgia, sendo os restantes, 30%, divididos em ligas não–ferrosas, galvanoplastia etc. Suas principais aplicações são feitas como revestimento protetor do aço, como elemento de liga nos produtos siderúrgicos, onde seu emprego é muito importante, sendo os principais exemplos os aços inoxidáveis e aços refratários.

      1. Alumínio

Devido a suas características próprias, o alumínio é dentre os materiais comercialmente encontrados o de maior taxa resistência/peso. Portanto, o uso do alumínio em perfis estruturais pode proporcionar uma estrutura metálica econômica. Uma das principais vantagens do uso da estrutura em alumínio é sua grande resistência à corrosão ambiental. Além da apresentação em chapas planas, o alumínio para estruturas é fornecido em perfis, sólidos (abertos) ou tubulares (fechados). Estes são fabricados pelo processo de extrusão em matrizes, cuja facilidade na concepção das mais variadas formas das seções, faz do alumínio um excelente material também de acabamento e decoração.

Sua leveza, condutividade elétrica, resistência à corrosão e baixo ponto de fusão lhe conferem uma multiplicidade de aplicações. Seja pela anodização ou pela pintura, o alumínio assume a aparência adequada para aplicações em construção civil, por exemplo, com acabamentos que reforçam ainda mais a resistência natural do material à corrosão. Na construção, é usado em transmissão de energia elétrica, coberturas, revestimentos, esquadrias, guarnições, elementos de ligação, etc

Transmissão de energia elétrica, na forma de fios e cabos, que apresentam sobre os de cobre, maior leveza, permitindo maiores afastamentos entre os postes e suportes. É muito eletrolítico, por isso, em especial, não deve ficar em contato direto com ferro ou aço; ou com outros metais. Os elementos de conexão devem ser de alumínio também. Se isso não for possível, que estes sejam de aço zincado ou cadmiado, para formar película isolante.

Em coberturas é usado na forma de chapas onduladas para telhados e lâminas para impermeabilização (ligas finas ou corrugadas - para aumentar a aderência ao impermeabilizante e compensar efeitos de dilatação).

Figura 3 - Aplicações do Alumínio em janelas, fios, cabos e em coberturas (forma de chapas).

2.1.5 Zinco

O uso de ligas de zinco é a forma mais recente para redução da velocidade de corrosão do zinco sobre o aço.

Os processos mais utilizados mundialmente são:o zinco-níquel, zinco-ferro e zinco-cobalto. A pilha galvânica entre o zinco e o aço desencadeia o comportamento anódico do zinco, mas a diminuição da diferença de potencial da pilha pode conduzir à diminuição da intensidade da corrente de corrosão.

Aplicações do zinco na construção civil

O zinco é empregado na fabricação de ligas metálicas como o latão (cobre mais 3 a 45% de zinco), além de ser utilizado na produção de telhas e calhas residenciais. O zinco é, ainda, utilizado como metal de sacrifício para preservar o ferro da corrosão em algumas estruturas, na produção de pilhas secas e como pigmento para tinta na cor branca. E as peças galvanizadas são utilizadas em vários ramos da construção civil: tubulação industrial, estruturas metálicas, telecomunicações, eletrificações, urbanização, material ferroviário, ferragens, tubulação residencial.

Uma de suas aplicações mais importante é a galvanização do aço. O revestimento pode ser feito eletroliticamente ou por imersão. Cerca de 90% do zinco é usado neste processo.

Emprega-se principalmente para o recobrimento de chapas de aço (galvanizadas), como elementos de liga nos latões, em chapas para telhados e em calhas, em ligas para fundição sobre pressão - Zamac (componentes de ferragens para construção civil).

Figura 4 - Telhas de aço e tubo galvanizados (revestimento de zinco é aplicado ao aço com baixo teor de carbono).

O material zincado é empregado em reservatórios, calhas, esquadrias de aços, tubos, ferragens de construção, arames e cabos, etc.

3. PRODUTOS SIDERÚRGICOS

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