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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ

CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

MATERIAIS E UTILIDADES

Trabalho da disciplina de Materiais e Utilidades

O FERRO E SUAS LIGAS

TOLEDO – PR

2009

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ

CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

MATERIAIS E UTILIDADES

Trabalho da disciplina de Materiais e Utilidades

O FERRO E SUAS LIGAS

Alison C. Braga

Estela Silva França

Jorge A. D. Ayala

.

Docente: Prof. Dr. Sérgio Lucena

TOLEDO – PR

2009

1SUMÁRIO

1 SUMÁRIO 3

2 Descrição e Propriedades 5

2.1 O Ferro na alimentação e no organismo 6

2.1.1 Fontes de Ferro 6

3 História 9

3.1 O Ferro na Medicina 10

3.2 Fornos Primitivos 10

4 Produção 12

4.1 Reservas de Ferro 12

4.2 Matérias Primas para a Sinterização e Alto Forno 13

4.2.1 Classificação das Matérias Primas 13

4.2.2 Beneficiamento do minério de ferro 16

4.3 Processo produtivo 19

4.3.1 Processos de Redução Direta 19

4.3.2 Processos de Redução Indireta 21

4.4 Alto Forno 22

4.4.1 Sub Produtos 23

4.4.2 Corpo Principal do Alto Forno 24

4.5 Desulfuração 25

4.6 Refino Secundário 25

4.7 Lingotamento contínuo 26

4.8 Laminação 26

5 Ligas De Ferro 29

5.1 Ferros Fundidos 29

5.2 Ferros fundidos com grafita (ou comuns) 30

5.3 Ferros fundidos grafíticos altamente ligados 31

5.4 Ferros fundidos brancos comuns 31

5.5 Ferros fundidos brancos altamente ligados 32

5.6 Aço 34

6 Utilização 37

6.1 O Ferro na Natureza 38

6.2 O Ferro e a Vida 39

7 Reciclagem 41

8 Bibliografia 43

2Descrição e Propriedades

O ferro (do latim ferrum) é o segundo metal mais abundante da crosta terrestre e o quarto elemento mais encontrado, depois do oxigênio, silício e alumínio. Porém, quando se considera a totalidade do planeta, o ferro surge como o primeiro constituinte do corpo sólido da Terra, ocupando, juntamente com o níquel, os cerca de 7000 km de diâmetro que compõem o seu núcleo.

De número atômico 26 e símbolo químico Fe, o ferro é um elemento de transição, pertencente ao oitavo grupo da tabela periódica. Quando puro, o ferro é um metal branco-cinzento brilhante. Caracteriza-se pela grande ductibilidade, que permite transformá-lo em fios e arames, e maleabilidade, que facilita a fabricação de folhas laminares. Entre suas propriedades físicas destaca-se o magnetismo, que o torna um ótimo material para fabricar ímãs. Quanto às propriedades químicas, o ferro é inalterável, em temperatura normal, quando exposto ao ar seco. Submetido ao ar úmido, o ferro metálico sofre oxidação e se transforma lentamente em ferrugem (óxido de ferro), o que pode ser evitado se o ferro for revestido de metal mais resistente à corrosão, como zinco (ferro galvanizado), estanho (folha-de-flandres) ou cromo (ferro cromado). O ferro é atacado facilmente por ácidos.

Figura 1 - Peças de ferro

Este elemento é detectável na composição de quase todos os seres vivos, sendo essencial para a esmagadora maioria destes. A maquinaria celular dos organismos depende bioquimicamente do ferro para executar muitas das suas funções, em particular a respiração, sendo um componente essencial na hemoglobina do sangue. O ser humano não é exceção, necessitando de tomas diárias deste elemento, normalmente proporcionadas por uma dieta equilibrada.

2.1O Ferro na alimentação e no organismo

O Ferro pode ser fornecido ao organismo por alimentos de origem animal e vegetal. O ferro de origem animal é melhor aproveitado pelo organismo.

O organismo do homem adulto contém de 3 a 5g de ferro dos quais 30 a 40% na forma de armazenamento. É um mineral muito bem conservado pelo organismo: cerca de 90% é recuperado e reutilizado freqüentemente. Embora esteja presente no corpo humano em quantidades pequenas, suas funções são essenciais à vida. A célula do sangue é formada por proteína e ferro, além de outros componentes por isso, a falta deste mineral, causa a anemia, que é a diminuição do número de células vermelhas (hemoglobina), e conseqüentemente uma diminuição da oxigenação das células do corpo.

2.1.1Fontes de Ferro

São melhores fontes de ferro as carnes vermelhas, principalmente fígado de qualquer animal e outras vísceras (miúdos), como rim e coração; Carnes de aves e de peixe; e mariscos crus. Ao contrário do que muitas pessoas pensam, o leite e o ovo não são fontes importantes de Ferro. Contudo, no mercado já existem os leites enriquecidos com Ferro.

Entre os alimentos de origem vegetal, destaca-se como fonte de ferro os folhosos verde-escuros (exceto espinafre), como agrião, couve, cheiro-verde, taioba; as leguminosas (feijões, fava, grão-de-bico, ervilha, lentilha); grãos integrais ou enriquecidos; nozes e castanhas, melado de cana-de-açúcar, rapadura e açúcar mascavo. Também existem disponíveis no mercado alimentos fortificados com ferro como farinhas de trigo e milho, cereais matinais, entre outros.

Figura 2 - Alimentos ricos em ferro

Ressalta-se que o leite materno é considerado fator protetor contra Anemia por Deficiência de Ferro devido à alta biodisponibilidade do ferro existente. Estudos evidenciam associação de anemia em crianças que tiveram pouco tempo de aleitamento materno exclusivo, alimentação prolongada com leite de vaca e com a introdução da alimentação complementar precoce.

A presença de ácido ascórbico, disponível em frutas cítricas, e alimentos ricos em proteínas na refeição, melhora a absorção de ferro proveniente de produtos vegetais, como: brócolis, beterraba, couve-flor e outros. Por outro lado, existem alguns fatores (fosfatos, polifenóis, taninos, cálcio) que podem inibir a absorção do ferro, presentes em café, chá, mate, cereais integrais, leite e derivados.

3História

Não se pode atribuir a descoberta do ferro, enquanto elemento químico, a ninguém em particular. O ferro já era conhecido na antiguidade, sendo mesmo possível encontrá-lo, na natureza, na forma metálica, normalmente associado ao níquel, em materiais provenientes de meteoritos.

Não é possível falar do desenvolvimento da civilização ocidental sem referir o ferro. De fato, o rápido desenvolvimento do mundo humanizado só se desencadeou a partir da descoberta das técnicas de extração deste elemento por volta de 1500 AC. Note-se que já teria sido usado por civilizações antigas como a Chinesa, a Síria ou a Egípcia cerca de 700 anos antes, mas não havia sido processado. A origem deste ferro seria provavelmente a extração efetuada diretamente a partir dos locais de queda de meteoritos. Quando da descoberta do ferro já se conheciam e utilizavam outros metais, como o ouro, a prata, e o cobre, e também ligas como o bronze. Mas nenhum era tão admirável como o ferro.

A evolução subseqüente, no entanto, foi relativamente lenta. Só em 1200 d.C. emergiram as primeiras fornalhas que tornavam mais eficiente o processo de produção (construídas em pedra com uma abertura à superfície promovendo a alimentação de ar à fornalha). No início do século XIV, surgiram fornalhas bastante eficazes com um processo seletivo de entrada de ar na mesma, idênticas (processualmente) às utilizadas hoje em dia.

A arte da pintura cerâmica também rejuvenesceu com a influência do ferro. Os pigmentos férricos, como o Fe2O3 e o Fe3O4, respectivamente vermelho e preto, foram obtidos pelos químicos da época.

A história do ferro ficaria, certamente, incompleta se não se referisse a descoberta do aço. Esta liga, de tão grande importância para o mundo moderno permitiu descobrir outra característica fundamental deste metal. Ligado a pequenas quantidades de carbono, adquiria uma resistência mecânica notável. Um material que, quando quente, era extremamente maleável e, ao arrefecer, se tornava num dos mais resistentes conhecidos até então.

Em 1889 nasce uma construção em aço que ainda hoje “arranha os céus” de Paris e que se viria a tornar um marco do final do século XIX – a torre Eiffel.

3.1O Ferro na Medicina

A história do ferro na medicina surge com Cláudio Galeno, um médico grego que viveu durante a segunda metade do segundo século DC. Começou por utilizá-lo como laxante, ainda que hoje em dia o ferro seja conhecido precisamente pelo efeito oposto. É preciso avançar mais de 1450 anos para se encontrarem dados históricos que incluam o ferro na medicina ou farmacêutica.

Em 1745 um médico italiano (Vincenzo Menghini) prova a existência deste elemento no sangue humano. A seqüência experimental deste investigador consistia em alimentar cães com preparados de ferro, drenar-lhes o sangue, secá-lo e, posteriormente, queimar a pasta seca. O resultado foi realmente espantoso. Ao sujeitar as cinzas resultantes a um campo magnético confirmou a sua hipótese. Com esta descoberta inicia-se a história do ferro na saúde.

É claro que a prova da existência de ferro no sangue humano, foi apenas o começo da descoberta, pois a resposta à pergunta “Qual a utilidade do ferro nos vasos sanguíneos?”, foi alvo de investigação durante anos a fio. Em 1832, um médico denominado Bland descobriu que era possível curar a anemia, utilizando sulfato de ferro (II). A partir desta crucial descoberta, a imagem do ferro começou a ser freqüentemente associada ao bem-estar físico e à saúde.

3.2Fornos Primitivos

Possibilitavam a absorção de uma certa quantidade de carbono (até 1%), o que por rápido resfriamento poderia elevar drasticamente a dureza do material (têmpera)

Figura 3 - Forno primitivo, do tipo poço fechado, usado na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão vegetal como combustível.

Figura 4 - Forno primitivo, do tipo forja catalã, usado na redução do minério de ferro, pelo emprego de carvão vegetal como combustível

Estes dois tipos de fornos usavam o processo de redução direta (ferro não era obtido no estado líquido):

C + O2  CO2 CO2 + C  CO

CO + FeXOY  Fe + CO2

Obs.: O ferro era obtido no estado pastoso (líquido de alta viscosidade), misturado com as impurezas do minério.

O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dúctil, mole, maleável e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevadas. Após ser retirado do forno (uma bola de ferro), o ferro era martelado para a remoção das impurezas. O resultado era uma barra ou “lupa”, posteriormente reaquecida e trabalhada por martelamento (ferro pulado), para dar forma desejada ao produto final.

4Produção

Hoje em dia são produzidos cerca de 500 milhões de toneladas de ferro a partir das reservas naturais e outros 300 milhões de toneladas provenientes da reciclagem. A existência de ferro nas suas diversas formas em reservas naturais ultrapassa os 100 bilhões de toneladas (majoritariamente na forma de Fe3O4, Fe2O3, FeO (OH) e FeCO3).

4.1Reservas de Ferro

As reservas mundiais de minério de ferro estão na ordem de 310 bilhões de toneladas. O Brasil possui 6,8% dessas reservas (21,0 bilhões de toneladas) e está em 5º lugar entre os países detentores de maiores volumes de minério. Porém, o alto teor de ferro em seus minérios (60,0 a 67,0% nas hematitas e 50,0 a 60,0% nos itabiritos) leva o Brasil a ocupar lugar de destaque no cenário mundial, em termos de ferro contido no minério.

As reservas brasileiras estão assim distribuídas: Minas Gerais (70%), Pará (7,3%), Mato Grosso do Sul (21,5%) e outros estados (1,2%). Se considerarmos, também, as reservas inferidas, o Brasil aumenta significativamente o seu potencial, totalizando 62 bilhões de toneladas de minério de ferro. A produção mundial de minério de ferro, em 2001, foi de cerca de 1,0 bilhão de toneladas e o Brasil ocupa o 2º lugar entre os maiores produtores, entretanto como a produção da China deve referir-se à produção sem tratamento, o Brasil é, provavelmente, o maior produtor de minério beneficiado.

Figura 5 - Gráficos relativos à produção e reservas mundiais de ferro. Dados de 2001.

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