Aula materiaismetlicos 20141_20140530155005

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Aula materiaismetlicos 20141_20140530155005

  1. 1. CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
  2. 2. MATERIAIS METÁLICOS
  3. 3. DO FERRO AO AÇO
  4. 4. • As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são: INTRODUÇÃO MINÉRIO DE FERRO CARVÃO FUNDENTE Fonte de calor Separação: minério de Fe da ganga
  5. 5. Hematita - Fe2O3 Fe2O3 (69,9% Fe) Magnetita - Fe3O4 Fe3O4 (72,4% Fe). Limonita - 2Fe2O3·3H2O 2FeO3.3H2O (48,3% Fe).
  6. 6. • Antes do processamento nos altos-fornos os minérios de ferro passam por uma série de operações chamadas de beneficiamento, que consiste em operações de britamento, peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração (principal). MINÉRIO DE FERRO Melhor permeabilidade Carga Alto forno Redução: consumo de carvão SINTERIZAÇÃO PELOTIZAÇÃO
  7. 7. Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido ou coque (carvão moído, calcário e água). A carga é aquecida por intermédio de queimadores e com o auxílio de fluxo de ar. A temperatura que se desenvolve durante o processo atinge 1.300 a 1500 °C, suficiente para promover a ligação das partículas finas do minério de ferro, resultando num produto uniforme e poroso chamado sínter. Sinterização
  8. 8. É o mais novo processo de aglomeração e talvez o de maior êxito. Neste processo, produzem-se inicialmente “bolas” ou “pelotas” cruas de finos de minério de alto teor ou de minério concentrado. Adiciona-se cerca de 10% de água e, geralmente, um aglomerante de natureza inorgânica (bentonita – argila impura). Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são secas, pré-aquecidas e então queimadas para endurecimento Pelotização
  9. 9. USINA DE PELOTIZAÇÃO A pelota consolidada é descarregada para a fase de endurecimento no forno de pelotização
  10. 10. • Principais vantagens da pelotização: - Favorece a circulação de ar e gases de combustão no alto-forno; - Não obstrução do alto-forno; - Maior valor agregado ao produto, acrescentando agentes redutores do ferro como o carvão mineral (baixo teor de S). MINÉRIO DE FERRO
  11. 11. • O combustível utilizado no alto- forno é o carvão, coque ou de madeira, cuja ação se faz em três sentidos: - Fornecedor de calor para a combustão; - Fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro (O2 eliminado do minério de Fe) - Indiretamente, fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro gusa. CARVÃO
  12. 12. CARVÃO COQUE – 90% C COQUEIFICAÇÃO Aquecimento a altas temperaturas Exceto para saída dos gases Ausência de ar Moléculas orgânicas complexas (carvão mineral) RESÍDUO Carbonáceo (não volátil) Compostos orgânicos sólidos e líquidos (baixo PM) Gases
  13. 13. • Este resíduo resultante é o “coque”, que se apresenta como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os pontos de vista químico e físico. A qualidade do coque depende muito do carvão mineral do qual se origina, principalmente do seu teor de impurezas. RESÍDUO Carbonáceo (não volátil) CARVÃO COQUE – 90% C
  14. 14. CARVÃO VEGETAL O carvão vegetal ou de “madeira” PIRÓLISE subprodutos gasosos e líquidos são perdidos durante o processo Aquecimento Carbonização Moléculas complexas (constituição da madeira) resíduo sólido carvão vegetal. líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool metílico) Gases CO2, CO, H2
  15. 15. • A função do fundente é combinar-se com as impurezas (ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas “escórias”. O principal fundente é o calcário, de fórmula CaCO3. FUNDENTE
  16. 16. • O alto-forno constitui o principal aparelho utilizado na metalurgia do ferro. A metalurgia do ferro consiste, essencialmente, na redução dos óxidos dos minérios de ferro, mediante o emprego de um redutor, que é um material a base de carbono (carvão). Produção do Ferro Gusa: Alto-forno
  17. 17. O alto-forno trata-se de uma estrutura cilíndrica, de grande altura. Este, por sua vez, é constituído de três partes essenciais, Cadinho (escória) Rampa (carga + gás) Cuba (carga alternada)
  18. 18. Operação do alto-forno • Num alto-forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações: - uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente; - uma corrente gasosa que se origina pela reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente Produção do Ferro Gusa: Alto-forno
  19. 19. Reações Químicas: • As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras, da ordem de 1.800 a 2000°C. Nesta região, verifica-se a reação: C + O2 → CO2 •Originando-se grande quantidade de calor. Este CO2, ao entrar em contato com o coque incandescente, decompõe-se: CO2 + C → 2CO • O CO originado é o agente redutor. A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente sofre uma secagem. A decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente 800°C, conforme as seguintes reações: CaCO3 → CaO + CO2 MgCO3 → MgO + CO2 Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido. Produção do Ferro Gusa: Alto-forno
  20. 20. Reações Químicas de Redução do Minério de Ferro: 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO • Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho onde o ferro líquido e a escória são depositados), inicia-se a formação da escória, pela combinação do CaO e MgO do calcário (fundente) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade de óxido de ferro e manganês e as cinzas do carvão. • Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através dos interstícios (espaços vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se no cadinho. Produção do Ferro Gusa: Alto-forno
  21. 21. Reações Químicas de Redução do Minério de Ferro: Mn3O4 + C → 3MnO + CO MnO + C → Mn + CO SiO2 + 2C → Si + 2CO P2O5 + 5C → 2P + 5CO FeS + CaO + C → CaS + Fe + CO • Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas equações: 3Fe + C → Fe3C 3Fe + 2CO → Fe3C + CO2 Todas estas reações produzem, então, o ferro gusa, que além de ferro e carbono também incorpora os elementos manganês (Mn), silício (Si), fósforo (P) e enxofre (S). Produção do Ferro Gusa: Alto-forno
  22. 22. • A escória caracteriza-se por sua grande fluidez e seu baixo peso específico. Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gusa líquido separam-se por gravidade, formando duas camadas, isto é, a inferior (metálica) e a superior (escória), facilitando o vazamento de ambos os produtos. • A composição da escória varia dentro dos seguintes limites: - SiO2 - 29 a 38% - Al2O3 - 10 a 22% - CaO + MgO - 44 a 48% - FeO + MnO - 1 a 3% - CaS - 3 a 4% • Este material depois de solidificado pode ser utilizado como lastro de ferrovias, material isolante etc... Sua mais importante aplicação dá-se na fabricação do chamado “cimento metalúrgico”. Produção do Ferro Gusa: Alto-forno
  23. 23. Produção do Ferro Gusa: Alto-forno O principal produto do alto-forno é o ferro gusa, caracterizado por uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre. De um modo geral, a maioria dos ferro gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composições: Carbono - 3 a 4,4% Silício - 0,5 a 4,0% Manganês - 0,5 a 2,5% Fósforo - 0,05 a 2,0% Enxofre - 0,20% máx. Carvão Fundente Impurezas do minério de Fe
  24. 24. • O ferro-gusa raramente é usado puro, pois a grande quantidade de carbono torna o material frágil (quebradiço) e instável. Normalmente, este tipo de ferro é mais refinado por meio de fusões adicionais e processos de mistura a fim de criar o ferro forjado, ferro fundido ou o aço. Produção do Ferro Gusa: Aplicações Ferro forjado Ferro fundido Aço
  25. 25. • Para obter o ferro forjado a partir do ferro-gusa, a liga é refundida e combinada com óxidos de metal que retiram uma parte do carbono, tornando a liga resultante mais útil e menos quebradiça. Ates do aço era utilizado na construção civil (Torre Eiffel). Produção do Ferro Gusa: Aplicações Teor de carbono: < 0,15% Possui escórias Resistente, maleável, ductil, facilmente soldável. Forjado: pode ser moldado a quente
  26. 26. • Ferro fundido é mais forte e menos frágil do que o material inicial, graças a um processo que remove os elementos carbono (2,11-6,67%), enxofre e outros, acrescentando desejáveis características de sucata de metal fundido (silício 1-3%) e aço. Muito popular na construção de pontes e outras estruturas, o ferro fundido é usado também para criar tachos e panelas que suportam e distribuem uniformemente o calor elevado, porém oxidam com facilidade. Produção do Ferro Gusa: Aplicações Diferença (forjado e fundido): o processo. Fundido: o metal passa por fusão, vazamento em um molde e solidificação, necessário apenas acabamento
  27. 27. Produção do Ferro Fundido: Aplicações Ferro fundido: moldado sob forma Distribuição uniforme do calor. Desvantagem: oxidam com facilidade
  28. 28. A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: Produção do Aço: Alto-forno Preparação da carga, Redução, Refino Laminação.
  29. 29. As usinas de aço do mundo inteiro classificam-se segundo o seu processo produtivo em:  Integradas – que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação participam de todo o processo produtivo e produzem aço.  Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de ferro gusa, ou sucata metálica adquiridas de terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas e sua posterior laminação. Produção do Aço: Alto-forno
  30. 30. • PREPARAÇÃO DA CARGA: consiste na mistura do minério de ferro (sintetizado ou pelotizado) com calcário e coque. Produção do Aço: Alto-forno
  31. 31. • REDUÇÃO: Essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno, onde oxigênio aquecido a uma temperatura de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do alto forno. O carvão, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro- gusa. Produção do Aço: Alto-forno
  32. 32. Produção do Aço: Alto-forno REFINO Ferro gusa (Fe-C) -Si -Mn -P -S IMPUREZAS Teores reduzidos Agentes oxidantes -Sólidos - Gasosos Processos pneumáticos: Ag. Oxidante = Ar ou oxigênio Processos elétricos: Ag. Oxidante = Substâncias sólidas (minério de ferro, sucatas de aço – elevados teores de óxidos) Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido.
  33. 33.  Nos processos pneumáticos o ferro gusa líquido é levado ao Convertedor , onde ocorre a oxidação e a remoção do carbono e outras impurezas associadas. Produção do Aço: Alto-forno Ferro gusa – 2,11 -6,67% C Após oxidação Ferro – 0,008-2,11% C
  34. 34. Nos processos elétricos Produção do Aço: Alto-forno Ferro gusa (sólido) Sucata de aço Carga Alimenta A fusão da mistura ocorre devido ao calor gerado por um arco voltaico, formado por três eletrodos de grafite e a carga metálica Após a fusão Redução (elementos de liga) Oxidação Oxigênio (injetado por uma lança
  35. 35. • Após a oxidação, o aço está pronto para ser vazado na panela onde são, então, adicionadas diversas ligas metálicas (Cr, Ni) para melhorar as propriedades do metal. • A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos. • O lingotamento é um processo onde o material líquido é resfriado e transformado em lingotes (material sólido), blocos, placas entre outros. Respeitando o tempo de resfriamento (trincas). Produção do Aço: Alto-forno
  36. 36. ETAPAS DE PRODUÇÃO LAMINAÇÃO: trabalho mecânico a quente (T >723 °C) ou a frio, onde os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos, cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química. Ex: chapas, barras – formas adequadas dos produtos para uso comercial. Laminação à quente – grãos do material – recristalizados – forma de pequenos grãos Laminação à frio – deformação dos grãos – material encruado
  37. 37. Semi- acabados Propriedades mecânicas Conjunto de operações - Aquecimento -Resfriamento e velocidade -Temperatura -Tempo -Atmosfera Quebra do cavaco (pedaços de material) evitando sua aderência na ferramenta
  38. 38. • Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens menores que 2%. • Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanho, uniformidade dos grãos que o compõem e por sua composição química. Esta pode ser alterada em função do interesse de sua aplicação. • De maneira geral, os aços possuem excelentes propriedades mecânicas: resistem bem à traço, à compressão, à flexão, e como é um material homogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado, estriado e suas propriedades podem ainda ser modificadas por tratamentos térmicos ou químicos. Aço
  39. 39. • O aço é constituído de um agregado cristalino, cujos cristais (grãos) se encontram justapostos. As propriedades dos aços dependem muito de sua estrutura cristalina, ou seja, de sua composição química, do tamanho dos grãos e de sua uniformidade. •Os tratamentos térmicos bem como os trabalhos mecânicos modificam em maior ou menor intensidade alguns destes aspectos (arranjo, dimensões, formato dos grãos) e, consequentemente, podem levar a alterações nas propriedades de um determinado tipo de aço. Aço Estrutura cúbica Os átomos de Fe, localizam-se nos vértices e centro do cubo e o C nos espaços vazios do cubo (C é menor que o Fe)
  40. 40. Aço - Propriedades Elasticidade Plasticidade Ductibilidade Fragilidade Resiliência Tenacidade ou não tenaz
  41. 41. Aço - classificação Composição Química Aplicação • Baixo carbono (< 0,35% de C): São fáceis de conformar e soldar, possuem baixa dureza e alta ductilidade. (chapas automobilística, perfis estruturais e placas utilizadas na fabricação de tubos e construção civil ) • Médio carbono (0,3-0,6% de C): possuem boa temperabilidade (endurecimento por resfriamento) em água e melhor combinação de tenacidade e ductilidade e resistência mecânica e dureza. (construção: rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens, e outras peças de máquinas que necessitam de elevadas resistências mecânica e ao desgaste tenacidade) • Alto carbono (0,6-2% de C): possuem baixa conformabilidade e tenacidade, alta dureza e elevada resistência ao desgaste. Quando temperados são frágeis. (ferramentas de corte) Quantidade de Carbono Constituição Microestrutural
  42. 42. Aço - classificação Quantidade de Carbono Composição Química Constituição Microestrutural Aplicação  Perlíticos: aços com no máximo 5% de elementos de liga, as propriedades mecânicas podem ser melhoradas por tratamento térmico e possuem boa usinabilidade.  Martensíticos: aços com mais de 5% de elementos de liga, apresentam alta dureza e baixa usinabilidade.  Austeníticos: aços com elevados teores de elementos de liga, inoxidáveis, não magnéticos e resistentes ao calor.  Ferríticos: aços com baixo teor de carbono, elevados teores de elementos de liga (Cr, W, Si) e não reagem à têmpera (resfriamento rápido – maior temp. crítica > dureza).  Carbídicos: aços com alto teor de carbono e elementos formadores de carbonetos (Cr, W, Mn, Ti, Nb, Zr). Possuem alta dureza.
  43. 43. Aço - classificação Quantidade de Carbono Composição Química Constituição Microestrutural Aplicação  Aço-Carbono - Ausência elemento de liga, possuem elementos residuais de Si, Mn, P, S. São os aços de alto, baixo e médio teor de carbono. A resistência aumenta com o teor de carbono e a ductilidade diminui. São aços de relativa baixa dureza, oxidam-se facilmente.  Aços Ligados – presença de elementos de liga que aumentam a dureza e a resistência e conferem propriedades especiais como: resistência à corrosão, estabilidade à baixas e altas temperaturas, controlam o tamanho de grão, (laminação), melhoram a conformabilidade. Podem ser: - Baixa liga: quantidade de elementos de liga é inferior a 5%. (Cr, Mn, Mo, Ni, Si) - Média liga: quantidade de elementos de liga é inferior está entre 5 e 10%. (Cr, Mn, Mo, Ni, Si, C, V) - Alta liga: quantidade de elementos de liga é maior que 10%. (Cr, Mn, Mo, Ni, Si, C, V, W)
  44. 44. Aço - classificação Quantidade de Carbono Composição Química Constituição Microestrutural Aplicação
  45. 45. Aço - classificação Quantidade de Carbono Composição Química Constituição Microestrutural Aplicação  Aços para fundição: boa resistência, ductilidade e tenacidade, usinabilidade e soldabilidade - não apresenta alterações das características do material na junta soldada. (Aços baixo, médio e alto carbono; Aços-liga de baixo e alto teor de liga).  Aços para ferramentas: elevada dureza a temperatura ambiente e a quente, boa tenacidade, resistência ao desgaste e resistência mecânica (Aços com alto teor de carbono e com alto teor de liga de W, V e Cr ou Mo, Co e outros).  Aços estruturais: boa ductilidade para ser conformado, soldabilidade, resistência à tração elevada e baixo custo (Aços com baixo teor de elemento de liga).
  46. 46. Aço - classificação Quantidade de Carbono Composição Química Constituição Microestrutural Aplicação  Aços para usinagem: elevada usinabilidade (Aços com alto teor de enxofre, fósforo e manganês – alta dureza - quebradiço).  Aços para arames e fios: excelente resistência à tração e ductilidade para ser conformado (Aços-carbonos).  Aços para chapas e tubos: excelente deformabilidade, soldabilidade, ductilidade, baixo custo, alta resistência à corrosão e de fácil revestimento (Aços-carbonos)
  47. 47. Aço Inoxidável Alta-liga Cr Ni 20% Aços inoxidáveis austeníticos Cr Ni Aços inoxidáveis martensíticos Cr Ni [C] - suficiente para se alcançar durezas médias ou altas no tratamento térmico de têmpera ( > dureza , > T) Aços inoxidáveis ferríticos Cr Ni C Minimização dos processos de corrosão
  48. 48. Aço - Aplicações Indústria alimentícia e bebidas Eletricidade e construção civil Indústria química Móveis Instrumentos cirúrgicos Moedas Bens de consumo duráveis (geladeiras, fogões, lava-louças) Indústrias automobilísticas Resistência temp. elevadas Resistência Corrosão Resistência desgaste mecânico
  49. 49. Aço - Reciclagem O aço está entre os materiais mais recicláveis do mundo. O setor estimula: • Coleta de produtos no final da vida útil, • Novos produtos, sem qualquer perda de qualidade. • Redução do consumo de matérias-primas não renováveis, • Economia de energia • Evita a necessidade de ocupação de áreas para o descarte de produtos em obsolescência.
  50. 50. Poluição Ambiental • Emissão de gases nocivos (principalmente CO2); • Consumo de energia; • Consumo de água; • Produção de efluentes, resíduos sólidos e subprodutos; • Supressão da cobertura vegetal para extração de minérios; • Poluição dos recursos hídricos;

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