O documento descreve a história da metalurgia do ferro, desde os primeiros usos do ferro como meteoritos na China e Índia há 2000 anos até a industrialização com os Hititas em 1700 a.C. Também explica os processos modernos de produção de aço como altos-fornos, conversores Bessemer e Siemens-Martin, e como ligas metálicas melhoram as propriedades do aço.

1. Escola Técnica SENAI Santo Amaro
Materiais de construção mecânica
•Instrutor Diego Santana

2. HISTÓRICO
 Origem
 A primeira vez que o homem viu o ferro foi sob a forma de
meteoritos. Daí a palavra “siderurgia”, pois Sidus significa estrela,
em Latim;
 Primeiras evidências de uso: China e Índia (a 2000 anos antes de
Cristo);

3. HISTÓRICO
 Início da Industrialização: Os Hititas, em,
aproximadamente, 1700 a.C., aqueciam uma mistura de
minério de ferro e carvão vegetal em um buraco no solo.
Obtinham, assim, uma massa pastosa que era, em
seguida, batida para desprender as impurezas e
escórias.

4. HISTÓRICO
• O que restava da massa de ferro era depois forjado na
forma de punhais, espadas, utensílios e armaduras de
malha.

5. Metalurgia Extrativa

6. Os minérios e o Brasil
• Em 1554, o Pe. Anchieta
notificou a existência de
depósitos de prata e minério
de ferro no atual estado de SP.
• A produção de ferro
(magnetita) só começou em
1587 por Afonso Sardinha.
• Depois de Afonso Sardinha, a
produção de ferro estagnou,
só sendo retomada no século
seguinte.
• Hoje, o Brasil é considerado o
9º produtor mundial.

7. METAIS FERROSOS
•São materiais que tem como elemento principal o ferro (Fe).
São eles:
•Ferro fundido: é uma liga ferro – carbono com teores de
carbono entre 2,11% a 6,67%
•Aço: é uma liga ferro – carbono com teores de carbono
variando entre 0,008% a 2,11%.
•O ferro fundido e o aço são produzidos a partir da obtenção
do ferro gusa.

8. MATÉRIAS - PRIMAS PARA OBTENÇÃO DO
FERRO GUSA NA SIDERURGIA
Minério de Ferro
Carvão
Calcário

9. MINÉRIO DE FERRO
• Os minerais que contém ferro em quantidade apreciável são os
óxidos, silicatos,carbonatos, sulfetos. O óxido é o mais
importante do ponto de vista siderúrgico.Os principais óxidos
são:
• Magnetita (óxido ferroso - férrico), de fórmula Fe3O4 contendo
72,4 % Fe.
• Hematita (óxido férrico), de fórmula Fe2O3 contendo 69,9% Fe.
• Limonita (óxido Hidratado de ferro), de fórmula 2Fe2O3 3H2O
contendo em média 48,3 % Fe

10. CARVÃO
O carvão coque ou de madeira é utilizado no
alto-forno e tem as seguintes funções:
• Fornecedor de calor para combustão;
• Fornecedor do carbono para redução do
óxido de ferro,
• Indiretamente, fornecedor do carbono como
principal elemento de liga do ferro gusa.
Carvão mineral Carvão vegetal

11. CARVÃO
O carvão utilizado no alto-forno, pode ser obtido de duas
formas:
1- Queima da madeira (carvão vegetal);
2- Através de um processo de aquecimento a altas
temperaturas da Hulha (carvão mineral).
À esse processo, dá- se o nome de coqueificação
originando assim, o coque (carvão mineral depois do
processo de aquecimento).
• O coque e o carvão de madeira permitem que temperaturas
mais elevadas sejam atingidas,dentro do alto-forno. Por
serem menos inflamáveis do que os produtos naturais que
os originam.

12. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CARVÃO
VEGETAL E MINERAL
•Carvão mineral (%)
•Carvão vegetal

13. CALCÁRIO (CaCO3)
• Assume o papel de fundente que é
combinar-se com as impurezas (gangas) do
minério e com as cinzas do carvão.
Formando as chamadas “escórias”.
•Composição média do
Calcário para uso em
alto-forno

14. •PRODUÇÃO DO FERRO GUSA:
ALTO - FORNO
É o principal aparelho
utilizado para a produção do
ferro gusa.
•Nele, ocorre as reações,
essencialmente, de redução
dos óxidos dos minérios de
ferro, mediante o uso do
material à base de carbono
(carvão).
•Da mesma forma,
indiretamente, nele ocorre o
suprimento de carbono para
as ligas ferro – carbono que
são os principais produtos do
alto forno.
Seção transversal de um alto forno moderno.

15. CONSTRUÇÃO DO ALTO FORNO
É composto por três partes principais:
1- Cadinho: parte do alto forno onde se acumulam o metal fundido e a escória,
resultante das reações que ocorrem no interior do alto forno. O diâmetro do
cadinho, dependendo da capacidade do forno, pode ser mais ou menos igual ou
maior que 10 metros. A altura do cadinho supera frequentemente 4 metros.
2- Rampa: tem formato tronco – cônico; suas dimensões variam desde o diâmetro
do cadinho até acima de 10,5 metros. Sua altura pode superar 4 metros.
A inclinação da rampa é da ordem de 800 a 820 em relação à horizontal.
3- Cuba : também de forma tronco – cônica tem a seção menor voltada para cima,
no topo ou goela. Sua altura, a partir da rampa, pode chegar a 25 metros. Em
consequência, a altura do alto forno, compreendendo o cadinho, rampa e cuba,
supera 30 metros aos quais devem juntar – se 4,5 a 5 metros do fundo do
cadinho ao piso do chão.

16. CARREGAMENTO DO ALTO FORNO
•O sistema copo e cone tem por
função realizar uma distribuição
uniforme da carga para evitar a
saída de gases para a atmosfera

19. CARGAS E PRODUTOS RESULTANTES DE UM ALTO FORNO

21. •FORNOS
PRIMITIVOS

22. Forja Catalã
• A forja catalã foi desenvolvida no século VI da era cristã (período
que correspondia à Idade Média), na Europa.
• Obtinha-se um tipo grosseiro de aço pela redução direta do minério,
sem a obtenção intermediária de ferro gusa. A liga pastosa, ao
solidificar, tornava-se frágil e quebradiça.
• Forja catalã. Utilizava 4 kg de carvão para 1 kg de ferro

23. OBTENÇÃO DO AÇO
O ferro gusa é uma liga ferro-carbono, na qual o carbono
e impurezas normais ( Si, Mn, P, S), se encontram em
teores elevados. A sua transformação em aço, que é
uma liga de mais baixos teores de C, Si, Mn, P, S,
corresponde a um processo de oxidação o qual
consegue diminuir o percentual destes elementos até
valores desejados. Os agentes oxidantes usados para a
transformação do ferro gusa em aço podem ser de
natureza gasosa, como o ar e oxigênio, ou podem ser
de natureza sólida, como minérios na forma de óxidos.
Assim, os processos para a produção do aço podem ser
classificados de acordo com o agente utilizado.
1- Processos pneumáticos: onde o agente oxidante pode
ser o ar ou o oxigênio.
2- Processos Siemens – Martin, elétrico, duplex, etc., em
que os agentes oxidantes são substâncias sólidas
contendo óxidos.

24. OBTENÇÃO DO AÇO
• Dependendo da composição do ferro gusa e do
tipo de aço desejado, pode - se considerar
ainda outra divisão dos processos de sua
fabricação, qualquer que seja o tipo de forno:
3- Processos ácidos: em que podem ser
diminuídos ou removidos facilmente os
elementos, C, Si e Mn, não acontecendo,
também o mesmo com os elementos P e o S.
4- Processos básicos: em que todos os elementos
citados podem ser reduzidos aos valores
desejados.

25. 1- PROCESSOS PNEUMÁTICOS
• O princípio básico de
qualquer um dos processos
pneumáticos é introduzir ar
ou oxigênio, pelo fundo,
lateralmente ou pelo topo,
por intermédio de uma
“lança”.

26. •CONVERSOR BESSEMER
•É um processo pneumático tradicional que tem o nome de seu
inventor, em 1847, na Inglaterra. Na mesma época um outro
forno análogo ao de Bessemer foi desenvolvido, nos EUA, por
Kelly.
•A capacidade da maioria dos
conversores Bessemer variam
entre 25 a 30 t.
•Composição do ferro gusa
no conversor, para
operação nas melhores
condições:

27. •REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DAS MODIFICAÇÕES DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO METAL QUE OCORREM
DURANTE A OPERAÇÃO DOS CONVERSORES.

28. CONVERSOR THOMAS
• Este processo,patenteado em 1879, na Inglaterra, diferencia – se
do Bessemer por apresentar revestimento de dolomita, de natureza
básica.
• As características físicas e o sistema de sopragem são iguais.
• O ponto final de operação de ambos os conversores é determinado
pela inspeção visual da chama.
• Para um conversor de 40 t, o tempo de sopro varia entre 15 a 16
minutos.
• A principal diferença entre o conversor Thomas e o Bessemer
reside na reações químicas que permite, no primeiro, a remoção do
fósforo, pela utilização de cal a qual é possível porque o forno é
revestido de material refratário de natureza básica; e igualmente na
remoção do enxofre. A oxidação ou remoção do carbono,
manganês e silício é processada de modo idêntico ao Bessemer.

29. PROCESSO SIEMENS - MARTIN

30. PROCESSO SIEMENS - MARTIN
• O princípio deste processo consiste em aquecer uma
determinada carga de material ferroso num “forno de sola”
(open - hearth), mediante um combustível (geralmente
gasoso), em mistura com ar, ambos previamente
aquecidos em “recuperadores” ou em “regeneradores”, de
modo a atingir – se uma temperatura de vazamento de
aproximadamente 16500 C.
• A carga consiste em ferro gusa (sólido ou líquido) e sucata
sólida.
• Esse processo pode superar 200 t por operação.
• Esse processo está sendo paulatinamente descontinuado
pelas maiores vantagens dos processos pneumáticos.

31. PROCESSO ELÉTRICO
•FORNO DE ARCO ELÉTRICO •Consiste numa carcaça cilíndrica de aço. A
parte inferior do forno,soleira, é constituída
de um revestimento refratário de natureza
básica, de natureza básica ou ácida. As
partes laterais e a cobertura ( abóbada) são
revestidas de tijolos refratários tipo silicoso.
•O sistema de aquecimento compreende
três eletrodos, igualmente espaçados, cada
um dos quais ligado a uma fase de um
suprimento trifásico de eletricidade.
•Os eletrodos podem ser de carbono ou de
grafita, sendo preferível esta última por
possuir maior resistência e condutividade
elétrica mais elevada. O efeito de
aquecimento é produzido por arcos que se
formam entre os três eletrodos.
•A faixa de voltagem vai de 90 a 500 volts.
As condições de fusão são controladas pela
variação de voltagem aplicada e pelo ajuste
automático da posição ou altura dos
eletrodos.

32. FORNO ELÉTRICO A ARCO
•Os fornos elétricos a arco são
dimensionados em termos de
diâmetro de carcaça; isso determina
a capacidade em toneladas do metal
líquido do forno.
•EXEMPLO: Um forno com diâmetro
de 2,75 m tem uma capacidade de
10 a 12 t de metal líquido.
Um forno com diâmetro de 3,35 m
tem uma capacidade de 22 e 26 t.
•A produção por hora depende da
energia disponível; em média, a
produção de 1 t/h exige cerca de
1000 kVA de capacidade de
transformador.
•Funde qualquer tipo de sucata.

33. PROCESSO DUPLEX
• Consiste na combinação de dois processos,
como por exemplo conversor Bessemer ácido e
Siemens – Martin básico.
• No Bessemer, o ferro gusa proveniente do alto
forno, é inteiramente oxidado, de modo a reduzir
ao mínimo os teores de silício e manganês e
oxidar grande parte do carbono.
• A seguir, o material é transferido ao forno
Siemens – Martin básico onde o restante do
carbono e fósforo são oxidados. O aço é então
acabado, recarbonetado e recebe as adições
finais de ferros – ligas.

34. AÇOS –LIGAS
• Aços que sofreram adição de outros
elementos, tais como, Al, Ni, Cr, Mo, V,
Cu, Co, W, com o objetivo de melhorar
suas propriedades mecânicas.

35. VANTAGENS DOS AÇOS LIGAS
• Melhor usinabilidade
• Melhor temperabilidade
• Melhor capacidade de corte
• Melhor resistência ao desgaste
• Melhor resistência à corrosão

36. INFLUÊNCIA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS

37. TABELA AÇOS - LIGAS

38. OBTENÇÃO DO FERRO FUNDIDO
• O ferro fundido é obtido diminuindo-se a porcentagem de carbono
do ferro gusa.
• É portanto um ferro de segunda fusão.
• A fusão do ferro gusa, para a obtenção do ferro fundido, é feita em
fornos apropriados sendo o mais comum, o forno “Cubilô”.

39. OBTENÇÃO DO FERRO FUNDIDO
•FORNO CUBILÔ
• O seu diâmetro interno pode
chegar a 1,80 m e a altura e a
altura superar a 15 metros.
• Sua capacidade de fusão varia
de 1 t /h até cerca de 50 t /h.
• A carga é composta de metal,
combustível ( carvão coque) e
uma substância fundente
(para facilitar a separação das
impurezas do metal e do carvão
e formar escória)
• A composição da carga
depende da experiência.
FORNO CUBILÔ

40. FORNO CUBILÔ
Para a produção de ferro fundido com a seguinte composição:
A carga total do cubilô é a seguinte:

41. FERROS FUNDIDOS
• São considerados os seguintes tipos de
ferros fundidos:
• Ferro fundido branco
• Ferro fundido cinzento
• Ferro maleável
• Ferro nodular

42. FERRO FUNDIDO BRANCO
• Propriedades : elevadas dureza e resistência
ao desgaste, difícil usinabilidade.
• Suas aplicações: revestimento de moinhos,
bolas para moinhos de bola, cilindros de
laminação para borracha, vidro, linóleo,
plásticos e metais, rodas de vagões, peças
empregadas em equipamento para britamento
de minérios, moagem de cimento etc.

43. FERRO FUNDIDO CINZENTO
• Propriedades :Pela sua fácil fusão e moldagem,
excelente usinabilidade, resistência mecânica
satisfatória, boa resistência ao desgaste e boa
capacidade de amortecimento, é dentre os ferros
fundidos, a mais usada.
• Aplicações: bases de máquinas, carcaças metálicas,
barramentos, cabeçotes, mesas de máquinas
operatrizes, engrenagens, virabrequins, bases pesadas
e colunas de máquinas, buchas grandes, blocos de
motor, anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de
poços de inspeção, tubos, conexões, carcaças de
compressores, rotores, pistões hidráulicos,
engrenagens, eixos de comando de válvulas

44. FERRO MALEÁVEL
• Resulta de um ferro fundido branco, o qual é sujeito a um
tratamento térmico especial de longa duração chamado
“maleabilização”. É considerado um material intermediário
entre o aço e o ferro fundido cinzento.
• Propriedades: ductilidade e tenacidade, resistência a
tração, resistência a fadiga, resistência ao desgaste e
usinabilidade.
• Aplicações: conexões para tubulações hidráulicas,
conexões em linhas de transmissão elétrica, correntes,
suportes de molas, caixas de direção e de diferencial, cubos
de rodas, sapatas de freios, pedais de freio e de
embreagem, colares de tratores, caixas de engrenagens etc.

45. FERRO NODULAR
• Propriedades :Também chamado de ferro fundido
dúctil e caracteriza-se por excelente resistência
mecânica, tenacidade e ductilidade
• Os processos de nodulização desses materias consiste
na adição, no metal fundido, de determinadas ligas
contendo magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio ou bário.
• Aplicações: peças sujeitas a pressão, como
compressores, lingueteiras e bielas e outros tipos de
peças que exijam maior resistência ao choque, como
virabrequins, matrizes, mancais, polias, rodas
dentadas, engates, sapatas, tambores de freio etc

46. MICROESTRUTURA DOS FERROS FUNDIDOS

47. TABELA FERROS FUNDIDOS
Tipo C Si Mn P S
Cinzento 2,5 - 4,0 % 1,0 - 3,0 % 0,2 - 1,0 % 0,002 - 1,0 % 0,02 - 0,25 %
Grafítico compacto 2,5 - 4,0 % 1,0 - 3,0 % 0,2 - 1,0 % 0,01 - 0,1% 0,01 - 0,03 %
Dúctil 3,0 - 4,0 % 1,8 - 2,8 % 0,1 - 1,0 % 0,01 - 0,1 % 0,01 - 0,03 %
Branco 1,8 - 3,6 % 0,5 - 1,9 % 0,25 - 0,8 % 0,06 - 0,2 % 0,06 - 0,2 %
Maleável 2,2 - 2,9% 0,9 - 1,9 % 0,15 - 1,2 % 0,02 - 0,2 % 0,02 - 0,2%

48. METAIS NÃO FERROSOS
• Como o próprio nome já diz, são metais
que em sua composição química, não
existe o elemento ferro. Ou em quantidade
desprezível. São os mais comuns:
• Cobre (Cu)
• Alumínio (Al)
• Zinco (Zn)
• Chumbo (Pb)

49. PROPRIEDADES
MECÂNICAS DOS METAIS
POR QUE ESTUDAR?
 A determinação e/ou conhecimento das propriedades
mecânicas é muito importante para a escolha do material
para uma determinada aplicação, bem como para o
projeto e fabricação do componente.
 As propriedades mecânicas definem o comportamento
do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois
estas estão relacionadas à capacidade do material de
resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper
e sem se deformar de forma incontrolável.

50. PRINCIPAIS PROPRIEDADES
MECÂNICAS
Resistência Mecânica
Dureza
Ponto de Fusão
Plasticidade
Maleabilidade
Ductilidade
Soldabilidade
Tenacidade
Resiliência

51. RESISTÊNCIA MECÂNICA
Resistência mecânica de uma estrutura é
a sua capacidade de suportar as
solicitações externas sem que estas
venham a lhe causar deformações
plásticas (deformações irreversíveis).

52. DUREZA
 Capacidade de um material resistir à penetração.
 É a resistência à deformação plástica permanente;
 É a resistência ao risco ou a capacidade de riscar;
 Dureza é a propriedade característica de um material
sólido, que expressa sua resistência a deformações
permanentes e está diretamente relacionada com a
força de ligação dos átomos.

53. PONTO DE FUSÃO
Temperatura na qual o metal passa do
estado sólido para o estado líquido.

54. PLASTICIDADE
Propriedade do material de se deformar
de maneira irreversível, quando submetido
à solicitações externas.

55. MALEABILIDADE
A maleabilidade é uma propriedade que
junto a ductilidade apresentam os corpos
ao serem moldados por deformação. Um
corpo maleável,permite a formação de
delgadas lâminas do material sem que
este se rompa.

56. DUCTILIDADE
Capacidade de um material deformar
plasticamente sem sofrer fratura.

57. TENACIDADE
Corresponde à capacidade do material de
absorver energia até sua ruptura

58. RESILIÊNCIA
Corresponde à capacidade do material de
absorver energia, quando este é deformado
elasticamente.
Materiais resilientes são aqueles que têm alto
limite de elasticidade e baixo módulo de
elasticidade (como os materiais utilizados para
molas)

59. SOLDABILIDADE
A boa soldabilidade de um aço é
associada à pouca transformação da
estrutura cristalina na execução da solda

60. COMO DETERMINAR AS PROPRIEDADES
MECÂNICAS DE UM MATERIAL?
São determinadas através de Ensaios
Mecânicos, onde são utilizados corpos de prova
(amostras do material do produto).
 Geralmente, usa-se normas técnicas para o
procedimento das medidas e confecção do
corpo de prova para garantir que os resultados
sejam comparáveis.
As normas mais comuns são: ASTM (American
Society for Testing and Materials),
ABNT (Associação Brasileira de Normas
Técnicas)

61. ENSAIOS DE TRAÇÃO
• Determinação das
Propriedades Mecânicas:
1. Resistência;
2. Elasticidade;
3. Rigidez;
4. Ductilidade;
5. Resiliência;
6. Tenacidade;

62. •ENSAIOS DE TRAÇÃO
Corpo de prova
fixado na
máquina de tração
Extensômetro
estricção

63. •ENSAIO DE TRAÇÃO DE UM AÇO DE BAIXO CARBONO
Encruamento
LR (Fase Plástica) Estricção
(instabilidade)
LE ruptura
Tenacidade (fratura)
Tensão (MPa)
Escoamento
Fase Elástica : = E  (Lei de Hooke)
(E = módulo de elasticidade)
Resiliência
Deformação (%) ductilidade (alongamento)
E médio dos aços = 21.000 kgf/mm2 = 210.000 MPa = 210 GPa

64. •CÁLCULO DA DUCTILIDADE ( DEFORMAÇÃO) PELO
ALONGAMENTO “A”
A % = comprimento final (lf) – comprimento inicial (l0)
comprimento inicial (l0)

65. Ensaio de Dobramento

66. Descrição do ensaio
• O ensaio de dobramento fornece uma indicação
qualitativa da ductilidade do material;
• Não determina nenhum valor numérico;
• Na maioria das vezes a carga não precisa ser medida;
• A severidade do processo depende do diâmetro do
cutelo;
• O dobramento sem cutelo é chamado de dobramento
sobre si mesmo;
• A analise é feita a olho nu;
• O dobramento pode ser realizado em qualquer ponto ou
qualquer direção do corpo de prova.

67. Ensaio de Dureza Brinell
Consiste em comprimir lentamente, por
meio de uma carga P, uma esfera de aço,
de diâmetro D, sobre uma superfície
plana, polida ou pelo menos preparada
com esmeril fino ou com lima tipo murça,
de um corpo de prova ou peça, durante
certo intervalo de tempo.

68. REPRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS
•HB + diâmetro da esfera + carga + tempo de aplicação da carga
•Exemplo: 85 HB 10 / 500 / 30

69. DURÔMETROS

70. •BIBLIOGRAFIA
• Tecnologia Mecânica, Chiaverini 3.
• Tecnologia Mecânica, Chiaverini 2.
• Engenharia de materiais, Callister.
• Curso básico de siderurgia Gerdau.
• Google imagens.

71. Fim