Alto Forno Nova Versao

8/8/2019 Alto Forno Nova Versao

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MODULFORMODUODULFORMFORMODUODULFORMFORMODUODULFORMFORMODUODULFORMFORMODUODULFORMFORMODUODULFORMFORM

COMUNIDADE EUROPEIAFundo Social Europeu

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Metalurgia da SoldaduraMetalurgia da Soldaduraetalurgia da Soldadura


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M e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r a

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Produo apoiada pelo Programa Operacional Formao Profissional e Emprego, co-financiado pelo Estado Portugus, epela Unio Europeia, atravs do FSE.

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MODULFORM - Formao Modular

Metalurgia de Soldadura

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IEFP - Instituto do Emprego e Formao ProfissionalDepartamento de Formao ProfissionalDireco de Servios de Recursos Formativos

ISQ - Instituto de Soldadura e QualidadeDireco de Formao

ISQ - Instituto de Soldadura e Qualidade

Direco de Formao

J.F.Oliveira Santos

SAF - Sistemas Avanados de Formao, SA

ISQ / Alexandre Pinto de Almeida

OMNIBUS, LDA

BRITOGRFICA, LDA

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Instituto do Emprego e Formao ProfissionalAv. Jos Malhoa, 11 1099 - 018 Lisboa

Portugal, Lisboa, Maio de 2000

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Fabricao de Aos

F a b r i c a o d e A o sF a b r i c a o d e A o sF a b r i c a o d e A o sF a b r i c a o d e A o sF a b r i c a o d e A o s


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M e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r a I . 1I . 1I . 1I . 1I . 1

Fabr icao de A os

OBJECTIVOS

No final desta Unidade Temtica, o formando dever estar apto a:

Distinguir os diferentes tipos de fabricao do ao;

Enumerar as formas de vazamento e solidificao do ao;

Classificar os aos em funo do processo de fabrico;

Caracterizar os defeitos mais comuns nos aos.

TEMAS

Introduo fabricao dos aos O alto-forno

Processos de fabricao do ao

Processo BESSEMER

Processo SIEMENS - MARTIN

Processo LD

Processo de forno elctrico

Procedimento de acabamento

Vazamento e solidificao dos aos

Processos de refuso

Origem dos defeitos dos aos

Resumo

Actividades / Avaliao


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Fabrica o de Aos

Componente Cientfico-Tecnolgica

INTRODUO FABRICAO DOS AOS

Efeitos de azoto nos aos

Enxofre e fsforo comoimpurezas

Os diversos tipos de ferro e aos so todos eles formas de ferro metlico quediferem entre si pelos teores em carbono e outros elementos de liga e aindapelo modo como so fabricados. O carbono , de longe, o elemento de ligamais importante, sendo o principal responsvel pela imensa gama de resistnciase de outras propriedades teis que podem ser desenvolvidas nos aos.

Os mtodos de fabricao dos aos so extremamente importantes paraqualquer tcnico de soldadura, j que em cada processo de fabrico existemlimitaes prticas que afectam as caractersticas do produto. Normalmente,so as prprias especificaes dos materiais que determinam qual o processo

de fabrico mais adequado aplicao em causa.Antes de passarmos a descrever estes processos, podemos antecipar que umdos aspectos que mais interessa ao utilizador do ao o seu teor em gasesdissolvidos, em especial o azoto. Com efeito, pequenas quantidades desteelemento afectam seriamente a dureza e as propriedades, introduzindo defeitosde difcil deteco mediante ensaios no destrutivos. Uma soluo simplesseria aceitar unicamente aos fabricados por processos que conseguissemeliminar esses gases.

Outras impurezas no gasosas, como o enxofre e o fsforo, so prejudiciais apartir de um determinado teor de concentrao, pelo que as especificaeslimitam a quantidade destes elementos no ao, quer em conjunto, quer

separadamente.


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Fabr icao de A os


Um ao , na sua essncia, uma liga ferro-carbono, sendo possvel obt-lo pordois processos diferentes. A Fig. I.1 mostra um esquema geral da fabricaodeste material.

Fig. I.1 - Fabricao do ao

A primeira via aquela em que, a partir das matrias-primas, tais como minriode ferro, carvo mineral, carbonetos de clcio, etc., se obtm o produto comercialque conhecemos com o nome de Ao, atravs de um semi-produto conhecidocomo Gusa. Trata-se do processo seguido pela Siderurgia Integral.

Outro processo o da reciclagem dos aos que, por alguma razo, deixaramde ser teis para o fim que se lhes destinou, por exemplo, equipamentos fabris,automveis e maquinaria, entre outros. Este material agora considerado comosucata, podendo ser refundido em fornos elctricos e tratado para obter produtos

Recuperao de sucatas

Siderurgia Integral


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Fabrica o de Aos


O ALTO - FORNO

Alto-forno

comercializveis. , contudo, atravs do primeiro caminho que se obtm amaior parte dos aos utilizados na indstria. Basicamente obtm-se, por estavia, aos no ligados e produtos fundamentais, tais como: perfis, chapas e

arame.

Pela segunda via, isto , mediante a refuso de sucatas, produz-se a maiorparte dos aos especiais, quer sejam de baixa, mdia ou alta liga. A instalaoprincipal pode ser o forno elctrico, o qual, dada a sua facilidade de controlo eversatilidade de funcionamento, actualmente o mais utilizado para o fabricode aos ligados.

Para os utilizadores, no s tem interesse a fase da reduo do minrio, mastambm a sua afinao, levada a cabo nas acearias. Por isso, quando numadada norma se faz referncia fabricao do ao, este processo comea naacearia e no na preparao do minrio e do carvo para obter o lingote. Contudo,

para se entender melhor o processo geral, vamos abordar seguidamente oconjunto das operaes que vo desde as matrias-primas at ao produtoacabado.

O alto-forno a instalao principal para a reduo dos minrios de ferro,

compostos essencialmente por carbonatos deste metal. O facto de cerca de5% da crosta terrestre ser composta por ferro, justifica a utilizao preferencialdo ao na construo.

Existem, contudo, outros procedimentos utilizados em zonas que dispem deum agente redutor mais econmico do que o carvo, como o gs natural, ou emque o minrio apresenta caractersticas especiais, o que impossibilita o seutratamento por aquele sistema.

O alto-forno um forno com caractersticas especficas. Possui em mdia 20metros de altura; revestimento de tijolos refractrios; estrutura metlica projectadapara resistir aos choques introduzidos pela carga; sistema de arrefecimento da

blindagem exterior pelo meio de gua; tubeiras para conduzir o ar, bem comoestruturas que suportam os dispositivos de carga e de captao dos gases deescape.


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Fabr icao de A os


A Fig. I.2 mostra, em esquema, como constitudo o alto-forno. Podem-sedistinguir os seguintes elementos:

Fig. I.2 - Esquema de um alto-forno

BOCA (1) - Zona superior cilndrica, por onde se introduzem as cargas e saemos fumos. Possui um dispositivo na parte superior (3) que isola o alto-forno daatmosfera durante a sua operao, permitindo simultaneamente a sua carga.Os gases saem por condutas laterais (2).

CUBA (4) - Zona tronco-cnica de pequena inclinao, com a base maior parabaixo. As paredes so revestidas por tijolos refractrios (5). Este revestimentotem de suportar choques devido carga do alto-forno, pelo que deve possuirelevada resistncia.

A sua estrutura assenta sobre uma galeria circular de beto (6) que se apoia nosolo. O arrefecimento da blindagem exterior feito por um canal directo ou porintermdio de tubos de gua que circulam em intervalos da alvenaria.

VENTRE (7) - Zona cilndrica de maior dimetro. O seu revestimento refractrio semelhante ao da cuba.

ZONA DE FUSO (8) - Regio tronco-cnica de base maior virada para cima.As paredes so constitudas por tijolos refractrios slico-aluminosos. Oarrefecimento faz-se por circulao forada de gua na alvenaria ou por umcanal da blindagem.

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Fabrica o de Aos


Gusa

Lingote

Fbricas desinterizao

Pelitizao

CADINHO (9) - Zona cilndrica inferior, cuja parte superior contm as tubeirasou algaravizes (10) que conduzem o ar. Na parte inferior, possui dois orifcios, anveis diferentes, chamados sangradores: o superior (11) destina-se ao

escoamento da escria e o inferior (12) ao escoamento da gusa.

A estrutura de apoio da zona de fuso e do cadinho assenta em placas debeto.Envolvendo o alto-forno existe uma complexa estrutura metlica quesuporta os dispositivos de carga e de captao dos gases de escape.

As reaces mais importantes que tm lugar no alto-forno so as seguintes:

1. Combusto do coque, (o carvo mineral isento de fraces volteis) paraproduzir monxido de carbono, CO. Esta reaco liberta uma dadaquantidade de calor que aproveitada para elevar a temperatura da massaem reaco e aumentar, assim, a velocidade da prpria reaco. O elemento

redutor fundamental utilizado por esta instalao o CO.

2. O monxido de carbono reage com os xidos de ferro, produzindo ferrometlico e CO2 (dixido de carbono); este ltimo sai, juntamente com osgases expelidos, pela parte superior do alto-forno.

No alto-forno, reduzem-se tambm as impurezas que acompanham o mineral.

Desta forma, so reduzidos a totalidade dos fosfatos, a maior parte dos mineraisde mangans, parte da slica e algum outro metal que possa acompanhar ouformar parte da "ganga" do mineral.

O carbono que no foi transformado em monxido de carbono dissolve-se noferro reduzido, dando origem a um produto rico naquele elemento (podem atingir-se teores superiores a 4%), o qual ser significativamente reduzido nasoperaes posteriores para obteno do ao. Este produto do alto-forno noestado lquido conhecido pelo nome de "gusa". Esta segue para osmisturadores para ser armazenada ou para lhe serem adicionados elementosde liga, ou ento para os conversores, sendo, ento, refinada. Obtm-se, destaforma, o ao que, ainda no estado lquido, ser vertido em lingoteiras. Apssolidificao, recebe o nome de "lingote".

Uma das limitaes que o alto-forno impe sua alimentao a granulometria.

No se podem utilizar minrios finos nem pulverulentos que impeam que as

reaces se processem de uma forma eficaz, podendo inclusivamente a correntegasosa que existe no seu interior arrastar o p, obstruindo o respectivoescoamento. Como as quantidades de mineral utilizadas no processo detratamento de slidos so considerveis, desenharam-se instalaes auxiliaresque recuperam estes materiais, transformando-os noutros de maior granulometriae com caractersticas adequadas para poderem ser tratados no alto-forno. Estasinstalaes so denominadas fbricas de sinterizao.

Outra soluo para utilizar minrios pulverulentos a denominada pelitizao,a qual consiste em fabricar bolas com o p do minrio, as quais soposteriormente "cozidas", de modo a ganharem a resistncia mecnica adequadapara serem carregadas, sem problemas, no alto-forno.


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Fabr icao de A os


PROCESSOS DE FABRICAO DO AO

Tcnicas de purificaoe afinao da gusa

Os misturadores

Gusa de 1 fuso

Quando o carvo no pode ser introduzido directamente no forno, necessrioeliminar previamente os compostos volteis e condensveis que se produzemao destil-lo na ausncia de ar. Esta operao efectua-se nas chamadas baterias

de coque, exigindo aos carves certas caractersticas de forma a que, quandodestilados, originem um produto poroso de adequada resistncia compresso,de modo a permitir a passagem do ar insuflado pelas caixas de vento,aumentando, assim, a sua superfcie esfrica e a sua reactividade:

C + O2 CO + CO2 (I.1)

Este tratamento prvio do carvo pressupe um consumo aprecivel destematerial na reduo dos minerais de ferro.

Na fabricao do ao, ocorrem processos de purificao e afinao da misturade gusa e de sucata, que permitem obter as composies qumicas previstasnas diferentes especificaes.

A gusa vinda do alto-forno no tratada imediatamente, mas armazenada em

grandes reservatrios chamados misturadores onde se mantm no estadolquido. Este armazenamento tem trs objectivos:

Misturar a gusa proveniente de vrias sangrias do alto-forno, tornando-ahomognea. Desta forma, obtm-se grandes quantidades de ao com amesma composio qumica.

Permitir uma certa independncia entre acearia e o alto-forno, j que omisturador permite o armazenamento de uma dada quantidade de matria-prima (gusa).

Reduzir a presena do enxofre na gusa. Esta operao realiza-se mediantea adio de mangans que, em contacto com o enxofre, forma o sulfureto

de mangans, o qual, por ser menos denso que a gusa, sobe superfcie.Este elemento, ao entrar em contacto com o ar oxida-se, dando origem axido de mangans e o gs sulfuroso que se liberta. Consegue-se, assim,reduzir o teor em enxofre da gusa para valores da ordem dos 0.06%. Desalientar, contudo, que se trata de um processo caro, dado o custorelativamente elevado do mangans.

A gusa de primeira fuso apresenta uma percentagem de carbono compreendidaentre 2.3 e 4.5% e traz associados outros elementos como o silcio, o mangans,fsforo, enxofre e outras impurezas. O ao uma liga ferro-carbono, compercentagens de carbono compreendidas entre 0.03 e 2.6%, raramenteultrapassando, na prtica, 1.4%.


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Fabrica o de Aos


Processo Bessemer

Processo bsico e cidode afinao da gusa

Por outro lado, um ao simples no deve conter silcio e mangans empercentagens to elevadas como as existentes na gusa.Para reduzir os teoresem carbono, bem como diminuir a percentagem de silcio e mangans, isto ,

para obteno do ao, os processos mais utilizados so os conversores, osfornos Martin e os fornos elctricos.

O refino da gusa pode ser caracterizado por dois tipos de processos: o cido eo bsico. O xido de clcio ou cal a substncia principal, utilizada para eliminaro enxofre e o fsforo atravs da escria.Contudo, se num forno se utiliza caljuntamente com um refractrio base de silcio, formam-se silicatos clcicos ea cal arrasta e desgasta rapidamente os refractrios. Baseando-se neste facto,as escrias bsicas de alto teor em cal, necessitam de refractrios bsicoscomo o xido de magnsio, ou, pelo menos, neutros como o trixido de crmio.

Assim, os processos que utilizam um aditivo como o xido de clcio juntamente

com um refractrio bsico so denominados processos bsicos. Aqueles emque se adiciona, por exemplo, granito para produzir escria cida com umponto de fuso adequado e que utilizam refractrios base de silcio, denominam--se processos cidos.

Para alm do tipo de refractrio, a fabricao do ao classificada consoante aorigem do calor utilizado no processo, isto :

1. Processos em que o calor necessrio para a fuso do ao se obtmmediante gases combustveis derivados do petrleo ou atravs de energiaelctrica.

2. Processos em que o calor necessrio conseguido por meio de umareaco directa entre o oxignio (O2 ) e impurezas, tais como o C, Si e P,contidas na gusa. Estes elementos denominam-se termogneos.

A explorao industrial deste mtodo de fabrico foi iniciada no Reino Unido,

tendo sido Bessemer a primeira pessoa a idealizar um processo para a fabricaodo ao, atravs da injeco de ar numa dada massa de gusa. Nessa altura, nose conhecia a influncia do refractrio, pelo que se utilizavam unicamente tijolosde SiO2 no revestimento. A sua natureza cida impedia a eliminao de S e P,sendo o C e o Si os elementos termogneos deste processo.

PROCESSO BESSEMER


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Fabr icao de A os


Neste processo, o fundo do convertidor perfurado por uma srie de orifciosque o atravessam, denominados tubeiras, tal como se mostra na Fig. I.3.

Fig. I.3 - Convertidor Bessemer

Antes de iniciar o tratamento, o conversor colocado na posio horizontalpara ser carregado com a gusa lquida (a cerca de 1200C), at 1/3 do seuvolume; em seguida, o conversor levado posio vertical, ao mesmo tempoque se introduz o ar.

A reaco realiza-se quando a aco do ar sobre a gusa lquida forma o xidode ferro que, ao reagir ao silcio e mangans, origina a reduo dos teoresdestes elementos. As oxidaes originam um aumento brusco da temperaturaat 1600C. Esta elevao de temperatura cria condies para que se d acombusto do carbono. Este, ao entrar em contacto com o ar, ocorre acombusto completa do carbono com a formao do dixido de carbono. Duranteesta fase aparecem chamas brancas e brilhantes, resultantes da oxidao do

ferro.

Funcionamento

A gusa no deve estar nunca em contacto com a caixa de ventilao ou com astubeiras, dado o perigo de a massa lquida as obstruir ou deteriorar o seu fundo.

Por este motivo, tem de se regular cuidadosamente a presso de entrada de aratravs das tubeiras, j que, se ela for menor do que a necessria, existe orisco de obstruo e se for maior, pode haver projeco de ao a uma alturaconsidervel. Assim, a presso deve ser a apropriada para equilibrar o peso de

ao e criar uma atmosfera de ar prximo das tubeiras.

Princpio de funcionamentodo processo

Refractrio

Venteiras

Gases

Escria

Ar

Gusa

Ao


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Fabrica o de Aos


PROCESSO SIEMENS - MARTIN

Processo Siemens - Martin

Processo Thomas

O processo tem uma durao de cerca de 30 minutos e o seu controlo difcil,j que, devido ao efeito de refrigerao causada pelo azoto, a temperatura final muito baixa, no se dispondo de tempo suficiente para analisar e ajustar a

composio qumica. Os fundos s poderiam suportar uma mdia de 20vazamentos, havendo o risco de se deteriorarem logo aps as primeirasutilizaes.

Utilizao

Com este processo, podem-se tratar gusas com teores em mangans de 1,5 a2,5%. A ordem de oxidao a seguinte: Si-C-Mn. As ferroligas de Mn e Si soadicionadas no final do processo de afinamento para eliminar o FeO dissolvidono banho atravs da passagem dos respectivos xidos e escria.

Quando se observa o aparecimento dos fumos quer dizer que se atingiu o fimda operao. neste momento que se deve interromper a injeco do ar, voltandoo conversor posio horizontal.

Perspectivas futuras do processo

Este convertidor tratava originalmente minrios cujo teor em fsforo era topequeno que no era necessrio eliminar este metalide/elemento para seproduzirem os aos comuns. Hoje em dia, esses minrios esto praticamente

esgotados, pelo que o processo Bessemer deixou de ser utilizadoindustrialmente desde o incio da dcada de 70.

Uma verso deste convertidor, mas com revestimento bsico, foi desenvolvidapor Gilchrist Thomas, estando tambm, hoje em dia, a sua utilizaopraticamente reduzida a zero.

Outro factor importante, relativamente a este processo de fabricao de aos,diz respeito sua pequena capacidade para receber sucata, bem como baixaqualidade do ao produzido. Este ltimo aspecto resulta, sobretudo, do altoteor em azoto, j que a passagem do ar atravs da massa fundida satura-acompletamente daquele elemento gasoso.

O processo Siemens-Martin nasceu da necessidade de aproveitar as enormesquantidades de sucata provenientes da indstria metalrgica, tais como: restosde lingotes e perfilados, aparas resultantes da maquinao de peas, entreoutros, e, ainda, do interesse em produzir aos de qualidade superior dosobtidos nos conversores.


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Fabr icao de A os


Foi at h relativamente pouco tempo o processo mais utilizado. A Cuba, talcomo se mostra na Fig. I.4, um recipiente de grande dimetro e pequenaprofundidade, menos de um metro, capaz de conter at cerca de 300 toneladas

de ao.

Fig. I.4 - Cuba Siemens-Martin

Dispe de um tecto refractrio suspenso a cerca de dois metros da superfcie.As chamas de gs natural, alto-forno, coqueria, etc., cobrem o espao acimada superfcie do material em fuso.

A cuba do forno possui um revestimento bsico ou base de tijolos de CaO

(xido de clcio) com o objectivo de assim se poder tratar uma vasta gama demisturas de gusa e sucata, incluindo grandes e pesadas peas desta ltima,difceis de carregar noutro tipo de convertidor. A operao lenta dado que senecessitam de 6 a 8 horas para afinar uma carga, sendo esta a razo pela qualse tem vindo a substituir este mtodo de fabrico pelos processos LD e fornoelctrico. Contudo, a lentido de fabrico deste processo permitia realizar vriasanlises para controlar de forma muito precisa a composio qumica final.

Com o actual desenvolvimento da instrumentao, consegue-se um controlosimilar em processos mais rpidos, pelo que a vantagem do convertidor Siemens-Martin diminui.

A temperatura mxima no muito superior da fuso do ao e a absoro de

azoto relativamente pequena.

A reaco qumica obtida neste processo a seguinte:

A escria, rica em fsforo, solvel na gua, sendo utilizada na agriculturacomo adubo.

Princpios de funcionamento

do processo

(I.2)


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Fabrica o de Aos


PROCESSO LD

Processo LD

A temperatura necessria fuso (superior a 1600C) conseguida atravs deuma mistura de ar e combustvel gasoso, previamente aquecidos emrecuperadores, montados na parte inferior do forno, os quais aproveitam o calor

desenvolvido no prprio processo de fuso.

A oxidao das principais impurezas realiza-se atravs da adio de minriosde ferro (principalmente xidos), os quais reagem com o carbono para formarCO. Este gs atinge a superfcie, produzindo um efeito de ebulio, o quecontribui para homogeneizar a composio qumica de toda a carga.

Como h consumo do refractrio durante o processo, adiciona-se-lhe CaO, porforma a aumentar a sua durao. Neste processo, os teores de S e P podemser reduzidos a nveis inferiores a 0.04%, atravs da sua passagem escriasob a forma de sulfatos e fosfatos clcicos. Eliminar o fsforo requer, contudo,condies fortemente oxidantes, perdendo-se todo o Mn, Si, e C antes de se

eliminar aquele elemento. Por esta razo, tem de se adicionar estes elementossob a forma de ferro-ligas, depois das escrias fosforosas terem sido eliminadas.

Utilizao

O processo Siemens-Martin utiliza-se principalmente para produzir aos carbonoe de baixa liga com menos de 2% de Crmio, ainda que, em alguns casos, cominjeco extra de oxignio, se cheguem a conseguir ligas mais ricas e at aosinoxidveis austenticos do tipo 18Cr - 8Ni. Contudo, difcil reduzir o C nosaos com elevada percentagem de Cr, preferindo-se, nestes casos, o forno

elctrico, que , por seu lado, o exigido pela maioria das especificaes daAmerican Society for Testing and Materials, ASTM.


Actualmente, este processo j quase no utilizado. A razo para este factoprende-se fundamentalmente com o elevado consumo de energia. Efectivamente,este processo necessita de uma grande quantidade de calor, o que encarecede forma extraordinria o preo do ao, diminuindo a sua competitividade. Aqualidade dos aos produzidos por este processo , contudo, muito boa.

O nome deste processo de fabrico de ao vem das iniciais de duas cidadesaustracas Linz e Donawitz, cujas siderurgias foram as pioneiras na sua utilizaoindustrial.


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Fabr icao de A os


Princpio de funcionamentodo processo

Entre os anos de 1935 e 1945, as siderurgias belgas, francesas e alemsrealizaram ensaios e testes para a fabricao de ao, com a utilizao deoxignio, enriquecendo o ar que se insuflava nos convertidores Thomas.

Na sua essncia, este processo consiste num desenvolvimento do antigoconvertidor Bessemer, substituindo o insuflamento de ar pela injeco de oxignioprojectado a uma presso adequada, entre 6 e 15 kg/cm2, em funo daespessura da camada de escria, por forma a poder atravess-la e chegar atao banho metlico, sem entrar nela em demasiada profundidade.

O oxignio com uma pureza mnima de 99% lanado sobre o material fundidoatravs de orifcios existentes na tubeira situada no extremo de uma lanarefrigerada a gua ou por meio de bocas localizadas nos lados ou no fundo doconvertidor.

O revestimento interno do forno de natureza bsica, com tijolos base demagnsio. A sua espessura, de acordo com o tamanho do convertidor, variaentre 300 e 800 mm. Na Fig. I.5, mostra-se em esquema uma seco de umconvertidor do tipo LD.

Fig. I.5 - Esquema do processo LD para fabricao de ao por

meio da sopragem de oxignio puro

Funcionamento

O convertidor trabalha sem adio de combustvel ou potncia elctricaequivalente. O oxignio actua como elemento oxidante. O calor originado na

combusto do excesso de silcio, carbono, fsforo, etc., contidos na gusa.

Neste processo, so variveis fundamentais a presso de sopro, a distncia dalana ao banho - que varia, durante a operao, entre 1 e 1,5 m - e a pureza dooxignio. Para gerar a escria, adiciona-se cal ou calia.

Atingem-se em pouco tempo temperaturas muito elevadas, da ordem dos 2 500a 3 000C, as quais facilitam e aceleram a reaco. As escrias formam-serapidamente e o desaparecimento de impurezas quase simultneo. Com efeito,nos primeiros minutos da sopragem, comea a eliminao do silcio e, quaseao mesmo tempo, a do mangans. O carbono e o fsforo comeam a sereliminados um pouco depois, processando-se de forma contnua, durante todaa operao.


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Fabrica o de Aos


Neste processo, o enxofre e o fsforo podem ser reduzidos aos baixos nveisexigidos nas actuais especificaes.

Devido brevidade do ciclo, necessrio facilitar as operaes de carga edescarga. Isto obriga a situar os convertidores sobre estruturas que permitam oseu desenvolvimento.

Nas Fig. I.6 e I.7, mostram-se os processos Kaldo e Rotor, variantes do processoLD. Estes processos so utilizados para tratar gusas fosforosas, utilizandouma mistura de oxignio com 95% de pureza e de cal em p. Estes convertidoresrodam em torno do seu eixo principal, o que ajuda a homogeneizar a temperaturae a composio qumica.

Fig. I.6 - Processo Kaldo

Fig. I.7 - Esquema de operao do processo Rotor

para fabricao de ao


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Fabr icao de A os


PROCESSO DE FORNO ELCTRICO

Utilizao

O investimento necessrio numa instalao LD corresponde a cerca de metadede uma acearia Siemens-Martin. O convertidor LD muito verstil pois tem avantagem de utilizar uma grande quantidade de gusa lquida, principal matria-prima para a fabricao dos aos, e poder carregar de 10 a 30% de sucata.Partilha com o forno elctrico a facilidade de eliminar as escrias.

A utilizao de oxignio puro leva obteno de teores em azoto da ordem de0.002% a 0.004%.

O ao produzido tem uma qualidade similar ao do processo Siemens-Martin,sendo, porm, o seu custo menor, devido, entre outras razes, economia dorefractrio.

Perspectivas

A capacidade tpica deste convertidor varia entre 250 a 300 toneladas, sendo asua produtividade muito elevada devido rapidez da operao. Com efeito, comum convertidor de 300 toneladas pode obter-se o que em Siderurgia se chama"Tap to Tap", isto , um ciclo de cerca de 50 minutos.

Este processo, que uma contribuio europeia para a Indstria Siderrgica,tem sofrido nos ltimos anos uma grande expanso, ocupando destacadamente

o primeiro lugar entre os sistemas de fabricao de aos no mundo.

Dado o nmero de unidades em funcionamento na indstria, trata-se do processode fabricao de aos especiais mais utilizado.

O sistema de transmisso de calor feito por arco elctrico ou por induo,sendo o primeiro o mais utilizado para fornos de mdia e grande capacidade.

Funcionamento

O forno elctrico por arco um recipiente vertical revestido de refractrio, maiscompacto e espesso do que o do convertidor Siemens-Martin.

O revestimento pode ser bsico ou cido.


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Fabrica o de Aos


O primeiro, base de tijolos de magnsio ou dolomite, o mais utilizado emaos especiais. O cido, com soleira base de areia siliciosa, utilizadosobretudo para fabricar peas de ao forjado.

O forno trifsico possui na sua parte superior trs elctrodos de grafite presosem suportes roscados, dispostos nos vrtices de um tringulo equiltero e comdimetro varivel entre 100 a 800 mm, consoante o tamanho do forno. Esteselctrodos consomem-se razo de 5 a 6 Kg de grafite por tonelada de aoproduzido.

Da mesma forma, a tenso elctrica varia entre os 100 e 500 V e a intensidadeentre os 10 000 e os 50 000 A.

Os elctrodos operam como grandes sistemas de soldadura, dirigindo o arcoelctrico directamente sobre a parte superior da carga, subindo e descendo

automaticamente para controlar a corrente do arco, e, desta forma, regular apotncia do mesmo.

A Fig. I.8 mostra a seco de um forno elctrico, no qual uma camada deescria isola os elctrodos do banho, evitando-se desta maneira a absoro decarbono procedente dos mesmos.

Fig. I.8 - Forno Elctrico (Heroult)Legenda: 1-Tijolos de silcio; 2- Tijolos com elevado teor em alumnio;

3- Tijolos de xido de magnsio; 4- Tijolos de argila refractrios.

A carga do forno constituda fundamentalmente por sucata. No banho, leva-sea cabo uma reaco de oxidao-reduo ou "Reaco Redox". Durante afuso oxidante, elimina-se o fsforo (como fosfato triclcio) e, durante a faseredutora, o xido de ferro dissolvido no banho, bem como o enxofre, soeliminados (como sulfuretos clcicos) medida que vai desaparecendo o FeO.

O controlo do tipo de atmosfera no banho fcil.

Elctrodos

Canal de

xido de MagnsioForno cidoAreia silicosa


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Fabr icao de A os


O calor concentra-se na parte superior da carga, sendo necessrio, em geral,utilizar bobinas electromagnticas, de forma a induzir-se uma agitao norecipiente, para que o material mais frio do fundo atinja a superfcie e vice-versa.

Quando se carregam grandes quantidades de gusa, a oxidao obtida comgangas de ferro, de forma similar ao processo Siemens-Martin ou com injecode um jacto de oxignio.

Para gerar a escria, adiciona-se cal, calia e, em certos casos, coque.

fcil eliminar as primeiras cargas de escria enriquecidas de enxofre e fsforoe substitu-las por uma escria nova e fina de cal/silcio, a qual tende a englobarrapidamente mais S e P provenientes do metal.

Quando se utilizam escrias bsicas, o forno elctrico pode conseguir eliminar

quantidades menores de fsforo e enxofre do que as obtidas no convertidorSiemens-Martin. So frequentemente obtidos teores de 0.03% de cada elementoe, inclusivamente, prximos de 0.015%.

Devido s elevadas temperaturas debaixo dos elctrodos, o teor em azoto tendea ser elevado, embora se obtenha um nvel aceitvel deste elemento para amaioria das especificaes existentes.

As ferro-ligas adicionam-se tanto no Forno como no vazamento, sendo este oprocesso mais adequado para a fabricao dos aos especiais.

Utilizao

O factor facilidade de carga do recipiente faz deste processo o sistema idealpara fundir sucata de baixa densidade, tal como carroarias compactadas deautomveis e aparas de tornos e outras mquinas e ferramentas.

Embora a sua aplicao nos aos no ligados no seja econmica, utiliza-seeste processo sempre que existe excesso de capacidade. melhor que oprocesso Siemens-Martin e LD para fundir e afinar uma carga composta por100% de sucata, podendo ser operado com alguma economia, admitindo at50% de gusa. Trata-se do mtodo mais utilizado na fabricao de ao forjado.


O preo destes aos est intimamente ligado ao preo da KW.hora e da sucata,pelo que o seu xito ser sempre ditado pela conjuntura em que se insere.


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Fabrica o de Aos


Purificao pordesgaseificao em vcuo

Processo de purificao

Calmagem do ao

Introduo de elementosliga para purificao do ao

PROCEDIMENTOS DE ACABAMENTO

Os aos produzidos atravs dos processos atrs descritos contm, em geral,pouco C, Mn e Si, j que o fsforo no pode ser oxidado sem oxidar tambmestes elementos.

Para produzir aos conforme as especificaes preciso adicionar C, Mn, Si eoutros elementos, momentos antes de verter o ao nas lingoteiras ou, s vezes,depois de o fazer. Estes elementos so adicionados sob a forma de ferro-ligas.

O Mn adiciona-se sempre em quantidade suficiente para reagir com todo oenxofre residual, pois, caso contrrio, seria impossvel laminar a quente ou

forjar o ao.O Si fundamental para calmar o ao, ou seja, para decompor o xido deferro, combinando-se preferencialmente com o oxignio.

Existem vrios processos de purificao para melhorar a qualidade do ao,sendo utilizados entre a fabricao e o vazamento. De entre estes, destacam-se os seguintes:

Desgaseificao em vcuo

Descarbonatao em atmosfera de rgon-Oxignio

No Quadro I.1, apresentam-se os teores em gases contidos no ao, consoantea fase de fabrico.

Quadro I.1 - Teores dos diferentes gases dissolvidos no ao

O processo de desgaseificao em vcuo encontra-se normalizado para preparargrandes massas de ao com destino forja. Por vezes, este processo utilizadopara reduzir o carbono dos aos inoxidveis austenticos a valores exigidos nosgraus ELC (Extra Low Carbon).

GASES DISSOLVIDOS NO AO

Solubilidade mxima temperatura devazamento %

Valores antes dadesgaseificao do ao

Siemens - Martin

Valores do mesmo aodesgaseificado em vcuo

%

H2 0,0027 0,0005-0,0008 0,00023

O2 0,22 0,004-0,005 0,002N2 0,038 0,003-0,006 0,002


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Fabr icao de A os


Objectivos dos vazamentosintermdios

Sistemas de vazamento

Vazamento em lingoteira

VAZAMENTO E SOLIDIFICAO DO AO

Purificao pordescarbonatao

O processo de descarbonatao, denominado simplesmente AOD (rgon OxygenDescarburization), tem a finalidade de reduzir a valores muito baixos o teor emcarbono nos aos inoxidveis, bem como de permitir, no acabamento dos aos,

a utilizao de ferro-ligas com altas percentagens em carbono, mais fceis deencontrar no mercado.

Utilizao de vazamentos intermdios

O ao fundido procedente de qualquer dos processos de fabrico atrs descritos vertido em recipientes metlicos, revestidos interiormente de refractrio dealto teor em alumnio, atravs de um orifcio ou fenda, o qual fechado por umavlvula accionvel do exterior, atravs de uma alavanca.

Este passo intermdio de fabricao do ao fundido tem um duplo objectivo:

Facilitar uma separao adicional e final das escrias.

Permitir que a temperatura do ao baixe para os valores mais adequadosao mtodo de moldao escolhido. Estas temperaturas so controladas

atravs de pirmetros imersos no banho de ao em fuso.Os sistemas de vazamento utilizados so os seguintes:

Vazamento em lingoteira.

Vazamento contnuo.

Moldagem de peas de ao.

Os dois primeiros so a base dos produtos forjados e laminados.

Vazamento em lingoteira

A lingoteira um molde de fundio de seco poligonal, sendo a quadrada e arectangular a mais usual. A sua capacidade muito varivel, utilizando-se commaior frequncia as de 5 e 10 toneladas.

Os aos no solidificam a uma temperatura fixa, mas, sim, num determinadointervalo, consoante o seu teor em carbono.

Quando o ao fundido arrefece at gama de temperaturas a que se inicia asolidificao, a solubilidade dos gases dissolvidos decresce, obrigando o excesso

desses gases a sair do metal.


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Fabrica o de Aos


Aos calmados eliminam asporosidades

muito importante saber que o equilbrio qumico entre o carbono e o oxigniose modifica quando a temperatura baixa, de tal forma que ambos os elementosreagem entre si para formar monxido e dixido de carbono.

A quantidade de gases e o oxignio residual dissolvido no ao lquido, bemcomo os gases gerados durante a solidificao, influenciam o tipo de estruturado lingote.

Aos Calmados

So aos que se obtm adicionando Fe, Mn, FeSi ou granalha de Al. Algumasacearias juntam SiNn, SiCa. O objectivo eliminar o FeO e o oxignio dissolvidos.

Ao solidificar lentamente nas lingoteiras, o ao no liberta quaisquer gases.

Um dos inconvenientes resultante deste facto o aparecimento de grandescavidades de contraco na parte superior do lingote, tal como se pode ver naFig. I.9. Estas cavidades so eliminadas atravs do gito de alimentao, isto ,o apndice introduzido para auxiliar o enchimento e facilitar a eliminao dosdefeitos.

Fig. I.9 - Aparecimento da cavidade durante a solidificao

de ao calmado na lingoteira

precisamente neste apndice oco, com forma de cilindro ou tronco de cone,que se produz a segregao da maior parte das impurezas e se forma orechupe. Esta parte do lingote de muito baixa qualidade, pelo que se corta ese envia para a sucata. Os aos calmados apresentam-se praticamente isentosde porosidades.


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Fabr icao de A os


Aos efervescentes tm

um grande ndice deporosidade

Aos Efervescentes

Ao solidificar nas lingoteiras produzem uma forte efervescncia e um grandedesprendimento de gases e salpicos.

Estes aos no contm silcio suficiente. So fabricados adicionando-se-lhesFeMn, o que eleva as suas caractersticas mecnicas, no havendo, contudo,uma desoxidao completa.

Neste caso, o volume de poros que aparece no lingote solidificado aproximadamente igual ao volume de contraco que o ao sofre durante asolidificao (Fig. I.10).

Fig. I.10 - Lingotes de ao efervescente

Estes aos, como o ASTM-A-285 em chapa e ASTM-A53 em tubo, no soadequados para serem utilizados em atmosferas contendo hidrognio, j queeste atravessaria a estrutura ferrtica alojando-se nas porosidades internas,podendo provocar o fenmeno de rebentamento externo do lingote denominado"blistering" (Fig. I.11).

Fig. I.11 - Fenmeno de "Blistering"


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Fabrica o de Aos


Aos Semi-Calmados

Trata-se de aos de um grau intermdio entre os dois tipos anteriores. So

pouco utilizados, j que so difceis de fabricar (Fig. I.12).

Fig. I.12 - Lingote de ao semi-calmado

Vazamento contnuo

Na Fig. I.13, apresentado um esquema de uma instalao de vazamento

contnuo. Neste caso, utilizado sada do recipiente que contm o ao noestado lquido, um molde de cobre arrefecido a gua.

Fig. I.13 - Instalao de vazamento contnuo


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Fabr icao de A os


medida que o ao vai solidificando no fundo do molde, o metal desloca-se nosentido descendente, afluindo novo lquido ao molde. O vazamento e o movimentodescendente so sincronizados ao ritmo da solidificao perifrica, favorecendo

o processo contnuo.

Este processo melhora o rendimento da Siderurgia, j que elimina os lingotesindividuais, reduz as etapas de fabricao, aproveita energia e aumenta aprodutividade.

Para a fabricao de aos especiais de alta pureza, utiliza-se um mtodo quetem por finalidade voltar a fundir lingotes j processados.

So utilizados, sobretudo, os seguintes processos industriais:

Refuso por electroescria

Refuso por arco no vcuo

O primeiro processo, abreviadamente designado por ESR (Electroslag Remelt),produz um lingote de material limpo e uniforme atravs da fuso de um lingote

convencional imerso em escria fundida. A escria actua como catalisador paraeliminar as impurezas. Conforme se mostra na Fig.I.14, a fuso tem lugar quandoo lingote original, actuando como elctrodo, desce na escria contida numcadinho de cobre refrigerado por gua.

Fig I.14 - Processo de Refuso por electroescria (ESR)

PROCESSOS DE REFUSO

Tipos de processosde refuso

Ncleo doelctrodo

Elctrodo

Cadinho de cobre

Fontes deenergia

Pelcula deescria

Metal slido

Metal lquido

Banho deescria

gua derefrigerao

Suporterefrigeradopara gua


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Fabrica o de Aos


ORIGEM DOS DEFEITOS DOS AOS

Origem dos defeitos

Produzem-se, assim, a um ritmo controlado, muitas pequenas gotas de metalenvoltas em escria fundida, a qual reage com o ao para eliminar o enxofre eoutras incluses no metlicas.

O processo de refuso por arco no vcuo, designado abreviadamente por VAR(Vacuum Arc Remelt), utiliza um lingote fabricado num forno elctrico ou deinduo, ligado como um elctrodo a uma fonte de energia. Este lingote colocado num molde de dimetro ligeiramente superior.

O molde actua como um Forno ligado a um sistema de vcuo que produz, aomesmo tempo, no ao um efeito de afinamento, reduzindo o seu teor emhidrognio e outros gases dissolvidos.

Os defeitos ou imperfeies dos aos so causados pela prpria natureza dosprocessos de fabrico ou das etapas posteriores de acabamento.

As origens dos defeitos existentes nos aos so as seguintes:

Defeitos produzidos no alto-forno

Uma boa parte das impurezas existentes na gusa eliminam-se no momento doafinamento do ao.

Como para reduzir o teor em fsforo se necessita de ter condies fortementebsicas na oxidao, outras substncias mais facilmente oxidveis soeliminadas anteriormente. Na prtica, significa que muito poucas impurezasprocedentes do alto-forno permanecem em quantidades que possam serprejudiciais para os aos fabricados por qualquer processo denominado bsico.

Nenhuma especificao, tanto de aos para recipientes sob presso como

para qualquer outra finalidade, faz referncia a esta etapa da fabricao.

Defeitos procedentes das sucatas

A sucata sem ser classificada tem muitos e diversos componentes.

Alguns metais podem ser introduzidos involuntariamente no ao, sendoposteriormente difceis de eliminar. O problema reside em certos elementos daliga, como cobre, nquel, crmio, molibdnio, vandio, etc., que prejudicam adureza da zona termicamente afectada pela soldadura, chegando a provocarfissuras quando essa soldadura se realiza sem as necessrias precaues.


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Fabr icao de A os


O teor em azoto deve sercontrolado

A pureza de um ao

pode ser prejudicial

Algumas especificaes, em especial as referentes a aos de alto limite elsticoou elevada carga de rotura, limitam os teores destes elementos desnecessrios.

O enxofre, fsforo, silcio, etc., que podem estar presentes na sucata emquantidades excessivas, reduzem-se facilmente a valores aceitveis atravsdos processos normais de afinao.

Defeitos devidos ao Azoto

Referimos repetidamente a difcil deteco e o risco que comporta um elevadoteor em azoto nos aos destinados a suportar esforos em condies de servio.

conveniente assinalar que, ainda que este problema seja relembrado na alturada seleco dos materiais de adio de soldadura, a influncia relativa dos

processos de fabrico do ao no seu teor de azoto deve ser analisadaanteriormente. No Quadro I.2 vm assinalados os diferentes teores desteelemento em funo do processo de fabrico do ao.

Quadro I.2 - Teores em azoto no ao em funo do

processo de fabrico

Os riscos acentuam-se quando o N2existe em elevada percentagem na sucata,

como acontece, por exemplo, quando se voltam a fundir no forno elctrico lingotesprocedentes de um convertidor Bessemer.

Defeitos devidos a uma excessiva pureza do ao

A investigao siderrgica tem originado avanos que permitem obter aos cadavez mais puros. Contudo, a experincia veio a demonstrar que certas inclusesso capazes de reter considerveis quantidades de hidrognio sem querepresentem srios riscos para o material, sendo esta situao, em condiesde servio, menos desfavorvel do que um excesso de hidrognio num aoextra puro. Desenvolveram-se, por esta razo, materiais de adio para soldaduracom teores extremamente baixos de hidrognio.

ProcessoTeores normais de N2

(%)Observaes

Bessemer 0,015-0,25O mais alto de todos os processos de

fabricao

Siemens -

Martin

0,003-0,006 Considerado como o teor "standard"

LD 0,002 Utilizando O2 com 99,5% de pureza

Forno Elctrico 0,007-0,010Aproximadamente duplo do ao

Siemens - Martin


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Fabrica o de aos


RESUMO

Nesta Unidade Temtica, procedeu-se ao estudo do processo de obteno dosaos.

Foi efectuada a descrio do funcionamento do alto-forno e dos processosutilizados para obteno do ao, assim como das reaces qumicas queocorrem durante cada um dos processos.

Foram ainda abordados os procedimentos de acabamento e os processos derefuso.

Tambm estudou-se as causas do aparecimento dos defeitos dos aos.


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Fabrica o de aos

Componente Prtica

ACTIVIDADES / AVALIAO

1. Em siderurgia, na zona do alto-forno, d-se a transformao da carga emgusa, obtendo-se a chamada gusa de primeira fuso. Como se caracterizaesta gusa e quais so as suas principais diferenas relativamente ao ao?

2. Depois da gusa ter sado do alto-forno, segue para uma unidade muitoimportante; o misturador. Qual a sua funo?

3. Quais so os processos de fabricao de aos?

4. Para que servem os processos de refuso?

5. Qual a origem dos defeitos dos aos?


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Classificao das LigasFerro-Carbono

C l a s s i f C l a s s i f C l a s s i f C l a s s i f C l a s s i f i c a o d a s L i gi c a o d a s L i gi c a o d a s L i gi c a o d a s L i gi c a o d a s L i g a s Fa s Fa s Fa s Fa s Fe re re re re rrrrrro - C a r b o n oo - C a r b o n oo - C a r b o n oo - C a r b o n oo - C a r b o n o


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M e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r a l I . 1l I . 1l I . 1l I . 1l I . 1

Classi f ica o das Liga s Ferr o - Carbono

OBJECTIVOS


Distinguir um ao de um ferro fundido;

Conhecer as vrias formas de classificao dos aos.

TEMAS

Introduo

Classificao dos aos

Designaes de aos segundo a sua composio qumica

Designaes de ao segundo o teor em carbono Classificao dos aos segundo o grau de desoxidao

Classificao dos aos segundo a constituio estrutural

Classificao dos aos segundo o modo de produo

Classificao dos aos segundo a sua aplicao

Resumo



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lI . 2l I . 2l I . 2l I . 2l I . 2

Classi f ica o das Lig as Ferr o - Carbono


O ferro um elemento qumico que se encontra na natureza na forma de umxido do tipo FeO, Fe2O3, Fe3, O4, e que, aps fuso e purificao, se apresentana forma de um metal puro com ponto de fuso de 1536C.

de ressaltar que as consideraes feitas ao ferro "puro" so apenas de ordemespeculativa, j que a produo de ferro na forma totalmente pura de extremacomplexidade, sendo que, actualmente, se consegue obter este elemento naforma metlica com ndices de impurezas bastante reduzidos.

O ferro puro praticamente no tem interesse industrial, sendo necessrio queesteja devidamente combinado com outros elementos, formando, assim, uma"liga metlica ferrosa", para que seja utilizado em estruturas e componentes.

Um dos componentes bsicos nas ligas base de ferro o carbono e, deacordo com a percentagem de participao deste elemento, obtm-se as ligasferrosas conhecidas como o ao e o ferro fundido.

Uma classificao simplista, a partir da anlise do diagrama de equilbrio binrio,formado pela combinao entre o ferro e o carbono, pode definir o ao comosendo uma liga de ferro e carbono, onde o teor deste ltimo elemento inferiora 2.03% (em peso). Do mesmo modo, o ferro fundido basicamente uma ligade ferro / carbono com teores em carbono entre 2.03% e 6.67% (em peso).

Especificamente, o ao um dos mais importantes materiais estruturais entreas ligas metlicas. Este facto deve-se possibilidade de se obterem ligas deelevadas caractersticas mecnicas que vm ao encontro das solicitaesindustriais, aliadas ao baixo custo e a uma grande reserva mineral.

Devemos ressaltar que o ferro puro se apresenta muito macio e de poucaresistncia, enquanto que combinado na forma de uma liga, especificamente oao, passa a apresentar valores de resistncia mais aceitveis. Normalmente,podemos obter ligas que apresentam tenses de cadncia que variam entre200 MPa.m-2 e 2.000 MPa m-2.

Como j referimos, chama-se ao a toda a liga ferro-carbono, com ou semoutros elementos de liga, forjvel, cujo teor em carbono varia entre 0.03 e 2.1 %salvo, em casos excepcionais. A classificao dos aos pode ser encaradasob vrios pontos de vista.

INTRODUO

Obteno de ferro

Liga metlica ferrosa

Aos e ferros fundidos

Resistncia mecnica do ferro baixa

CLASSIFICAO DOS AOS

Classificao dos aos


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Assim, podemos classific-los quanto:

composio qumica

ao teor em carbono

ao grau de desoxidao

constituio estrutural

ao modo de produo

aplicao

Consoante a classificao escolhida, o ao passa a ser conhecido pela sua

designao, conforme veremos em seguida.

Segundo este processo de classificao consideraram-se dois tipos de ao,dividindo-se um deles em dois subtipos. A sua designao , assim, a seguinte:

aos no ligados aos ligados

baixa liga

fortemente ligados

Os aos no ligados so os que possuem apenas o carbono como elementode liga do ferro. Podem surgir nestes aos quantidades reduzidas de outroselementos tais como o silcio, o mangans, o alumnio, o titnio e o cobre, queno so, no entanto, utilizados como elementos de liga.

Para que um ao seja considerado no ligado, os teores destes elementosresiduais, que dependem do processo de fabrico e da matria-prima, no podemser superiores a:

0.5% de Si

1.5% de Mn

0.1% de Al

0.05% de Ti

0.35% de Cu

DESIGNAES DE AOS SEGUNDO A SUA COMPOSIO QUMICA

Classificao dos aossegundo a composio fsica


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lI . 4l I . 4l I . 4l I . 4l I . 4



Os aos ligados so aqueles em que os elementos anteriormente consideradossurgem com teores superiores aos indicados ou em que surgem outroselementos de liga tais como Cr, Ni, Mo, W, V, intencionalmente adicionados.

Os aos de baixa liga so aqueles em que o somatrio das percentagensdos elementos de liga inferior ou igual a 5%.

Os aos fortemente ligados ou de alta liga so aqueles em que o teor totaldos elementos de liga superior a 5%.

Segundo este ponto de vista, temos a considerar os aos:

hipoeutectides

eutectides

hipereutectides

O ao eutectide o que tem o teor em carbono correspondente ao pontoeutectide do diagrama de equilbrio. Nos aos no ligados, este ponto

corresponde a 0.8% de carbono. Nos aos de liga, varia conforme a suacomposio.

Os aos hipoeutectides tm entre 0.03 e 0.8% de carbono e os aoshipereutectides tm entre 0.8 e 2.06% de carbono.

Uma outra forma de classificar aos com base na percentagem de carbono daliga a seguinte:

Aos de baixo teor em carbono: apresentam cerca de 0.2 % de carbono eso utilizados, normalmente, na forma de chapas ou peas para cementao.

Aos de mdio teor em carbono: normalmente na faixa de 0.4% de carbonocom utilizao estrutural ou para tratamentos trmicos.

Aos de alto teor em carbono: com percentagem em carbono acima dos0.6% e normalmente utilizados para fabrico de ferramentas.

DESIGNAES DE AO SEGUNDO O TEOR EM CARBONO

Classificao dos aossegundo o teor em carbono


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Segundo este critrio, temos a considerar os seguintes tipos de ao:

calmados (R)

especialmente calmados (RR)

efervescentes (U)

Os aos calmados so aqueles em que se procedeu completa desoxidao,no se desprendendo gases durante a sua solidificao.

Os aos efervescentes so aqueles em que a desoxidao foi incompleta,verificando-se desprendimento de gases durante a sua solidificao, o que originaa formao de chochos e segregaes (normalmente compostos contendo P eS) no ncleo.

Normalmente, utiliza-se o alumnio para calmar os aos.

Os aos com mais de 0.3% de C, os aos ligados, os aos de cementao eos aos ditos de tratamento trmico (melhoramento) so calmados.

Segundo este critrio de classificao, temos a considerar os aos:

ferrticos

perlticos

austenticos

martensticos

ledeburticos

CLASSIFICAO DOS AOS SEGUNDO O GRAU DE DESOXIDAO

Classificao dos aossegundo o grau dedesoxidao

Classificao dos aossegundo o modode produo

CLASSIFICAO DOS AOS SEGUNDO A CONSTITUIOESTRUTURAL


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Segundo este critrio de classificao, temos a considerar os aos produzidosnos seguintes fornos:

Bessemer (B)

Thomas (T)

Oxiconvertidores (LD)

Siemens-Martin (SM)

Elctricos (E)

Cadinho (TI)

Poderamos, ainda, considerar os aos vazados em vazio e os aos fundidosem vazio.

Os elementos de liga so adicionados ao ao a fim de lhe conferir ou aumentardeterminadas caractersticas fsico-qumicas, tornando-os mais ou menosindicados para uma determinada aplicao. Na tabela seguinte, indicam-se osefeitos da adio dos elementos de liga nos aos.

CLASSIFICAO DOS AOS SEGUNDO O MODO DE PRODUO

CLASSIFICAO DOS AOS SEGUNDO A SUA APLICAO

Classificao dos aossegundo o modo de produo

Classificao dos aossegundo a sua aplicao

Elementos Efeito

S , Si Aumentam a maquinabilidade

Ni, Mn Utilizao a baixas temperaturas

C, Mn, Cr, Ni Aumentam a resistncia mecnica

Cr, W, Mo, Mn Aumentam a resistncia ao desgaste

W, Mo, V, Co, Cr Utilizao a temperaturas elevadas

Cr, Ni, Mo, Cu, Si Aumentam a resistncia corroso


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Segundo o critrio de classificao, em funo da aplicao, podemos dividiros aos em trs grandes grupos, possuindo cada um deles subdivises. Ostrs principais grupos so:

aos de construo

aos para ferramentas

aos especiais

Os aos de construo so os aos ligados ou no ligados, usados naconstruo de peas a utilizar individualmente ou fazendo parte de mquinas.So trabalhados e usados no estado de fornecimento (natural, recozido oumelhorado), podendo, no entanto, sofrer tratamentos trmicos e/outermoqumicos durante o fabrico das peas como, por exemplo, cementao,

melhoramento, tmpera e revenido.

Os aos para ferramentas so aos ligados ou no ligados, destinados aofabrico de ferramentas de qualquer tipo. Salvo raras excepes, so normalmentefornecidos no estado recozido, macio, sofrendo posteriormente um tratamentotrmico. Podem tambm, em alguns casos, ser fornecidos no estado tratado(matrizes de estampagem a quente fabricadas a partir de blocos tratados).

Os aos especiais so aos fortemente ligados (aos refractrios, inoxidveis,resistentes aos cidos, amagnticos, para mans, para peas de turbina, etc.),submetidos a diversos tratamentos trmicos para a obteno de propriedadesfsicas especiais.

Vamos ocupar-nos, em especial, dos aos para ferramentas e um pouco dosaos para construo, dada a maior importncia dos tratamentos trmicos nosprimeiros.

Veremos as subdivises de cada uma destas categorias; faremos algumasconsideraes sobre cada uma delas e daremos alguns exemplos de tratamentostrmicos.

Aos para ferramentas

Os aos para ferramentas podem, por sua vez, dividir-se em vrios tipos, segundodiversos critrios de classificao. Um deles divide os aos para ferramentasem dois grupos: aos no ligados e aos ligados.

Dentro destes, e de acordo com o elemento de liga mais importante, ainda sepodem considerar os aos com crmio, com mangans, com tungstnio, commolibdnio.

No entanto, a classificao que est mais de acordo com as necessidades doconsumidor e que pode mais facilmente ajud-lo a escolher o ao maisconveniente para uma determinada funo a classificao segundo a suautilizao.


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lI . 8l I . 8l I . 8l I . 8l I . 8



Assim, teremos:

aos rpidos

aos para trabalho a quente

aos para matrizes de trabalho a quente

aos resistentes aos choques

aos para trabalho a frio com tenacidade elevada e grande penetrao detmpera (auto-temperantes)

aos com fraca variao dimensional

de baixa liga fortemente ligados

aos temperveis na gua

no ligados

ligados

aos para cementao e nitrurao

aos inoxidveis e resistentes aos cidos

Aos de construo

Usando o mesmo critrio do pargrafo anterior, isto , a classificao segundoa aplicao dos aos, podemos estabelecer as seguintes categorias, entreoutras:

aos para cementao:

no ligados

ligados

aos de tratamento trmico:

no ligados

ligados

aos para nitrurao

aos para tmpera superficial

Classificao dos aossegundo a sua utilizao


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aos para engrenagens

aos para rolamentos

aos para vlvulas

aos de muito alta resistncia

aos para molas

aos resistentes ao desgaste

aos para canos de espingarda

aos resistentes ao hidrognio sob presso


aos inoxidveis a temperaturas elevadas (refractrios)

aos para peas de turbo-mquinas

aos para a fsica nuclear

Aos especiais

Entre outras, podemos anotar as seguintes categorias:


aos inoxidveis a temperaturas elevadas (refractrios)

aos para fios condutores e de resistncia elctrica

aos de coeficiente de dilatao trmica determinada

aos para mans, rels, etc.

aos amagnticos

aos para baixas temperaturas


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lI . 10l I . 10l I . 10l I . 10l I . 10



Nesta Unidade Temtica, so estudadas as vrias formas de classificao dosaos. As diferentes classificaes apresentadas caracterizam os aos quanto:

composio qumica

ao teor em carbono

ao grau de desoxidao

constituio estrutural

ao modo de produo

aplicao.

So, ainda, apresentadas as principais diferenas entre o ferro fundido e oao.

RESUMO


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Componente Prtica

1. Como classifica os aos quanto ao teor em carbono?

2. Qual a principal diferena na composio qumica entre o ao e o ferrofundido?

ACTIVIDADES / AVALIAO


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Estrutura e Propriedadesdos Metais Puros

E s t r u t u r a e P r o p r i e d a d e s d o s M e t a i s P u r o sE s t r u t u r a e P r o p r i e d a d e s d o s M e t a i s P u r o sE s t r u t u r a e P r o p r i e d a d e s d o s M e t a i s P u r o sE s t r u t u r a e P r o p r i e d a d e s d o s M e t a i s P u r o sE s t r u t u r a e P r o p r i e d a d e s d o s M e t a i s P u r o s


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M e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r aM e t a l u r g i a d e S o l d a d u r a I I I . 1I I I . 1I I I . 1I I I . 1I I I . 1

Estrut ura e Propr iedades dos Metai s Puros

OBJECTIVOS


Identificar as diferentes estruturas dos metais;

Reconhecer os tipos de clulas cristalinas mais comuns;

Descrever o processo de solidificao de um metal;

Enumerar as diferentes propriedades dos metais puros;

Caracterizar deformao elstica e plstica.

TEMAS

Introduo

Estrutura dos metais

Propriedade dos metais puros

Deformaes elsticas / plsticas

Resumo



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II I . 2I I I . 2I I I . 2I I I . 2I I I . 2



O aspecto da superfcie de uma pea, em bruto ou sem acabamento final, podefornecer indicaes preciosas quanto ao tratamento trmico eventualmentesofrido. notrio, por exemplo, que as peas tratadas termicamente apresentamuma camada superficial tpica, proveniente da oxidao. Com efeito, o aspectoda superfcie ou da fractura das peas, o comportamento do metal sob a acode uma lima, de um martelo, de um man, a sonoridade das peas, a forma dasfascas emitidas no esmeril, etc., prestam informaes preciosas sobre aspropriedades do material ao observador experimentado. Por vezes, so os nicosmeios, economicamente viveis, para se obter a informao desejada, j queso expeditos e realizveis sem aparelhos especiais.

Se bem que em muitos casos verificaes dessa natureza sejam suficientes,outros h que no dispensam um controlo mais rigoroso. Por esta razo, soabsolutamente necessrios instrumentos de preciso para medir a dureza daspeas, ou a temperatura dos fornos de tratamento trmico, por exemplo, pois ocontrolo "a olho" jamais poderia assegurar a rigorosa uniformidade de produoque certas peas requerem.

Indicaes mais tcnicas mais complexas so fornecidas pelos ensaios delaboratrio, feitos com o auxlio de mquinas, instrumentos e mtodos adequadospara cada caso. Quase todos os resultados so expressos numericamente, demodo a permitirem o seu confronto com valores consignados em normas,especificaes ou outros dados que sirvam de comparao.

Para a determinao das caractersticas de uma estrutura, torna-se necessriaa utilizao de mtodos que tornem possveis esta operao. Por exemplo, asmodificaes estruturais de um ao que ocorrem durante a sua solidificaopodem ser observadas de trs formas: anlise macrogrfica, microgrfica ecristalina.

Se polirmos, cuidadosamente, uma amostra de um metal, a sua superfcieaparecer-nos- brilhante, sem qualquer descontinuidade e perfeitamentehomognea. O mesmo se verificar se observarmos com uma lupa. Isto deve-se fundamentalmente ao brilho natural do metal e ao facto de o polimento tercriado uma finssima camada de material deformado plasticamente, o que impedeo aparecimento do seu verdadeiro aspecto estrutural.

INTRODUO

ESTRUTURA DOS METAIS


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Clula elementar

O conhecimento da estrutura interna dos metais e suas ligas permite-noscompreender muitas das suas propriedades.

Estrutura cristalina

Se amplissemos a capacidade de observao atravs de aparelhos adequados(microscpios), de tal forma que fosse possvel observar o modo como os tomosse ligam entre si dentro dum gro, obteramos a estrutura cristalina dos metais.

Na realidade, no temos microscpios que nos dem tal ampliao, maspoderamos recorrer a determinados aparelhos que, com o recurso aos raios X,permitem detectar quais as posies relativas dos tomos (difractometria deraios X).

Utilizando esta tcnica, conclui-se que, nos gros, os tomos metlicos sedistribuem ordenadamente no espao, formando uma malha tridimensional (Fig.III.1).

Fig. III.1 - Esquema de uma malha cbica simples

de notar que nesta malha se pode considerar uma unidade tridimensionalmnima que se repete: a clula elementar que a base da malha cristalina.

H vrios tipos de clulas onde os tomos ocupam os vrtices, o centro ou omeio das faces.


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Formao de cristais

Ncleos de cristalizao

Clulas cristalinas

a b

c

Nos metais, os tipos de clulas cristalinas mais comuns (Fig. lll.2) so:

a) a cbica centrada (CCC)

b) a cbica de faces centradas (CFC)

c) a hexagonal compacta (HC)

Fig. lll.2 - Clulas elementares dos metais

A distncia entre dois tomos da mesma malha designa-se parmetroreticular. O seu valor depende do metal, do tipo de malha, e da posio dostomos.

Solificao do metal

Os metais solidificam-se sempre sob a forma cristalina. A solidificao inicia--se atravs da formao de pequenos cristais em todos os pontos onde o metalem fuso atinge a temperatura de solidificao.

Estes pequenos cristais assim formados, tambm chamados ncleos ou centrosde cristalizao, desenvolvem-se atravs da solidificao de novas partculasque se depositam sobre os ncleos j existentes. Esta deposio faz-se segundodireces preferenciais, denominadas eixos de cristalizao.


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Nas ligas ferro-carbono, como alis, em quase todos os metais, esses eixosso em nmero de trs e ortogonais entre si. Cada eixo, quando atinge certodesenvolvimento, desenvolve outros noutras direces e assim por diante, at

toda a massa se tornar slida. A Fig.III.3 pretende ilustrar a formao de umcristal.

Fig. lll.3 - Formao de um cristal

Ao conjunto de cada eixo principal e respectivos eixos secundrios d-se onome de dendrite, devido semelhana com a ramificao das rvores (dndron,em grego). O crescimento da dendrite limitado pelo encontro dos seus eixoscom os das dendrites vizinhas. Terminada a solidificao, cada dendrite constituium pequeno cristal de contornos irregulares. A dendrite , pois, um gro primrio

em formao.

Como consequncia do mecanismo anteriormente exposto, todos os metais,logo aps a sua completa solidificao, so constitudos por numerosssimosgros, fortemente unidos, cada um com orientao cristalogrfica independenteda dos demais.

Quando as dendrites se desenvolvem no seio do lquido, longe das paredes domolde em que o metal contido e sem obstculos, do origem a gros maisou menos equiaxiais, quer dizer, o crescimento segundo os trs eixosperpendiculares entre si praticamente o mesmo.

Os eixos junto s paredes do molde e orientados normalmente a estasapresentam um desenvolvimento muito maior do que os outros, devido ao factode os ramos laterais esbarrarem, logo que comeam a crescer, com os que seformam a partir dos ncleos vizinhos. Este comportamento ilustrado nasFiguras III.4 e III.5.

Fig. lll.4 - Desenvolvimento de dendrites junto s paredes do molde ou lingoteira

Dendrites


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Fig. lll.5 - Gros colunares convergindo para um ncleo central de gros equiaxiais

O conhecimento da estrutura cristalina dos metais, bem como da sua estrutura

atmica, permite-nos explicar algumas das suas caractersticas, nomeadamente:

A elevada densidade dos metais;

A variao de algumas propriedades com a direco: anisotropia;

A estabilidade da ligao metlica;

As principais propriedades.

Densidade nos metais

O nmero de coordenao de um metal representa a quantidade de tomosque envolvem cada tomo desse metal.

PROPRIEDADES DOS METAIS PUROS

Nmero de coordenao


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No caso da malha cbica centrada, cada tomo envolvido por oito (nmero decoordenao igual a oito), Fig. lll.6.

Fig. lll.6 - Malha cbica centrada

Numa malha cbica de faces centradas, cada tomo envolvido por 12 (nmerode coordenao igual a doze), Fig. lll.7.

Fig. lll.7 - Malha cbica de faces centradas

A maioria dos metais cristaliza em malhas cujo nmero de coordenao elevado, geralmente 8 a 12.

Como a distncia entre os tomos da malha pequena, verifica-se uma elevadaconcentrao de tomos num espao limitado, o que explica a elevada densidadeda maioria dos metais.


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Anisotropia e isotropia aparente

A variao das propriedades com a direco designa-se por anisotropia. Aanisotropia depende da distncia ent

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