O Ferro e suas ligas, Trabalhos de Engenharia Química

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ

CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

MATERIAIS E UTILIDADES

Trabalho da disciplina de Materiais e Utilidades

O FERRO E SUAS LIGAS

TOLEDO – PR

Docente: Prof. Dr. Sérgio Lucena

TOLEDO – PR

SUMÁRIO

Descrição e Propriedades

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

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

Figura - Peças de ferro

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

2.1. O Ferro na alimentação e no organismo

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

O organismo do homem adulto contém de 3 a 5g de ferro dos quais 30 a 40% na forma de armazenamento. É um mineral muito bem conservado pelo organismo: cerca de 90% é recuperado e reutilizado freqüentemente. Embora esteja presente no corpo humano em

quantidades pequenas, suas funções são essenciais à vida. A célula do sangue é formada por proteína e ferro, além de outros componentes por isso, a falta deste mineral, causa a anemia, que é a diminuição do número de células vermelhas (hemoglobina), e conseqüentemente uma diminuição da oxigenação das células do corpo.

2.1.1.. Fontes de Ferro

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

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

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

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

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

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

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

3.2. Fornos Primitivos

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

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

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

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

C + O 2 F 0 A ECO 2 CO 2 + CF 0 A ECO

CO + Fe (^) XO (^) Y F 0 A EFe + CO (^2)

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

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

Minério de ferro - São aquelas portadoras do principal elemento que é o ferro, normalmente este aparece combinado com o oxigênio na forma de óxido (composto químico). Esta combinação pode ocorrer de várias formas originando minérios de composição química e características diferentes como veremos mais adiante.

Fundentes – São matérias primas utilizadas para reduzirem o ponto de fusão da ganga, escorificando as impurezas introduzidas pelos minérios e dando condição para posterior retirada do produto desejado, no nosso caso o ferro gusa. Adições - São matérias primas portadoras de elementos que, em menores proporções, contribuem para se obter um determinado propósito, seja no produto, seja no processo. Como exemplo, temos o minério de manganês, a ilmenita etc.

Materiais de geração interna - São os materiais originados dentro da própria usina cujo aproveitamento torna-se econômico sem prejudicar o processo de sinterização, (cabe lembrar que sinterizar é promover uma semi-fusão de uma mistura de minérios). Na maioria dos casos trata-se de resíduos siderúrgicos gerados na própria usina e que podem gerar algum tipo de impacto ambiental. Portanto é fundamental seu reaproveitamento o que minimiza esses impactos ambientais. Dentre eles pode-se citar: pó de minério, pó de coque, pó de carvão, escória de alto forno.

• Minérios de Ferro

O minério de ferro é composto por três partes a saber:

• Útil F 0 A Eparte que contém o ferro
• GangaF 0 A Eimpurezas sem valor direto
• EstérilF 0 A Erocha onde o minério

Os minérios que apresentam interesse econômico para a siderurgia são basicamente os óxidos, sendo os mais utilizados a hematita e a magnetita,limonita , siderrita e pirita.

Hematita: É o tipo mais comum de minério de ferro, constituído essencialmente pelo óxido com fórmula Fe 2 O 3 (trióxido). Apresenta um teor nominal de 69,5% de ferro contido, mas o teor varia de 45 a 68% devido à presença de ganga

Figura - Hematita

Magnetita: Constituída essencialmente do óxido de ferro cuja fórmula é Fe 3 O (^4) (peróxido). Apresentando um teor nominal de 72,4% de ferro, sendo que o seu teor real varia de 50 a 70%. É um material de cor cinza escuro e apresenta propriedades magnéticas, o que facilita a sua concentração nas operações de beneficiamento de minérios.

Figura 6 – Magnetita

Limonita: - Consiste essencialmente em Hematita hidratada (presença de água) com fórmula Fe 2 O 3 , na qual a proporção de moléculas de água de hidratação pode variar de 1 a 3. Em conseqüência varia também o teor nominal de ferro sendo que o teor real normalmente não ultrapassa 65%. Apresenta-se como um material de cor marrom.

Figura 7 - Limonita

Siderita: É um tipo pouco freqüente de minérios, ocorrendo normalmente como componente de mistura da hematita e em pequenas proporções. Apresenta-se na fórmula FeCO 3 (Carbonato), sendo que seu teor real varia de 10 a 40%.

Figura 8 - Siderita

Pirita: Também de pouca importância, normalmente aparece como componente de mistura de minérios de outros metais (minérios de cobre, por exemplo). Sua fórmula básica é FeS 2.

Figura 9 - Pirita

4.3. Beneficiamento do minério de ferro

O minério de ferro pode ser classificado como:

CaCO 3 .→ CaO + CO (^2)

(calcário) (cal) (gases) A cal tem grande importância na aciaria, visto que, no refino do aço, pode atuar como fundente, dessulfurante, desfosforante e refrigerante. A prática industrial de calcinação pode ser feita em fornos de cuba aquecidos a gases ou pela combustão de carvão vegetal granulado adequadamente misturado ao calcário.

Classificação: É a unidade que irá separar o coque fino do coque bitolado. Este primeiro vai direto para o processo de sinterização. Já o segundo, volta para o alto forno, para ser reaquecido e sofrer todos os processos citados acima, a fim de diminuir suas impurezas.

Aglomeração: Visa melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Os processos mais importantes de aglomeração são a sinterização e a pelotização.

Sinterização: Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa mistura com aproximadamente 5% de um carvão finamente dividido ou coque. 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 o^ C, suficiente para promover a ligação das partículas finas do minério, resultando num produto uniforme e poroso chamado sínter.

Figura 11 - Processo de sinterização

Pelotização: Este 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. Uma vez obtidas as pelotas cruas, estas são secas, pré-aquecidas e então queimadas.

Figura - Pelotas de Ferro .

1. Processo produtivo

O processo de obtenção do ferro consiste basicamente na redução dos seus óxidos por meio de um combustível carbonoso redutor, em geral coque, carvão vegetal ou mineral.

Para que as reações de redução dos óxidos de ferro ocorram em velocidades rápidas, é necessário temperaturas acima de 1000o^ C, onde obtemos o ferro por redução indireta ou por redução direta.

2.2. Processos de Redução Direta

Processos de redução direta são aqueles nos quais a redução do minério de ferro a ferro metálico é efetuada sem que ocorra, em nenhuma etapa do processo, a fusão da carga no reator.

A redução no estado sólido de minério de ferro por carvão é praticada desde a antigüidade, tendo sido o principal processo de obtenção de ferro até o desenvolvimento dos altos fornos. Assim, o produto metálico é obtido na fase sólida, sendo chamado de “ferro esponja”.

-- O ferro esponja é um produto metálico com 85 a 95% de ferro e de 0,1 a 1,0% de C, podendo chegar a 2,0% de C. Tem aspecto esponjoso e é obtido no estado sólido à temperatura em torno de 1100 o^ C, a preços relativamente reduzidos se comparado a grandes siderúrgicas.

Em geral, o ferro esponja é utilizado em fornos elétricos a arco em substituição à sucata para obtenção do aço, onde a sua característica vantajosa é a sua superioridade em relação à sucata em termos de pureza (elementos de liga contidos na sucata podem dificultar o atendimento à especificação do aço a ser produzido). Os processos de redução direta podem ser divididos conforme o tipo de redutor, em duas classes: redutor sólido (carvão ou coque) ou redutor gasoso (gás natural-CH (^4)

e/ou gases redutores como CO, H 2 ).

Figura - Esquema mostrando os diferentes processos de redução direta.

2.3. Processos de Redução Indireta

O ferro é com certeza o mais versátil dos metais, cuja gama de aplicações estende-se aos próprios limites da imaginação. Em diversas aplicações de diversos materiais, sempre é possível encontrar uma liga que tenha como base o ferro.

Dessa maneira a produção do aço em larga escala tornou-se uma necessidade mundial, notadamente no pós-guerra como o desenvolvimento industrial do mundo.

O desenvolvimento das aplicações ou das qualidades dos diversos tipos de aço ou ligas de ferro em larga escala só foi possível graças a abundância do minério de ferro, sendo na maior parte na forma de óxidos.

Por coincidência o minério de ferro pode ser reduzido num redutor extremamente abundante que é o carvão. Desta forma, passou-se então a desenvolver métodos e máquinas que associassem a esses três elementos:

• Abundância de minério;
• Abundância de carvões;
• Abundância de aplicações;

Resultando um processo chamado "Alto Forno", o qual veremos no capitulo a seguir.

Alto Forno

O alto forno é um tipo de forno de cuba empregado na produção de ferro gusa, pela fusão redutora de minérios de ferro em presença de carvão vegetal ou coque e fundente, os quais são carregados no topo e, na descida, são transformados pela ação dos gases ascendentes, provenientes da combustão do carvão com o oxigênio soprado pelas ventaneiras, obtendo-se escória e ferro gusa líquidos pelo cadinho e

poeiras e gases no topo.

A principal matéria-prima do alto-forno são os óxidos férricos, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles:

• Magnetita (óxido ferroso-férrico)F 0 A EFe 3 O 4 (72,4% Fe).
• Hematita (óxido férrico)F 0 A EFe 2 O 3 (69,9% Fe).
• Limonita (óxido hidratado de ferro)F 0 A E2FeO 3. 3H 2 O (48,3% Fe).

Figura – Alto Forno Figura –Esquema de operação

Ferro gusa e subprodutos: Em um Alto Forno, o ferro gusa é o principal produto e o gás de topo, pó e escória, são recuperados como subprodutos.

Ferro Gusa

O ferro gusa pode ser diferentemente classificado de acordo com a matéria prima usada, constituintes e utilização. Geralmente é dividido em gusa para aciaria, gusa para fundição e gusa para ligas. Na utilização para aciaria, o gusa usado é proveniente da mesma usina, desta forma normas internas são feitas para controlar a composição química do mesmo.

4.4. Sub Produtos