Já se interrogou sobre como é feito o aço, uma pedra angular da civilização moderna? Este guia abrangente mergulha no intrincado processo de produção do aço, desde as matérias-primas até aos produtos acabados. Descubra como elementos como o carbono, o manganês e o silício moldam as propriedades do aço e conheça as etapas cruciais envolvidas, incluindo a fundição, a laminagem e a refinação. No final deste artigo, terá uma compreensão clara dos métodos e materiais que transformam o minério de ferro nos versáteis produtos de aço com que contamos todos os dias.
As ligas ferro-carbono que contêm menos de 2% de carbono são designadas por aço. Os cinco elementos do aço-carbono referem-se aos principais constituintes da sua composição química, ou seja, C (Carbono), Si (Silício), Mn (Manganês), S (Enxofre) e P (Fósforo).
Além disso, durante o processo de produção de aço, gases como o O (Oxigénio), H (Hidrogénio) e N (Azoto) misturam-se inevitavelmente.
Além disso, no processo de desoxidação de alumínio-silício, o Al (alumínio) está inevitavelmente presente no aço fundido e, quando o Als (alumínio solúvel em ácido) é igual ou superior a 0,020%, desempenha um papel na refinação do tamanho do grão.
1. Carbono (C):
Como o teor de carbono no aço aumenta, o ponto de escoamento e a resistência à tração aumentam, mas a plasticidade e a resistência ao impacto diminuem. Quando o teor de carbono excede 0,23%, o soldabilidade do aço se deteriora.
Por conseguinte, para o aço estrutural de baixa liga utilizado para soldadura, o teor de carbono não excede geralmente 0,20%. Um teor de carbono mais elevado também reduz a resistência do aço à corrosão atmosférica; o aço com elevado teor de carbono armazenado ao ar livre é suscetível de enferrujar. Além disso, o carbono pode aumentar a fragilidade do aço a frio e a sensibilidade ao envelhecimento.
2. Silício (Si):
O silício é adicionado no processo de fabrico do aço como redutor e desoxidante, pelo que o aço calmo contém 0,15-0,30% de silício. Se o teor de silício no aço exceder 0,50-0,60%, o silício é considerado um elemento de liga. O silício pode aumentar significativamente o limite elástico, o ponto de escoamento e a resistência à tração do aço, tornando-o amplamente utilizado para o aço para molas.
Ao adicionar 1,0-1,2% de silício ao aço estrutural temperado e revenido, a sua resistência pode ser aumentada em 15-20%. O silício, em combinação com elementos como o molibdénio, o tungsténio e o crómio, aumenta a resistência à corrosão e à oxidação, útil para o fabrico de aço resistente ao calor.
O aço com baixo teor de carbono contendo silício 1-4% tem uma permeabilidade magnética extremamente elevada e é utilizado na indústria eléctrica para chapas de aço silício. Um aumento do teor de silício reduz a soldabilidade do aço.
3. Manganês (Mn):
No processo de fabrico do aço, o manganês actua como um excelente desoxidante e dessulfurizante, com o aço geral a conter 0,30-0,50% de manganês. Quando é adicionado mais de 0,70% ao aço-carbono, este é designado por "aço manganês".
Este tipo de aço não só tem uma dureza suficiente em comparação com o aço geral, como também tem uma maior resistência e durezamelhorando a temperabilidade e as propriedades de processamento térmico do aço.
Por exemplo, o ponto de escoamento do aço 16Mn é 40% mais elevado do que o do aço A3. O aço que contém manganês 11-14% apresenta uma resistência ao desgaste extremamente elevada, tornando-o adequado para baldes de escavadoras, revestimentos de moinhos de bolas, etc. Um aumento do teor de manganês enfraquece a resistência à corrosão do aço e diminui a sua soldabilidade.
4. Fósforo (P):
De um modo geral, o fósforo é prejudicial para o aço. Aumenta a fragilidade do aço a frio, deteriora a sua soldabilidade, reduz a plasticidade e piora o seu desempenho na flexão a frio. Por conseguinte, o teor de fósforo no aço deve normalmente ser inferior a 0,045%, sendo que o aço de alta qualidade exige níveis ainda mais baixos.
5. Enxofre (S):
O enxofre é tipicamente prejudicial para o aço. Induz a fragilidade a quente, reduzindo a ductilidade e a tenacidade do aço, conduzindo a fissuras durante a forja e a laminagem. O enxofre é também prejudicial para o desempenho da soldadura e reduz a resistência à corrosão.
Por conseguinte, o teor de enxofre deve geralmente ser inferior a 0,055%, sendo que o aço de alta qualidade exige menos de 0,040%. A adição de 0,08-0,20% de enxofre ao aço pode melhorar a maquinabilidade; este tipo de aço é frequentemente designado por aço de corte livre.
6. Crómio (Cr):
Nos aços estruturais e para ferramentas, o crómio aumenta significativamente a força, a dureza e a resistência ao desgaste, mas reduz simultaneamente a plasticidade e a tenacidade. O crómio aumenta a resistência do aço à oxidação e à corrosão, tornando-o um elemento integrante dos aços inoxidáveis e resistentes ao calor.
7. Níquel (Ni):
O níquel aumenta a resistência do aço, mantendo ao mesmo tempo uma boa plasticidade e tenacidade. O níquel tem uma elevada resistência à corrosão por ácidos e álcalis e apresenta resistência à ferrugem e ao calor a altas temperaturas.
No entanto, devido ao facto de o níquel ser um recurso escasso, deve ser substituído por outros elementos de liga sempre que possível, especialmente em aço ao níquel-crómio.
8. Molibdénio (Mo):
O molibdénio refina a estrutura do grão do aço, melhora a temperabilidade e a resistência térmica e mantém uma resistência suficiente e uma resistência à fluência a altas temperaturas (a fluência refere-se à deformação sob tensão a longo prazo a altas temperaturas).
A adição de molibdénio ao aço estrutural melhora as propriedades mecânicas e suprime a fragilidade causada pelo calor em liga de aço. Nos aços para ferramentas, aumenta a dureza a quente.
9. Titânio (Ti):
O titânio é um forte desoxidante do aço. Densifica a estrutura interna do aço, refina o tamanho do grão, reduz a sensibilidade ao envelhecimento e a fragilidade a frio, e melhora a soldabilidade. A adição de titânio adequado ao aço inoxidável austenítico 18Cr-9Ni pode evitar corrosão intergranular.
10. Vanádio (V):
O vanádio é um excelente desoxidante para o aço. A adição de vanádio 0,5% ao aço refina a estrutura do grão, aumentando a resistência e a tenacidade. Os carbonetos formados a partir de vanádio e carbono podem melhorar a resistência à corrosão por hidrogénio a alta temperatura e pressão.
11. Tungsténio (W):
O tungsténio tem um ponto de fusão elevado, uma densidade elevada e é um elemento de liga caro. O carboneto de tungsténio tem uma elevada dureza e resistência ao desgaste. A adição de tungsténio ao aço para ferramentas aumenta significativamente a dureza a quente e a resistência térmica, tornando-o adequado para ferramentas de corte e matrizes de forjamento.
12. Nióbio (Nb):
O nióbio refina o tamanho do grão e reduz a sensibilidade do aço ao sobreaquecimento e a fragilidade da têmpera, aumentando a resistência mas reduzindo a plasticidade e a tenacidade. A adição de nióbio ao aço de baixa liga comum aumenta a resistência à corrosão atmosférica e à corrosão por hidrogénio, azoto e amoníaco a altas temperaturas. O nióbio melhora a soldabilidade. Quando adicionado ao aço inoxidável austenítico, pode prevenir a corrosão intergranular.
13. Cobalto (Co):
O cobalto é um metal precioso raro, frequentemente utilizado em aços e ligas especiais, tais como aço resistente ao calor e materiais magnéticos.
14. Cobre (Cu):
O aço refinado a partir do minério Daye pela Wuhan Iron and Steel contém frequentemente cobre. O cobre aumenta a resistência e a tenacidade, nomeadamente a resistência à corrosão atmosférica. A desvantagem é que tende a causar escassez a quente durante o processamento a quente e, se o teor de cobre exceder 0,5%, a plasticidade diminui significativamente. Quando o teor de cobre é inferior a 0,50%, não afecta a soldabilidade.
15. Alumínio (Al):
O alumínio é um desoxidante comum no aço. A adição de uma pequena quantidade de alumínio ao aço pode refinar o grão, melhorar a resistência ao impacto, como no aço 08Al utilizado para chapas finas de repuxo profundo.
O alumínio também tem resistência à oxidação e à corrosão. Quando utilizado em conjunto com o crómio e o silício, pode melhorar significativamente a resistência à incrustação e a resistência à corrosão a alta temperatura do aço. A desvantagem do alumínio é que afecta a trabalhabilidade a quente, a soldabilidade e a maquinabilidade do aço.
16. Boro (B):
A adição de quantidades vestigiais de boro pode melhorar a densidade e as propriedades de laminagem a quente do aço, aumentando a sua resistência.
17. Azoto (N):
O azoto pode aumentar a resistência, a tenacidade a baixa temperatura e soldabilidade do açoe aumentar a sua sensibilidade à idade.
18. Terras raras (Xt):
Os elementos de terras raras referem-se aos 15 elementos lantanídeos com números atómicos 57-71 na tabela periódica. Estes elementos são todos metais, mas os seus óxidos são como "terra", daí serem vulgarmente designados por terras raras.
A adição de terras raras ao aço pode alterar a composição, a forma, a distribuição e as propriedades das inclusões no aço, melhorando assim várias propriedades, como a tenacidade, a soldabilidade e a trabalhabilidade a frio. A adição de terras raras ao aço para arados pode melhorar a sua resistência ao desgaste.
A principal tarefa da siderurgia consiste em ajustar o teor de carbono e os elementos de liga do aço dentro de uma gama especificada, de acordo com os requisitos de qualidade do tipo de aço que está a ser produzido, e em reduzir o teor de impurezas como o P, S, H, O, N para valores inferiores aos limites permitidos.
O processo de fabrico do aço é essencialmente um processo de oxidação. O excesso de carbono na carga do forno é oxidado e queimado em gás CO e escapa, enquanto outros elementos como Si, P, Mn são oxidados e entram na escória. Parte do S entra na escória e outra parte é descarregada como SO2.
Quando a composição e a temperatura do aço fundido satisfazem os requisitos do processo, o aço pode ser vazado. Para remover o excesso de oxigénio no aço e ajustar a composição química, podem ser adicionados desoxidantes e ligas de ferro ou elementos de liga.
O metal quente transportado do carro-torpedo, após tratamentos de dessulfuração e de bloqueio de escórias, pode ser vertido no conversor como carga principal, juntamente com menos de 10% de sucata de aço. Em seguida, o oxigénio é soprado para dentro do conversor para queimar, o excesso de carbono no metal quente é oxidado e liberta uma grande quantidade de calor. Quando a sonda detecta o baixo teor de carbono pré-determinado, o sopro de oxigénio é interrompido e o aço é extraído.
As operações de desoxigenação e de ajustamento da composição ocorrem normalmente na panela; em seguida, são lançadas cascas de arroz cementadas sobre a superfície do aço fundido para evitar a sua oxidação, pronto a ser enviado para a área de vazamento contínuo ou de vazamento em molde.
Para os tipos de aço de elevada procura, o árgon de sopro inferior, o tratamento de vácuo RH e o tratamento de pulverização de pó (pulverização de pó de Si-Ca e cal modificada) podem reduzir eficazmente os gases e as inclusões no aço e reduzir ainda mais o carbono e o enxofre. Após estas medidas de refinação secundária, a composição pode ser ajustada com precisão para satisfazer os requisitos de materiais de aço de alta qualidade.
O molde fundido lingotes de aço são aquecidos num forno de reaquecimento utilizando o novo processo de carregamento e entrega a quente e, em seguida, laminados em placas, biletes, pequenos biletes quadrados e outros produtos laminados preliminares através de um laminador de desbaste e de um laminador contínuo.
Após o corte da cabeça e da cauda, a limpeza da superfície (limpeza por chama, trituração), os produtos de alta qualidade requerem também a descamação e a deteção de falhas para os biletes laminados preliminares. Depois de passarem a inspeção, são armazenados no armazém.
Atualmente, os produtos do trem de laminagem preliminar são laje laminada preliminar, lingote quadrado laminado, lingote de aço para cilindros de oxigénio, lingote de tubo redondo para engrenagens, lingote de eixo de veículo ferroviário e aço para moldes de plástico.
A laje pré-laminada abastece principalmente o trem de laminagem a quente como matéria-prima; o bilete quadrado laminado, para além de ser fornecido externamente, é enviado principalmente para o trem de fio-máquina de alta velocidade como matéria-prima. Devido ao avanço das placas de vazamento contínuo, a procura de placas pré-laminadas diminuiu consideravelmente e, por conseguinte, passou para os outros produtos acima referidos.
Utilizando placas de vazamento contínuo ou placas de desbaste como matérias-primas, estas são aquecidas num forno de aquecimento passo a passo e entram no laminador de desbaste após descalcificação com água a alta pressão.
Os materiais laminados em bruto são cortados na cabeça e na cauda, entrando depois no laminador de acabamento, onde é implementada a laminagem controlada por computador. Após a laminagem final, passam por um arrefecimento laminar (taxa de arrefecimento controlada por computador) e são enrolados por uma bobinadora, formando uma bobina a quente.
A cabeça e a cauda da bobina a quente aparecem frequentemente em forma de língua e em forma de rabo de peixe, com pouca precisão de espessura e largura, e defeitos como ondulação, bordas dobradas e formas de torre são comuns nas bordas.
A bobina é relativamente pesada, com um diâmetro interior de 760 mm (que é geralmente preferido na indústria de fabrico de tubos). A bobina a quente, depois de cortada na cabeça, na cauda e nas extremidades, e submetida a várias rondas de endireitamento e achatamento na linha de acabamento, é ainda cortada em placas ou enrolada novamente, formando produtos como aço laminado chapas, bobinas achatadas laminadas a quente e bandas longitudinais.
Se a bobina acabada laminada a quente for lavada com ácido para remover as incrustações e depois oleada, torna-se uma bobina decapada laminada a quente. Este produto, com a sua tendência para substituir localmente as chapas laminadas a frio e o seu preço moderado, é muito apreciado pelos utilizadores.
As bobinas de aço laminadas a quente são utilizadas como matéria-prima, que são primeiro lavadas com ácido para remover a pele de óxido e depois laminadas a frio. O produto é uma bobina laminada dura. A deformação contínua a frio provoca o endurecimento por trabalho, o que aumenta a resistência e a dureza da bobina laminada dura e reduz a sua tenacidade e plasticidade.
Consequentemente, o seu desempenho em termos de estampagem deteriora-se e só pode ser utilizado para peças com deformação simples. Os rolos laminados duros podem ser utilizados como matéria-prima para instalações de galvanização por imersão a quente, uma vez que estas instalações estão equipadas com recozimento linhas. O peso das bobinas laminadas rígidas varia geralmente entre 6 e 13,5 toneladas, com um diâmetro interior de 610 mm.
As chapas e rolos de laminagem contínua a frio normalizados devem ser submetidos a um recozimento contínuo (numa unidade CAPL) ou a um recozimento em forno de campânula para eliminar o endurecimento por trabalho e as tensões de laminagem, atingindo os indicadores de desempenho mecânico estabelecidos pelas respectivas normas.
As chapas de aço laminadas a frio têm uma qualidade de superfície, um aspeto e uma precisão dimensional superiores às chapas laminadas a quente, com espessuras de produto laminadas até cerca de 0,18 mm, pelo que são muito apreciadas pelos utilizadores.
O processamento profundo de produtos baseados em bobinas de aço laminadas a frio resulta em produtos de elevado valor acrescentado. Exemplos incluem galvanização galvanizada, galvanização por imersão a quente, galvanização resistente a impressões digitais, revestimento colorido chapa de aço bobinas, placas de aço compósito com amortecimento de vibrações e placas de aço laminado de PVC.
Estes produtos, com as suas qualidades estéticas e de elevada resistência à corrosão, encontraram uma vasta aplicação.
Após o recozimento, as bobinas de aço laminado a frio devem ser submetidas a um acabamento, incluindo o corte da cabeça e da cauda, o corte dos bordos, o nivelamento, o achatamento, o enrolamento ou o revestimento por cisalhamento longitudinal. Os produtos laminados a frio são amplamente utilizados no fabrico de automóveis, electrodomésticos, interruptores de instrumentos, construção, mobiliário de escritório e outras indústrias.
O peso de cada placa de aço agrupada é de 3 a 5 toneladas, enquanto o peso dos sub-rolos achatados varia geralmente entre 3 e 10 toneladas por rolo, com um diâmetro interior de 610 mm.
A maior parte do processamento do aço é efectuada através de métodos baseados na pressão, fazendo com que a peça de aço (por exemplo, biletes ou lingotes) sofra uma deformação plástica. O processamento do aço pode ser dividido em trabalho a frio e trabalho a quente, com base na temperatura aplicada. Os principais métodos de transformação do aço incluem:
Rolando: Este é um método de processamento por pressão em que uma peça de metal é passada através de um espaço entre um par de rolos rotativos de várias formas. A compressão dos rolos reduz a área da secção transversal do material e aumenta o seu comprimento. Este é o método mais comum de produção de aço, utilizado principalmente para produzir perfis, chapas e tubos. Inclui a laminagem a frio e a quente.
Forjamento: Este método de processamento por pressão utiliza o impacto recíproco de um martelo de forjamento ou a pressão de uma prensa para transformar a peça de trabalho na forma e tamanho desejados. Divide-se geralmente em forjamento livre e forjamento em matriz, frequentemente utilizado para a produção de materiais de grandes dimensões, e forjamento em matriz aberta com dimensões de secção transversal maiores.
Desenho: Trata-se de puxar peças metálicas já laminadas (perfis, tubos, produtos, etc.) através de orifícios de matriz num processo que reduz a área da secção transversal e aumenta o comprimento. Este método é largamente utilizado no trabalho a frio.
Extrusão: Este processo envolve a colocação de metal num cilindro de extrusão selado e a aplicação de pressão numa extremidade. O metal é extrudido através de um orifício específico para produzir produtos acabados com a mesma forma e tamanho. Este método é utilizado principalmente para a produção de metais não ferrosos materiais metálicos.
6.1 Resistência ao escoamento Rácio
O rácio de tensão de cedência é o quociente entre a tensão de cedência e a tensão de rotura (σs/σb). Quanto maior for o coeficiente de elasticidade, mais resistente é o material. Inversamente, quanto mais baixo for o rácio de limite de elasticidade, melhor será a plasticidade e a formabilidade de estampagem. Por exemplo, o rácio de limite de elasticidade de sorteio profundo A chapa de aço é ≤0,65.
O aço para molas é geralmente utilizado dentro da gama do limite elástico e não pode sofrer deformação plástica sob carga. Por conseguinte, é necessário que o aço para molas tenha um limite elástico e um rácio de limite de elasticidade tão elevados quanto possível após têmpera e revenimento (σs/σb≥0,90). Além disso, a vida à fadiga está muitas vezes fortemente correlacionada com a resistência à tração e a qualidade da superfície.
6.2 Plasticidade
A plasticidade refere-se à capacidade de um material metálico para suportar uma deformação permanente antes de falhar sob tensão. A plasticidade é tipicamente representada pelas taxas de alongamento e de redução de área. Quanto mais elevadas forem as taxas de alongamento e de redução de área, melhor será a plasticidade.
A tenacidade ao impacto, representada por αk, refere-se ao trabalho de impacto despendido por unidade de área de secção transversal no entalhe de um provete metálico quando este fratura sob uma carga de ensaio de impacto especificada.
O provete de ensaio comum é de 10×10×55mm com um entalhe em V de 2 mm de profundidade, e a norma adopta diretamente o trabalho de impacto (valor J Joule) AK, e não o valor αK, porque o trabalho de impacto por unidade de área não tem significado prático.
O trabalho de impacto é mais sensível para examinar a transformação da fragilidade dos materiais metálicos a diferentes temperaturas, e os acidentes de fratura catastróficos em condições reais de serviço estão frequentemente relacionados com o trabalho de impacto do material e a temperatura de serviço.
Por conseguinte, as normas estipulam frequentemente valores específicos de trabalho de impacto a uma determinada temperatura e exigem que a FATT (Temperatura de Transição do Aspeto da Fratura) seja inferior a uma determinada temperatura.
A chamada FATT é a temperatura correspondente à fratura frágil que ocupa 50% da área total depois de um grupo de espécimes de impacto ser partido a diferentes temperaturas. Devido à influência de espessura da chapa de açoPara placas com espessura ≤10mm, podem ser obtidos espécimes de impacto de tamanho 3/4 (7,5×10×55mm) ou espécimes de impacto de tamanho 1/2 (5×10×55mm).
No entanto, deve ter-se em conta que só podem ser comparados os valores do trabalho de impacto com as mesmas especificações e à mesma temperatura.
Apenas nas condições estipuladas na norma, o trabalho de impacto pode ser convertido no trabalho de impacto do espécime de impacto normalizado, de acordo com o método de conversão normalizado, e depois comparado.
A capacidade de um material metálico para resistir à penetração de um indentador (uma esfera de aço endurecido ou um indentador de diamante com um cone ou ângulo de 120 graus) é designada por dureza. Consoante os métodos de ensaio e os âmbitos aplicáveis, a dureza pode ser classificada em Dureza BrinellA dureza de Brinell é a dureza de Rockwell, a dureza de Vickers, a dureza Shore, bem como a microdureza e a dureza a alta temperatura. Os produtos metalúrgicos utilizam normalmente a dureza Brinell e a dureza Rockwell.
Os tipos de aço nas normas corporativas da Baosteel podem ser divididos em três fontes: os transplantados da norma japonesa JIS, da norma alemã DIN e os desenvolvidos e produzidos pela própria Baosteel.
Os tipos de aço transplantados da norma JIS começam frequentemente por S (Steel); os transplantados da norma DIN começam normalmente por ST (Stahl, a palavra alemã para "aço"); os tipos de aço desenvolvidos e produzidos pela Baosteel começam normalmente por B, a inicial da ortografia fonética da Baosteel.
O aço estrutural é geralmente classificado por resistência, e os números na classe de aço representam frequentemente a resistência mínima à tração. Como esta tipo de aço é normalmente utilizado para fabricar componentes estruturais, é designado por aço estrutural.
Os mecanismos de reforço do aço estrutural tendem a favorecer a descarbonização e o reforço da ferrite por solução sólida de manganês, o refinamento da perlite e a adição de microligas para reforço por precipitação, reforço por sedimentação e reforço de grão fino.
Isto garante que, ao mesmo tempo que aumenta a resistência, o aço mantém uma boa tenacidade, índices de plasticidade e uma excelente soldabilidade.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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