Você já se perguntou como é feito o aço, uma pedra fundamental da civilização moderna? Este guia abrangente mergulha no intrincado processo de produção do aço, desde as matérias-primas até os produtos acabados. Descubra como elementos como carbono, manganês e silício moldam as propriedades do aço e aprenda sobre as etapas cruciais envolvidas, incluindo fundição, laminação e refino. Ao final deste artigo, você terá uma compreensão clara dos métodos e materiais que transformam o minério de ferro nos versáteis produtos de aço com os quais contamos todos os dias.
As ligas de ferro-carbono que contêm menos de 2% de carbono são chamadas de aço. Os cinco elementos do aço carbono referem-se aos principais constituintes de sua composição química, ou seja, C (carbono), Si (silício), Mn (manganês), S (enxofre) e P (fósforo).
Além disso, durante o processo de fabricação de aço, gases como O (oxigênio), H (hidrogênio) e N (nitrogênio) inevitavelmente se misturam.
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%, ele desempenha um papel no refinamento 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.
Portanto, para o aço estrutural de baixa liga usado para soldagem, o teor de carbono geralmente não excede 0,20%. Um teor de carbono mais alto também reduz a resistência do aço à corrosão atmosférica; o aço com alto teor de carbono armazenado ao ar livre é propenso à ferrugem. 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 fabricação de aço como redutor e desoxidante, de modo 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 será considerado um elemento de liga. O silício pode aumentar significativamente o limite elástico, o ponto de escoamento e a resistência à tração do aço, fazendo com que ele seja amplamente utilizado em aço para molas.
Ao adicionar 1,0-1,2% de silício ao aço estrutural temperado e revenido, sua resistência pode ser aumentada em 15-20%. O silício, em combinação com elementos como molibdênio, tungstênio e cromo, aumenta a resistência à corrosão e à oxidação, o que é útil para a fabricação de aço resistente ao calor.
O aço de baixo carbono contendo silício 1-4% tem permeabilidade magnética extremamente alta e é usado no setor elétrico para chapas de aço silício. Um aumento no teor de silício reduz a soldabilidade do aço.
3. Manganês (Mn):
No processo de fabricação de aço, o manganês atua como um excelente desoxidante e dessulfurizador, com o aço geral contendo 0,30-0,50% de manganês. Quando mais de 0,70% é adicionado ao aço carbono, ele é chamado de "aço manganês".
Esse tipo de aço não só tem resistência suficiente em comparação com o aço em geral, mas também tem maior resistência e durezamelhorando a temperabilidade do aço e as propriedades de processamento térmico.
Por exemplo, o ponto de escoamento do aço 16Mn é 40% mais alto do que o do aço A3. O aço com manganês 11-14% apresenta resistência ao desgaste extremamente alta, o que o torna adequado para caçambas de escavadeiras, revestimentos de moinhos de bolas etc. Um aumento no teor de manganês enfraquece a resistência à corrosão do aço e diminui sua soldabilidade.
4. Fósforo (P):
Em geral, o fósforo é prejudicial ao aço. Ele aumenta a fragilidade do aço a frio, deteriora sua soldabilidade, reduz a plasticidade e piora seu desempenho de flexão a frio. Por isso, o teor de fósforo no aço geralmente deve ser inferior a 0,045%, sendo que o aço de alta qualidade exige níveis ainda mais baixos.
5. Enxofre (S):
O enxofre é normalmente prejudicial ao aço. Ele induz à fragilidade a quente, reduzindo a ductilidade e a resistência do aço, levando a rachaduras durante o forjamento e a laminação. O enxofre também é prejudicial ao desempenho da soldagem e reduz a resistência à corrosão.
Portanto, o teor de enxofre geralmente deve 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 usinabilidade; esse tipo de aço é geralmente chamado de aço de corte livre.
6. Cromo (Cr):
Nos aços estruturais e para ferramentas, o cromo aumenta significativamente a força, a dureza e a resistência ao desgaste, mas reduz simultaneamente a plasticidade e a tenacidade. O cromo aumenta a resistência do aço à oxidação e à corrosão, tornando-o um elemento integral em aços inoxidáveis e resistentes ao calor.
7. Níquel (Ni):
O níquel aumenta a resistência do aço e, ao mesmo tempo, mantém boa plasticidade e tenacidade. O níquel tem alta resistência à corrosão por ácidos e álcalis e apresenta resistência à ferrugem e ao calor em altas temperaturas.
No entanto, como o níquel é um recurso escasso, ele deve ser substituído por outros elementos de liga quando possível, especialmente em aço níquel-cromo.
8. Molibdênio (Mo):
O molibdênio refina a estrutura de grãos do aço, melhora a temperabilidade e a resistência térmica e mantém a força suficiente e a resistência à fluência em altas temperaturas (fluência refere-se à deformação sob tensão de longo prazo em altas temperaturas).
A adição de molibdênio ao aço estrutural melhora as propriedades mecânicas e suprime a fragilidade causada pelo calor em liga de aço. Em aços para ferramentas, ele aumenta a dureza a quente.
9. Titânio (Ti):
O titânio é um forte desoxidante do aço. Ele 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 por vanádio e carbono podem melhorar a resistência à corrosão por hidrogênio sob alta temperatura e pressão.
11. Tungstênio (W):
O tungstênio tem um alto ponto de fusão, alta densidade e é um elemento de liga caro. O carbeto de tungstênio tem alta dureza e resistência ao desgaste. A adição de tungstênio 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 dos grãos e reduz a sensibilidade do aço ao superaquecimento e a fragilidade da têmpera, aumentando a resistência, mas reduzindo a plasticidade e a tenacidade. A adição de nióbio ao aço comum de baixa liga aumenta a resistência à corrosão atmosférica e à corrosão por hidrogênio, nitrogênio e amônia em altas temperaturas. O nióbio melhora a soldabilidade. Quando adicionado ao aço inoxidável austenítico, ele pode evitar a corrosão intergranular.
13. Cobalto (Co):
O cobalto é um metal precioso raro, usado com frequência em aços e ligas especiais, como aço resistente ao calor e materiais magnéticos.
14. Cobre (Cu):
O aço refinado a partir do minério Daye pela Wuhan Iron and Steel geralmente contém cobre. O cobre aumenta a resistência e a tenacidade, especialmente a resistência à corrosão atmosférica. A desvantagem é que ele tende a causar falta de calor 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%, ele não afeta 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 e melhorar a resistência ao impacto, como no aço 08Al usado para chapas finas de repuxo profundo.
O alumínio também tem resistência à oxidação e à corrosão. Quando usado junto com o cromo e o silício, pode melhorar significativamente a resistência à incrustação e à corrosão em alta temperatura do aço. A desvantagem do alumínio é que ele afeta a trabalhabilidade a quente, a soldabilidade e a usinabilidade do aço.
16. Boro (B):
A adição de quantidades mínimas de boro pode melhorar a densidade e as propriedades de laminação a quente do aço, aumentando sua resistência.
17. Nitrogênio (N):
O nitrogênio pode aumentar a resistência, a tenacidade em baixas temperaturas e a soldabilidade do açoe aumentar sua sensibilidade à idade.
18. Terra rara (Xt):
Os elementos de terras raras referem-se aos 15 elementos lantanídeos com números atômicos 57 a 71 na tabela periódica. Esses elementos são todos metais, mas seus óxidos são como "terra", por isso são comumente chamados de 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 resistência, soldabilidade e capacidade de trabalho a frio. A adição de terras raras no aço para arado pode melhorar sua resistência ao desgaste.
A principal tarefa da fabricação de aço é ajustar o teor de carbono e os elementos de liga no aço para que fiquem dentro da faixa especificada, de acordo com os requisitos de qualidade do tipo de aço que está sendo produzido, e reduzir o teor de impurezas, como P, S, H, O e N, para que fiquem abaixo dos limites permitidos.
O processo de fabricação de 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 e Mn são oxidados e entram na escória. Parte do S entra na escória e parte é descarregada como SO2.
Quando a composição e a temperatura do aço fundido atendem aos requisitos do processo, o aço pode ser batido. Para remover o excesso de oxigênio 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 a dessulfurização e os tratamentos de bloqueio de escória, pode ser despejado no conversor como carga principal, juntamente com menos de 10% de sucata de aço. Em seguida, o oxigênio é soprado no conversor para queimar, o excesso de carbono no metal quente é oxidado e libera uma grande quantidade de calor. Quando a sonda detecta o baixo teor de carbono predeterminado, o sopro de oxigênio é interrompido e o aço é extraído.
As operações de desoxigenação e ajuste de composição geralmente ocorrem na panela; em seguida, cascas de arroz carburizadas são jogadas na superfície do aço fundido para evitar que ele seja oxidado, pronto para ser enviado à área de fundição contínua ou de fundição em molde.
Para os tipos de aço de alta demanda, o argônio soprado no fundo, o tratamento a vácuo RH e o tratamento de pulverização de pó (pulverização de pó de Si-Ca e cal modificada) podem reduzir efetivamente os gases e as inclusões no aço e reduzir ainda mais o carbono e o enxofre. Após essas medidas de refino secundário, a composição pode ser ajustada com precisão para atender aos requisitos de materiais de aço de alta qualidade.
O molde fundido lingotes de aço são aquecidos em um forno de reaquecimento usando o novo processo de carregamento e entrega a quente e, em seguida, são laminados em placas, tarugos, tarugos quadrados pequenos e outros produtos laminados preliminares por meio de um laminador de desbaste e um laminador contínuo.
Após o corte da cabeça e da cauda, a limpeza da superfície (limpeza por chama, esmerilhamento), os produtos de alta qualidade também exigem descascamento e detecção de falhas para tarugos laminados preliminares. Depois de passar pela inspeção, eles são armazenados no depósito.
Atualmente, os produtos do laminador preliminar são: placa laminada preliminar, tarugo quadrado laminado, tarugo de aço para cilindro de oxigênio, tarugo de tubo redondo de engrenagem, tarugo de eixo de veículo ferroviário e aço para molde de plástico.
A placa laminada preliminar abastece principalmente o laminador a quente como matéria-prima; o tarugo quadrado laminado, além de alguns serem fornecidos externamente, é enviado principalmente para o laminador de fio-máquina de alta velocidade como matéria-prima. Devido ao avanço das placas de fundição contínua, a demanda por placas laminadas preliminares foi bastante reduzida e, portanto, mudou para os outros produtos acima.
Usando placas de fundição contínua ou placas de desbaste como matérias-primas, elas são aquecidas em um forno de aquecimento passo a passo e entram no laminador de desbaste após a descalcificação com água de alta pressão.
Os materiais laminados em bruto são cortados na cabeça e na cauda e, em seguida, entram no laminador de acabamento, onde é implementada a laminação controlada por computador. Após a laminação final, eles passam por resfriamento laminar (taxa de resfriamento controlada por computador) e são enrolados por uma bobinadeira, formando uma bobina quente.
A cabeça e a cauda da bobina quente geralmente aparecem em forma de língua e 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 interno de 760 mm (geralmente preferido no setor de fabricação de tubos). A bobina a quente, depois de cortada na cabeça, na cauda e nas bordas, e submetida a várias rodadas de endireitamento e achatamento na linha de acabamento, é cortada em placas ou enrolada novamente, formando produtos como o tubo de aço quente e o tubo de aço inoxidável. aço laminado chapas, bobinas laminadas a quente achatadas e tiras longitudinais.
Se a bobina acabada laminada a quente for lavada com ácido para remover as incrustações e depois lubrificada, ela se tornará uma bobina decapada laminada a quente. Esse produto, com sua tendência de substituir localmente as chapas laminadas a frio e seu preço moderado, é amplamente preferido pelos usuários.
As bobinas de aço laminadas a quente são usadas como matéria-prima, sendo primeiro lavadas com ácido para remover a camada de óxido e, em seguida, laminadas a frio. O produto é uma bobina laminada dura. A deformação contínua a frio causa o endurecimento por trabalho, o que aumenta a resistência e a dureza da bobina laminada dura e reduz sua tenacidade e plasticidade.
Como resultado, seu desempenho de estampagem se deteriora e ele só pode ser usado para peças com deformação simples. As bobinas laminadas duras podem ser usadas como matéria-prima para instalações de galvanização por imersão a quente, pois essas instalações são equipadas com recozimento linhas. O peso das bobinas laminadas rígidas geralmente varia de 6 a 13,5 toneladas, com um diâmetro interno de 610 mm.
As chapas e bobinas padrão de laminação contínua a frio devem ser submetidas ao recozimento contínuo (em uma unidade CAPL) ou ao recozimento em forno tipo sino para eliminar o endurecimento por trabalho e a tensão de laminação, atingindo os indicadores de desempenho mecânico definidos pelas respectivas normas.
As chapas de aço laminadas a frio têm qualidade de superfície, aparência e precisão dimensional superiores em comparação com as chapas laminadas a quente, com espessuras de produto laminadas até cerca de 0,18 mm, por isso são altamente preferidas pelos usuários.
O processamento profundo de produtos baseados em bobinas de aço laminadas a frio resulta em produtos de alto valor agregado. Os exemplos incluem galvanização galvanizada, galvanização por imersão a quente, galvanização resistente a impressões digitais, revestimento colorido chapa de aço bobinas, placas de aço compostas com amortecimento de vibrações e placas de aço laminado com PVC.
Esses produtos, com suas qualidades estéticas e de alta resistência à corrosão, encontraram ampla aplicação.
Após o recozimento, as bobinas de aço laminado a frio devem passar por acabamento, incluindo corte da cabeça e da cauda, corte da borda, nivelamento, achatamento, reenrolamento ou revestimento de cisalhamento longitudinal. Os produtos laminados a frio são amplamente utilizados na fabricação de automóveis, eletrodomésticos, interruptores de instrumentos, construção, móveis de escritório e outros setores.
O peso de cada placa de aço empacotada é de 3 a 5 toneladas, enquanto o peso dos sub-rolos achatados geralmente varia de 3 a 10 toneladas por rolo, com um diâmetro interno de 610 mm.
A maior parte do processamento do aço é obtida por meio de métodos baseados em pressão, fazendo com que a peça de aço (por exemplo, tarugos ou lingotes) sofra 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 processamento do aço incluem:
Rolagem: Esse é um método de processamento por pressão em que uma peça de metal é passada por um espaço entre um par de rolos giratórios de vários formatos. A compressão dos rolos reduz a área da seção transversal do material e aumenta seu comprimento. Esse é o método mais comum de produção de aço, usado principalmente para produzir perfis, placas e tubos. Ele inclui laminação a frio e a quente.
Forjamento: Esse 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 no tamanho desejados. Em geral, ele é dividido em forjamento livre e forjamento de matriz, geralmente usado para produzir materiais grandes e forjamento de matriz aberta com dimensões de seção transversal maiores.
Desenho: Isso envolve puxar peças de metal já laminadas (perfis, tubos, produtos etc.) através de furos de matriz em um processo que reduz a área da seção transversal e aumenta o comprimento. Esse método é amplamente usado no trabalho a frio.
Extrusão: Esse processo envolve a colocação de metal em um cilindro de extrusão vedado e a aplicação de pressão em uma extremidade. O metal é extrudado por meio de um orifício de matriz especificado para produzir produtos acabados com o mesmo formato e tamanho. Esse método é usado principalmente para a produção de metais não ferrosos materiais metálicos.
6.1 Resistência ao rendimento Proporção
O índice de resistência ao escoamento é o quociente entre a resistência ao escoamento e a resistência à tração (σs/σb). Quanto maior o índice de elasticidade, mais resistente é o material. Por outro lado, quanto menor for o índice de resistência ao escoamento, melhor será a plasticidade e a conformabilidade da estampagem. Por exemplo, a taxa de resistência ao escoamento de sorteio profundo A placa de aço é ≤0,65.
O aço para molas é geralmente usado dentro da faixa de limite elástico e não pode sofrer deformação plástica sob carga. Portanto, é necessário que o aço para molas tenha um limite elástico e uma relação de resistência ao escoamento tão altos quanto possível após têmpera e revenimento (σs/σb≥0,90). Além disso, a vida útil da fadiga costuma estar fortemente relacionada à resistência à tração e à qualidade da superfície.
6.2 Plasticidade
A plasticidade refere-se à capacidade de um material metálico de sustentar a deformação permanente antes de falhar sob tensão. Normalmente, a plasticidade é representada por taxas de alongamento e redução de área. Quanto mais altas forem as taxas de alongamento e redução de área, melhor será a plasticidade.
A resistência ao impacto, representada por αk, refere-se ao trabalho de impacto despendido por unidade de área de seção transversal no entalhe de um corpo de prova de metal quando ele se rompe sob uma carga de teste de impacto especificada.
O corpo de prova comum é de 10×10×55 mm com um entalhe em V de 2 mm de profundidade, e a norma adota 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 o mais sensível para examinar a transformação de fragilidade dos materiais metálicos em diferentes temperaturas, e os acidentes com fraturas catastróficas em condições reais de serviço geralmente estão relacionados ao trabalho de impacto do material e à temperatura de serviço.
Portanto, as normas geralmente estipulam valores específicos de trabalho de impacto em uma determinada temperatura e exigem que a FATT (Fracture Appearance Transition Temperature, temperatura de transição de aparência de fratura) seja inferior a uma determinada temperatura.
A chamada FATT é a temperatura correspondente à fratura frágil que ocupa 50% da área total depois que um grupo de amostras de impacto é quebrado em diferentes temperaturas. Devido à influência de espessura da chapa de açoPara placas com espessura ≤10 mm, é possível obter espécimes de impacto de tamanho 3/4 (7,5×10×55 mm) ou espécimes de impacto de tamanho 1/2 (5×10×55 mm).
Entretanto, deve-se observar que somente os valores de trabalho de impacto sob as mesmas especificações e a mesma temperatura podem ser comparados.
Somente sob as condições estipuladas na norma, o trabalho de impacto pode ser convertido no trabalho de impacto da amostra de impacto padrão de acordo com o método de conversão padrão e, em seguida, comparado.
A capacidade de um material metálico A resistência do material 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 chamada de dureza. Dependendo dos métodos de teste e dos escopos aplicáveis, a dureza pode ser classificada em Dureza BrinellA dureza de Brinell, a dureza Rockwell, a dureza Vickers, a dureza Shore, bem como a microdureza e a dureza de alta temperatura. Os produtos metalúrgicos geralmente usam a dureza Brinell e a dureza Rockwell.
Os tipos de aço nos padrões corporativos da Baosteel podem ser divididos em três fontes: aqueles transplantados do padrão JIS japonês, do padrão DIN alemão e aqueles desenvolvidos e produzidos pela própria Baosteel.
Os tipos de aço transplantados do padrão JIS geralmente começam com S (Steel); os transplantados do padrão DIN geralmente começam com ST (Stahl, a palavra alemã para "aço"); os tipos de aço desenvolvidos e produzidos pela Baosteel geralmente começam com B, a inicial da grafia fonética da Baosteel.
O aço estrutural é geralmente classificado por resistência, e os números na classe do aço geralmente representam a resistência mínima à tração. Como essa tipo de aço é comumente usado para fabricar componentes estruturais, é chamado de aço estrutural.
Os mecanismos de fortalecimento do aço estrutural tendem a favorecer a descarbonização e o fortalecimento da solução sólida de manganês da ferrita, o refinamento da perlita e a adição de microligas para o fortalecimento da precipitação, do sedimento e do grão fino.
Isso garante que, ao mesmo tempo em que aumenta a resistência, o aço mantém boa tenacidade, índices de plasticidade e excelente soldabilidade.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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