Metalurgia do ferro
Introdução
Dá-se o nome
de metalurgia ao ramo da ciência que
estuda os metais.
A
metalurgia do ferro ocupa lugar de relevo nesta ciência, dada a enorme
utilização e abundância deste elemento. A produção anual do ferro, em peso,
atinge cerca de vinte vezes a produção dos metais não ferrosos.
Neste
capitulo ocupar-nos-emos essencialmente do processo de obtenção do ferro,
habitualmente designado por processo
siderúrgico.
Ferro técnico ou gusa da primeira fusão
O
processo de obtenção do ferro sofreu diversas alterações através dos séculos
tendo em vista uma melhoria das caraterísticas do produto sem desprezar o fator
econômico.
A
principal dificuldade residiu sempre na obtenção de elevadas temperaturas que
permitissem a fusão do ferro. Só no século XIII foi possível iniciar a sua
produção em grandes quantidades, utilizando os altos-fornos após a descoberta
da máquina a vapor e do coque metalúrgico.
Até ai
o ferro era obtido por redução direta de um oxido de ferro pelo carvão de
madeira sem fusão do metal (processo de forja catalã)
O
ferro obtido não era puro, mas uma liga constituída essencialmente por ferro e
carbono, e ainda por pequenas quantidades de manganês silício, fosforo e,
eventualmente, resíduos de outros elementos.
Como o
ferro puro praticamente não se utiliza, é corrente designarmos essa liga de
ferro técnico, simplesmente ferro, ou gusa da primeira fusão.
Para
obter a gusa da primeira fusão é necessário reunir uma série de elementos
necessários a sua produção e dispor de uma instalação industrial complexa. Nos
próximos parágrafos vamos ocupar-nos de cada um destes elementos e referir os
equipamentos industriais mais importantes.
Minerais, minério e ganga
Minerais de ferro
Na
natureza, o ferro nunca aparece isolado, mas associado com outros elementos,
formando óxidos, carbonetos, sulfuretos e
silicatos.
As
principais concentrações minerais destes elementos são as magnetites, hematites, limonites, siderites e pirites.
A magnetite é
o mineral de cor negra constituída por óxido de ferro II e III, com cerca de
72% de ferro. A ganga, geralmente siliciosa, sem enxofre, torna magnetite
excelente para a produção do ferro.
A
hematite é um mineral de cor vermelha acastanhada, constituída por oxido de
ferro III, com cerca de 50 a 60% de ferro. A ganga contém por vezes fósforo que
torna a utilização da hematite mais dispendiosa do que a da magnetite.
A
limonite é um mineral de cor castanha amarelada, constituída por oxido de ferro
III hidratado, com cerca de 20 a 60% de ferro. A ganga contém frequentemente
combinações de outros elementos.
Os
outros minerais só eventualmente são aproveitados como minérios, sendo
necessário, geralmente, um tratamento prévio que os transforme em óxidos.
Também
se utilizam sucatas de ferro como matéria prima. As sucatas são constituídas
por materiais ferrosos já utilizados e que apresentam zonas oxidadas.
Ganga
Os
minérios de ferro encontram-se na natureza sempre associados a outros
elementos, geralmente óxidos de fosforo, de silício, de manganês, de alumínio,
de magnésio, de cálcio, e outros, os quais constituem a ganga.
A
ganga não tem uma composição constante: ela varia de jazigo para jazigo, sendo
sempre formada por elementos com elevado ponto de fusão, o que obriga a
utilização de substâncias – os fundentes
– que possibilitam a sua fusão e sequente separação do ferro.
Na
obtenção do ferro, o produto que resulta da combinação da ganga com o fundente denomina-se
escória.
O
conhecimento da composição da ganga é importante, pois esta influencia a
composição final da gusa, determina a escolha do fundente e condiciona a
temperatura final do banho fazendo, por isso variar o consumo de combustível.
Fundentes
Os fundentes são substância que se
adicionam aos minérios e que reagem com a ganga (praticamente infusível as
temperaturas do alto forno) possibilitando a formação de novos compostos. Estes
compostos fundem, então, a temperaturas mais baixas, e como possuem densidades
inferiores a do ferro liquido, permitem uma mais fácil separação e escoamento
da escória.
Utilizam-se dois tipos de fundentes:
o calcário e o argiloso.
O
fundente calcário (castina) é constituído
essencialmente por carbonato de cálcio e adiciona-se aos minérios de ferro que
possuem ganga siliciosa.
O Fundente argiloso,
rico em sílica, adiciona-se aos minérios de ferro com a ganga carbonada.
Pode
evitar-se a adição de fundentes misturando, em proporções determinadas,
minérios de ferro com gangas carbonada e siliciosas.
Combustíveis
Os
combustíveis utilizados na produção do ferro são o coque e o carvão de madeira.
O coque é um combustível obtido por
destilação da hulha (carvão mineral) que apresenta grande porosidade e elevada resistência ao esmagamento, qualidades
que tornam possível a sua utilização num forno de grandes dimensões.
Este
combustível pode manter até 15% de cinzas, geralmente siliciosa, com cerca de
1% de enxofre. A existência de enxofre vai tornar necessária a utilização de
fundentes ricos em cal (refratários).
O carvão de madeira apresenta a vantagem
de não conter enxofre, mas possui porosidade e resistência ao esmagamento
inferiores a do coque, pelo que não pode ser utilizado em fornos de altura
superior a 12 metros.
A
maioria das siderurgias utilizam o coque, sendo o carvão de madeira utilizado
sobretudo na Suécia, país rico neste combustível orgânico.
Comburente
O
elemento utilizado como comburente é o oxigênio
presente no ar.
No alto
forno introduz-se ar a uma pressão compreendida entre 1,5 a 2 atmosferas a
cerca de 750°C.
O oxigênio do ar é um elemento essencial
da operação, pois, ao combinar-se com o carbono, liberta calor – reação exotérmica
– que origina a elevação da temperatura necessária para que ocorram outras
reações e, ao mesmo tempo, provoca o aparecimento de monóxido de carbono,
principal elemento redutor.
O
azoto e o vapor da agua serão eliminados com os gazes de escape.