FUNDIÇÃO

Prof. Hélio Padilha

Introdução O ferro ocorre, na natureza, sob diversas formas

de minerais. Entretanto, apenas alguns destes minerais têm valor comercial como fontes de ferro. Entre estes, os minerais formados por óxidos de ferro representam a grande maioria das fontes de ferro para a indústria.

Principais minerais (óxidos)

Magnetita – Fe3O4

É altamente magnética, permitindo sua separação fácil de resíduos indesejáveis do minério (ganga). É minerada principalmente na Rússia e na Suécia e tem a vantagem da facilidade de concentração decorrente das propriedades magnéticas.

Hematita - Fe2O3

É o minério de maior emprego na siderurgia,sendo o Brasil um dos maiores produtores mundiais.

Princípio do processo O processo de fundição consiste em vazar (despejar) metal líquido

num molde contendo uma cavidade na geometria desejada para a peça final.

Os processos podem ser classificados pelo tipo de molde e modelo e/ou pela força ou pressão usada para preencher o molde com o metal líquido.

O processo de fundição permite obter, de modo econômico, peças de geometria complexa, sua principal vantagem em relação a outros processos.

O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais como aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco, magnésio e respectivas ligas.

Produção de ferro metálico Os minérios de ferro precisam ser quimicamente

reduzidos para que se obtenha o ferro metálico:○ Fe+3 + 3e- → Fe○ Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO

Atualmente há duas técnicas mais importantes para redução do minério de ferro: redução em alto-forno, produzindo gusa líquido e a redução direta.

Ferro GUSA O gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque

ou carvão e calcário num alto forno. O gusa normalmente contém até

4,5% de carbono, o que faz com que seja um material quebradiço e sem

grande uso direto.

O ferro gusa é a matéria-prima do aço. É formado por uma liga de ferro-

carbono, obtida em alto forno e fundida em molde padrão de formato

piramidal, de aproximadamente 4,5 kg, e em formato trapezoidal de 6,5

kg. É dividido em 3 categorias de acordo com sua especificação

química: Ferro Gusa de Aciaria: matéria-prima utilizada na produção do aço; Ferro Gusa de Fundição: matéria-prima para peças fundidas; Ferro Gusa Nodular: matéria-prima utilizada na produção de peças especiais.Composição genérica do gusa

Carbono 3,5 a 4,5%

Silício 0,3 a 2%

Enxofre 0,01 a 0,1%

Fósforo 0,05 a 2%

Manganês 0,5 a 2%

Ferro primário

5mm<Pelotas<18mm5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério <40mmgranulado

6mm< Minério <40mmgranulado

Em detalhe Em detalhe

Processo de pelotização Pelotas são

aglomerados de forma esférica formados pela pelotização de minérios finos com o auxílio de aditivos seguido por um endurecimento a frio ou a quente.

Os aditivos geralmente utilizados são: fundentes (calcário, dolomita), aglomerantes (bentonita, cal hidratada) e combustível sólido (antracito)

Processo de sinterização As partículas finas de

minério, também chamadas de sínter-feed, são pequenas demais para serem colocadas diretamente no alto forno. Portanto, elas sofrem um processo de aglomeração denominado sinterização.

Durante esse processo, ocorre uma fusão incipiente das partículas de minério, e parte da hematita, que é seu composto principal, é reduzida a outras fases. O material produzido, que é o sínter, é um material fortemente não-homogêneo composto principalmente por hematita, magnetita, ferritos, silicatos e poros.

Forno de ignição

Alimentador

Chaminé

Exaustor Caixa deDespoeiramento

Tambor de mistura

A B C D E F

Silos de armazenagem INSUMOS

Finos de retornoFinos de minérioCoqueCalcárioPó de alto forno

Fragmentação do bolo de sinter

Peneiramento a quente

Sinter

Peneiramento a frioFinos de retorno

Resfriador rotativo

Alto forno São estruturas de aproximadamente 100

metros de altura e 13 metros de diâmetro. Com temperaturas elevadas que podem chegar até a 1800°. É construído com chapas de aço e revestido com materiais refratários.No topo do forno o coque, calcário, e o material portador de ferro (sinter, pelotas e minério granulado) são carregados em diferentes camadas.

A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo com o gás que sobe.

Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos regeneradores) é injetado através das ventaneiras.

Em frente as ventaneiras o O2, presente no ar, reage com o coque formando monóxido de carbono (CO) que ascende no forno reduzindo o óxido de ferro presente na carga que desce em contra corrente.

Produção A produção diária em média de um alto forno varia

de 5.000 a 10.000 toneladas. A carga do alto forno para a produção de 1 tonelada

de Ferro Gusa:1,7 toneladas de minério (Fe2O3 + ganga )

0,25 tonelada de calcáreo (CaCO3)0,5 tonelada de carvão (CV ou CM)2 toneladas de ar (H2O, N2, O2, ...)

Produção:1 tonelada de Ferro Gusa0,2 a 0,4 ton. de escória2,3 a 3,5 ton. de gás (reaproveitável).

Reações químicas Produção de energia e formação de monóxido de

carbono (CO):A queima de carvão ativado pela entrada de ar quente

fornece calor e monóxido de carbono, este último importante na redução do minério.

A oxidação do carbono ocorre próximo a entrada de ar (ventaneiras),próximo a base do alto forno, cerca de 1 a 3 metros. Na reação não CO2 devido a altas temperaturas (1500 ºC) e excesso de carbono. O excesso de CO torna o gás do alto forno combustível.

Reações químicas

Redução do ferro:O ferro do minério deve ser reduzido a ferro

metálico. O monóxido de carbono serve para reduzir o ferro.

Reações químicas Redução do silício, fósforo e manganês

Nas temperaturas mais baixas da parte superior do alto forno; ocorre a seguinte reação:

Nas altas temperaturas :

○ Esta última reação é incompatível em alto-forno, praticamente todo o fósforo do minério é incorporado no ferro gusa.

Reações químicas Reação da escória (escoriamento):

O silicato de cálcio recebe o nome de escória e depositam-se no cadinho sobre o ferro, evita a oxidação, se retirada periodicamente. As escórias são utilizadas na produção de tijolos, blocos e concretos.

O gás do alto-forno limpo de pó se usa como combustível nos recuperadores e nas caldeiras a vapor. Seu poder calorífico, é aproximadamente de 1000 cal/m3.

Alto forno

Alto forno

FERROS FUNDIDOS

Ferro fundido Obtenção de Ferro Fundido:

O material da primeira fusão(ferro gusa) obtido em alto forno é levado a uma fundição e refundido junto com sucata de ferro fundido e aços em forno cubilô, dando origem ao ferro fundido de segunda fusão com 2,3 a 3,5 % de carbono.

Com este produto são feitas peças geralmente, chamadas peças de ferro-fundido. Exemplos: carcaça de motor, panelas (caçarolas), fogão à lenha, lareiras, etc.

Correlação dos teores de C e de Si presente nos aços e ferros fundidos (a maioria dos aços apresenta baixo %Si e os ferros fundidos elevado %Si).

Ferro fundido

Ferros fundidos cinzentos Ferro fundido cinzento Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às

suas características como baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata); elevada usinabilidade, devida à presença de grafite livre em sua microestrutura; Alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peças com paredes finas e complexas; e facilidade de fabricação, já que não exige equipamentos complexos para controle de fusão e solidificação.

Este tipo de material é utilizado em larga escala pela indústria de máquinas e equipamentos, indústria automobilística, ferroviária, naval e outras. A presença de veios de grafite em sua microestrutura proporciona diversas características que tornam do ferro fundido cinzento quase que insubstituível na fabricação de carcaças de motores e bases de equipamentos. A grafite, entrecortando a matriz metálica, absorve vibrações, facilita a usinagem e confere ao ferro fundido uma melhor estabilidade dimensional.

Forma da grafita em um ferro fundido cinzento (forma de veios)

Ferro fundido cinzento

Os ferros fundidos absorvem as vibrações por conta da presença da grafita na estrutura

Ferro fundido cinzento

Ferros fundidos brancos Menos comum que o ferro fundido cinzento, o

branco é utilizado em peças em que se necessite elevada resistência a abrasão. Este tipo de ferro fundido não possui grafite livre em sua microestrutura. Neste caso o carbono encontra-se combinado com o ferro, resultando em elevada dureza e elevada resistência a abrasão. Praticamente não pode ser usinado. A peça deve ser fundida diretamente em suas formas finais ou muito próximo delas, a fim de que possa ser usinada por processos de abrasão com pouca remoção de material.

É utilizado na fabricação de equipamentos para a moagem de minérios, pás de escavadeiras e outros componentes similares.

Ferro fundido nodular

O ferro fundido nodular é uma classe de ferro fundido, onde o carbono (grafite) permanece livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal. Este formato da grafite faz com que a ductilidade seja superior, conferindo ao material características que o aproximam do aço. A presença das esferas ou nódulos de grafite mantém as características de boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensional. Seu custo é ligeiramente maior quando comparado ao ferro fundido cinzento, devido às estreitas faixas de composição químicas utilizadas para este material.

Propriedades mecânicas dos nodulares: boa resistência mecânica à tração, boa ductilidade e resiliência, boa resistência à compressão.

Forma da grafita em um ferro fundido nodular (forma de nódulos)

Ferro fundido nodular

Ferros fundidos maleáveis

Obtido por tratamento térmico em altas temperaturas por longos tempos (tratamento de maleabilização) a partir de um ferro fundido branco

Propriedades mecânicas dos maleáveis: Ficam entre as do nodular e do cinzento média resistência mecânica à tração, média dutilidade (para um ferros fundidos que possui em geral muito baixa dutilidade) e resiliência, boa resistência à compressão.

Forma da grafita em um ferro fundido maleável (forma de “amebas”)

Ferros fundidos maleáveis

Fundição contínua Neste processo, as peças

fundidas são longas, com secções quadrada, retangular, hexagonal ou de formatos diversos. Em outras palavras, o processo funde barras de grande comprimento com as secções mencionadas, as quais serão posteriormente processadas por usinagem ou pelos métodos de conformação mecânica no estado sólido. Em princípio, o processo consiste em vazar-se o metal líquido num cadinho aquecido. O metal líquido escoa através de matrizes de grafite ou cobre, resfriados na água.

Aciaria - aços Aciaria é a unidade de uma usina siderúrgica onde existem máquinas e

equipamentos voltados para o processo de transformar o ferro gusa em diferentes tipos de aço.

O principal destes equipamentos é o convertedor, que é um tipo de forno, revestido com tijolos refratários e que transforma o ferro gusa e a sucata em aço. Uma lança sopra oxigênio em alta pressão para o interior do forno, produzindo reações químicas que separam as impurezas, como os gases e a escória. A principal reação química no convertedor ocorre entre o oxigênio injetado e o carbono presente no ferro gusa, gerando gases que são eliminados no convertedor. Estes gases se combinam e retiram o carbono do gusa, dando origem ao aço.