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21 Março O que é aço?

O aço é uma liga metálica formada principalmente de ferro e carbono, possui maior aplicação que o próprio ferro e pode ser usado para produzir outras ligas.
Em geral, o que chamamos de ferro, é, na verdade, aço. O ferro não tem resistência mecânica e é usado em grades, portões, e guarda-corpos decorativos em que se aproveita a plasticidade do material, trabalhando no estado líquido, permitindo a moldagem de desenhos ricamente detalhados. Já o aço, é empregado quando a responsabilidade estrutural entra em jogo. A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização industrial. Basicamente, o aço é uma liga de ferro e carbono. O ferro é encontrado em toda crosta terrestre, fortemente associado ao oxigênio e à sílica. O minério de ferro é um óxido de ferro, misturado com areia fina. O carbono é também relativamente abundante na natureza e pode ser encontrado sob diversas formas. Na siderurgia, usa-se carvão mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal.

Produção do aço

O carvão exerce duplo papel na fabricação do aço. Como combustível, permite alcançar altas temperaturas (cerca de 1.500º Celsius) necessárias à fusão do minério. Como redutor, associa-se ao oxigênio que se desprende do minério com a alta temperatura, deixando livre o ferro. O processo de remoção do oxigênio do ferro para ligar-se ao carbono chama-se redução e ocorre dentro de um equipamento chamado alto forno. Antes de serem levados ao alto forno, o minério e o carvão são previamente preparados para melhoria do rendimento e economia do processo. O minério é transformado em pelotas e o carvão é destilado, para obtenção do coque, dele se obtendo ainda subprodutos carboquímicos. No processo de redução, o ferro se liquefaz e é chamado de ferro gusa ou ferro de primeira fusão. Impurezas como calcário, sílica etc. formam a escória, que é matéria-prima para a fabricação de cimento. A etapa seguinte do processo é o refino. O ferro gusa é levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser transformado em aço, mediante queima de impurezas e adições. O refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos. Finalmente, a terceira fase clássica do processo de fabricação do aço é a laminação. O aço, em processo de solidificação, é deformado mecanicamente e transformado em produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de transformação, como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras etc. Com a evolução da tecnologia, as fases de redução, refino e laminação estão sendo reduzidas no tempo, assegurando maior velocidade na produção.

Indústria siderúrgica

Hoje é comum falar sobre "o ferro e o aço", como se fossem uma coisa só, mas historicamente eles são produtos diferentes. A indústria siderúrgica é frequentemente considerada como um indicador de progresso econômico, devido ao papel crucial desempenhado pelo aço na infraestrutura e no desenvolvimento econômico global.
O boom econômico na China e na Índia causou um grande aumento na demanda por aço nos últimos anos. Entre 2000 e 2005, a demanda mundial por aço aumentou 6%. Desde 2000, várias empresas de aço, indianas e chinesas, ganharam notoriedade como a Tata Steel (que comprou a Corus em 2007), a Shanghai Baosteel Group Corporation e a Shagang Group. ArcelorMittal é, no entanto, a maior produtora de aço do mundo.

As usinas de aço do mundo inteiro classificam-se segundo o seu processo produtivo

  • Integradas - que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação. Participam de todo o processo produtivo e produzem aço; e
  • Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridas de terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas e sua posterior laminação. 

Além disso, em função dos produtos que preponderam em suas linhas de produção, as usinas também podem ser assim classificadas

  • De semi-acabados (placas, blocos e tarugos);
  • De planos aços carbono (chapas e bobinas);
  • De planos aços especiais / ligados (chapas e bobinas);
  • De longos aços carbono (barras, perfis, fio máquina, vergalhões, arames e tubos sem costura); e
  • De longos aços especiais / ligados (barras, fio-máquina, arames e tubos sem costura).

Etapas de Produção

O aço é produzido, basicamente, a partir de minério de ferro, carvão e cal. A fabricação do aço pode ser dividida em quatro etapas: preparação da carga, redução, refino e laminação.
 

1. Preparação da carga

  • Grande parte do minério de ferro (finos) é aglomerada utilizando-se cal e finos de coque;
  • O produto resultante é chamado de sinter; e
  • O carvão é processado na coqueria e transforma-se em coque. 

2. Redução

  • Essas matérias-primas, agora preparadas, são carregadas no alto forno;
  • Oxigênio aquecido a uma temperatura de 1000ºC é soprado pela parte de baixo do alto forno;
  • O carvão, em contato com o oxigênio, produz calor que funde a carga metálica e dá início ao processo de redução do minério de ferro em um metal líquido: o ferro-gusa; e
  • O gusa é uma liga de ferro e carbono com um teor de carbono muito elevado. 

3. Refino

  • Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido;
  • Nessa etapa parte do carbono contido no gusa é removido juntamente com impurezas; e
  • A maior parte do aço líquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo para produzir semi-acabados, lingotes e blocos.

4. Laminação

  • Os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos siderúrgicos, cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química. 

Aspectos químicos

Aspectos químicos na produção

Na Redução o óxido de ferro (FeO) é aquecido em fornos especiais (alto fornos), em presença de carbono (sob a forma de coque ou carvão vegetal) e de fundentes (que são adicionados para auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, é formada de materiais indesejáveis ao processo de fabricação). O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo o teor de oxigênio da composição FeO. A partir disso, obtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de 3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Como resultado de uma segunda fusão, tem-se o ferro fundido, com teores de carbono entre 2 e 6,7%. Após uma análise química do ferro, em que se verificam os teores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganês entre outros elementos, o mesmo segue para uma unidade da siderúrgica denominada aciaria, onde será finalmente transformado em aço. O aço, por fim, será o resultado da descarbonatação do ferro gusa, ou seja, é produzido a partir deste, controlando-se o teor de carbono para no máximo 2%. O que temos então, é uma liga metálica constituída basicamente de ferro e carbono, este último variando de 0,008% até aproximadamente 2,11%, além de certos elementos residuais resultantes de seu processo de fabricação. O limite de 0,008% de carbono está relacionado à sua máxima solubilidade no ferro à temperatura ambiente (solubilidade é a capacidade do material de se fundir em solução com outro), enquanto que o segundo - 2,11% - à temperatura de 1148° C. 

A química do aço

Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanho e uniformidade dos grãos que o compõem e, é claro, por sua composição química. Esta pode ser alterada em função do interesse de sua aplicação final, obtendo-se através da adição de determinados elementos químicos, aços com diferentes graus de resistência mecânica, soldabilidade, ductilidade, resistência à corrosão, entre outros. De maneira geral, os aços possuem excelentes propriedades mecânicas: resistem bem à tração, à compressão, à flexão, e como é um material homogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado, estriado e suas propriedades podem ainda ser modificadas por tratamentos térmicos ou químicos. O aço, como os demais metais, se solidifica pela formação de cristais, que vão crescendo a diferentes direções, formando os denominados eixos de cristalização. A partir de um eixo principal, crescem eixos secundários, que por sua vez se desdobram em novos eixos e assim por diante até que toda a massa do metal se torne sólida. O conjunto formado pelo eixo principal e secundários de um cristal é denominado dendrita. Quando duas dendritas se encontram, origina-se uma superfície de contato e ao término do processo de cristalização, formam cada uma os grãos que compõem o metal, de modo que todos os metais, após sua solidificação completa, são constituídos de inúmeros grãos, justapostos e unidos.

Propriedades do Aço

Suas propriedades são de fundamental importância, especificamente no campo de estruturas metálicas, cujo projeto e execução nelas se baseiam. Não são exclusivas dos aços, mas, de forma semelhante, servem a todos os metais. Em um teste de resistência, ao submeter uma barra metálica a um esforço de tração crescente, ela irá apresentar uma deformação progressiva de extensão, ou seja, um aumento de comprimento. Através da análise deste alongamento, pode-se chegar a alguns conceitos e propriedades dos aços:

  • A plasticidade é a propriedade inversa à da elasticidade, ou seja, do material não voltar à sua forma inicial após a remoção da carga externa, obtendo-se deformações permanentes. A deformação plástica altera a estrutura de um metal, aumentando sua dureza. Este fenômeno é denominado endurecimento pela deformação à frio ou encruamento;
  • Ductilidade é a capacidade do material de se deformar sob a ação de cargas antes de se romper, daí sua grande importância, já que estas deformações constituem um aviso prévio à ruptura final do material, o que é de extrema importância para prevenir acidentes em uma construção, por exemplo. A fragilidade, oposto à ductilidade, é a característica dos materiais que rompem bruscamente, sem aviso prévio (um dos principais fatores responsáveis por diversos tipos de acidentes ocorridos em pontes e navios);
  • A resiliência é a capacidade de absorver energia mecânica em regime elástico, ou seja, a capacidade de restituir a energia mecânica absorvida. Já a tenacidade é a energia total, plástica ou elástica, que o material pode absorver até a ruptura. Assim, um material dúctil com a mesma resistência de um material frágil irá requerer maior energia para ser rompido, portanto é mais tenaz;
  • A fluência é mais uma outra propriedade apresentada pelo aço e metais em geral. Ela acontece em função de ajustes plásticos que podem ocorrer em pontos de tensão, ao longo dos contornos dos grãos do material. Estes pontos de tensão aparecem logo após o metal ser solicitado por uma carga constante, e sofrer a deformação elástica. Após esta fluência ocorre a deformação continua, levando a uma redução da área do perfil transversal da peça (denominada estricção). Tem relação com a temperatura a qual o material está submetido: quanto mais alta, maior ela será, porque facilita o início e fim da deformação plástica. Nos aços, é significativa para temperaturas superiores a 350° C, ou seja, em caso de incêndios;
  • É importante citar ainda a fadiga, sendo a ruptura de um material sob esforços repetidos ou cíclicos. A ruptura por fadiga é sempre uma ruptura frágil, mesmo para materiais dúcteis; e
  • Por fim, temos a dureza, que é a resistência ao risco ou abrasão: a resistência que a superfície do material oferece à penetração de uma peça de maior dureza. Sua análise é de fundamental importância nas operações de estampagem de chapas de aços.

Composição do aço

Apesar de ser um material tão importante, não há realmente nada de muito inovador ou altamente tecnológico na composição e propriedades do aço. O aço nada mais é do que uma liga metálica, que possui em sua composição poucos elementos, sendo essencialmente o carbono e o ferro. Apesar de possuir a mesma composição do ferro fundido, trata-se de uma liga que possui diferentes propriedades. A principal diferença entre a composição do aço e do ferro fundido está na quantidade de carbono. Enquanto no aço a quantidade de carbono não ultrapassa 2,11%, o ferro fundido pode possuir até 6% de carbono.
Além do carbono, o aço também é constituído de outros materiais que são provenientes da sua formação. Entre estes elementos químicos podemos citar o fósforo e o enxofre. Existem ainda elementos químicos que são incluídos em seu processo de fabricação a fim de aumentar ainda mais sua durabilidade, dureza ou maleabilidade, tudo vai depender do uso final a que o aço está destinado. Alguns destes elementos são o cromo e o níquel. Um dos tipos de aço mais conhecidos, que receberam diferentes elementos a fim de alterar sua maleabilidade e durabilidade é o aço inoxidável, que levam cromo e níquel em quantidades mais altas.
O aço pode ser considerado de:

  • Alta–liga; e
  • Baixa–liga.

Quando é considerado de alta-liga, significa que a quantidade de impurezas encontradas em sua composição são muito mais altas e podem ser superiores à 5%. Já quando se trata de um aço de baixa liga, estas impurezas não podem chegar a 2%. O controle destas impurezas, assim como o da adição de elementos químicos em sua composição sempre vão depender do uso final do material e ficam a critério do fabricante.
Ainda falando sobre a composição e propriedades do aço, mas de uma forma mais ampla, a produção do aço pode ser considerado como um termômetro para o aquecimento da indústria nos países. Sempre que a indústria de fabricação de aço está em grande desenvolvimento, sabe-se que a economia também se encontra aquecida, já que se trata de um material vastamente utilizado para a indústria, nos mais diversos ramos.
A produção do aço não é cara e o ferro, sua principal matéria-prima, é um mineral encontrado com bastante facilidade na natureza. A produção em si também não apresenta grandes dificuldades e a principal preocupação dos produtores de aço está em possuir uma grande estrutura física e muitos trabalhadores.

Usos do aço

Utilidades domésticas

Empregado nos restaurantes, cozinhas industriais, hospitais, laboratórios, empresas em geral e nas casas das pessoas, tem a resistência necessária para os mais variados usos em forma de utensílios domésticos. Entre as propriedades do aço estão a resistência a baixas e altas temperaturas, superfície que evita o acúmulo de resíduos, composição química que o impede descascar, longa durabilidade e baixo custo de manutenção.

Transporte

O aço está presente nos carros, caminhões, ônibus, trens, metrôs, navios, bicicletas e motocicletas. Transporta a população, interliga cidades e conduz as cargas, distribuindo riquezas e espalhando progresso.

Construção civil

Largamente usado na construção civil, o aço pode estar presente como parte das obras ou como material principal. O sistema construtivo em aço permite liberdade no projeto de arquitetura, maior área útil, flexibilidade, compatibilidade com outros materiais, menor prazo de execução, racionalização de materiais e mão-de-obra, alívio de carga nas fundações, garantia de qualidade, maior organização nos canteiros de obras e precisão construtiva.

Embalagens e recipientes

As embalagens de aço são usadas pela indústria em geral, sendo importantes na conservação e transporte de alimentos, produtos químicos, agrícolas, tintas, gases de cozinha e industriais. Especialmente em relação aos alimentos, o aço evita a contaminação, assegurando a sua qualidade. Além disso, é 100% reciclável. As latas ajudam no desenvolvimento econômico, pois são são armazéns portáteis, capazes de evitar a deterioração de produtos agrícolas. São fabricadas por empresas genuinamente nacionais e utilizam matérias-primas provenientes do nosso solo (minério de ferro). Além disso, geram empregos e movimentam um amplo setor da economia.

Energia

O aço é usado em hidrelétricas, termelétricas e nucleares, torres de transmissão, transformadores, cabos elétricos, plataformas, tubulações, equipamentos de prospecção e extração de petróleo, assim como em perfuratrizes, esteiras e caçambas das minas de carvão. É, portanto, fundamental na produção e distribuição de energia no País.

Agricultura

A eficiência do setor agrícola está diretamente ligada ao consumo de aço. A terra é preparada com arados, semeada e cercada usando equipamentos que levam aço. Na hora da colheita, com as ceifadeiras e colheitadeiras, assim na armazenagem em silos e graneleiros, o aço também está presente, permitindo que os alimentos cheguem ao mercado.

A reciclagem do aço

A reciclagem do aço é tão antiga quanto a própria história da utilização do metal. A lata que você joga no lixo pode voltar infinitas vezes à sua casa, em forma de tesoura, maçaneta, arame, automóvel ou uma nova lata. O aço se funde à temperatura de 1.300 graus centígrados e assume um novo formato sem perder nenhuma de suas características: dureza, resistência e versatilidade. Ele é infinitamente reciclado. A caneca d'água ou o vaso de plantas feito de lata produzem a mesma economia de material, energia e coleta de lixo que a reciclagem, mas não exigem nenhum processo industrial. A ferrugem (oxidação) que vai consumindo a lata posta em contato com a natureza é o que faz do aço o único material de embalagem degradável num prazo médio de 3 anos. Em 2002, cinco milhões de toneladas de sucatas de aço foram usadas no Brasil, sendo que 3,3 milhões de toneladas se destinaram à produção de novo aço. A fabricação de folhas metálicas para embalagens de aço consumiu 1 bilhão de toneladas. Esses números indicam que o Brasil já dispõe de capacidade instalada para absorver 100% da sucata de embalagens de aço. As latas de folhas de flandres correspondem a 21% do mercado nacional de embalagens, 6% ficam com as latas para bebidas carbonatadas (como refrigerantes e cervejas) e o restante está nas mãos das aciarias que derretem a sucata para novos produtos ou novas chapas de aço.