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1. CIÊNCIAS E
TECNOLOGIA DOS
MATERIAIS

2. MATERIAIS METÁLICOS

3. DO FERRO AO AÇO

4. • As matérias-primas básicas da indústria siderúrgica são:
INTRODUÇÃO
MINÉRIO DE FERRO
CARVÃO FUNDENTE
Fonte de calor
Separação:
minério de Fe
da ganga

5. Hematita - Fe2O3
Fe2O3 (69,9% Fe)
Magnetita - Fe3O4
Fe3O4 (72,4% Fe).
Limonita - 2Fe2O3·3H2O
2FeO3.3H2O (48,3% Fe).

6. • Antes do processamento nos altos-fornos os minérios de ferro
passam por uma série de operações chamadas de beneficiamento,
que consiste em operações de britamento, peneiramento, mistura,
moagem, concentração, classificação e aglomeração (principal).
MINÉRIO DE FERRO
Melhor permeabilidade
Carga Alto forno
Redução: consumo de carvão
SINTERIZAÇÃO
PELOTIZAÇÃO

7. Consiste em aglomerar-se finos de minério de ferro numa
mistura com aproximadamente 5% de um carvão finamente
dividido ou coque (carvão moído, calcário e água). A carga é
aquecida por intermédio de queimadores e com o auxílio de
fluxo de ar. A temperatura que se desenvolve durante o processo
atinge 1.300 a 1500 °C, suficiente para promover a ligação das
partículas finas do minério de ferro, resultando num produto
uniforme e poroso chamado sínter.
Sinterização

8. É o mais novo processo de aglomeração e
talvez o de maior êxito. Neste processo,
produzem-se inicialmente “bolas” ou
“pelotas” cruas de finos de minério de
alto teor ou de minério concentrado.
Adiciona-se cerca de 10% de água e,
geralmente, um aglomerante de
natureza inorgânica (bentonita – argila
impura). Uma vez obtidas as pelotas
cruas, estas são secas, pré-aquecidas e
então queimadas para endurecimento
Pelotização

9. USINA DE PELOTIZAÇÃO
A pelota consolidada é
descarregada para a fase
de endurecimento no
forno de pelotização

10. • Principais vantagens da pelotização:
- Favorece a circulação de ar e gases de
combustão no alto-forno;
- Não obstrução do alto-forno;
- Maior valor agregado ao produto, acrescentando
agentes redutores do ferro como o carvão
mineral (baixo teor de S).
MINÉRIO DE FERRO

11. • O combustível utilizado no alto-
forno é o carvão, coque ou de
madeira, cuja ação se faz em três
sentidos:
- Fornecedor de calor para a
combustão;
- Fornecedor do carbono para a
redução de óxido de ferro (O2
eliminado do minério de Fe)
- Indiretamente, fornecedor de carbono
como principal elemento de liga do
ferro gusa.
CARVÃO

12. CARVÃO COQUE – 90% C
COQUEIFICAÇÃO
Aquecimento a altas temperaturas
Exceto
para
saída dos
gases
Ausência de ar
Moléculas orgânicas complexas
(carvão mineral)
RESÍDUO
Carbonáceo
(não volátil)
Compostos
orgânicos sólidos e
líquidos
(baixo PM)
Gases

13. • Este resíduo resultante é o “coque”, que se apresenta
como uma substância porosa, celular, heterogênea, sob os
pontos de vista químico e físico. A qualidade do coque
depende muito do carvão mineral do qual se origina,
principalmente do seu teor de impurezas.
RESÍDUO
Carbonáceo
(não volátil)
CARVÃO COQUE – 90% C

14. CARVÃO VEGETAL
O carvão vegetal
ou de “madeira”
PIRÓLISE
subprodutos
gasosos e
líquidos são
perdidos
durante o
processo
Aquecimento
Carbonização
Moléculas complexas
(constituição da madeira)
resíduo sólido
carvão vegetal.
líquidos
(alcatrões, ácido
acético, álcool
metílico)
Gases
CO2, CO, H2

16. • A função do fundente é combinar-se com as impurezas
(ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as
chamadas “escórias”. O principal fundente é o calcário, de
fórmula CaCO3.
FUNDENTE

17. • O alto-forno constitui o principal aparelho utilizado na
metalurgia do ferro. A metalurgia do ferro consiste,
essencialmente, na redução dos óxidos dos minérios de ferro,
mediante o emprego de um redutor, que é um material a base
de carbono (carvão).
Produção do Ferro Gusa: Alto-forno

19. O alto-forno trata-se
de uma estrutura
cilíndrica, de grande
altura. Este, por sua
vez, é constituído de
três partes essenciais,
Cadinho
(escória)
Rampa
(carga + gás)
Cuba
(carga
alternada)

20. Operação do alto-forno
• Num alto-forno, existem duas
correntes de materiais
responsáveis pelas reações:
- uma corrente sólida,
representada pela carga que
desce paulatinamente;
- uma corrente gasosa que se
origina pela reação do carbono
do carvão com o oxigênio do
ar soprado pelas ventaneiras,
que sobe em contracorrente
Produção do Ferro Gusa: Alto-forno

21. Reações Químicas:
• As temperaturas mais elevadas ocorrem nas proximidades das ventaneiras, da
ordem de 1.800 a 2000°C. Nesta região, verifica-se a reação:
C + O2 → CO2
•Originando-se grande quantidade de calor. Este CO2, ao entrar em contato com o
coque incandescente, decompõe-se:
CO2 + C → 2CO
• O CO originado é o agente redutor. A carga introduzida pelo topo, ao entrar
em contato com a corrente gasosa ascendente sofre uma secagem. A
decomposição dos carbonatos, contidos no calcário dá-se a aproximadamente
800°C, conforme as seguintes reações:
CaCO3 → CaO + CO2
MgCO3 → MgO + CO2
Além do CO como agente redutor, o próprio carbono do carvão atua nesse sentido.
Produção do Ferro Gusa: Alto-forno

22. Reações Químicas de Redução do Minério de Ferro:
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO
• Na região que corresponde ao topo da rampa (região acima do cadinho
onde o ferro líquido e a escória são depositados), inicia-se a formação da
escória, pela combinação do CaO e MgO do calcário (fundente) com a
ganga (impurezas do minério de ferro) e uma certa quantidade de óxido de
ferro e manganês e as cinzas do carvão.
• Essa escória formada, juntamente com o ferro, começa a gotejar através
dos interstícios (espaços vazios) da carga ainda sólida, para depositar-se
no cadinho.
Produção do Ferro Gusa: Alto-forno

23. Reações Químicas de Redução do Minério de Ferro:
Mn3O4 + C → 3MnO + CO
MnO + C → Mn + CO
SiO2 + 2C → Si + 2CO
P2O5 + 5C → 2P + 5CO
FeS + CaO + C → CaS + Fe + CO
• Finalmente, as últimas reações fundamentais são representadas pelas
equações:
3Fe + C → Fe3C
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
Todas estas reações produzem, então, o ferro gusa, que além de ferro e
carbono também incorpora os elementos manganês (Mn), silício (Si),
fósforo (P) e enxofre (S).
Produção do Ferro Gusa: Alto-forno

24. • A escória caracteriza-se por sua grande fluidez e seu baixo peso
específico. Assim, no cadinho (reservatório), a escória e o gusa líquido
separam-se por gravidade, formando duas camadas, isto é, a inferior
(metálica) e a superior (escória), facilitando o vazamento de ambos os
produtos.
• A composição da escória varia dentro dos seguintes limites:
- SiO2 - 29 a 38%
- Al2O3 - 10 a 22%
- CaO + MgO - 44 a 48%
- FeO + MnO - 1 a 3%
- CaS - 3 a 4%
• Este material depois de solidificado pode ser utilizado como lastro de
ferrovias, material isolante etc... Sua mais importante aplicação dá-se na
fabricação do chamado “cimento metalúrgico”.
Produção do Ferro Gusa: Alto-forno

25. Produção do Ferro Gusa: Alto-forno
O principal produto do alto-forno é o ferro gusa, caracterizado por
uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis
de silício, manganês, fósforo e enxofre. De um modo geral, a
maioria dos ferro gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno
está compreendida na seguinte faixa de composições:
Carbono - 3 a 4,4%
Silício - 0,5 a 4,0%
Manganês - 0,5 a 2,5%
Fósforo - 0,05 a 2,0%
Enxofre - 0,20% máx.
Carvão
Fundente
Impurezas
do minério
de Fe

26. • O ferro-gusa raramente é usado puro, pois a grande quantidade de
carbono torna o material frágil (quebradiço) e instável.
Normalmente, este tipo de ferro é mais refinado por meio de fusões
adicionais e processos de mistura a fim de criar o ferro forjado,
ferro fundido ou o aço.
Produção do Ferro Gusa: Aplicações
Ferro forjado Ferro fundido Aço

27. • Para obter o ferro forjado a partir do ferro-gusa, a liga é refundida
e combinada com óxidos de metal que retiram uma parte do carbono,
tornando a liga resultante mais útil e menos quebradiça. Ates do aço
era utilizado na construção civil (Torre Eiffel).
Produção do Ferro Gusa: Aplicações
Teor de carbono: < 0,15%
Possui escórias
Resistente, maleável,
ductil, facilmente
soldável.
Forjado: pode ser
moldado a quente

28. • Ferro fundido é mais forte e menos frágil do que o material
inicial, graças a um processo que remove os elementos carbono
(2,11-6,67%), enxofre e outros, acrescentando desejáveis
características de sucata de metal fundido (silício 1-3%) e aço. Muito
popular na construção de pontes e outras estruturas, o ferro fundido é
usado também para criar tachos e panelas que suportam e distribuem
uniformemente o calor elevado, porém oxidam com facilidade.
Produção do Ferro Gusa: Aplicações
Diferença
(forjado e fundido): o processo.
Fundido: o metal passa por fusão,
vazamento em um molde e
solidificação, necessário apenas
acabamento

29. Produção do Ferro Fundido: Aplicações
Ferro fundido: moldado
sob forma
Distribuição uniforme
do calor.
Desvantagem: oxidam
com facilidade

30. A fabricação do aço pode ser
dividida em quatro etapas:
Produção do Aço: Alto-forno
Preparação da carga,
Redução,
Refino
Laminação.

31. As usinas de aço do mundo inteiro classificam-se segundo o seu
processo produtivo em:
 Integradas – que operam as três fases básicas: redução, refino e
laminação participam de todo o processo produtivo e produzem
aço.
 Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação.
Estas usinas partem de ferro gusa, ou sucata metálica adquiridas
de terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas e
sua posterior laminação.
Produção do Aço: Alto-forno

32. • PREPARAÇÃO DA CARGA: consiste na mistura do minério de
ferro (sintetizado ou pelotizado) com calcário e coque.
Produção do Aço: Alto-forno

33. • REDUÇÃO: Essas matérias-primas, agora preparadas, são
carregadas no alto forno, onde 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.
Produção do Aço: Alto-forno

34. Produção do Aço: Alto-forno
REFINO
Ferro gusa
(Fe-C)
-Si
-Mn
-P
-S
IMPUREZAS
Teores reduzidos
Agentes
oxidantes
-Sólidos
- Gasosos
Processos pneumáticos:
Ag. Oxidante = Ar ou oxigênio
Processos elétricos:
Ag. Oxidante = Substâncias
sólidas (minério de ferro, sucatas
de aço – elevados teores de
óxidos)
Aciarias a oxigênio ou elétricas são utilizadas para transformar o gusa
líquido ou sólido e a sucata de ferro e aço em aço líquido.

35.  Nos processos pneumáticos o ferro gusa líquido é levado ao
Convertedor , onde ocorre a oxidação e a remoção do carbono e outras
impurezas associadas.
Produção do Aço: Alto-forno
Ferro gusa – 2,11 -6,67% C
Após oxidação
Ferro – 0,008-2,11% C

36. Nos processos elétricos
Produção do Aço: Alto-forno
Ferro gusa
(sólido)
Sucata
de aço
Carga Alimenta
A fusão da mistura ocorre devido ao calor
gerado por um arco voltaico, formado por três
eletrodos de grafite e a carga metálica
Após a
fusão
Redução
(elementos
de liga)
Oxidação
Oxigênio
(injetado por
uma lança

37. • Após a oxidação, o aço está pronto para ser
vazado na panela onde são, então, adicionadas
diversas ligas metálicas (Cr, Ni) para melhorar
as propriedades do metal.
• A maior parte do aço líquido é solidificada em
equipamentos de lingotamento contínuo para
produzir semi-acabados, lingotes e blocos.
• O lingotamento é um processo onde o material
líquido é resfriado e transformado em lingotes
(material sólido), blocos, placas entre outros.
Respeitando o tempo de resfriamento (trincas).
Produção do Aço: Alto-forno

38. ETAPAS DE PRODUÇÃO
LAMINAÇÃO: trabalho mecânico a quente (T >723 °C) ou a frio,
onde 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. Ex: chapas, barras – formas
adequadas dos produtos para uso comercial.
Laminação à quente – grãos do
material – recristalizados –
forma de pequenos grãos
Laminação à frio – deformação
dos grãos – material encruado

39. Semi-
acabados
Propriedades
mecânicas
Conjunto de operações
- Aquecimento
-Resfriamento e
velocidade
-Temperatura
-Tempo
-Atmosfera
Quebra do cavaco (pedaços de
material) evitando sua aderência
na ferramenta

40. • Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e
carbono, com percentagens menores que 2%.
• Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanho, uniformidade
dos grãos que o compõem e por sua composição química. Esta pode
ser alterada em função do interesse de sua aplicação.
• De maneira geral, os aços possuem excelentes propriedades
mecânicas: resistem bem à traço, 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.
Aço

41. • O aço é constituído de um agregado cristalino, cujos cristais (grãos)
se encontram justapostos. As propriedades dos aços dependem muito
de sua estrutura cristalina, ou seja, de sua composição química, do
tamanho dos grãos e de sua uniformidade.
•Os tratamentos térmicos bem como os trabalhos mecânicos
modificam em maior ou menor intensidade alguns destes aspectos
(arranjo, dimensões, formato dos grãos) e, consequentemente, podem
levar a alterações nas propriedades de um determinado tipo de aço.
Aço
Estrutura
cúbica
Os átomos de Fe,
localizam-se nos
vértices e centro do
cubo e o C nos
espaços vazios do
cubo (C é menor
que o Fe)

42. Aço - Propriedades
Elasticidade
Plasticidade
Ductibilidade
Fragilidade
Resiliência
Tenacidade
ou não tenaz

43. Aço - classificação
Composição
Química
Aplicação
• Baixo carbono (< 0,35% de C): São fáceis de conformar e soldar, possuem baixa
dureza e alta ductilidade. (chapas automobilística, perfis estruturais e placas utilizadas
na fabricação de tubos e construção civil )
• Médio carbono (0,3-0,6% de C): possuem boa temperabilidade (endurecimento por
resfriamento) em água e melhor combinação de tenacidade e ductilidade e resistência
mecânica e dureza. (construção: rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens, e
outras peças de máquinas que necessitam de elevadas resistências mecânica e ao
desgaste tenacidade)
• Alto carbono (0,6-2% de C): possuem baixa conformabilidade e tenacidade, alta dureza
e elevada resistência ao desgaste. Quando temperados são frágeis. (ferramentas de corte)
Quantidade
de Carbono
Constituição
Microestrutural

44. Aço - classificação
Quantidade
de Carbono
Composição
Química
Constituição
Microestrutural
Aplicação
 Perlíticos: aços com no máximo 5% de elementos de liga, as propriedades
mecânicas podem ser melhoradas por tratamento térmico e possuem boa
usinabilidade.
 Martensíticos: aços com mais de 5% de elementos de liga, apresentam alta
dureza e baixa usinabilidade.
 Austeníticos: aços com elevados teores de elementos de liga, inoxidáveis,
não magnéticos e resistentes ao calor.
 Ferríticos: aços com baixo teor de carbono, elevados teores de elementos
de liga (Cr, W, Si) e não reagem à têmpera (resfriamento rápido – maior
temp. crítica > dureza).
 Carbídicos: aços com alto teor de carbono e elementos formadores de
carbonetos (Cr, W, Mn, Ti, Nb, Zr). Possuem alta dureza.

45. Aço - classificação
Quantidade
de Carbono
Composição
Química
Constituição
Microestrutural
Aplicação
 Aço-Carbono - Ausência elemento de liga, possuem elementos residuais de Si,
Mn, P, S. São os aços de alto, baixo e médio teor de carbono. A resistência
aumenta com o teor de carbono e a ductilidade diminui. São aços de relativa
baixa dureza, oxidam-se facilmente.
 Aços Ligados – presença de elementos de liga que aumentam a dureza e a
resistência e conferem propriedades especiais como: resistência à corrosão,
estabilidade à baixas e altas temperaturas, controlam o tamanho de grão,
(laminação), melhoram a conformabilidade. Podem ser:
- Baixa liga: quantidade de elementos de liga é inferior a 5%. (Cr, Mn, Mo, Ni, Si)
- Média liga: quantidade de elementos de liga é inferior está entre 5 e 10%. (Cr, Mn,
Mo, Ni, Si, C, V)
- Alta liga: quantidade de elementos de liga é maior que 10%. (Cr, Mn, Mo, Ni, Si,
C, V, W)

46. Aço - classificação
Quantidade
de Carbono
Composição
Química
Constituição
Microestrutural
Aplicação

47. Aço - classificação
Quantidade
de Carbono
Composição
Química
Constituição
Microestrutural
Aplicação
 Aços para fundição: boa resistência, ductilidade e tenacidade,
usinabilidade e soldabilidade - não apresenta alterações das características
do material na junta soldada. (Aços baixo, médio e alto carbono; Aços-liga
de baixo e alto teor de liga).
 Aços para ferramentas: elevada dureza a temperatura ambiente e a quente,
boa tenacidade, resistência ao desgaste e resistência mecânica (Aços com
alto teor de carbono e com alto teor de liga de W, V e Cr ou Mo, Co e
outros).
 Aços estruturais: boa ductilidade para ser conformado, soldabilidade,
resistência à tração elevada e baixo custo (Aços com baixo teor de elemento
de liga).

48. Aço - classificação
Quantidade
de Carbono
Composição
Química
Constituição
Microestrutural
Aplicação
 Aços para usinagem: elevada usinabilidade (Aços com alto teor de
enxofre, fósforo e manganês – alta dureza - quebradiço).
 Aços para arames e fios: excelente resistência à tração e ductilidade para
ser conformado (Aços-carbonos).
 Aços para chapas e tubos: excelente deformabilidade, soldabilidade,
ductilidade, baixo custo, alta resistência à corrosão e de fácil revestimento
(Aços-carbonos)

49. Aço Inoxidável
Alta-liga Cr
Ni 20%
Aços
inoxidáveis
austeníticos
Cr
Ni
Aços
inoxidáveis
martensíticos
Cr
Ni
[C] - suficiente para se alcançar
durezas médias ou altas no
tratamento térmico de têmpera
( > dureza , > T)
Aços
inoxidáveis
ferríticos
Cr
Ni
C
Minimização dos
processos de
corrosão

50. Aço - Aplicações
Indústria
alimentícia
e bebidas
Eletricidade e
construção
civil
Indústria
química
Móveis
Instrumentos
cirúrgicos
Moedas
Bens de consumo
duráveis
(geladeiras, fogões,
lava-louças)
Indústrias
automobilísticas
Resistência
temp.
elevadas
Resistência
Corrosão
Resistência
desgaste
mecânico

52. Aço - Reciclagem
O aço está entre os materiais mais recicláveis do mundo. O setor estimula:
• Coleta de produtos no final da vida útil,
• Novos produtos, sem qualquer perda de qualidade.
• Redução do consumo de matérias-primas não renováveis,
• Economia de energia
• Evita a necessidade de ocupação de áreas para o descarte de produtos em obsolescência.

53. Poluição Ambiental
• Emissão de gases nocivos (principalmente CO2);
• Consumo de energia;
• Consumo de água;
• Produção de efluentes, resíduos sólidos e subprodutos;
• Supressão da cobertura vegetal para extração de minérios;
• Poluição dos recursos hídricos;