O Processo de Fabricação do Aço: Do Minério à Liga

Uma introdução à produção e propriedades de ligas de aço

De acordo com a World Steel Association, 1.869,9 milhões de toneladas de aço foram produzidas em 2019. Isso representa um aumento de 3,4% na produção em relação a 2018 e é mais que o dobro da produção em 1999. O mundo tem uma necessidade crescente de aço. É usado em construção, indústria e manufatura. Sendo forte e barato, é ideal para todos os tipos de manufatura.

Do que é feito o aço?

Ferro, o principal componente elementar do aço, é um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre. Todas as ligas de aço são principalmente ferro e 0,002–2,1% de carbono por peso. Nesta faixa, o carbono se liga ao ferro para criar uma estrutura molecular forte. A microestrutura de rede resultante ajuda a alcançar certas propriedades de material, como resistência à tração e dureza, nas quais confiamos no aço.

Embora todo aço seja feito de ferro e carbono, diferentes tipos de aço contêm diferentes porcentagens de cada elemento. O aço também pode incluir outros elementos como níquel, molibdênio, manganês, titânio, boro, cobalto ou vanádio. Adicionar diferentes elementos à "receita" para uma liga de aço afeta suas propriedades de material. O método de manufatura e tratamento do aço aprimora ainda mais essas habilidades.

Um grupo notável de ligas de aço contém cromo. Todas estas ligas são comumente conhecidas como aço inoxidável.

Como fazer aço

No nível mais básico, o aço é feito misturando carbono e ferro em temperaturas muito altas (acima de 1427°C).

Produção primária de aço cria aço a partir de um produto chamado "ferro-gusa". Ferro-gusa é ferro fundido, do minério, que contém mais carbono do que o correto para aço.

O fabricante de aço usa um sistema que borbulha oxigênio através do ferro-gusa derretido. Este processo cria oxidação igual por todo o metal fundido. Oxidação remove excesso de carbono. Também vaporiza ou liga impurezas feitas de elementos como silício, fósforo e manganês.

Produção secundária de aço é feita "na panela". É um processo de refino e liga de aço. A produção secundária pode começar derretendo sucata, ou continua um processo primário. Elementos podem ser adicionados para obter uma liga específica. O trabalhador do aço também pode remover impurezas superficiais (desescoriamento). A panela é aquecida e resfriada às temperaturas necessárias para os processos químicos necessários.

Acabamento do aço

Em uma fundição, o aço é fundido em areia ou precisão em formas padronizadas. Em uma usina siderúrgica, o aço é fundido por uma lingoteira contínua em matérias-primas brutas. Lingoteiras contínuas criam formas brutas de aço padronizadas em vez de peças quase finalizadas. Aço bruto será usinado ou trabalhado em produtos finais. Usinas siderúrgicas comumente fundem e formam chapas, tarugos, barras, blocos, tubos, lingotes e fios.

Uma usina também pode laminar a quente ou a frio o aço durante a produção. Estes processos criam diferentes formas e acabamentos. Antes do envio, o aço pode ser cortado, bobinado ou empacotado antes de sair da usina.

Em fundição ou usina, o aço pode ser tratado termicamente. Etapas finais como têmpera, revenimento, normalização e recozimento podem moldar a forma como a liga se comporta em uma aplicação.

Invenção do aço

Arqueólogos encontraram o aço mais antigo em sítio datado de 4.000 anos atrás, na Turquia. Aços de cadinho, como o famoso aço Wootz do Sul da Índia, foram feitos consistentemente já no século 4 a.C. No entanto, até meados de 1800, a fabricação de aço era incrivelmente desafiadora.

O aço funde em torno de 1482°C. Manter este alto calor era um desafio para fornos antigos fazendo aço de cadinho. Além disso, impurezas são encontradas em ligas de aço, feitas de elementos como silício e manganês. Gerenciar estes ainda apresenta desafio. Na fabricação antiga de aço, eles faziam um processo longo e de múltiplas etapas. Fundidores passavam um longo dia aquecendo, mexendo, desescoriando e reaquecendo suas ligas. Após o aço ser fundido, então ia para ser trabalhado por ferreiros. Ser batido na bigorna criava formas finais. Também ajudava a distribuir e mitigar variância de carbono, poros ou inclusões.

Em 1856, Henry Bessemer obteve patente para um processo de criar aço de uma nova forma. Usando um conversor Bessemer, em vez de vasos de fusão tradicionais, permitiu ao fabricante de aço borbulhar ar através do metal fundido. Em reação ao ar, impurezas oxidariam e liberariam gases. Oxidação também ajudava a criar e sustentar o alto calor necessário para fabricação de aço.

Um processo que uma vez levava um dia inteiro na fundição e mais tempo na forja foi substituído por um processo de 20 minutos que podia criar 5 toneladas de aço. O aço de Bessemer também era mais forte e de maior qualidade que a maioria dos fabricantes de aço podia esperar. Esta inovação apoiou a Revolução Industrial.

O aço é magnético?

A maioria do aço é magnética, mas nem toda. O aço é feito principalmente de ferro, e o ferro é magnético. Ferromagnetismo foi descoberto primeiro na natureza em "pedras imãs" — pedras feitas de magnetita, um óxido de ferro. Outros elementos também são ferromagnéticos, como cobalto e níquel. Estes elementos também são às vezes encontrados no aço.

Aços inoxidáveis são famosamente não magnéticos, embora todos os aços inoxidáveis contenham ferro e muitos contenham níquel. Verdadeiramente, apenas algumas ligas inoxidáveis são não magnéticas. Aço inoxidável austenítico — que contém níquel — é não magnético na maioria dos casos (embora possa se tornar levemente magnético quando trabalhado.) Outros tipos, como ligas ferríticas ou martensíticas, são inoxidáveis e magnéticos.

Propriedades do aço

O aço é tão comumente usado por causa de suas propriedades de material específicas combinadas com seu custo relativamente baixo. Comparado a muitos outros materiais de construção e fabricação de ferramentas (como madeira, pedra, concreto ou ferro fundido), ligas de aço oferecem:

• Dureza: resistência à indentação quando pressionado com pressão gradualmente crescente
• Tenacidade: quando o material deforma, tenacidade descreve quão longe vai antes de fraturar
• Limite de escoamento: resistência a mudar forma enquanto puxado com pressão gradualmente crescente
• Resistência à tração: capacidade de um material suportar ser puxado antes de quebrar
• Maleabilidade: capacidade de ser moldado por martelamento ou prensagem sem quebrar
• Ductilidade: capacidade de ser moldado sem perder tenacidade — trabalhar metal frequentemente o torna mais frágil, mas materiais dúcteis não embritam através do trabalho tão rapidamente.

O intervalo testado destas propriedades varia entre ligas, mas como um todo, o aço consegue ser tanto mais duro quanto mais tenaz (menos frágil) que muitos outros materiais.

Tipos de aço

Existem quatro agrupamentos principais de ligas de aço: carbono, ferramenta, liga e aços inoxidáveis.

• Aço Carbono — Baixos, médios e altos carbono variam principalmente por dureza e ductilidade. Baixos ou aços de baixo carbono tendem a ser mais dúcteis comparados a outros aços, mas também oferecem menor dureza. No outro extremo da faixa, aços de alto carbono são mais duros. No entanto, aço de alto carbono geralmente tem menor ductilidade.
• Aço Ferramenta — Aço de alto carbono com elementos adicionados como tungstênio, vanádio ou molibdênio, tratado termicamente e temperado para dureza superior, são usados para aços ferramenta.
• Aço Liga — Esta família de aços geralmente se refere a aços misturados com elementos específicos para propriedades de material extraordinárias, fora daqueles que comumente caem em outras famílias. Todos os aços são ligas e muitos têm elementos extras. No entanto, aços liga são aços incomuns construídos para uma aplicação específica, e podem variar de formulações de valor a ligas exóticas usadas para motores a jato.
• Aço Inoxidável — Estes aços são ligados com cromo para torná-los resistentes à ferrugem através de passivação.

Produção de aço: uma história de reciclagem

Uma das melhores características do aço (e outros metais) é que sucata pode se tornar metal novo, de alta qualidade, completamente. O processo de produção secundária de aço cria ligas tão boas quanto quaisquer que venham de ferro-gusa. Itens metálicos podem degradar do uso, mas a química elementar do metal significa que derreter e ligar cria um produto completamente novo.

Crescimento na produção de aço, portanto, não requer crescimento correspondente na fundição de novo minério (embora a produção de ferro-gusa permaneça uma parte vital da cadeia de suprimentos de aço.) Recuperar e processar sucata de aço significa que o painel de carro de ontem pode ser a viga I de amanhã.

Com 98% do aço recuperável, o metal é um dos produtos mais recicláveis do mundo. Ainda, não é sem desafio ambiental. Coque, uma forma de carvão, é geralmente usado como entrada de carbono para fabricação de aço. Além disso, a alta energia necessária para derreter ou fundir e oxidação e outros processos de produção criam químicos e dióxido de carbono. Felizmente, há muita pesquisa sendo feita no setor de fabricação de aço para mitigar questões com produção. Alguns incluem reciclar dióxido de carbono de volta ao próprio aço, como fonte de carbono, reduzindo necessidade de outras fontes como coque.

Com estas tecnologias refinadas e implementadas, a fabricação de aço continuará a ser uma das principais indústrias do futuro. Ela sustenta, impulsiona e constrói nossa economia.