Como é feito o aço?

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 cada vez maior de aço. É usado na construção, indústria e manufatura. Sendo forte e barato, é ideal para todos os tipos de fabricação.

Do que é feito o aço?

O 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 em peso. Nesta faixa, o carbono se liga ao ferro para criar uma estrutura molecular forte. A microestrutura de treliça resultante ajuda a alcançar certas propriedades do 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” de uma liga de aço afeta as propriedades do material. O método de fabricação e tratamento do aço aumenta ainda mais essas habilidades.

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

Como fazer aço

No mais básico, o aço é feito misturando carbono e ferro a temperaturas muito altas (acima de 2600°F).

Fabricação de aço primário cria aço a partir de um produto chamado “ferro-gusa”. O ferro-gusa é o ferro fundido, a partir do minério, que contém mais carbono do que o correto para o aço.

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

Aciaria secundária é feito “na concha”. É um processo de refino e liga de aço. A siderurgia secundária pode começar por derreter a sucata ou continuar um processo primário. Elementos podem ser adicionados para obter uma liga específica. O metalúrgico também pode remover impurezas da superfície (remoção de escória). A panela é aquecida e resfriada às temperaturas necessárias para os processos químicos necessários.

Acabamento de aço

Em uma fundição, o aço é areia ou revestimento fundido em formas padronizadas. Em uma siderúrgica, o aço é fundido por um lingotamento contínuo em matérias-primas de construção. Casters contínuos criam formas padronizadas de aço bruto em vez de peças quase acabadas. O aço bruto será usinado ou trabalhado em produtos finais. As siderúrgicas geralmente 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. Esses processos criam diferentes formas e acabamentos. Antes do embarque, o aço pode ser cortado, enrolado ou empacotado antes de sair da usina.

Na fundição ou moinho, 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 um local que data de 4.000 anos atrás, na Turquia. Aços de cadinho, como o famoso aço Wootz do sul da Índia, foram fabricados consistentemente já no 4 ^th século aC. No entanto, até meados do século XIX, a fabricação de aço era incrivelmente desafiadora.

O aço derrete em torno de 2700°F. Manter esse alto calor era um desafio para os antigos fornos que fabricavam aço para cadinhos. Além disso, as impurezas são encontradas em ligas de aço, feitas de elementos como silício e manganês. Gerenciar estes ainda apresenta um desafio. Na siderurgia antiga, eles faziam processos longos e de várias etapas. Os fundadores passavam um longo dia aquecendo, mexendo, removendo a escória e reaquecendo suas ligas. Depois que o aço foi fundido, passou a ser trabalhado por ferreiros. Ser golpeado na bigorna criava formas finais. Também ajudou a distribuir e mitigar a variação de carbono, poros ou inclusões.

Em 1856, Henry Bessemer patenteou um processo para criar aço de uma nova maneira. O uso de um conversor Bessemer, em vez de vasos de fusão tradicionais, permitiu que a siderúrgica borbulhasse ar através do metal fundido. Em reação ao ar, as impurezas oxidariam e liberariam gás. A oxidação também ajudou a criar e sustentar o alto calor necessário para a fabricação de aço.

Um processo que uma vez por dia inteiro na fundição e mais tempo na forja foi substituído por um processo de 20 minutos que poderia criar 5 toneladas de aço. O aço de Bessemer também era mais forte e de maior qualidade do que a maioria das siderúrgicas poderia esperar. Essa inovação apoiou a Revolução Industrial.

O aço é magnético?

A maioria dos aços é magnética, mas não todos. O aço é feito principalmente de ferro, e o ferro é magnético. O ferromagnetismo foi descoberto pela primeira vez na natureza em “lodestones” – pedras feitas de magnetita, um óxido de ferro. Outros elementos também são ferromagnéticos, como cobalto e níquel. Esses elementos também são encontrados às vezes no aço.

Os aços inoxidáveis ​​são notoriamente não magnéticos, embora todos os aços inoxidáveis ​​contenham ferro e muitos contenham níquel. Na verdade, apenas algumas ligas inoxidáveis ​​são não magnéticas. O aço inoxidável austenítico – que contém níquel – não é 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 específicas do material combinadas com seu custo relativamente baixo. Em comparação com muitos outros materiais de construção e fabricação de ferramentas (como madeira, pedra, concreto ou ferro fundido), as ligas de aço oferecem:

• Dureza :resistência ao recuo quando pressionado com pressão gradualmente crescente
• Resistência :quando o material se deforma, a tenacidade descreve o quão longe ele vai antes de fraturar
• Força de rendimento :resistência à mudança de forma ao ser puxado com pressão gradualmente crescente
• Resistência à tração :a capacidade de um material de resistir a ser puxado antes de quebrar
• Maleabilidade :a capacidade de ser moldado martelando ou pressionando sem quebrar
• Ductilidade :a capacidade de ser moldado sem perder a resistência - trabalhar o metal geralmente o torna mais quebradiço, mas os materiais dúcteis não se quebram com o trabalho tão rapidamente.

A faixa testada dessas propriedades varia entre as ligas, mas como um todo, o aço consegue ser mais duro e mais resistente (menos frágil) do que muitos outros materiais.

Tipos de aço

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

• Aço carbono —Aços de carbono suave, médio e alto variam principalmente pela dureza e ductilidade. Aços suaves ou de baixo carbono tendem a ser mais dúcteis em comparação com outros aços, mas também oferecem menor dureza. No outro extremo da faixa, os aços de alto carbono são mais duros. No entanto, o aço de alto carbono geralmente tem menor ductilidade.
• Aço ferramenta —Aços de alto carbono com elementos adicionados como tungstênio, vanádio ou molibdênio, tratados termicamente e temperados com dureza superior, são usados ​​para aços ferramenta.
• Aço de liga —Esta família de aços geralmente se refere a aços misturados com elementos específicos para propriedades materiais extraordinárias, fora daquelas que comumente se enquadram em outras famílias. Todos os aços são ligas e muitos têm elementos extras. No entanto, os 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 —Esses aços são ligados com cromo para torná-los resistentes à ferrugem por meio de passivação.

Produção de aço:uma história de reciclagem

Uma das melhores características do aço (e outros metais) é que a sucata pode se tornar um metal completamente novo e de alta qualidade. O processo de fabricação de aço secundário cria ligas tão boas quanto as que vêm do ferro-gusa. Os itens de metal podem se degradar com o uso, mas a química elementar do metal significa que a fusão e a liga criam um produto completamente novo.

O crescimento na produção de aço, portanto, não requer crescimento correspondente na fundição de minério novo (embora a produção de ferro-gusa continue sendo uma parte vital da cadeia de suprimentos de aço).

Com 98% do aço recuperável, o metal é um dos produtos mais recicláveis ​​do mundo. Ainda assim, não é sem desafio ambiental. O coque, uma forma de carvão, é geralmente usado como insumo de carbono na siderurgia. Além disso, a alta energia necessária para derreter ou fundir e oxidação e outros processos de produção criam produtos químicos e dióxido de carbono. Felizmente, há muitas pesquisas sendo feitas no setor siderúrgico para mitigar problemas com a produção. Alguns incluem a reciclagem de dióxido de carbono de volta ao próprio aço, como fonte de carbono, diminuindo a necessidade de outras fontes, como o coque.

Com essas tecnologias refinadas e implementadas, a siderurgia continuará sendo uma das principais indústrias do futuro. Ela sustenta, impulsiona e constrói nossa economia.