Ferro: Propriedades, História e Aplicações Cotidianas

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Introdução

O ferro é um dos elementos mais comuns na terra. Quase toda construção humana contém pelo menos um pouco de ferro. Também é um dos metais mais antigos e foi primeiro transformado em objetos úteis e ornamentais há pelo menos 3.500 anos.

Ferro puro é um metal macio, branco-acinzentado. Embora o ferro seja um elemento comum, ferro puro quase nunca é encontrado na natureza. O único ferro puro conhecido que existe naturalmente vem de meteoritos caídos. A maior parte do ferro é encontrada em minerais formados pela combinação de ferro com outros elementos. Óxidos de ferro são os mais comuns. Aqueles minerais próximos à superfície da terra que têm o maior teor de ferro são conhecidos como minérios de ferro e são minerados comercialmente.

Minério de ferro é convertido em vários tipos de ferro através de vários processos. O processo mais comum é o uso de um alto-forno para produzir ferro-gusa que é cerca de 92-94% ferro e 3-5% carbono com quantidades menores de outros elementos. Ferro-gusa tem apenas usos limitados, e a maior parte deste ferro vai para uma usina de aço onde é convertido em várias ligas de aço pela redução adicional do teor de carbono e adição de outros elementos como manganês e níquel para dar ao aço propriedades específicas.

História

Historiadores acreditam que os egípcios foram as primeiras pessoas a trabalhar com pequenas quantidades de ferro, há cinco ou seis mil anos. O metal que usavam foi aparentemente extraído de meteoritos. Evidências do que se acredita ser o primeiro exemplo de mineração e fundição de ferro apontam para a antiga cultura hitita no que hoje é Turquia. Como o ferro era um material muito superior para a fabricação de armas e ferramentas do que qualquer outro metal conhecido, sua produção era um segredo rigorosamente guardado. No entanto, a técnica básica era simples, e o uso do ferro espalhou-se gradualmente. Por mais útil que fosse comparado a outros materiais, o ferro tinha desvantagens. A qualidade das ferramentas feitas dele era altamente variável, dependendo da região de onde o minério de ferro era extraído e do método usado para extrair o ferro. A natureza química das mudanças que ocorrem durante a extração não era compreendida; em particular, a importância do carbono para a dureza do metal. Práticas variavam amplamente em diferentes partes do mundo. Há evidências, por exemplo, de que os chineses conseguiam derreter e fundir implementos de ferro muito cedo, e que os japoneses produziam resultados surpreendentes com aço em pequenas quantidades, como evidenciado por espadas herdadas datando de séculos. Avanços semelhantes foram feitos no Oriente Médio e Índia, mas os processos nunca emergiram para o resto do mundo. Por séculos, os europeus careciam de métodos para aquecer o ferro ao ponto de fusão. Para produzir ferro, eles queimavam lentamente minério de ferro com madeira em um forno revestido de argila. O ferro separava-se da rocha circundante mas nunca derretia completamente. Em vez disso, formava uma escória crostosa que era removida a marteladas. Este processo repetido de aquecimento e martelamento misturava oxigênio com o óxido de ferro para produzir ferro, e removia o carbono do metal. O resultado era ferro quase puro, facilmente moldado com martelos e tenazes, mas muito mole para tomar e manter um bom fio. Como o metal era moldado, ou forjado, a martelo, passou a ser chamado ferro forjado.

Ferramentas e armas trazidas de volta à Europa do Oriente eram feitas de um ferro que havia sido derretido e fundido em forma. Retendo mais carbono, o ferro fundido é mais duro que o ferro forjado e mantém um fio de corte. No entanto, também é mais frágil que o ferro forjado. Os ferreiros europeus sabiam que os orientais tinham ferro melhor, mas não os processos envolvidos na moda de produtos de ferro mais fortes. Nações inteiras lançaram esforços para descobrir o processo.

O primeiro avanço europeu conhecido na produção de ferro fundido, que levou rapidamente ao primeiro aço prático, não ocorreu até 1740. Naquele ano, Benjamin Huntsman obteve uma patente para a fusão de material para produção de molas de aço para relojoaria. Nos 20 anos seguintes, o procedimento tornou-se mais amplamente adotado. Huntsman usou um alto-forno para derreter ferro forjado em um cadinho de argila. Então adicionou quantidades cuidadosamente medidas de carvão vegetal puro ao metal derretido. A liga resultante era forte e flexível quando fundida em molas. Como Huntsman estava originalmente interessado apenas em fazer relógios melhores, seu aço de cadinho levou diretamente ao desenvolvimento de cronômetros náuticos, que, por sua vez, tornaram a navegação global possível ao permitir que marinheiros determinassem precisamente sua posição leste/oeste. O fato de ele também ter inventado a metalurgia moderna foi um efeito colateral que ele aparentemente não percebeu.

Matérias-Primas

As matérias-primas usadas para produzir ferro-gusa em um alto-forno são minério de ferro, coque, sinter e calcário. Minérios de ferro são principalmente óxidos de ferro e incluem magnetita, hematita, limonita e muitas outras rochas. O teor de ferro destes minérios varia de 70% até 20% ou menos. Coque é uma substância feita pelo aquecimento de carvão até tornar-se quase carbono puro. Sinter é feito de minério de ferro de grau inferior, finamente dividido, que é torrado com coque e cal para remover grande quantidade de impurezas no minério. Calcário ocorre naturalmente e é fonte de carbonato de cálcio.

Outros metais são às vezes misturados com ferro na produção de várias formas de aço, como cromo, níquel, manganês, molibdênio e tungstênio.

Processo de Extração e Refino do Minério

Antes que o minério de ferro possa ser usado em um alto-forno, deve ser extraído do solo e parcialmente refinado para remover a maioria das impurezas.

Apoiado em suas tenazes longas, o ajudante deste jovem puddler de ferro posou para esta fotografia no início dos anos 1860, quando os Filhos de Vulcano eram um jovem sindicato. (Das coleções do Museu Henry Ford & Greenfield Village.)

Historicamente, o ferro era produzido pelo método de sopro a quente, ou posteriormente, pelo forno de antracito. De qualquer forma, a atividade fundamental na fabricação de ferro envolvia um trabalhador mexendo pequenos lotes de ferro-gusa e cinza até que o ferro separasse da escória. Chamado de "puddling", este era trabalho altamente qualificado, mas também quente, extenuante e perigoso. Exigia muita experiência e uma constituição robusta. Puddlers eram orgulhosos, independentes e bem pagos.

Puddlers fundaram o primeiro sindicato na indústria de ferro e aço, os Filhos de Vulcano, em Pittsburgh em 1858. Em 1876, este sindicato fundiu-se com três outras organizações trabalhistas para formar a Associação Amalgamada de Trabalhadores de Ferro e Aço. Foi este sindicato que Andrew Carnegie derrotou na Greve de Homestead de 1892, deixando o sindicato em frangalhos e a indústria essencialmente desorganizada até os anos 1930.

William S. Pretzer

Extração

• 1 Grande parte do minério de ferro do mundo é extraída através de mineração a céu aberto na qual a Ferro puro é um metal macio, branco-acinzentado. Embora o ferro seja um elemento comum, ferro puro quase nunca é encontrado na natureza. Minerais próximos à superfície da terra que têm o maior teor de ferro são conhecidos como minérios de ferro e são minerados comercialmente. superfície do solo é removida por máquinas pesadas, frequentemente sobre uma área muito grande, para expor o minério abaixo. Em casos onde não é econômico remover a superfície, poços são escavados na terra, com túneis laterais para seguir a camada de minério.

Refino

• 2 O minério extraído é triturado e classificado. Os melhores graus de minério contêm mais de 60% de ferro. Graus inferiores são tratados, ou refinados, para remover vários contaminantes antes que o minério seja enviado ao alto-forno. Coletivamente, estes métodos de refino são chamados de beneficiamento e incluem trituração adicional, lavagem com água para flutuar areia e argila, separação magnética, pelotização e sinterização. À medida que mais do suprimento conhecido de minério de alto teor de ferro do mundo é esgotado, estas técnicas de refino tornaram-se cada vez mais importantes.
• 3 O minério refinado é então carregado em trens ou navios e transportado para o local do alto-forno.

Processo de Fabricação

Carregamento do Alto-Forno

• 1 Após processamento, o minério é misturado com outro minério e vai para o alto-forno. Um alto-forno é uma estrutura em forma de torre, feita de aço, e revestida com tijolos refratários, ou resistentes ao calor. A mistura de matéria-prima, ou carga, entra no topo do alto-forno. No fundo do forno, ar muito quente é soprado, ou insuflado, através de bicos chamados tuéres. O coque queima na presença do ar quente. O oxigênio no ar reage com o carbono no coque para formar monóxido de carbono. O monóxido de carbono então reage com o minério de ferro para formar dióxido de carbono e ferro puro.

Separação do Ferro da Escória

• 2 O ferro derretido afunda para o fundo do forno. O calcário combina com a rocha e outras impurezas no minério para formar uma escória que é mais leve que o ferro e flutua por cima. À medida que o volume da carga é reduzido, mais é continuamente adicionado no topo do forno. O ferro e a escória são retirados separadamente do fundo do forno. O ferro derretido pode ir para um processo de liga adicional, ou pode ser fundido em lingotes chamados "pigs". A escória é levada para descarte.

Tratamento dos Gases

• 3 Os gases quentes produzidos nas reações químicas são retirados no topo e encaminhados a uma planta de limpeza de gás onde são limpos, ou lavados, e enviados de volta ao forno; o monóxido de carbono restante, em particular, é útil às reações químicas que ocorrem dentro do forno.

  Um alto-forno normalmente funciona dia e noite por vários anos. Eventualmente, o revestimento de tijolos começa a desmoronar, e o forno é então desligado para manutenção.

Controle de Qualidade

A operação do alto-forno é altamente instrumentada e monitorada continuamente. Tempos e temperaturas são verificados e registrados. O conteúdo químico dos minérios de ferro recebidos das várias minas são verificados, e o minério é misturado com outro minério de ferro para alcançar a carga desejada. Amostras são retiradas de cada vazamento e verificadas quanto a conteúdo químico e propriedades mecânicas como resistência e dureza.

Subprodutos/Resíduos

Há muitos possíveis efeitos ambientais da indústria do ferro. O primeiro e mais óbvio é o processo de mineração a céu aberto. Vastas extensões de terra são desnudadas até a rocha nua. Hoje, locais de mineração esgotados são comumente usados como aterros sanitários, depois cobertos e paisagísticos. Alguns destes aterros tornam-se problemas ambientais, pois no passado recente, alguns foram usados para descarte de substâncias altamente tóxicas que lixiviaram no solo e água.

O processo de extração de ferro do minério produz grandes quantidades de gases venenosos e corrosivos. Na prática, estes gases são lavados e reciclados. Inevitavelmente, no entanto, pequenas quantidades de gases tóxicos escapam para a atmosfera.

Um subproduto da purificação do ferro é a escória, produzida em enormes quantidades. Este material é largamente inerte, mas ainda deve ser descartado em aterros.

A produção de ferro consome enormes quantidades de carvão. O carvão não é usado diretamente, mas primeiro reduzido a coque que consiste de quase carbono puro. Os muitos subprodutos químicos da coquificação são quase todos tóxicos, mas também comercialmente úteis. Estes produtos incluem amônia, usada em vasta gama de produtos; fenol, usado para fazer plásticos, óleos de corte e antissépticos; cresóis, que entram em herbicidas, pesticidas, farmacêuticos e produtos químicos fotográficos; e tolueno, ingrediente em muitos produtos químicos complexos como solventes e explosivos.

Sucata de ferro e aço — na forma de carros velhos, eletrodomésticos e até edifícios inteiros com estrutura de aço — também são uma preocupação ambiental. A maior parte deste material é reciclada, no entanto, já que sucata de aço é recurso essencial na siderurgia. Sucata que não é reciclada eventualmente se transforma em óxido de ferro, ou ferrugem, e retorna ao solo.

O Futuro

Na superfície, o futuro da produção de ferro — especialmente nos Estados Unidos — parece problemático. Reservas de minério de alta qualidade tornaram-se consideravelmente esgotadas em áreas onde pode ser extraído economicamente. Muitas usinas siderúrgicas de longa data fecharam.

No entanto, estas aparências são enganosas. Novas técnicas de enriquecimento de minério tornaram o uso de minério de baixo grau muito mais atraente, e há um vasto suprimento desse minério. Muitas usinas de aço fecharam nas últimas décadas, mas isso é amplamente porque menos são necessárias. A eficiência dos altos-fornos sozinhos melhorou notavelmente. No início deste século, o maior alto-forno nos Estados Unidos produzia 644 toneladas de ferro-gusa por dia. Acredita-se que em breve a produção possível de um único forno atingirá 4.000 toneladas por dia. Como muitas destas plantas mais modernas foram construídas no exterior, tornou-se em alguns casos mais econômico enviar aço através do oceano do que produzi-lo em plantas antigas dos EUA.