FERRO, FERRO-GUSA E AÇO

Obtenção e aplicações

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Abstract

Em breve farei a revisão deste artigo.

INTRODUÇÃO

Mesmo que o núcleo da Terra seja formado de níquel (Ni) e ferro (Fe) este último perde em abundância na crosta terrestre quando comparado aos elementos oxigênio (O), silício (Si) e alumínio (Al). Na indústria é impossível falar do ferro sem lembrar da liga metálica chamada de aço, com sua dureza e tenacidade. O ferro é importante para a vida, no transporte de oxigênio (O 2 ) em nosso organismo, e com propriedades magnéticas encontrada em poucos elementos como estudaremos a seguir, agora nós exploraremos este elemento, sua obtenção e aplicações.

POSIÇÃO NA TABELA PERIÓDICA

Após algumas mudanças na tabela periódica proposta por Mendeleev, os elementos ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), rutênio (Ru), ródio (Rh), paládio (Pd), ósmio (Os), irídio (Ir) e platina (Pt) formavam o grupo VIIIB.

Tabela 1:Elementos do Grupo VIIIB

Fe Co Ni
Ru Rh Pd
Os Ir Pt

Porém, para estes elementos as semelhanças horizontais são mais pronunciadas do que em qualquer outra região da tabela periódica, assim, podemos dividir o antigo grupo VIIIB, segundo Mendeleev em dois grupos:

Tabela 2:Elementos Ferrosos

Fe Co Ni

Estes três elementos apresentam magnetismo.

Tabela 3:Grupo da Platina

Ru Rh Pd
Os Ir Pt

Na tabela periódica atual o grupo VIIIB foi dividido em três grupos: grupo do ferro (grupo 8), grupo do cobalto (grupo 9) e grupo do níquel (grupo 10).Mas, como o nosso objetivo neste artigo é estudar o elemento ferro iremos enfatizar algumas de suas características.

CARACTERÍSTICAS DO FERRO (Fe)

Segundo Lee (2005): “O ferro é o mais utilizado de todos os metais, e a fabricação de aço é de extrema importância em todo o mundo. Também para as plantas e animais o ferro é o mais importante dos metais de transição. Sua importância biológica reside na sua função no transporte de elétrons em plantas e animais (…), no transporte de oxigênio no sangue de animais mamíferos, no armazenamento de oxigênio na mioglobina, e como componente da nitrogenase (a enzima das bactérias fixadoras de nitrogênio).” Assim, fica bem claro a importância do ferro aos seres vivos.

ABUNDÂNCIA E MINÉRIOS DE FERRO

Quarto elemento em abundância na crosta terrestre, sendo o segundo metal mais abundante, veja a tabela a seguir.

Tabela 4:Abundância de Alguns Elementos na Crosta Terrestre

Posição Elemento Símbolo Abundância / ppm
Oxigênio O 455.000
Silício Si 272.000
Alumínio Al 83.000
Ferro Fe 62.000
Cálcio Ca 46.660
Magnésio Mg 27.640
Sódio Na 22.700
Potássio K 18.400
Titânio Ti 6.320
10º Hidrogênio H 1.520

Fonte: Lee, J. D. Química Inorgânica (Não Tão) Concisa.

O ferro pode ser obtido a partir de diversos minérios: hematita (Fe 2 O 3 ), a magnetita (Fe 3 O 4 ou FeO.Fe 2 O 3 ), a limonita (FeO(OH)), siderita (FeCO 3 ) e pirita (FeS). Este último tem um aspectro metálico amarelo e também é conhecido como “ouro dos tolos”, porque muitas vezes é confundida com minério de ouro.

OBTENÇÃO DO FERRO
O aquecimento, em sistema fechado, da hulha, um tipo de carvão mineral, produz o coque. Abraham Derby desenvolveu, em 1773, um método utilizando coque para a produção de ferro, até então era utilizado carvão vegetal.

Segundo Lee (2005): “O ferro é extraído de seus óxidos num alto-forno, um forno quase cilíndrico revestido com tijolos refratários. Funciona continuamente e opera no princípio da contra-corrente. Pelo topo ele é carregado com minério de ferro, um agente redutor (o coque) e substâncias formadoras de escória (carbonato de cálcio). A quantidade de CaCO 3 varia em função da quantidade de silicatos presentes nos minérios. O ar é soprado a partir do fundo do alto-forno. O coque queima produzindo calor e CO. A temperatura do forno é de cerca de 2000ºC no ponto de entrada do ar, decresce para 1500ºC no fundo e 200ºC no topo do forno. O óxido de ferro é reduzido a ferro principalmente pelo CO (embora ocorra talvez alguma redução provocada pelo C). O ferro em estado de fusão dissolve de 3 a 4% de C do coque, formando ferro-gusa. O ponto de fusão do ferro puro é de 1535ºC. As impurezas presentes no ferro-gusa abaixam o ponto de fusão do ferro, possivelmente até 1015ºC (a temperatura eutética) no caso da presença de 4,3% de C. O ferro fundido é coletado no centro do fundo do alto-forno.”Veja a figura seguinte:

Figura 1:Operação de um alto-forno.

Fonte: Soldagem, Metalurgia e Ciência de Materiais .

O CaCO 3 produz CaO que reage com as impurezas produzindo uma mistura de silicatos, a escória, que flutua sobre o ferro fundido, protegendo-o da oxidação. O teor de carbono no ferro-gusa deixa-o muito duro, porém quebradiço. Na tabela seguinte temos o teor de carbono em alguns tipos de aço.

Tabela 5: Teor de carbono em vários tipos de aço

Teor de C / % Tipo de aço
0,15 a 0,3 aço doce
0,3 a 0,6 aço médio
0,6 a 0,8 aço-carbono(aço duro)
0,8 a 1,4 aço-ferramenta

Fonte: Lee, J. D. Química Inorgânica (Não Tão) Concisa.

Retirando o carbono do ferro-gusa produz-se o aço, o teor de carbono no aço não pode ser superior a 2%, assim ele torna-se menos quebradiço, permitindo sua utilização em um torno mecânico, mas reduz um pouco a sua dureza. Se o aço tem baixo teor de carbono ele é chamado de aço doce, se tiver alto teor de carbono ele é chamado de aço duro. Veja na tabela seguinte algumas impurezas presentes no ferro-gusa e no aço doce.

Tabela 6:Impurezas típicas que podem estar presentes em

ferro-gusa e aço doce.

Impureza Ferro-gusa / % Aço doce / %
C 3 a 4,3 0,15
Si 1 a 2 0,03
P 0,05 a 2 0,05
S 0,05 a 1 0,05
Mn 0,5 a 2 0,5

Fonte:Lee, J. D. Química Inorgânica (Não Tão) Concisa.

As reações descrita anteriormente podem ser representadas como a seguir:

O gás oxigênio quando entra na parte inferior do alto-forno reagem com o carbono do coque e produz monóxido de carbono.

2C + O 2 → 2CO

Este CO produzido atravessa o alto-forno participando como agente redutor em diversas reações.

No topo do alto-forno, onde a temperatura é menor ocorre as reações:

3Fe 2 O 3 + CO→ 2Fe 3 O 4 + CO 2 (400ºC)

Fe 3 O 4 + CO→ 3FeO + CO 2 (400ºC)

Entre 500 e 600ºC ocorre a conversão de parte do CO em CO 2 .

2CO→ C + CO 2

Outras reações ocorrem conforme nos aprofundamos no alto-forno, lembre-se que quanto mais fundo maior a temperatura do alto-forno.

FeO + CO→ Fe + CO 2 (800ºC)

CaCO 3 → CaO + CO 2 (900ºC)

FeO + CO→ Fe + CO 2 (1000ºC)

CO 2 + C→ 2CO(1000ºC)

Caso algum CO 2 tenha se formado quando ocorreu a adição de ar, este é convertido a CO que, como indicado anteriormente, é o agente redutor de diversas reações no alto-forno.

Na temperatura de 1800ºC também podemos citar:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3

FeS + CaO + C→ Fe + CaS + CO

MnO + C→ Mn + CO

SiO 2 + 2C→ Si + 2CO

Segundo Lee (2005): “Um alto-forno moderno pode ter até 40m de altura e 15m de diâmetro no fundo, podendo produzir 10 4 tonelada de ferro-gusa por dia.”

A composição da escória que recobre o ferro-gusa dependerá dos minerais utilizados no processo e do ferro-gusa produzido, mas uma composição possível é a encontrada na tabela a seguir.

Tabela 7:Composição Química da Escória do Alto-Forno

Arcelor Mittal Tubarão (Valores de Referência).

Composto Teor / %
CaO 41,60
Al 2 O 3 12,42
SiO 2 33,65
MgO 7,95
TiO 0,73
FeO 0,45

Fonte:Arcelor Mittal Tubarão

Podemos perceber que a maior parte da escória é formada por óxidos de cálcio, alumínio e silício, também percebemos que há baixo teor de FeO na escória, indicando que praticamente todo o ferro adicionado ao alto-forno realmente é convertido em ferro-gusa.

FABRICAÇÃO DO AÇO

Segundo Lee (2005): “Fabrica-se o aço removendo do ferro-gusa a maior parte do C e outras impurezas. O processo envolve a fusão e oxidação do C, Si, Mn e P presentes no ferro-gusa, de modo tal que as impurezas sejam eliminadas como gases ou convertidas em escória”. Diversos métodos já foram utilizados na produção de aço: Pudlagem, Processo Bessemer e Thomas (1855), Processo Siemens-Martin, Processo Siemens do Arco Voltaíco. Estes métodos estudaremos em uma outra oportunidade. Neste momento daremos ênfase ao Processo básico de oxigênio (BOP).

Processo Básico de Oxigênio (BOP)

Geralmente a fabricação ocorre logo após a produção do ferro-gusa, este é transportado, despejado em um forno e adicionado calcário, em seguida o oxigênio puro é injetado para reagir com as impurezas presentes do ferro-gusa. É importante ressaltar que neste forno não se utiliza aquecimento externo, porque a própria reação do oxigênio com as impurezas do ferro-gusa libera o calor necessário para manter o material em estado líquido. Após esta etapa é obtido o aço que pode ser derramado em moldes para a formação de lingotes. Lee (2005) cita três vantagens do uso de O 2 na obtenção de aço: “(1)Há uma conversão mais rápida em aço, de modo que aumenta a produção diária de uma usina. (2)Podem ser manuseadas quantidades maiores (…) [300 toneladas de ferro-gusa são convertidas em aço em 40min]. (3)Fornece um produto mais puro e com superfície isenta de nitreto”. O nitreto, citado anteriormente, é produzido quando utiliza-se ar comprimido no lugar de oxigênio puro, aplicado ao Processo Bessemer e Thomas.

COMO CITAR ESTE ARTIGO

Teixeira, F. M. B. Ferro:Obtenção e aplicações [internet].

Knol. Disponível em: < http://knol.google.com/k/francisco-teixeira/ferro/1cj9b3aczk232/1 >.

OUTROS LINKS

Tabela Periódica

Tabela Periódica – 22 de junho de 2007 (apresentado o novo elemento, copernício, Cn)

http://www.cst.com.br/usina/fluxo_producao/popfluxo.htm

(Fluxograma completo da usina de Arcelor Mittal Tubarão)

BIBLIOGRAFIA

Lee, J. D.

Química Inorgânica (Não Tão) Concisa. 4ª Ed. São Paulo: Edgard Blücher. 2005.

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