I. O que é Ferro e Aço

O ferro e o aço são ligas compostas de ferro (Fe), carbono (C), silício (Si), manganês (Mn), fósforo (P), enxofre (S) e pequenas quantidades de outros elementos. Dentre estes, exceto o ferro (Fe), o teor de carbono desempenha um papel importante na determinação das propriedades mecânicas do ferro e do aço, por isso são coletivamente chamados de ligas ferro-carbono. Eles são os materiais metálicos mais importantes e amplamente utilizados na tecnologia de engenharia.

2. Significado do Aço

O aço é uma liga de ferro-carbono com um teor de carbono variando de 0,03% a 2%. O aço carbono é o aço comum mais utilizado, apresentando fácil fusão e processamento. De acordo com a diferença no teor de carbono, o aço carbono é ainda dividido em aço de baixo carbono, aço de médio carbono e aço de alto carbono. O aço liga, também chamado de aço especial, é feito pela adição de um ou mais elementos de liga ao aço carbono para alterar a microestrutura e as propriedades do aço. Os elementos de liga comuns adicionados ao aço incluem Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti, etc.

3. Significado do Ferro Gusa

Ligas de ferro-carbono com um teor de carbono entre 2% e 4,3% são chamadas de ferro-gusa. O ferro-gusa é duro e quebradiço, e possui boa resistência à pressão e resistência ao desgaste. Ele é dividido em ferro fundido branco, ferro fundido cinza e ferro dúctil. O ferro fundido branco tem uma aparência prateada e branca, é duro e quebradiço, e não pode ser usinado; é uma matéria-prima para a fabricação de aço, por isso também é chamado de ferro-gusa para fabricação de aço. O ferro fundido cinza tem uma fratura prateada e cinza, é fácil de cortar e fundir, e possui boa resistência ao desgaste. O ferro dúctil tem propriedades próximas às do aço. Ferro fundido especial pode ser obtido adicionando elementos de liga especiais ao ferro fundido.

II. Processo de Produção de Ferro e Aço

O processo moderno de fundição de ferro e aço envolve a fusão de minério de ferro em ferro-gusa em um alto-forno, vertendo o ferro fundido em um conversor ou forno elétrico para fundir em aço, em seguida, moldando o aço fundido em lingotes contínuos ou lingotes de aço, e processando-os em produtos de aço para diversos fins através de métodos de deformação plástica, como laminação.

2. Usinas Integradas de Ferro e Aço

Uma siderúrgica integrada geralmente inclui elos de produção, como processamento de matérias-primas, fabricação de ferro, fabricação de aço, laminação de aço, fornecimento de energia e transporte. É um sistema de produção complexo e em grande escala. A maioria das empresas de ferro e aço na China são essas empresas integradas de processo completo.

III. Matérias-primas e Processo de Fabricação de Ferro

Os principais matérias-primas para a fusão em alto-forno incluem minério de ferro (minério rico natural e minério rico artificial), combustível (coque e combustível injetado) e fundente (calcário e dolomita). Para fundir uma tonelada de ferro-gusa, são necessárias aproximadamente 1,60-1,65 toneladas de minério de ferro com um teor de 63%, 0,3-0,6 toneladas de coque e 0,2-0,4 toneladas de fundente.

2. Processo de Fabricação de Ferro

A fabricação de ferro em alto-forno é um método tradicional de fabricação de ferro baseado no coque como fonte de energia. Cooperado com a fabricação de ferro em conversor, é atualmente o principal método para a produção de ferro. Espera-se que a posição de liderança da fabricação de ferro em alto-forno não mude por um longo período. A essência da fabricação de ferro em alto-forno é um processo de redução de ferro, no qual o coque atua como combustível e agente redutor para reduzir o ferro a partir de minério de ferro ou matérias-primas contendo ferro do estado óxido ou mineral para ferro fundido líquido a altas temperaturas.

3. Fluxo do Processo de Fabricação de Ferro

Durante o processo de fusão, a carga do forno (minério, fundente, coque) é carregada em lotes no forno a partir do topo através de equipamentos de carga em uma proporção determinada. O ar quente de alta temperatura soprado a partir dos tuyères inferiores reage com o coque para gerar gás redutor de alta temperatura, que sobe e aquece, reduz, derrete e forma escória a partir da carga do forno, desencadeando uma série de mudanças físicas e químicas. Finalmente, a escória líquida e o ferro se acumulam no fundo do forno e são periodicamente descarregados do alto-forno. Durante o processo de subida, a temperatura do fluxo de gás diminui continuamente e sua composição muda gradualmente, e finalmente, o gás do alto-forno é formado e descarregado do topo do forno.

IV. Matérias-Primas e Processo de Fabricação de Aço

Descarburação → desfosforização → desulfurização → desoxidação → desnitrificação, desidrogenação, etc. → remoção de inclusões não metálicas → ligações → aumento de temperatura → solidificação e formação.

2. Princípio da Siderurgia e Matérias-Primas

O processo de fabricação de aço é um processo de oxidação. O principal método para remover impurezas é soprar oxigênio na poça fundida e adicionar agentes formadores de escória para formar escória fundida para remoção. A reação de descarbonização é o principal meio do processo de fabricação de aço, e elementos como silício, manganês, fósforo e enxofre também são removidos através de reações de oxidação. As matérias-primas para a fabricação de aço incluem ferro-gusa, sucata de aço, fundentes (calcário), desoxidantes (ferrossilício, ferromanganês, alumínio, etc.) e materiais de liga.

3. Processo de Fabricação de Aço

Pré-tratamento de metal quente → conversor ou fabricação de aço em forno de arco elétrico → refino secundário (refino em panela) → fundição contínua.

V. Processos de Fabricação de Aço (Links Chave)

A fundição contínua de aço é um processo que funde continuamente o aço líquido em lingotes de aço através de um fundidor contínuo. Em comparação com a fundição em lingote, a fundição contínua apresenta as seguintes vantagens: processo simplificado e economia de energia; taxa de corte de cabeçote de lingote reduzida, com rendimento metálico 7-12% superior ao da fundição em lingote; solidificação eficiente; e formação otimizada.

O fluxo do processo de fundição contínua é o seguinte: O aço fundido é injetado no molde através de um tundish e rapidamente resfriado para formar uma casca solidificada com uma certa espessura, enquanto o interior permanece líquido (bilhete semi-sólido). A parte inferior do bilhete está conectada a uma barra de teste que se estende até o fundo do molde. Após o início da fundição, a máquina de retirada do bilhete puxa o bilhete no molde a uma certa velocidade através da barra de teste. Quando o bilhete passa pela zona de resfriamento secundário da fundição contínua, ele é resfriado ainda mais por pulverização de água até que esteja completamente solidificado. Após a solidificação completa, o bilhete é endireitado por um endireitador, cortado em comprimentos especificados e transportado para fora através de um transportador.

2. Laminação de Aço

O processo de laminação é um processo em que o atrito entre a peça laminada e os rolos puxa a peça laminada para o espaço entre os rolos que giram em direções diferentes, fazendo com que ela sofra deformação plástica. Um processo geral de laminação de aço pode ser dividido em: forno de aquecimento, laminação grossa, laminação intermediária, laminação de acabamento e acabamento.

VI. Propriedades Mecânicas do Ferro e do Aço (Indicadores Chave)

O ferro e o aço possuem boas propriedades físicas, mecânicas e tecnológicas, com seis indicadores-chave a seguir:

Quando um material ou amostra de aço é esticado, se a tensão exceder o limite elástico, o material ou amostra de aço continuará a sofrer uma deformação plástica óbvia, mesmo que a tensão não aumente mais. Esse fenômeno é chamado de fluência, e o valor mínimo de tensão no qual ocorre a fluência é o ponto de escoamento.

2. Limite de Esforço

O ponto de escoamento de alguns materiais metálicos não é óbvio, tornando a medição difícil. Portanto, para medir as características de escoamento dos materiais, a tensão que causa deformação plástica residual permanente até atingir um determinado valor (geralmente 0,2% do comprimento original) é definida como a resistência ao escoamento condicional, ou simplesmente resistência ao escoamento.

3. Resistência à Tração

O valor máximo de tensão alcançado desde o início do alongamento até a fratura do material. Ele representa a capacidade do aço de resistir à fratura. Correspondendo à resistência à tração, também existem resistência à compressão, resistência à flexão, etc.

4. Alongamento

A porcentagem do comprimento de alongamento plástico do aço após a fratura em relação ao comprimento original da amostra é chamada de alongamento ou porcentagem de alongamento.

5. Taxa de Rendimento

A razão do ponto de escoamento (resistência ao escoamento) do aço em relação à sua resistência à tração é chamada de razão de escoamento. Quanto maior a razão de escoamento, maior a confiabilidade das partes estruturais. Geralmente, a razão de escoamento do aço carbono é de 0,6-0,65, a do aço estrutural de baixo liga é de 0,65-0,75, e a do aço estrutural de liga é de 0,84-0,86.

6. Dureza

A dureza refere-se à capacidade de um material de resistir à indentação de um objeto duro em sua superfície. É um dos importantes indicadores de desempenho dos materiais metálicos. Geralmente, quanto maior a dureza, melhor a resistência ao desgaste. Os indicadores de dureza comuns incluem dureza Brinell, dureza Rockwell e dureza Vickers.

VII. Fatores que Afetam as Propriedades do Ferro e do Aço

Influência da Composição Química nas Propriedades do Ferro e Aço

O carbono é o elemento mais importante, segundo apenas ao ferro. À medida que o teor de carbono aumenta, a resistência do aço aumenta, enquanto a plasticidade e a tenacidade (especialmente a tenacidade ao impacto a baixa temperatura) diminuem. Ao mesmo tempo, a soldabilidade, a resistência à corrosão e o desempenho de dobra a frio são significativamente reduzidos. Portanto, o teor de carbono do aço estrutural geralmente não é superior a 0,22%, e o de estruturas soldadas deve ser inferior a 0,2%.

2. Manganês

O manganês é um desoxidante fraco. Um conteúdo apropriado de manganês pode melhorar efetivamente a resistência do aço e eliminar o efeito de fragilidade a quente do enxofre e do oxigênio no aço, sem reduzir significativamente a plasticidade e a tenacidade do aço. O teor de manganês no aço estrutural de carbono é de 0,3%-0,8%, e no aço de baixo liga é geralmente de 1,0%-1,7%.

3. Silício

O silício é um forte desoxidante. Um conteúdo adequado de silício pode melhorar a resistência do aço sem efeitos adversos óbvios na plasticidade, tenacidade, desempenho de dobra a frio e soldabilidade. No entanto, quando o conteúdo de silício é muito alto, ele reduzirá a plasticidade, tenacidade, resistência à corrosão e soldabilidade do aço.

4. Vanádio, Nióbio, Titânio

Vanádio, nióbio e titânio podem refinar o tamanho dos grãos do aço. Os aços de baixo liga na China contêm todos esses três elementos. Como elementos de liga além do manganês, eles podem não apenas melhorar a resistência do aço, mas também manter boa plasticidade e tenacidade.

5. Oxigênio, Nitrogênio

O oxigênio e o nitrogênio também são impurezas prejudiciais, que podem entrar no metal a partir do ar quando o metal está em estado fundido. O oxigênio pode causar fragilidade a quente do aço, e seu efeito é mais intenso do que o do enxofre; o nitrogênio pode causar fragilidade a frio do aço, semelhante ao fósforo.

VIII. Classificação do Ferro e Aço

Aço comum (P ≤ 0,045%, S ≤ 0,05%)

Aço de alta qualidade (tanto P quanto S ≤ 0,035%)

Aço de alta qualidade (P ≤ 0,035%, S ≤ 0,03%)

2. Classificação por Composição Química

Aço Carbono

Aço de baixo carbono (C ≤ 0,25%)

Aço de carbono médio (C: 0,25%-0,6%)

Aço de alto carbono (C > 0,6%)

Aço Liga

Aço de baixo liga (teor total de elementos de liga ≤ 5%)

Aço de liga média (conteúdo total de elementos de liga: 5%-10%)

Aço de alta liga (conteúdo total de elementos de liga > 10%)