Industria Textil e do Vestuário - Textile Industry - Ano XVI

Como funcionam o ferro e o aço

Fonte:|ciencia.hsw.uol.com.br|

Introdução

Caso tenha que destacar algumas tecnologias que tiveram um grande efeito sobre a sociedade moderna, a produção do ferro e aço deveria estar próxima ao topo da lista. O ferro e o aço estão presentes em uma ampla gama de produtos modernos. Carros, tratores, pontes, trens (e seus trilhos), ferramentas, arranha-céus, armas, navios - até mesmo uma caneca de aço - todos dependem do ferro e do aço para torná-los fortes e baratos. O ferro é tão importante que as sociedades primitivas são avaliadas a partir do ponto em

que aprenderam como obter o ferro e entraram na idade do ferro.

Alguma vez você já pensou como as pessoas produzem o ferro e o aço? Provavelmente já deve ter ouvido falar do minério de ferro, porém, como se extrai um metal de uma rocha? Nesta edição você aprenderá tudo sobre o ferro e o aço.

As vantagens do ferro

O ferro é uma substância incrivelmente útil, por vários motivos:

Relativamente falando - especialmente quando comparado com a madeira ou o cobre - o ferro é extremamente resistente;
Quando aquecido, o ferro é relativamente fácil de dobrar utilizando ferramentas simples;
Ao contrário da madeira, o ferro suporta o calor, de modo que é possível construir produtos como motores a partir dele;
Ao contrário da maioria das substâncias, o ferro pode ser magnetizado, tornando-o útil para a criação de motores elétricos e geradores;
O ferro é abundante - 5 % da crosta terrestre é composta de ferro, e, em algumas áreas, concentra-se em minérios que chegam a conter 70 % de ferro;
É relativamente fácil produzir o ferro com procedimentos simples.

"O ferreiro," de Jefferson David Chalfant

Quando se compara o ferro e o aço com algo como o alumínio, é fácil perceber por que ele foi tão importante historicamente. Para obter o alumínio é necessária uma grande quantidade de energia. Para dar forma ao alumínio é necessário fundi-lo. O ferro é muito mais fácil de trabalhar. O ferro tem sido útil ao homem por milhares de anos, enquanto o alumínio ainda não existia de modo representativo até o século 20 (fato curioso: a pirâmide de 25 cm no topo no Monumento a Washington é feita de alumínio em vez de ouro, pois o ouro valia menos que o alumínio em 1884!).

Um objeto como o rifle de pederneira não poderia ter sido criado sem o ferro. Felizmente, o ferro pode ser obtido com relativa facilidade com procedimentos disponíveis nas sociedades primitivas. Chegará um dia em que seremos tão avançados tecnologicamente que o ferro será completamente substituído pelo alumínio, plástico e produtos como fibra de carbono e fibras de vidro. Porém, atualmente, o modelo econômico ainda oferece uma grande vantagem ao ferro e ao aço sobre essas alternativas muito mais caras.

O único problema real com o ferro e o aço é a ferrugem. Porém a ferrugem pode ser controlada com tinta, galvanização, cromagem ou ânodo sacrificial.

Minério de ferro

O ferro é fabricado a partir do minério de ferro. Ele é simplesmente uma rocha que contém uma alta concentração de ferro.

A disponibilidade de depósitos de minério de ferro deu uma certa vantagem a alguns países entre os séculos 15 e 20. A Inglaterra, os Estados Unidos, a França, a Alemanha, a Espanha e a Rússia, por exemplo, têm bons depósitos de minério de ferro. Quando se pensa na importância histórica de todos estes países fica fácil ver a correlação. O maior produtor atual de minério de ferro é o Brasil - em 2006 o país foi responsável por 22,5% da produção mundial (dados da Unctad).

Os minérios de ferro mais comuns incluem:

Hematita - Fe₂O₃ - 70% de ferro
Magnetita - Fe₃O₄ - 72% de ferro
Limonita - Fe₂O₃ + H₂O - 50% a 66% de ferro
Siderita - FeCO₃ - 48% de ferro

Normalmente, esses minerais são encontrados misturados a rochas que contêm sílica.

Criando o ferro

Como você viu na seção anterior, todos os minérios de ferro contém ferro combinado com oxigênio. Para obter ferro puro, a partir do minério de ferro, é necessário eliminar o oxigênio.

A instalação mais simples para obter o ferro a partir do minério de ferro é chamada forno de lingotamento. Nesse forno, é queimado carvão com minério de ferro e uma boa alimentação de oxigênio (fornecida por um fole ou soprador). O carvão é, essencialmente, carbono puro. O carbono combina-se com o oxigênio para criar dióxido de carbono e monóxido de carbono (liberando uma grande quantidade de calor no processo). O carbono e o monóxido de carbono combinam-se com o oxigênio contido no minério de ferro e levam-no embora, deixando o ferro metálico.

Ouro! Ouro dos trouxas, ou seja...

Pirita, FeS₂

O sulfeto de ferro pirita foi muito confundido com o minério de ouro devido à sua coloração amarelada.

No forno, o fogo não é suficientemente quente para fundir completamente o ferro; então, o resultado final é uma massa esponjosa contendo ferro e silicatos (o bloco). Aquecendo e martelando o bloco, os silicatos vítreos misturam-se ao metal de ferro criando o ferro forjado. O ferro forjado é resistente e fácil de trabalhar, tornando-o perfeito para criar ferramentas.

A maneira mais avançada de fundir o ferro é em um alto forno (consulte esta excelente animação de um alto forno. O alto forno é carregado com minério de ferro, carvão vegetal ou coque (o coque é o carvão feito de hulha) e calcário (CaCO3). Sobram grandes quantidades de ar no fundo do forno. O cálcio contido no calcário combina-se com os silicatos para formar escória. O ferro líquido acumula-se no fundo do forno juntamente com uma camada de escória na parte superior. Periodicamente, o ferro líquido é liberado para fluir e esfriar.

O ferro líquido geralmente flui para um canal com entalhes em um leito de areia. Quando frio, esse metal é conhecido como ferro-gusa.

Para obter uma tonelada de ferro-gusa, inicia-se com duas toneladas de minério, uma tonelada de coque e meia tonelada de calcário. O fogo consome cinco toneladas de ar. A temperatura atinge quase 1600 ºC (aproximadamente 2900 ºF) no centro do alto forno.

O ferro-gusa contém de 4 a 5 % de carbono e é tão duro e quebradiço que é praticamente inútil. Podem ser feitas algumas coisas com o ferro-gusa:

Fundindo-o, misturando-o com escória e martelando-o para eliminar a maior parte do carbono (chegando a 0,3 %) é obtido o ferro forjado. O ferro forjado é o material utilizado pelo ferreiro para criar ferramentas, ferraduras, etc. Quando aquecido, o ferro forjado é maleável, dobrável, soldável e muito fácil de trabalhar.
É a matéria prima para o aço.

Produção do aço

Aço é o ferro onde foi removida a maior parte das impurezas. O aço também possui uma certa concentração de carbono (0,5 % a 1,5 %) As impurezas como a sílica, o fósforo e o enxofre enfraquecem muito o aço, então devem ser eliminadas. A vantagem do aço sobre o ferro é o aumento de sua resistência.

O forno Siemens-Martin é uma das maneiras de produzir aço a partir de ferro-gusa. O ferro-gusa, o calcário e o minério de ferro são colocados em um forno Siemens-Martin. Este é aquecido a aproximadamente 871 ºC (1600 ºF). O calcário e o minério formam uma escória que flutua na superfície. As impurezas, incluindo o carbono, são oxidadas e migram do ferro para a escória. Quando o teor de carbono está correto, você terá aço-carbono.

Outra maneira de produzir aço a partir de ferro-gusa é o Processo Bessemer.

As aciarias mais modernas utilizam o chamado forno básico insuflado com oxigênio para produzir aço. A vantagem é que esse é um processo rápido - aproximadamente 10 vezes mais rápido que o forno Siemens-Martin.

Neste ponto pode ser adicionada uma grande variedade de metais ao aço para criar diversas propriedades. Por exemplo, a adição de 10 a 30 % de cromo, cria o aço inoxidável, que é muito resistente à ferrugem. A adição de cromo e molibdênio cria o aço cromo-molibdênio, que é resistente e leve.

Quando se pensa sobre isso, existem dois fatos na natureza que facilitaram a rápida evolução dos humanos. O primeiro é a grande disponibilidade de algo tão útil quanto o minério de ferro. O segundo é a disponibilidade de uma grande quantidade de petróleo e carvão para fornecer energia para a produção de ferro. Esta é uma coincidência afortunada, pois sem o ferro e a energia, não teríamos chegado tão longe quanto chegamos.

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