O aço é um dos materiais de engenharia mais essenciais no fabrico moderno. As suas propriedades são determinadas pela composição química, pureza, reacções metalúrgicas, comportamento de solidificação e subsequente processamento termo-mecânico. Para designers e engenheiros de produção, compreender como o aço é produzido ajuda a tomar melhores decisões na seleção de materiais, viabilidade de fundição e avaliação de custos.
O que é o aço?
O aço é uma liga à base de ferro contendo 0,02-2,1% de carbono, com elementos de liga adicionais como o crómio, o níquel, o molibdénio, o manganês, o vanádio ou o nióbio, dependendo dos requisitos de desempenho. As suas propriedades finais são influenciadas não só pela composição, mas também pelo teor de oxigénio, pela morfologia das inclusões, pela estrutura do grão e pelo historial do tratamento térmico. A produção de aço é, por conseguinte, um sistema centrado na conceção da composição, no controlo da pureza e na engenharia da microestrutura.
Breve história da produção de aço
Desde a introdução do conversor de Bessemer no século XIX, a produção de aço substituiu o ferro forjado e evoluiu para um sistema metalúrgico moderno com duas vias principais de matérias-primas:
- Rota do minério: O minério de ferro é reduzido a metal quente num alto-forno e depois refinado num forno básico de oxigénio (BOF) para uma rápida descarbonetação.
- Rota baseada em sucata: A sucata de aço ou o ferro de redução direta (DRI) é fundido e a sua composição é ajustada num forno de arco elétrico (EAF), oferecendo uma maior flexibilidade e o potencial para reduzir as emissões de carbono.
Com o avanço da metalurgia com baixo teor de carbono, O DRI tornou-se uma unidade de ferro cada vez mais importante para a rota EAFO processo de fabrico do aço começa no BOF ou EAF, onde as reacções metalúrgicas críticas - descarbonetação, remoção de impurezas e controlo da composição - determinam a pureza fundamental do aço e a estabilidade do processo. Independentemente do material de partida, o processo de fabrico do aço começa no BOF ou EAF, onde as reacções metalúrgicas críticas - descarbonetação, remoção de impurezas e controlo da composição - determinam as propriedades fundamentais do aço final.
Como é que o aço é fabricado?
A produção moderna de aço consiste em três fases principais: produção primária de aço, produção secundária de aço e fundição/solidificação. Em conjunto, estes determinam a estrutura da liga, o nível de pureza e a estrutura interna do produto final de aço.
Produção primária de aço
A produção primária de aço transforma o metal quente ou a sucata em aço fundido com a química de base necessária, removendo o carbono, o silício, o fósforo, o enxofre e outras impurezas. Esta fase estabelece a estrutura fundamental da liga.
Na via baseada no minério, o forno básico de oxigénio (BOF) utiliza oxigénio de alta pureza para obter uma descarbonetação rápida, o que o torna o método dominante para a produção de aço-carbono e de tipos de baixa liga.
No percurso baseado na sucata, o forno de arco elétrico (FEA) funde sucata através de arcos eléctricos a alta temperatura e oferece um ajuste flexível da liga, tornando-o adequado para aços inoxidáveis e composições de alta liga.
Ferro reduzido diretamente (DRI) é produzido através da redução do minério de ferro com gás natural ou hidrogénio no estado sólido. Devido ao seu baixo teor de impurezas e à sua química estável, é frequentemente utilizado como uma fonte de ferro de alta qualidade em operações de FEA para aumentar a pureza do aço e a consistência do processo. Com o aumento da metalurgia com baixo teor de carbono, o DRI + rota EAF está a expandir-se rapidamente.
Siderurgia secundária
Após a produção primária de aço, o aço fundido tem a composição básica correta, mas requer uma purificação adicional para atingir um baixo teor de inclusão, baixos níveis de gás e propriedades mecânicas estáveis. A produção secundária de aço é a fase crítica para o controlo da pureza e a consistência do desempenho.
Os tratamentos típicos da metalurgia em panela incluem desoxidação, dessulfuração, desgaseificação, refinação de escórias e engenharia de inclusão. Estes processos melhoram significativamente a tenacidade, a soldabilidade e a resistência à fadiga.
Esta fase inclui também corte preciso da liga metálicaonde são adicionados elementos como Cr, Ni, Mo, V e Nb para satisfazer requisitos mecânicos e de aplicação específicos.
Fundição e solidificação
O aço fundido refinado é normalmente moldado através de vazamento contínuoO processo de solidificação determina a qualidade interna do aço, incluindo a densidade, a segregação, o comportamento de retração e a uniformidade do grão. O processo de solidificação determina a qualidade interna do aço, incluindo a densidade, a segregação, o comportamento de contração e a uniformidade do grão.
Após a solidificação, o aço é submetido a laminagem a quente ou a frio para refinar a estrutura do grão, melhorar a precisão dimensional e melhorar a qualidade da superfície, resultando em produtos de aço acabados prontos para aplicações de fabrico e maquinagem.
Principais tipos de aço
Os tipos de aço são geralmente classificados em três grandes categorias:
- Aço carbono: A resistência e a dureza são controladas principalmente pelo teor de carbono; amplamente utilizado em aplicações estruturais e mecânicas.
- Aço de liga leve: Contém Cr, Ni, Mo, Mn, V ou outros elementos de liga para melhorar a temperabilidade, a resistência ao desgaste e o desempenho a altas temperaturas.
- Aço inoxidável: Contém pelo menos 10,5% de crómio, formando uma película passiva que proporciona uma excelente resistência à corrosão.
Caraterísticas de desempenho do aço
O desempenho do aço é determinado pela sua composição química, pureza, microestrutura, comportamento de solidificação e tratamento térmico subsequente. As principais propriedades de engenharia incluem:
- Força e resistência: Ajustável numa vasta gama através do teor de carbono, da liga e do tratamento térmico, suportando classes estruturais de uso geral e de alta resistência.
- Resistência ao desgaste e dureza: Fortemente relacionado com o teor de carbono, a temperabilidade e as fases microestruturais, como a perlite ou a martensite.
- Soldabilidade e maquinabilidade: Influenciado pelos níveis de enxofre e fósforo, morfologia da inclusão e tamanho do grão, que afectam a estabilidade do processo e a facilidade de fabrico.
- Resistência à corrosão: Os elementos de liga como o crómio, o níquel e o molibdénio aumentam significativamente a resistência à humidade, às condições marítimas e à exposição química.
Em conjunto, estas propriedades permitem que o aço seja utilizado em aplicações que exigem resistência, durabilidade e desempenho previsível sob cargas e ambientes variáveis.
Aplicações do aço
Devido à sua resistência, ductilidade, capacidade de fabrico e eficiência de custos, o aço é utilizado em quase todos os principais sectores industriais, incluindo:
- Engenharia de estruturas: Vigas, pilares, secções de pontes e estruturas de suporte de pressão.
- Componentes mecânicos: Veios, engrenagens, flanges, conectores e peças maquinadas com precisão.
- Transporte: Chassis de automóveis, estruturas de construção naval, sistemas ferroviários e equipamento de transporte pesado.
- Energia e indústria pesada: Estruturas de turbinas eólicas, componentes de produção de energia, conjuntos de alta temperatura e equipamento de petróleo e gás.
- Peças fundidas em aço: Alojamentos de bombas, corpos de válvulas, componentes resistentes ao desgaste, suportes e invólucros que requerem elevada resistência e resistência ao impacto.
Na engenharia prática, a seleção do aço é determinada pelo desempenho necessário, pelos percursos de fabrico, pelos objectivos de custo e pelo ambiente de funcionamento do componente final.
Perguntas comuns sobre o aço
O aço é magnético?
A maioria dos aços ao carbono e dos aços de baixa liga são magnéticos porque a sua microestrutura contém ferrite.
Os aços inoxidáveis austeníticos (como o 304 e o 316) são geralmente não magnéticos ou fracamente magnéticos, dependendo da quantidade de trabalho a frio e da transformação de fase.
O aço enferruja?
Sim. Sem crómio suficiente (≥10,5%) para formar uma película passiva estável, o aço sofre corrosão na presença de humidade e oxigénio.
Os aços inoxidáveis resistem à ferrugem através da sua camada passiva de óxido de crómio, mas podem ainda corroer em ambientes ricos em cloretos ou a altas temperaturas.
O aço 100% é ferro puro?
Não. O ferro puro é raramente utilizado em aplicações de engenharia.
O aço é um sistema de ligas complexas composto por ferro + carbono (0,02-2,1%) + outros elementos de ligae o seu desempenho depende da conceção da composição, do controlo da pureza e do processamento metalúrgico - e não apenas do teor de ferro.
Conclusão
A produção de aço é um processo metalúrgico altamente controlado e cada fase influencia diretamente a qualidade, a pureza e o desempenho do material final.
A produção primária de aço estabelece a composição química fundamental, a produção secundária de aço refina o aço fundido através da desoxidação, dessulfuração, desgaseificação e controlo de inclusões, e a fundição determina a estrutura de solidificação que rege a densidade, segregação e solidez interna.
Para engenheiros e fabricantes, compreender como o aço é feito fornece uma base mais sólida para a seleção de materiais, viabilidade de fundição, planeamento de tratamentos térmicos e avaliação de desempenho a longo prazo. Ao avaliar projectos de fundição de aço, selecionar o grau apropriado, confirmar rotas de fundição viáveis e antecipar requisitos de maquinação ou de ambiente de serviço, tudo depende de uma compreensão clara destes princípios metalúrgicos.
Se estiver a considerar uma aplicação de fundição de aço, sinta-se à vontade para Carregue os seus desenhos ou contacte a nossa equipa de engenharia. Podemos apoiá-lo com recomendações de materiais, seleção de processos e uma avaliação DFM detalhada e adaptada ao seu projeto.
