História de aço da Idade do Ferro aos fornos de arco elétrico

O desenvolvimento do aço pode ser rastreado 4000 anos até o início da Idade do Ferro. Provando ser mais difícil e forte do que o bronze, que anteriormente era o metal mais utilizado, o ferro começou a deslocar o bronze em armas e ferramentas.

No entanto, para os próximos mil anos, a qualidade do ferro produzido dependeria tanto do minério disponível quanto dos métodos de produção.

No século 17, as propriedades do ferro eram bem compreendidas, mas a crescente urbanização na Europa exigia um metal estrutural mais versátil.

Ao longo do século 19, a quantidade de ferro consumida pela expansão das ferrovias proporcionava aos metalúrgicos o incentivo financeiro para encontrar uma solução para a fragilidade do ferro e processos de produção ineficientes.

No entanto, o principal avanço da história do aço ocorreu em 1856, quando Henry Bessemer desenvolveu uma forma eficaz de usar oxigênio para reduzir o teor de carbono no ferro: a indústria do aço moderna nasceu.

A Era do Ferro

A temperaturas muito altas, o ferro começa a absorver carbono, o que reduz o ponto de fusão do metal, resultando em ferro fundido (2. 5 a 4. 5% de carbono ). O desenvolvimento dos altos-fornos, usado pela primeira vez pelos chineses no século VI aC, mais amplamente utilizado na Europa durante a Idade Média, aumentou a produção de ferro fundido.

O ferro-gusa é o ferro fundido que sai dos altos-fornos e resfriado no canal principal e nos moldes adjacentes. Os lingotes pequenos grandes, centrais e adjacentes se assemelhavam a uma porca e alquitinhos.

O ferro fundido é forte, mas sofre de fragilidade devido ao seu teor de carbono, tornando-o menos ideal para trabalhar e moldar. À medida que os metalúrgicos perceberam que o alto teor de carbono no ferro era fundamental para o problema da fragilidade, eles experimentaram novos métodos para reduzir o conteúdo de carbono para tornar o ferro mais viável.

No final do século 18, os fabricantes de ferro aprenderam a transformar ferro fundido fundido em ferro forjado de baixo teor de carbono usando fornos de charcos (desenvolvidos por Henry Cort em 1784). Os fornos aqueciam o ferro fundido, que teve que ser agitado por

pudim usando ferramentas longas em forma de remo, permitindo que o oxigênio se combinasse e remova lentamente o carbono. À medida que o teor de carbono diminui, o ponto de fusão do ferro aumenta, então as massas de ferro se aglomerariam no forno. Essas massas seriam removidas e trabalhadas com um martelo forjado pelo pudim antes de serem enroladas em folhas ou trilhos. Em 1860, havia mais de 3000 fornos de charcos na Grã-Bretanha, mas o processo permaneceu dificultado por sua intensidade de trabalho e combustível.

Uma das primeiras formas de aço, bolha de aço, começou a produção na Alemanha e Inglaterra no século 17 e foi produzida pelo aumento do teor de carbono em ferro fundido fundido usando um processo conhecido como cimentação.Neste processo, as barras de ferro forjado foram colocadas em camadas com carvão em pó em caixas de pedra e aquecidas.

Após cerca de uma semana, o ferro absorveria o carbono no carvão vegetal. O aquecimento repetido distribui o carbono de forma mais uniforme e o resultado, após o resfriamento, era de aço blister. O maior teor de carbono fabricado em blister é muito mais viável do que o ferro gusa, permitindo que ele seja pressionado ou enrolado.

A produção de aço blister avançou na década de 1740, quando o relojoeiro inglês Benjamin Huntsman tentou desenvolver um aço de alta qualidade para as suas molas de relógio, descobriu que o metal poderia ser derretido em cadinhos de argila e refinado com um fluxo especial para remover a escória que processo de cimentação deixado para trás. O resultado foi o cadinho ou o aço fundido. Mas, devido ao custo de produção, tanto blister quanto aço fundido só foi usado em aplicações especiais.

Como resultado, o ferro fundido feito em fornos de charcos permaneceu o principal metal estrutural na Inglaterra industrializada durante a maior parte do século XIX.

O processo de Bessemer e a fabricação de siderurgia moderna

O crescimento das estradas de ferro no século XIX, tanto na Europa como na América, colocou uma grande pressão sobre a indústria do ferro, que ainda lutou com processos de produção ineficientes.

No entanto, o aço ainda não foi comprovado como metal estrutural e a produção era lenta e dispendiosa. Isso foi até 1856, quando Henry Bessemer apresentou uma maneira mais eficaz de introduzir oxigênio em ferro fundido para reduzir o teor de carbono.

Agora conhecido como o Processo Bessemer, Bessemer projetou um receptáculo em forma de pera - referido como um "conversor" - no qual o ferro poderia ser aquecido enquanto o oxigênio poderia ser soprado através do metal em derretimento. À medida que o oxigênio passava pelo metal fundido, reagiria com o carbono, liberando dióxido de carbono e produzindo um ferro mais puro.

O processo foi rápido e barato, removendo carbono e silício do ferro em questão de minutos, mas sofreu muito sucesso. Demasiado carbono foi removido e muito oxigênio permaneceu no produto final. Bessemer finalmente teve que pagar seus investidores até encontrar um método para aumentar o conteúdo de carbono e remover o oxigênio indesejado.

Na mesma época, o metalúrgico britânico Robert Mushet adquiriu e começou a testar um composto de ferro, carbono e manganês - conhecido como

speigeleisen . O manganês era conhecido por remover o oxigênio do ferro fundido e o teor de carbono no speigeleisen, se adicionado nas quantidades certas, forneceria a solução para os problemas de Bessemer. Bessemer começou a adicioná-lo ao processo de conversão com grande sucesso. No entanto, um problema ainda permaneceu. Bessemer não conseguiu encontrar uma maneira de remover o fósforo - uma impureza deletéria que torna o aço quebradiço - de seu produto final. Consequentemente, apenas o minério livre de fósforo da Suécia e do País de Gales poderia ser usado.

Em 1876, o galês Sidney Gilchrist Thomas apresentou a solução adicionando um fluxo-calcário quimicamente básico ao processo Bessemer. O calcário desencadeou fósforo do ferro gusa na escória, permitindo que o elemento indesejável seja removido.

Esta inovação significou que, finalmente, o minério de ferro de qualquer lugar do mundo poderia ser usado para fabricar aço. Não surpreendentemente, os custos de produção de aço começaram a diminuir significativamente. Os preços dos trilhos de aço caíram mais de 80% entre 1867 e 1884, como resultado das novas técnicas de produção de aço, iniciando o crescimento da indústria siderúrgica mundial.

O Processo Open Hearth

Na década de 1860, o engenheiro alemão Karl Wilhelm Siemens aumentou a produção de aço através da criação do processo aberto. O processo de fogo aberto produziu aço de ferro-gusa em grandes fornos pouco profundos.

Usando altas temperaturas para queimar o excesso de carbono e outras impurezas, o processo dependia de câmaras de tijolos aquecidos abaixo da lareira. Os fornos regenerativos utilizaram mais tarde os gases de escape do forno para manter altas temperaturas nas câmaras de tijolos abaixo.

Este método permitiu a produção de quantidades muito maiores (50-100 toneladas métricas poderiam ser produzidas em um forno), testes periódicos do aço fundido para que ele pudesse ser feito para atender a especificações específicas e ao uso de sucata de aço como uma matéria-prima. Embora o processo em si fosse muito mais lento, em 1900, o processo de lareira aberta substituiu em grande parte o processo de Bessemer.

Nascimento da Indústria do Aço

A revolução na produção de aço que forneceu material mais barato e de maior qualidade, foi reconhecida por muitos empresários do dia como uma oportunidade de investimento. Os capitalistas do final do século 19, incluindo Andrew Carnegie e Charles Schwab, investiram e criaram milhões (bilhões no caso da Carnegie) na indústria siderúrgica. A US Steel Corporation da Carnegie, fundada em 1901, foi a primeira empresa já lançada com mais de um bilhão de dólares.

Forno de arco elétrico Aço

Logo após a virada do século, ocorreu outro desenvolvimento que teria uma forte influência na evolução da produção de aço. O forno de arco elétrico (EAF) de Paul Heroult foi projetado para passar uma corrente elétrica através de material carregado, resultando em oxidação exotérmica e temperaturas até 3272

° F (1800 ° C), mais do que suficiente para aquecer a produção de aço. Inicialmente usado para aços especiais, os EAFs cresceram em uso e, pela Segunda Guerra Mundial, foram utilizados para a fabricação de ligas de aço. O baixo custo de investimento envolvido na criação de moinhos de EAF permitiu-lhes competir com os principais produtores dos EUA, como a US Steel Corp e a Bethlehem Steel, especialmente em aços carbono ou produtos longos.

Como os EAFs podem produzir aço a partir de ferragens de ferrugem 100% ou ferrosas, é necessária menos energia por unidade de produção. Ao contrário das lâmpadas básicas de oxigênio, as operações também podem ser interrompidas e iniciadas com pouco custo associado. Por estas razões, a produção via EAFs vem aumentando constantemente por mais de 50 anos e agora representa cerca de 33% da produção global de aço.

Oxygen Steelmaking

A maioria da produção global de aço - cerca de 66% - agora é produzida em instalações básicas de oxigênio. O desenvolvimento de um método para separar o oxigênio do nitrogênio em escala industrial na década de 1960 permitiu grandes avanços no desenvolvimento de fornos de oxigênio básicos.

Os fornos de oxigênio básicos sopram o oxigênio em grandes quantidades de ferro fundido e sucata de aço e podem completar uma carga muito mais rapidamente do que os métodos de lareira aberta. Grandes embarcações com até 350 toneladas métricas de ferro podem completar a conversão em aço em menos de uma hora.

A eficiência de custos da fabricação de aço com oxigênio fez com que as fábricas de lareira aberta não competitivas e, após o advento da fabricação de aço com oxigênio na década de 1960, as operações de abrir-coração começaram a fechar. A última instalação de fogo aberto nos EUA fechou em 1992 e na China em 2001.

Fontes:

_{Spoerl, Joseph S.}

_{Uma Breve História da Produção de Ferro e Aço . Colégio Saint Anselm. A Associação Mundial do Aço. www. universidade de aço. org}

_{Street, Arthur. & Alexander, W. O. 1944.}

_{Metais ao serviço do homem . 11ª edição (1998).}