Da era do ferro ao processo Bessemer e à moderna siderurgia
A era do ferro
Em 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 de altos-fornos, usado pela primeira vez pelos chineses no século VI aC, mas mais amplamente utilizado na Europa durante a Idade Média, aumentou a produção de ferro fundido.
Ferro gusa
O ferro fundido que era retirado dos altos fornos e resfriado no canal principal e nos moldes contíguos era chamado de ferro-gusa, porque os lingotes maiores, centrais e adjacentes, pareciam leitões de porcas e leitões.
Ferro fundido
O ferro fundido é forte, mas sofre de fragilidade devido ao seu teor de carbono, tornando-o menos ideal para trabalhar e modelar. À medida que os metalúrgicos se conscientizaram de que o alto teor de carbono do ferro era fundamental para o problema da fragilidade, eles experimentaram novos métodos para reduzir o teor de carbono, a fim de tornar o ferro mais viável.
Ferro forjado
No final do século XVIII, os fabricantes de ferro aprenderam a transformar ferro-gusa fundido em ferro forjado com baixo teor de carbono, usando fornos de poça (desenvolvidos por Henry Cort em 1784). Os fornos aqueciam o ferro derretido, que tinha que ser mexido por poedeiras usando ferramentas compridas em forma de remo, permitindo que o oxigênio se combinasse e lentamente removesse o carbono.
À medida que o teor de carbono diminui, o ponto de fusão do ferro aumenta, de modo que massas de ferro se aglomerariam no forno. Essas massas seriam removidas e trabalhadas com um martelo de forja pelo perfurador antes de serem enroladas em folhas ou trilhos. Em 1860, havia mais de 3000 fornos de poça na Grã-Bretanha, mas o processo permanecia prejudicado por sua força de trabalho e de combustível.
Aço da bolha
Uma das primeiras formas de aço , o aço bolha, começou a produção na Alemanha e na Inglaterra no século 17 e foi produzido pelo aumento do teor de carbono no ferro gusa líquido usando um processo conhecido como cimentação. Neste processo, barras de ferro forjado foram cobertas com carvão em pó em caixas de pedra e aquecidas.
Após cerca de uma semana, o ferro absorveria o carbono do carvão. O aquecimento repetido distribuiria o carbono de maneira mais uniforme e o resultado, após o resfriamento, era o aço da bolha. O maior teor de carbono tornou o aço da bolha muito mais viável do que o ferro-gusa, permitindo que ele seja prensado ou enrolado.
A produção de chapas de aço avançou na década de 1740 quando o relojoeiro inglês Benjamin Huntsman, ao tentar desenvolver um aço de alta qualidade para suas molas de relógio, descobriu que o metal podia ser fundido em cadinhos de barro e refinado com um fluxo especial para remover a escória atrás. O resultado foi cadinho ou elenco aço. Mas, devido ao custo de produção, tanto a bolha quanto o aço fundido foram utilizados apenas em aplicações especiais.
Como resultado, o ferro fundido feito em fornos de poça permaneceu como o principal metal estrutural na industrialização da Grã-Bretanha durante a maior parte do século XIX.
O Processo Bessemer e a Moderna Fábrica de Aço
O crescimento das ferrovias durante o século XIX, tanto na Europa quanto na América, colocou grande pressão sobre a indústria de ferro, que ainda lutava com processos de produção ineficientes. O aço ainda não havia sido comprovado como metal estrutural e a produção era lenta e cara. Isso foi até 1856, quando Henry Bessemer surgiu com uma maneira mais eficaz de introduzir oxigênio em ferro fundido para reduzir o teor de carbono.
Agora conhecido como o Processo Bessemer, a Bessemer projetou um receptáculo em forma de pêra - conhecido como "conversor" - no qual o ferro podia ser aquecido enquanto o oxigênio podia ser soprado através do metal fundido. Como o oxigênio passava através do metal fundido, ele 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 com o sucesso.
Muito carbono foi removido e muito oxigênio permaneceu no produto final. Bessemer finalmente teve que pagar seus investidores até que ele pudesse encontrar um método para aumentar o teor de carbono e remover o oxigênio indesejado.
Mais ou menos na mesma época, o metalurgista britânico Robert Mushet adquiriu e começou a testar um composto de ferro, carbono e manganês - conhecido como spiegeleisen . Sabia-se que o manganês removia o oxigênio do ferro fundido e o conteúdo de carbono no espiélelo, se adicionado nas quantidades certas, forneceria a solução para os problemas de Bessemer. Bessemer começou a adicioná-lo ao seu processo de conversão com grande sucesso.
Um problema permaneceu. A Bessemer não conseguiu encontrar uma maneira de remover o fósforo - uma impureza deletéria que torna o aço frágil - de seu produto final. Consequentemente, apenas minérios isentos de fósforo da Suécia e do País de Gales poderiam ser utilizados.
Em 1876, o galês Sidney Gilchrist Thomas apresentou a solução adicionando um fluxo quimicamente básico - o calcário - ao processo Bessemer. O calcário extraía fósforo do ferro-gusa para a escória, permitindo que o elemento indesejado fosse removido.
Essa inovação significou que, finalmente, o minério de ferro de qualquer parte do mundo poderia ser usado para fazer aço. Não surpreendentemente, os custos de produção de aço começaram a diminuir significativamente. Os preços do trilho 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 aberto do hearth:
Na década de 1860, o engenheiro alemão Karl Wilhelm Siemens aprimorou ainda mais a produção de aço por meio da criação do processo de forno aberto. O processo de fornalha aberta produzia aço a partir de ferro-gusa em fornos grandes e rasos.
Usando altas temperaturas para queimar o excesso de carbono e outras impurezas, o processo dependia de câmaras de tijolos aquecidas abaixo da lareira. Os fornos regenerativos usaram depois gases de exaustão do forno para manter altas temperaturas nas câmaras de tijolos abaixo.
Este método permitia a produção de quantidades muito maiores (50-100 toneladas métricas podiam ser produzidas em um forno), testes periódicos do aço fundido para que pudesse ser feito para atender especificações específicas e o uso de sucata de aço como matéria-prima. . Embora o processo em si fosse muito mais lento, em 1900, o processo da lareira aberta substituiu em grande parte o processo de Bessemer.
Nascimento da indústria siderúrgica:
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 fizeram milhões (bilhões no caso da Carnegie) na indústria siderúrgica. A US Steel Corporation da Carnegie, fundada em 1901, foi a primeira corporação já lançada, avaliada em mais de um bilhão de dólares.
Fabricação de aço do forno de arco elétrico:
Logo após a virada do século, ocorreu outro desenvolvimento que teria 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 do material carregado, resultando em oxidação exotérmica e temperaturas de até 3272 ° F (1800 ° C), mais que suficiente para aquecer a produção de aço.
Inicialmente usados para aços especiais, os EAFs cresceram em uso e, na Segunda Guerra Mundial, estavam sendo usados para a fabricação de ligas de aço. O baixo custo de investimento envolvido na instalação de usinas EAF permitiu que elas competissem com as principais produtoras americanas, como US Steel Corp. e Bethlehem Steel, especialmente em aços carbono, ou longos.
Como os EAFs podem produzir aço a partir de 100% de sucata - ou ferrosos frios -, é necessária menos energia por unidade de produção. Ao contrário das lareiras básicas de oxigênio, as operações também podem ser interrompidas e iniciadas com pouco custo associado. Por estas razões, a produção via EAFs tem aumentado constantemente por mais de 50 anos e agora responde por cerca de 33% da produção mundial de aço.
Fabricação de Oxigênio:
A maior parte da produção mundial de aço - cerca de 66% - é agora 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 básicos de oxigênio.
Os fornos de oxigênio básicos sopram oxigênio em grandes quantidades de ferro fundido e sucata de aço e podem completar uma carga muito mais rapidamente do que os métodos de forno aberto. Grandes navios com capacidade para 350 toneladas de ferro podem completar a conversão para o aço em menos de uma hora.
As eficiências de custo da produção de oxigênio de oxigênio tornaram as fábricas de fornos abertos não competitivas e, após o advento da produção de oxigênio de aço na década de 1960, as operações de forno aberto começaram a se fechar. A última instalação open-hearth nos EUA foi fechada em 1992 e na China em 2001.
Fontes:
Spoerl, Joseph S. Uma Breve História da Produção de Ferro e Aço . Saint Anselm College.
Disponível: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm
A Associação Mundial do Aço. Website: www.steeluniversity.org
Rua, Arthur. & Alexander, WO 1944. Metais no Serviço do Homem . 11th Edition (1998).