Uma Breve História do Aço e o Processo de Bessemer

Os altos-fornos foram desenvolvidos pelos chineses no século VI a.C., mas foram mais amplamente utilizados na Europa durante a Idade Média e aumentaram a produção de ferro fundido. A temperaturas muito altas, o ferro começa a absorver carbono, o que diminui o ponto de fusão do metal, resultando em fundição ferro (2,5% a 4,5% de carbono).

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

Moderno fabricação de aço evoluiu desde os primeiros dias de fabricação de ferro e desenvolvimentos subsequentes em tecnologia.

No final do século XVIII, as siderúrgicas aprenderam a transformar o ferro-gusa fundido em ferro forjado de baixo carbono usando fornos de poças, desenvolvidos por Henry Cort em 1784. O ferro-gusa é o ferro fundido que sai dos altos-fornos e é resfriado no canal principal e nos moldes adjacentes. Ele recebeu esse nome porque os lingotes grandes, centrais e adjacentes, pareciam uma porca e leitões.

Para fabricar ferro forjado, os fornos aqueciam ferro fundido, que tinha que ser mexido por poças usando ferramentas longas em forma de remo, permitindo que o oxigênio se combinasse e removesse lentamente o carbono.

À medida que o teor de carbono diminui, o ponto de fusão do ferro aumenta, de modo que massas de ferro se aglomeram no forno. Essas massas seriam removidas e trabalhadas com um martelo de forja pelo puddler antes de serem enroladas em folhas ou trilhos. Em 1860, havia mais de 3.000 fornos de poças na Grã-Bretanha, mas o processo permaneceu prejudicado por sua intensidade de mão-de-obra e combustível.

Blister steel - uma das primeiras formas de aço- começou a produção na Alemanha e na Inglaterra no século XVII e foi produzido aumentando o teor de carbono no ferro-gusa fundido usando um processo conhecido como cimentação. Nesse processo, as barras de ferro forjado foram revestidas com carvão em pó em caixas de pedra e aquecidas.

Após cerca de uma semana, o ferro absorveria o carbono no carvão. O aquecimento repetido distribuiria o carbono de maneira mais uniforme, e o resultado, após o resfriamento, era de aço blister. O alto teor de carbono tornou o aço blister muito mais viável que o ferro-gusa, permitindo que ele fosse pressionado ou enrolado.

A produção de aço bolha evoluiu na década de 1740, quando o relojoeiro inglês Benjamin Huntsman descobriu que o metal poderia ser derretido em cadinhos de argila e refinado com um fluxo especial para remover a escória que o processo de cimentação deixou para trás. Huntsman estava tentando desenvolver um aço de alta qualidade para as molas do relógio. O resultado foi cadinho - ou fundido - aço. Devido ao custo de produção, no entanto, o blister e o aço fundido foram usados ​​apenas em aplicações especializadas.

Como resultado, o ferro fundido fabricado em fornos de poças permaneceu o principal metal estrutural na industrialização da Grã-Bretanha durante a maior parte do século XIX.

O crescimento das ferrovias durante o século XIX, tanto na Europa quanto na América, pressionou bastante a indústria siderúrgica, que ainda enfrentava processos de produção ineficientes. O aço ainda não estava comprovado como metal estrutural e a produção era lenta e cara. Isso foi até 1856, quando Henry Bessemer apresentou uma maneira mais eficaz de introduzir oxigênio no ferro fundido para reduzir o teor de carbono.

Agora conhecido como Processo Bessemer, Bessemer projetou um receptáculo em forma de pêra - conhecido como conversor - no qual o ferro pode ser aquecido enquanto o oxigênio pode ser soprado através do metal fundido. À medida que o oxigênio passava pelo metal fundido, ele reagia 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 por ter sido muito bem-sucedido. Muito carbono foi removido e muito oxigênio permaneceu no produto final. Bessemer finalmente teve que pagar seus investidores até encontrar um método para aumentar o teor de carbono e remover o oxigênio indesejado.

Na mesma época, o metalurgista britânico Robert Mushet adquiriu e começou a testar um composto de ferro, carbono e manganês- conhecido como spiegeleisen. Sabe-se que o manganês remove o oxigênio do ferro fundido, e o teor de carbono no spiegeleisen, 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. Bessemer não conseguiu encontrar uma maneira de remover o fósforo - uma impureza prejudicial que torna o aço quebradiço - 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 uma solução adicionando um fluxo quimicamente básico - calcário - ao processo de Bessemer. O calcário atraiu fósforo do ferro-gusa para a escória, permitindo a remoção do elemento indesejado.

Essa inovação fez com que o minério de ferro de qualquer lugar do mundo finalmente pudesse 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, iniciando o crescimento da indústria siderúrgica mundial.

Na década de 1860, o engenheiro alemão Karl Wilhelm Siemens aprimorou ainda mais a produção de aço através da criação do processo de lareira aberta. Isso produzia aço a partir de ferro-gusa em grandes fornos rasos.

Usando altas temperaturas para queimar o excesso de carbono e outras impurezas, o processo contou com câmaras de tijolos aquecidas abaixo da lareira. Mais tarde, os fornos regenerativos usaram gases de exaustão do forno para manter altas temperaturas nas câmaras de tijolos abaixo.

Esse método permitiu a produção de quantidades muito maiores (50-100 toneladas métricas em um forno), testes periódicos do aço fundido, para que ele possa ser fabricado para atender a especificações específicas e ao uso de sucata de aço como matéria-prima material. Embora o processo em si tenha sido muito mais lento, em 1900 o processo de lareira havia substituído o processo de Bessemer.

A revolução na produção de aço, que fornecia material mais barato e de maior qualidade, foi reconhecida por muitos empresários do dia como uma oportunidade de investimento. Capitalistas do final do século XIX, incluindo Andrew Carnegie e Charles Schwab, investiu e faturou milhões (bilhões no caso da Carnegie) na indústria siderúrgica. A US Steel Corporation da Carnegie, fundada em 1901, foi a primeira empresa avaliada em mais de US $ 1 bilhão.

Logo após a virada do século, o forno elétrico a arco de Paul Heroult (EAF) foi projetado para transmitir uma corrente elétrica através de material carregado, resultando em oxidação exotérmica e temperaturas de até 1800 ° Fahrenheit (1.800 graus Celsius), mais do que suficiente para aquecer o aço Produção.

Inicialmente usado para aços especiais, os EAFs cresceram em uso e, durante a Segunda Guerra Mundial, estavam sendo usados ​​para a fabricação de ligas de aço. O baixo custo de investimento envolvido na instalação de usinas de EAF permitiu que eles competissem com os principais produtores dos EUA, como a US Steel Corp. e Bethlehem Steel, especialmente em aços carbono ou produtos longos.

Como os EAFs podem produzir aço a partir de 100% de sucata - ou ferrosos a frio -, 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 esses motivos, a produção via EAFs tem aumentado constantemente há mais de 50 anos e representou cerca de 33% da produção global de aço a partir de 2017.

A maioria da produção global de aço - cerca de 66% - 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 básicos de oxigênio.

Os fornos básicos de oxigênio injetam 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. Grandes embarcações com capacidade para 350 toneladas métricas de ferro podem concluir a conversão em aço em menos de uma hora.

As eficiências de custo da fabricação de aço com oxigênio tornaram as fábricas de fornos abertos não competitivas e, após o advento da fabricação de aço com oxigênio na década de 1960, as operações de fornos abertos começaram a fechar. A última instalação de lareira nos EUA foi fechada em 1992 e na China, a última em 2001.

_Fontes:

_{Joseph S. Spoerl Uma Breve História da Produção de Ferro e Aço. Colégio Santo Anselmo.}

_{Acessível: http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/h-carnegie-steel.htm}

_{A Associação Mundial do Aço. Local na rede Internet: www.steeluniversity.org}

_{Rua, Arthur. & Alexander, W. O. 1944. Metais a serviço do homem. 11ª Edição (1998).}