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Revista Vozes dos Vales – UFVJM – MG – Brasil – Nº 11 – Ano VI – 05/2017 Reg.: 120.2.095–2011 – UFVJM – QUALIS/CAPES – LATINDEX – ISSN: 2238-6424 – www.ufvjm.edu.br/vozes
Ministério da Educação – Brasil
Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – UFVJM
Minas Gerais – Brasil Revista Vozes dos Vales: Publicações Acadêmicas
Reg.: 120.2.095 – 2011 – UFVJM ISSN: 2238-6424
QUALIS/CAPES – LATINDEX Nº. 11 – Ano VI – 05/2017
http://www.ufvjm.edu.br/vozes
Inovação na indústria do aço inoxidável:
processo produtivo do aço colorido
Profª. Drª. Flaviana Tavares Vieira Teixeira
Doutora em Química Inorgânica Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG/MG - Brasil
Docente do Instituto de Ciência e Tecnologia – Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – ICT/UFVJM - Brasil
http://lattes.cnpq.br/4311164481574410 E-mail: flaviana.tavares@ict.ufvjm.edu.br
Prof. MSc. José Alberto de Sousa Mestrado em Engenharia Química
Universidade Federal de Uberlândia - UFU/MG - Brasil Docente do Instituto de Ciência e Tecnologia – Universidade Federal dos Vales do
Jequitinhonha e Mucuri – ICT/UFVJM - Brasil http://lattes.cnpq.br/4117153420204941
E-mail: jose.alberto@ict.ufvjm.edu.br
Felipe Santana de Oliveira Cruz Mestrando em Engenharia Química
Discente do Programa de Mestrado da Universidade Federal de Viçosa – UFV http://lattes.cnpq.br/5083084283071108
E-mail: felpes@gmail.com
Rafael Alexandre da Silva Mestrando em Engenharia de Segurança do Trabalho
Programa de Pós-Graduação do Instituto de Educação Superior da Paraíba http://lattes.cnpq.br/4159623740090914 E-mail: engenheiro.rafa@yahoo.com.br
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Resumo: Este artigo apresenta as preocupações constantes em novas formas de obtenção de energia, métodos eficazes na minimização dos impactos ambientais e metodologias que permitam melhorar as propriedades dos materiais e que têm causado interesse no desenvolvimento de rotas alternativas de produção industrial. Tem como finalidade uma revisão bibliográfica sobre a Indústria de Aço Inoxidável Austenítico (25% Cr, 15% Ni) Colorido, sendo tal coloração realizada através da aplicação de laser Q-switched third-harmonic Nd:YVO4. Palavras-chave: Aço, aço inoxidável colorido, siderurgia.
Introdução
Da origem do ferro ao aço inoxidável
Desde os primórdios da humanidade, especificamente no Período Neolítico,
quando deu-se o início da formação da sociedade, o ser humano obteve
conhecimento para obtenção do ferro (Fe), um material duro e resistente. O ferro
não era de fácil obtenção e era altamente escasso para os primeiros povos até o
momento que o homem desenvolveu um processo para sua manufatura a partir de
seus minérios, tornando-o produto de grande valia (Vargas, 2004).
Com a chegada da Idade do Bronze, cerca de 8000 anos atrás, nas
localidades onde existia vasta concentração de minério de ferro (magnetita,
hematita, limonita, e siderita), foi desenvolvido um meio para a produção do metal,
no qual fogueiras feitas e sustentadas por pedras dos minérios citados propiciaram
as condições físico-químicas para que o processo ocorresse (Vargas, 2004).
A partir deste marco o homem descobriu que, para produzir ferro, era preciso
carvão vegetal e elevadas temperaturas. Inicialmente o processo era uma queima
lenta, onde se fundia minério de ferro com carvão vegetal em um cadinho de barro.
Obtido o metal, o mesmo era reaquecido ao rubro e trabalhado em martelo-pilão.
Com o decorrer do tempo e obtenção de experiência, o homem conseguiu extrair
todo o ferro a partir de seus óxidos, com posterior processamento para a produção
de aço (Vargas, 2004).
Já no século XVII, houve a descoberta do que hoje é conhecido por coque,
pelo inglês Abraham Darby, o qual desenvolveu um procedimento de destilação do
carvão mineral. O surgimento do coque aprimorou a metalurgia, levando ao
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desenvolvimento e surgimento de cadinhos de alta capacidade, alto-forno, fornalhas
de reaquecimento para forjamento, entre outros (Vargas, 2004). No ano de 1856,
começou a ser possível obter aço (liga de ferro, carbono e outros elementos
minoritários) em enormes volumes e a custo baixo, devido ao conversor de
Bessemer, a partir do qual, as impurezas do ferro (Fe) eram removidas através da
oxidação por ar (especialmente O2) introduzido no conversor. Já em 1865, foi criado
o método Siemens-Martin, sendo sua principal vantagem o uso de sucata de aço
(Ex: 50% de sucata e 50% de gusa, produto da redução do minério de ferro)
(Aperam, 2014; Rizzo, 2005). Atualmente, o processo se baseia na redução dos
óxidos de ferro, para posterior produção de aço, e pode ser realizado pelos
seguintes métodos: Alto-forno (AF), Forno elétrico a arco (FEA) e Redução direta
(Oliveira, 2009).
A ciência metalúrgica abriu caminho ao emprego dos chamados elementos de
liga. Estes por sua vez são obtidos, pela adição de elementos tais como: molibdênio,
cromo, níquel, silício e outros ao aço carbono, conferindo diversas características
especiais e novas aplicações ao aço. A partir desta definição, os aços são divididos
em dois grupos: aços carbono e aços especiais. O primeiro é formado por aços
comuns (tubos, barras, laminados) e o segundo, por aços com propriedades
específicas (aço com resistência mecânica e à exposição a ambientes corrosivos)
(Chiaverni, 1965).
Devido aos danos causados ao aço por ambientes nocivos, os pesquisadores
e estudiosos começaram a aperfeiçoar, melhorar e criar aços e outras ligas que
fossem resistentes à corrosão. Dentre estas, a liga com teor de carbono entre 0,03 e
0,95% contendo no mínimo 11% de cromo, ficou conhecida como aço inoxidável.
Com isso, pode-se dizer que o aço inoxidável é na realidade uma evolução do aço
carbono, devido ao incremento de cromo, garantindo uma maior durabilidade e
resistência. Este tipo de aço apresenta alta proteção à oxidação superficial em uma
diversidade de ambientes, conservando assim a qualidade original dos produtos por
um tempo maior (Chiaverni, 1965; Vargas, 2004).
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História do aço inoxidável
O aço inoxidável foi elaborado por Harry Brearly (1871 – 1948), o qual
começou a investigar em 1912, a pedido dos fabricantes de armas, uma liga
metálica que possuísse resistência ao desgaste que ocorria nos canos de armas de
fogo (Chiaverni, 1965; Vargas, 2004).
Inicialmente, a pesquisa se baseava em estudar ligas que resistissem ao
desgaste. Entretanto, após realizar testes químicos para verificar a estrutura destas
ligas contendo cromo, Brearly se surpreendeu ao verificar que o ácido nítrico não
surtia efeito sobre a mesma. Assim, ficou claro que havia descoberto não uma liga
resistente à erosão e sim à corrosão (Chiaverni, 1965; Vargas, 2004).
Processo de fabricação do aço inoxidável
No primeiro momento, têm-se a sinterização ou pelotização do minério, para
triturar, peneirar, classificar, pesar e secar de forma a garantir uma granulometria
controlada e, assim, aumentar o rendimento do alto forno (Mosckem, 2010; Ribeiro,
2011).
Em unidades de transformação, o carvão mineral é promotor da energia,
sendo ele entregue ao processo na forma de carvão pulverizado e/ou coque,
favorecendo a mudança do minério de ferro (geralmente a hematita – Fe2O3) em
ferro gusa nos Altos-fornos (A.F). Outro fator importante é capacidade do carvão
mineral fornecer gás de coque – COG (Coke Oven Gas) para processos que
necessitam de energia térmica (Mosckem, 2010; Romeiro, 1997).
O A.F é um reator químico onde é realizada a transformação como
mencionado, a qual ocorre em contracorrente com carga metálica descendente
carregada no topo e por gases ascendentes. Os gases são produzidos no interior da
zona de combustão pela inserção de combustível e ar quente, conforme pode ser
visualizado na Figura 1.
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Figura 1. Esquema visual de um Auto-forno.
Fonte: adaptado de Mosckem, 2010.
Atualmente o carvão mineral é inserido nos A.F pulverizado, de forma
contínua, por meio de um fluxo gasoso de nitrogênio, diretamente na zona de
combustão, atuando conjuntamente com o coque, sínter (pó de minério de ferro
fundido a alta temperatura) e fundentes (calcário, dolomita) para fornecimento de
energia, agentes redutores, elementos da correção da viscosidade, volume e
temperatura da escória, necessários para redução do minério de ferro em ferro
metálico – ferro gusa. O uso de carvão pulverizado visa reduzir custos e aumentar a
produtividade (Mosckem, 2010).
Já a carga sólida (minério de ferro, fundentes e combustível/redutores) é
transportada ao topo do A.F através de skips (equipamentos responsáveis pela
distribuição da carga de entrada, vedamento de gás e controle da perda de pressão)
(Ribeiro, 2011). No processo de injeção, o carvão utilizado é o antracito, um material
de baixo teor de substâncias voláteis, ou seja, um carvão não coqueificável
(Mosckem, 2010).
Ao se iniciar o processo de reação do sopro de oxigênio com o carvão
pulverizado, inicia-se a formação de dióxido de carbono, de acordo com a equação
(1):
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C + O2 → CO2 (1)
A partir disso, o dióxido de carbono reage com o carbono do coque,
produzindo monóxido de carbono:
CO2 + C → 2CO (2)
Tais reações se dão à medida que ocorre o fluxo ascendente gasoso,
conforme a Figura 2, e apresenta reação global (Mosckem, 2010):
2C + O2 → 2CO (3)
Figura 2. Esquema demonstrativo das zonas em um Auto-forno.
Adaptado de Mosckem, 2010.
O ar soprado dentro do A.F apresenta umidade, a qual, em contato com o
carbono do carvão, promove a seguinte reação:
C + H2O → CO + H2 (4)
Seguidamente o monóxido de carbono interage com o minério de ferro
gerando ferro metálico:
3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2 (5)
Todo este processo resulta na produção de gás de alto forno, escória líquida
e o produto desejado, gusa líquido, o qual é usado como matéria-prima para obter o
aço (Mosckem, 2010).
A escória produzida é composta por ganga do minério (SiO2 e Al2O3),
fundentes (CaO e MgO) e cinzas do carvão e coque. Este produto apresenta
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densidade inferior ao ferro gusa, podendo ser separado facilmente por um processo
físico (Castro, 1998).
O ferro gusa obtido segue para o carregamento do carro torpedo, a escória
para o granulador de escória e o gás de A.F vai ser tratado e posteriormente pode
ser usado como combustível na indústria (Mosckem, 2010). Segundo Batista (2009)
o gás do A.F limpo é queimado para aquecimento do ar atmosférico para ser
inserido no alto-forno pelas ventaneiras.
O esquema completo de um A.F, demonstrando o carregamento de matéria-
prima e produto, pode ser visualizado na Figura 3 e Figura 4 para melhor
entendimento do procedimento técnico e reacional no equipamento.
Figura 3. Esquema geral de um A.F.
Adaptado de Isenmann, 2013.
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Figura 4. Esquema reacional em um A.F.
Adaptado de Isenmann, 2013.
De acordo com Isenmann (2013), o ferro gusa, produto do A.F, é um ferro rico
em carbono (entre 2,5% e 4% de C) que não pode ser soldado e nem forjado, sendo
necessário reduzir o seu teor de carbono para se continuar a obtenção de aço inox.
Para se retirar o C do ferro-gusa, podem ser utilizados vários métodos oxidantes,
usando oxigênio, tais como:
Ar (Processo de Thomas, ultrapassado);
Oxigênio puro (Processo LD – Linz-Donawitzer, processo moderno);
Sucata;
Minério de ferro, sendo fonte de oxigênio.
O primeiro e segundo métodos ocorrem com produção de calor intenso,
devido às reações serem exotérmicas. Este fato torna compensador o sopro de ar
frio, o qual, ainda conserva o ferro gusa em estado líquido e de fácil manipulação.
Durante este processo são usados aditivos (metais de liga: Cr, Ni, Mn, Mo, W) e a
cal, que tem o papel de fixar os fosfatos e sulfatos em forma de escória (Isenmann,
2013).
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Na utilização destes dois processos é necessário usar um convertedor
alcalino facilitando a remoção da escória, a qual flutua sobre o metal fundido em
conformação de “Escória de Thomas” (Isenmann, 2013).
O processo LD e de Thomas duram aproximadamente 15 minutos,
produzindo o aço doce (0% C) e escória, a qual é retirada da superfície das pêras
oxidativas (Figura 5) por um rodo. Com a utilização desses procedimentos tem-se
uma perda de 10 a 12% de ferro na forma de óxido de ferro, o que pode ser evitado
pela presença de manganês (Isenmann, 2013).
Figura 5. Convertedores dos processos oxidativos do aço de A.F.
Adaptado de Isenmann, 2013.
Em ambos os processos, é necessário fazer uma mistura do ferro-gusa do
A.F com ferro líquido-ralo e ferro espelho (Fe/Si) ou ainda ferro-manganês para
colocar o material com teor de carbono desejado. Além disso, são adicionados os
elementos de liga nesta etapa de acordo com a finalidade do aço (Isenmann, 2013).
O terceiro e quarto método são para redução direta do teor de carbono para
uma porcentagem conhecida e desejada, uma vez que o método é lento e
controlado e, ao final, obtém-se a matéria-prima para o aço (Isenmann, 2013).
O método de maior relevância, o Siemens-Martin, realiza oxidação por gases
a alta temperatura, introduzidos sobre o ferro fundido, juntamente com o minério de
ferro e sucata, nas proporções de 65-80% e 20%, mais calcário (Isenmann, 2013).
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Neste mesmo processo, ao invés de usar gases, pode-se usar energia
elétrica, sendo o método conhecido como Forno a Arco Elétrico (FEA) (Figura 6).
Neste processo, atingem-se temperaturas de, aproximadamente, 3500ºC em torno
dos eletrodos, tornando a mistura (ferro gusa, sucata, minério de ferro, ligas
desoxidantes e cal) líquida e, então, acertando o teor de carbono. O processo é
muito utilizado para produção de aços inoxidáveis e especiais (Isenmann, 2013).
Figura 6. Convertedores dos processos oxidativos do aço de A.F.
Adaptado de Isenmann, 2013.
Ao término da redução do teor de carbono, o metal líquido é entornado em
uma conformação retangular, sendo seguidamente resfriado e transportado para o
lingotamento, onde o aço sai em forma de barra (Isenmann, 2013).
O procedimento até aqui descrito sobre a produção de aço inoxidável é
referente a usinas integradas e semi-integradas.
O processo de obtenção do aço inox apresenta um grande desafio, a redução
do teor de carbono por oxidação na presença de cromo (Cr). Sendo o Cr, um
elemento altamente reativo, tem como possibilidade se ligar ao oxigênio (O) e
incorporar-se a escória. Tal fenômeno reduz a eficiência do processo (Oliveira,
2009).
Por este processo possuir teor elevado de Cr, a produção de aços inoxidáveis
é governada pela reação de equilíbrio termodinâmico das reações entre carbono,
oxigênio e cromo (Silva, 2006).
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A equação do cromo pode ser descrita como:
2Cr + 3CO → Cr2O3 + 3C (6)
Admitindo a presença de Cr2O3 puro ou escória saturada neste óxido e suas
condições de equilíbrio são demonstradas no gráfico da Figura 7 (Silva, 2006).
As linhas no gráfico (Figura 7) indicam as condições de equilíbrio em uma
dada pressão (P) e temperatura (T). A partir dos dados de P e T, o lado esquerdo da
curva indica condições onde o cromo é oxidado, não sendo possível reduzir o teor
de carbono no processo sem que ocorra sua perda. Já o lado direito, mostra as
condições onde se reduz o carbono sem perder cromo para a escória (Silva, 2006).
Figura 7. Condições de equilíbrio da reação do cromo.
Fonte: Silva, 2006.
Usinas de aço inoxidável
Estes aços podem ser produzidos em usinas integradas e/ou semi-integradas.
A primeira se constitui da operação de três etapas básicas: redução, laminação e
refino. Já a segunda, apenas duas etapas: refino e laminação (Oliveira, 2009).
Usinas integradas
Estas siderúrgicas usam alto-forno para reduzir o minério de ferro
(sínter/pelotas), e na aciaria incrementam as outras matérias primas: os fundentes,
elementos de liga (níquel, cromo, outros) e o carvão (mineral ou vegetal),
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dependendo do aço inoxidável que se deseja produzir (Adamian, 2009; Oliveira,
2009). Sendo assim, são usinas que possuem todo o ciclo de produção de aço,
incluindo a redução, o refino e a laminação (Mosckem, 2010).
Como exemplo, pode-se citar a Aperam South America, com o processo de
fabricação (Figura 8) tendo como operações a redução do minério de ferro, com
carvão vegetal e coque, em seus dois altos-fornos e minério de cromo no FEA
(Aperam, 2014).
Figura 8. Fluxo de produção da Aperam South America.
Fonte: Aperam, 2014.
Usinas semi-integradas
O processo de obtenção de aço inoxidável nestas indústrias tem seu início em
fornos elétricos a arco (FEA), onde se realiza a fusão dos variados ferro liga (níquel,
cromo e outros) e da sucata de aço inoxidável. O processo acontece por meio do
calor produzido pelo arco elétrico entre os eletrodos do FEA. Ao fim do processo, o
aço inox se deposita no fundo do reator, sendo vazado para um segundo reator. Isso
ocorre em consequência do FEA não ser um bom reator para reduzir o teor de
carbono do banho para valores aceitáveis (Silva, 2006).
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Para a redução do teor de carbono, em usinas semi-integradas pode-se usar
dois métodos: o VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) e AOD (Argon Oxygen
Decarburization). Estes processos são econômicos, uma vez que o processo tem
duração e temperatura inferior ao do reator FEA. Em favorecimento o uso do VOD
ou AOD aumenta a disponibilidade do FEA para fusão de sucata e o ajuste da
composição final da liga que está sendo produzida (Pretorius, 2002).
PRODUÇÃO DE AÇOS INOXIDÁVEIS
Produção no Brasil O processo de obtenção de aço inox no Brasil vem se expandindo desde
1950, com taxas anuais em torno de 6% (BNDES). O gráfico visualizado na Figura 9
demonstra a evolução da obtenção de aços longos (cantoneiras, barras redondas,
chatas, outros) e aços planos (chapas finas, placas, outros) no período
compreendido entre 2000 a 2008.
Figura 9. Evolução da produção brasileira.
Fonte: ABINOX (2014).
Como é observado no gráfico houve uma queda da produção entre os anos
de 2005 a 2006, sendo justificado pelo aumento do preço do níquel. Já em 2007,
ocorreu a normalização do preço do níquel e por fim o aumento da produção
(Oliveira, 2009).
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Conforme a ISSF (Internacional Stainless Steel Forum), a entidade mundial
dos fabricantes de aço inox, o primeiro semestre de 2008 teve uma redução de 1,8%
na produção de aço (BNDES).
Já em 2007, a indústria de inox movimentou cerca de U$ 3,5 bilhões no
Brasil, um aumento de aproximadamente 12,5% no consumo (BNDES).
Analisando um período mais recente, a produção brasileira em 2012 teve um
recuo de 2% em relação ao ano de 2011, como pode ser observado no gráfico da
Figura 10. Ainda assim, o Brasil se manteve como o nono produtor de aço (Romano,
2013).
Figura 10. Evolução da produção brasileira.
Fonte: Adaptado de Romano 2013.
No período compreendido entre 2004 a 2012, a produção no Brasil ficou
estática entre 33 e 35 milhões de toneladas/ano e a participação brasileira no
mercado mundial de aço declinou de 3% para 2,2%. No mesmo período, as
siderúrgicas priorizaram os investimentos na verticalização, que consiste na
produção do próprio minério de ferro (Romano, 2013).
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Produção Mundial Na década compreendida entre 1998-2008, a produção mundial do aço inox
foi de 15 milhões para 25 milhões de toneladas, apresentando um crescimento
médio de aproximadamente 6% ao ano. Os principais países produtores foram: a
China, União Européia, Japão, USA, Índia, Coréia, Taiwan, Tailândia, Brasil e
Canadá (Oliveira, 2009).
Na Tabela 1 é indicada a evolução da produção mundial na década
compreendida no período de 2000-2008.
Tabela 1 – Produção mundial de aço inox (tx1000).
Ano 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Produção 19706 19048 20772 22701 24613 24336 28575 28496 26501
Fonte: Adaptado de Oliveira, 2009.
Como é visível, no ano de 2008, a demanda de aço inox foi atingida pelo
excesso de produção, causando o acúmulo de produto final, de modo que, as
indústrias foram obrigadas a frear a produção para reduzir o estoque o máximo
possível. Algumas empresas decidiram por uma redução na produção nos últimos
meses do ano, e em alguns lugares desativaram unidades. Nesta data as empresas
anunciaram uma redução de 20 a 40% nos pedidos, enquanto que os cortes de
produção atingiu aproximadamente 35 a 50% (Oliveira, 2009). Analisando-se uma
época mais atual, tem-se o gráfico demonstrado na Figura 11.
Figura 11. Evolução da produção mundial.
Fonte: Adaptado de Romano 2013.
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Perante a análise destes dados é possível ver que houve um aumento de 2%
na produção em 2012 em relação a 2011. Já tomando o período de 2007-2012 o
crescimento foi de 15% (Romano, 2013).
Segundo Sicetel (2013), a capacidade atual atenderia a demanda global por 5
anos, considerando as taxas de crescimento dos últimos anos. Outro ponto seria um
aumento maior da oferta em relação à demanda nos anos seguintes, mantendo os
preços baixos do aço (Romano, 2013).
Inovação no processo de produção de aço inoxidável
A partir do consumo elevado de aço inoxidável pelas indústrias e sociedade, o
setor industrial vem voltando suas pesquisas para o aprimoramento e criação de
novas técnicas para a produção do mesmo (Oliveira, 2009).
Com o advento da produção de argônio e O2 em escala industrial, o processo
de produção de aço inox, que se baseava na fusão, redução e acerto da composição
em um único forno, passou a ser realizada de forma diferenciada, sendo fundida no
FEA e o refino, a vácuo ou sopro combinado (Araújo, 1997). De acordo com Araújo
(1997), para o refino foram desenvolvidos os métodos já mencionados do AOD
(Argon Oxygen Decarburization) e VOD (Vacuum Oxygen Decarburization), os quais
servem para reduzir o teor de carbono no aço.
Outra metodologia aprimorada é a utilização de software (ferramenta
termodinâmica computacional) durante o processo de refino para controlar o cromo
(Cr). Em relação a equipamentos tem-se a produção de aço inoxidável dúplex em
moinho planetário (Oliveira, 2009).
Batista (2009) afirma que o gás de alto-forno pode ser utilizado como energia
para o processo, como já mencionado. Além disso, pode ser direcionado para a
produção de energia elétrica em usinas termoelétricas. Para o uso energético, o
material particulado expelido juntamente com o gás dever ser eliminado por
desempoeiramento via úmida ou seca (Jacomino et al., 2002a; Malard, 2009).
Para reutilização ou reciclagem dos resíduos sólidos produzidos durante este
processo industrial, foram desenvolvidos métodos tecnológicos alternativos de
aproveitamento, tais como: uso da escória de alto-forno para pavimentação de
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estradas, em usinas cimenteira e agrícola (Castro et al., 2002; Almeida, 2001; Souza
et al., 2006).
Em relação a matérias-primas descartadas pelo homem, Ogaki et al. (2001),
afirmam poder ser utilizado o resíduo plástico sólido ou em filmes. No mesmo setor,
Araújo (1997), realizou testes em pneus sucateados (descartados/inservíveis),
demonstrando uma boa viabilidade como combustor em A.F.
CARACTERÍSTICAS DO AÇO INOXIDÁVEL COLORIDO
Aços Inoxidáveis
O emprego dos aços inoxidáveis têm crescido consideravelmente nos últimos
anos e são cada vez mais utilizados na arquitetura para revestimentos internos e
externos. Sua grande utilização está relacionada à sua resistência mecânica e à
corrosão. Tendo-se em vista estas propriedades importantes para materiais e o
crescente desenvolvimento de acabamentos mecânicos e industriais, suas
possibilidades de aplicações aumentam cada vez mais com a geração de novas
tecnologias.
Uma das características mais importantes observadas do aço inoxidável é a
sua resistência à corrosão, que está relacionada à presença de cromo em
quantidades geralmente acima de 10,5% em peso. Esta característica de resistência
é devido ao fato de que o cromo consegue produzir uma camada muito fina de óxido
ou filme passivante que se deposita firmemente à superfície do aço, dificultando o
processo de oxidação (Krauss, 1990).
Algumas investigações feitas recentemente abordam que os filmes passivos
que são formados na superfície dos aços inoxidáveis apresentam propriedades
semicondutoras em uma estrutura duplex. A camada formada apresenta uma
película externa geralmente mais porosa de hidróxidos e uma interna mais
compactada de óxidos de cromo. Alguns modelos desenvolvidos que abordam o
comportamento frente à corrosão são baseados na estrutura eletrônica apresentada,
onde, segundo esses modelos, a resistência à corrosão poderia estar relacionada à
presença dos óxidos de cromo na camada interior (Montemor et al.,2000).
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Segundo (Montemor et al., 2000), alguns fatores importantes devem ser
considerados ao se desenvolver aços inoxidáveis, como, por exemplo, a resistência
à corrosão a oxidação em ambientes de operação, as propriedades físicas e
mecânicas e também características induzidas na fabricação decorrente de
trabalhos a quente e a frio.
Os aços inoxidáveis podem ser divididos em diferentes classes baseando-se
nas fases que prevalecem em sua microestrutura, sendo martensita, ferrita e
austenita.
Engenharia de Superfícies
A engenharia de superfícies está relacionada ao desenvolvimento e aplicação
de processos a um determinado material ou componente onde, através da
tecnologia utilizada, conseguem-se propriedades desejadas por meio do controle
das características superficiais do material, fazendo-se sistemas conjugados de um
metal e um recobrimento (Silva, 2012).
Muitos fatores podem influenciar negativamente no desempenho dos
recobrimentos, como a rugosidade e a porosidade do filme, como também sua
adesão à superfície do substrato. Esses fatores podem estar relacionados ao filme,
à interface ou ao substrato. Sendo assim, torna-se bastante complexo afirmar qual é
o melhor recobrimento para uma determinada aplicação industrial (Rickerby, 1991).
Na figura a seguir se observa os fatores que estão relacionados a cada parte de um
material.
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Figura 12 - Propriedades e características do sistema conjugado
substrato/recobrimento.
Fonte: Rickerby, 1991.
Aços Inoxidáveis Coloridos
A busca por materiais mais resistentes e que apresentam um efeito estético
melhor fez com que surgissem novos investimentos em aços inoxidáveis coloridos
como revestimentos externos e internos na arquitetura e na engenharia,
proporcionando maior segurança quanto à resistência mecânica e corrosão, além de
melhorar a estética do ambiente.
Os fenômenos de interferência luminosa possuem papel importante na
percepção das cores em aços inoxidáveis coloridos, onde há uma interação da luz
ambiente com uma película de óxidos que reveste a superfície dos aços inoxidáveis
coloridos. A figura a seguir mostra como ocorre o aparecimento das cores. Observa-
se através do esquema que a luz presente no ambiente incide na superfície do filme
e parte dela sofre refração para o interior do filme e a outra parte sofre reflexão. A
distância percorrida pela luz dentro do filme de óxido pode provocar uma diferença
entre as ondas. Desta forma, os diferentes comprimentos de onda presentes na luz
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visível podem sofrer interferências em diferentes intensidades, fazendo com que
haja a possibilidade de haver a predominância de um determinado comprimento de
onda, que será responsável por uma cor específica (Junqueira, 2004). A cor
resultante dessa incidência de luz dependerá tanto da espessura do filme utilizado
na superfície do aço quanto do ângulo de observação.
Figura 13 - Raios refletidos na superfície do filme e na interface
substrato/filme dos aços coloridos.
Fonte: Duarte, 2010.
Tratamentos Superficiais de Aços Inoxidáveis
O estado inicial da superfície da chapa de aço inoxidável é extremamente
importante para se ter uma boa qualidade de coloração. Quanto mais polida for a
região, mais homogênea será a coloração obtida (Andrade, 2005). Geralmente
polimentos eletroquímicos são utilizados para nivelar a superfície de uma chapa de
aço inoxidável, pois, fazendo-se isto, aumenta-se a sua refletividade e melhora sua
aparência, além de reduzir o coeficiente de atrito e aumentar a resistência à
corrosão em quatro ou até cinco vezes (Marellato, 1973).
Um dos parâmetros mais considerados pelas indústrias de semicondutores e
biomédicas é a questão da melhoria da resistência à corrosão dos aços inoxidáveis
através do polimento eletroquímico, onde requerem superfícies muito planas e
resistentes à corrosão, atendendo aos altos níveis de limpeza e planicidade da
superfície exigidas (Lee et al., 2003).
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Alguns métodos são utilizados para o crescimento de filmes coloridos por
interferência, como, por exemplo, através da oxidação térmica, química e
eletroquímica.
O método de oxidação térmica utiliza atmosfera controlada e é realizado em
recipiente fechado usando-se uma corrente gasosa, onde o gás pode ser o argônio,
o hélio ou hidrogênio. Geralmente a temperatura utilizada deve variar entre 500 e
900 ºC. As cores obtidas por este método não são muito intensas quando
comparadas com as obtidas pelo método da oxidação química (Junqueira, 2004).
O método de oxidação química é baseado em um tratamento onde o aço
inoxidável é mergulhado em uma solução concentrada de ácido crômico (H2CrO4)
2,5 mol/L e ácido sulfúrico (H2SO4) 5,0 mol/L, em que a temperatura da solução é
mantida em torno de 80 a 85°C e, em seguida, é preciso um tratamento catódico que
proporciona um endurecimento do filme. Neste processo ocorre a formação de
filmes de óxidos interferentes que apresentam diferentes cores, dependendo do
tempo de imersão e da concentração da solução (Junqueira, 2004).
O método de oxidação eletroquímica, um dos mais conhecidos para a
coloração de aços inoxidáveis, utiliza um processo de pulsos alternados de potencial
em temperaturas que variam entre 30 e 50°C (Fujimoto, 1993). Este processo,
proposto por Ogura (1994), é baseado numa coloração através de uma solução de
ácido crômico e ácido sulfúrico, onde os pulsos são usados de maneira que os
potenciais E1 e E2 correspondam àqueles presentes na região passiva e do início
da região transpassiva, respectivamente.
Um dos métodos também utilizados para coloração de aços inoxidáveis é o
processo que utiliza pulsos alternados de corrente, que se baseia na imersão de
amostras de aço inoxidável em solução de ácido crômico e ácido sulfúrico a uma
temperatura em torno de 60 a 80 ºC, aplicando densidades de corrente anódica de
0,2 mA/dm2 por 6 segundos e catódica de -0,6 mA/dm2 por 2 segundos. A cor
resultante dependerá do tempo de eletrólise, onde os melhores resultados para o
colorímento são apresentados para 80 ºC (Wang e Duh, 1995).
Outro processo conhecido, proposto por Ogura (1996), é o de varredura
triangular de corrente a temperatura ambiente. Nesse processo, durante a etapa
anódica de varredura, ocorre um aumento de corrente até atingir um valor máximo
(Imax), na região transpassiva, local onde ocorre a dissolução do aço inoxidável
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apresentando liberação de íons. Cr6+ no eletrólito. Esta corrente, então, diminui e
chega a valores catódicos até atingir uma corrente mínima (Imin). Nessa etapa há
uma redução onde os íons Cr6+ da solução passam a íons Cr3+, que se depositam
novamente na superfície do material. Esse processo proposto possui a vantagem de
ser realizado em temperatura ambiente, proporcionando uma diminuição na
eliminação de poluentes.
Testes foram feitos para se comprovar os benefícios do aço inoxidável
colorido quanto à corrosão. Aços inoxidáveis ABNT 304 antes e após colorimento
por processo eletroquímico de corrente pulsada foram expostos a diferentes
ambientes, como atmosfera marinha e urbana por períodos de um e três anos,
respectivamente. Quatro tipos de amostras foram testados, possuindo acabamento
mecânico antes e depois do colorimento até se obter cor de bronze e com
acabamento brilhante antes e após o colorimento, até se obter a cor verde.
Observaram-se parâmetros como o aparecimento de manchas e pites, como
também alterações de cor e brilho. No ambiente urbano não se observou alterações
de aparência. Já na atmosfera marinha ocorreu o aparecimento de manchas e pites
superficiais após seis meses de exposição nas amostras sem coloração, tornando-
se mais severas com o tempo. Nas amostras coloridas houve aparecimento de pites
e manchas, porém com um ano de exposição e em menor proporção quando
comparado às amostras sem coloração. Sendo assim, observa-se que os filmes de
coloração adicionados à superfície do aço inoxidável aumentam a proteção do aço
frente à corrosão dos agentes atmosféricos (Junqueira, 2004).
Um novo método de coloração, através de laser UV tem sido utilizado para
tratamentos superficiais de aço. Segundo Li et al (2009), as cores podem ser obtidas
através da variação de potência do laser, do plano focal e da direção de varredura,
como indicado na Figura 14 a seguir.
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Figura 14 - Cores obtidas com laser em aço inoxidável em vários parâmetros de
processamento.
Fonte: Li, 2009.
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO AÇO INOXIDÁVEL COLORIDO
Para efeitos de qualidade, ou seja, para se conhecer o desempenho de
materiais revestidos é preciso avaliar sua resistência ao desgaste e o
comportamento da resistência à corrosão. Para os aços inoxidáveis coloridos, onde
a cor é o centro das atenções, é essencial que se tenha uma forma quantitativa da
mesma, para que se tenha uma reprodutibilidade adequada das diferentes cores
(Junqueira, 1998).
Resistência ao Desgaste por Abrasão
O fenômeno de desgaste é caracterizado por um deslocamento de material
ocasionado pela presença de algumas partículas duras que podem estar localizadas
embutidas entre as superfícies em movimento relativo (Dias, 2003). O desgaste
pode ser entendido como um dano causado à superfície sólida de um material,
causando perda progressiva do mesmo devido ao movimento entre aquela
superfície e um ou mais corpos quando estão em contato (ASTM – American Society
for Testing and Materials – 2001).
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Este processo pode ser observado nos metais através de diversas formas:
pelo contato direto com outros metais e sólidos não metálicos, líquidos em
movimento, partículas sólidas ou ainda partículas sólidas ou de líquido transportadas
em um fluxo gasoso. Segundo (Ribeiro, 2004), o desgaste por abrasão é conhecido
como um dano ao material em questão com perda progressiva do mesmo através da
movimentação relativa entre a superfície e um ou vários tipos de materiais.
A resistência à abrasão de um revestimento tem papel fundamental no
desempenho do produto, é um fator importante relacionado à sua durabilidade, além
de estar relacionado a propriedades mecânicas como dureza, módulo de
elasticidade e resistência a riscos. Para aços com tratamentos superficiais (aços
coloridos), é de extrema importância considerar a ação de esforços mecânicos
decorrentes do manuseio constante do produto que possam, com o tempo, afetar
aparência das superfícies coloridas (Junqueira et al., 1998).
Junqueira (2006 – 2009) utilizaram testes para avaliar o desgaste à abrasão.
Em um de seus testes, usou-se um sistema para avaliar a resistência de amostras
de aço inoxidável coloridas em dourado com diferentes níveis de porosidade. Isso foi
feito usando-se uma máquina de resistência ao desgaste por abrasão, onde o
ensaio consistiu no desgaste do filme de interferência, onde, pressionando-se a
superfície da amostra contra uma roda revestida por uma tira de papel abrasivo de
H2CrO4 de 0,5μm em ciclos realizados por movimentos de ida e volta, com uma
carga constante de 30N. A conclusão obtida com este estudo é de que a morfologia
dos sistemas revestidos influencia as suas propriedades mecânicas. Os filmes mais
espessos, como o verde e o dourado, possuem maior resistência ao desgaste se
comparado com os mais finos, como o marrom e o azul. Os filmes mais porosos
apresentaram menor resistência ao desgaste do que os menos porosos. No estudo
realizado por esses pesquisadores observou-se o papel importante do tratamento
térmico, onde após as amostras serem tratadas a 150°C por até 256 horas,
indicaram o aumento da resistência, como apresentado na figura a seguir.
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Figura 15 – Resistência ao desgaste de chapa industrial de aço inoxidável
colorida em dourado aquecida a 150°C por 2, 4, 16, 64 e 256 horas.
Fonte: Junqueira, 2009.
Resistência à Corrosão
Um dos fatores que influenciam enormemente a corrosão do material é seu
acabamento superficial. Os materiais que apresentam superfícies com baixa
rugosidade terão um efeito mais favorável com relação à resistência à corrosão. Um
mesmo aço inoxidável, quando exposto ao mesmo ambiente, pode se comportar de
diferentes maneiras dependendo do seu acabamento. Os aços lixados, ou seja, os
que apresentam menor rugosidade são aqueles mais resistentes à corrosão,
principalmente quando se leva em consideração a corrosão por pites (Ashby &
Johnson, 2011).
Diferentes metodologias podem ser usadas para estudar a resistência à
corrosão, tais como ensaios de exposição atmosférica acelerada e não acelerada,
curvas de polarização potenciodinâmica, espectroscopia de impedância
eletroquímica, ensaios de perda de massa (métodos gravimétricos), imersão em
soluções de cloretos, entre outros.
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Considerações Finais
Este artigo apresentou uma visão geral da produção do aço, dando ênfase
metodologias que permitam melhorar as propriedades dos materiais e que têm
causado interesse no desenvolvimento de rotas alternativas de produção industrial.
Dando destaque aos aços coloridos, mostrando o cenário atual em termos de Brasil,
bem como, as perspectivas de ampliação desta tecnologia.
Abstract: This paper presents the constant concerns about new ways of obtaining energy, effective methods to minimize environmental impacts and methodologies to improve the properties of materials, have caused interest in the development of alternative routes of industrial production. It has as a purpose a bibliographical review on the Austenitic Stainless Steel (25% Cr, 15% Ni) Colored Steel Industry. The coloring of the steel is accomplished through the application of Q-switched third-harmonic Nd: YVO4 laser. Keywords: Steel, colored stainless steel, steel industry
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Publicado na Revista Vozes dos Vales - www.ufvjm.edu.br/vozes em: 05/2017
Revista Científica Vozes dos Vales - UFVJM - Minas Gerais - Brasil
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Periódico Científico Eletrônico divulgado nos programas brasileiros Stricto Sensu
(Mestrados e Doutorados) e em universidades de 38 países,
em diversas áreas do conhecimento.
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