Duro, mas maleável

VOCÊ sabe o que o piano, o jato, o relógio, o motor, o arranha-céu e a ponte pênsil têm em comum?

É o aço. O aço é o metal mais empregado em grandes indústrias e construções. Enormes navios fabricados de aço cruzam os oceanos. Também são de aço as tubulações que conduzem petróleo e gás a grandes distâncias. Na verdade, esse metal versátil faz parte do nosso dia-a-dia. Por exemplo, o ônibus que você toma para ir trabalhar tem pneus com banda de aço. Os cabos dos elevadores dos prédios são de aço. Isso sem falar nas dobradiças dos óculos e na colherinha de café. Esse metal resistente, porém maleável, tem milhares de aplicações. Como é fabricado, e por que é tão útil?

Carbono e cristais

O aço é uma liga, ou mistura, de dois elementos que à primeira vista não parecem combinar — o ferro e o carbono. O ferro puro é mole em comparação com outros metais e por isso não serve para aplicações mais pesadas. O carbono não é metal; tanto é que o diamante e a fuligem são simplesmente diferentes formas desse mesmo elemento. Mas quando se mistura uma pequena quantidade de carbono com ferro em fusão, obtém-se um material bem diferente do carbono e mais resistente do que o ferro.

A fabricação do aço é possível graças à estrutura cristalina do ferro. Você sabia que o ferro é composto de cristais? * Na realidade, todos os metais sólidos são compostos de cristais, e é essa composição que os torna maleáveis, conferindo-lhes brilho e outras propriedades. Os cristais de ferro têm ainda uma outra característica.

Efeito da estrutura cristalina

Na fabricação do aço, o ferro em fusão é misturado com outros elementos. À medida que essa mistura se solidifica, o ferro dissolve os outros materiais, absorvendo-os e retendo-os dentro das estruturas cristalinas. Outros metais se comportam da mesma maneira. O que o ferro tem de tão especial?

O ferro é ímpar porque sua estrutura cristalina pode sofrer transformações quando aquecido, mesmo no seu estado sólido. Essa característica permite que os cristais de ferro, relativamente fechados, se expandam e depois voltem à posição original. Imagine uma casa bem-construída que, quando você se senta na sala de estar, as paredes se expandem e o piso sobe e desce. Algo similar acontece dentro dos cristais de ferro quando o metal é aquecido a uma elevada temperatura inferior à da fusão, e depois é resfriado.

Se essas mudanças ocorrem na presença de carbono, uma liga dura pode tornar-se mole, ou uma liga mole pode ficar dura. As siderúrgicas aproveitam essa propriedade e determinam a dureza do aço com tratamentos térmicos como a têmpera, o revenido e o recozimento, conforme o produto a ser obtido. * Mas há outros fatores envolvidos.

Além de dureza e maleabilidade, o aço pode adquirir firmeza, força, ductilidade, resistência à corrosão, conformabilidade, flexibilidade, magnetismo, não-magnetismo e infindáveis outras  características adicionando-se elementos como manganês, molibdênio, níquel, vanádio, silício, chumbo, cromo, boro, tungstênio ou enxofre. Da mesma forma que o padeiro varia os ingredientes e a temperatura do forno conforme o tipo de pão, as siderúrgicas utilizam diferentes ligas e tratamentos térmicos para obter milhares de tipos de aço, incomparáveis na sua versatilidade. Para exemplificar, o aço usado nas ferrovias suporta bem trens de carga de 12.000 toneladas, ao passo que rolamentos de aço do tamanho da cabeça de um alfinete sustentam a roda catarina do relógio.

Fabricação do aço — processos antigos e modernos

Há séculos os ferreiros forjavam utensílios e armas de ferro. Eles descobriram que o ferro fundido (o ferro depois de separado do minério) continha impurezas que conferiam força e dureza ao metal. Notaram também que resfriar um instrumento de metal em água o tornava ainda mais duro. Hoje, o cadinho do ferreiro foi substituído por enormes fornos; e o martelo e a bigorna, por gigantescos laminadores. Mas os processadores modernos seguem os mesmos passos básicos que os robustos ferreiros do passado. Eles (1) fundem o ferro, (2) misturam substâncias para formar a liga, (3) resfriam o ferro e (4) o moldam e o submetem a vários tratamentos térmicos.

Observe as quantidades no quadro ao lado. Por mais impressionante que possa parecer, uma usina siderúrgica pode consumir tudo num único dia. As usinas ocupam um espaço gigantesco e recebem enormes quantidades de minério que as alimentam sem parar.

Maravilhoso metal versátil

O aço é utilizado de muitas formas incomuns. Ele pode ser encontrado debaixo do tampo de um piano de cauda: as cordas desse instrumento que produz bela música são fabricadas com um dos tipos mais resistentes de aço. O aço-manganês é usado para fabricar enormes britadeiras: quanto mais rochas ele quebra, mais resistente fica o aço. Para fabricar bisturis, lagares de vinho e máquinas de fazer sorvete, usa-se o aço inoxidável. Como vimos, as aplicações desse metal são infindáveis.

A produção anual de aço no mundo é de quase 800 milhões de toneladas. Mas é bom lembrar que o aço é feito a partir do ferro, que aliás é um dos elementos mais abundantes na Terra. E visto que não faltam carvão e calcário na natureza, pelo que parece tão cedo não haverá escassez de aço.

Assim, a próxima vez que usar uma agulha, uma vara de pescar, uma chave inglesa, abrir o portão numa cerca de alambrado, viajar de automóvel ou arar a terra, lembre-se da extraordinária liga de ferro e carbono que torna isso possível.

[Nota(s) de rodapé]

[Quadro na página 23]

O que é necessário para fabricar 10.000 toneladas de aço

6.500 toneladas de carvão

13.000 toneladas de minério de ferro

2.000 toneladas de calcário

2.500 toneladas de sucata de aço

1.500.000.000 litros de água

80.000 toneladas de ar

 [Quadro/Fotos nas páginas 24, 25]

Processo de fabricação do aço

Alguns detalhes foram omitidos para facilitar a visualização

A fabricação do aço requer temperaturas elevadas. Vejamos as diversas etapas do processo de fabricação conforme a temperatura.

▪ 1.400 °C. O carvão mineral é aquecido em enormes fornos herméticos, vaporizando impurezas. Os pedaços resultantes são chamados de coque, combustível que fornecerá calor e carbono necessários mais adiante no processo.

▪ 1.650 °C. O coque, o minério de ferro e o calcário são despejados num alto-forno e caem num paredão de chamas e ar superaquecido. O coque queima e, com a temperatura escaldante, as impurezas presentes no minério combinam-se com o calcário, formando a escória. O ferro se derrete e se assenta no fundo do forno. A escória, que fica flutuando no ferro, é removida. O ferro líquido é despejado em carros-torpedos que transportam a carga escaldante para a próxima estação.

▪ 1.650 °C. Noventa toneladas de sucata que passou por rigorosa triagem são despejadas num recipiente piriforme de nove metros de altura, conhecido como forno conversor a oxigênio. Uma enorme caçamba despeja o ferro líquido, incandescente, sobre a sucata, soltando fagulhas enquanto  um tubo resfriado a água, chamado lança, é baixado no forno. A lança solta um jato de oxigênio puro, com velocidade supersônica, fazendo com que o metal borbulhe feito sopa num fogão quente. Ocorrem então reações químicas. Em menos de uma hora, 300 toneladas de aço líquido são despejadas em caçambas de transporte. Acrescentam-se ligas. O material líquido incandescente é despejado em lingoteiras. O aço começa a tomar forma.

▪ 1.200 °C. O aço, aquecido ao rubro, é comprimido em laminadores até que se consiga a espessura desejada. Esse processo torna o metal duro — tão duro que resiste a moldagem adicional!

▪ Temperatura ambiente. O aço foi derretido, cortado, laminado a quente, laminado a frio e até decapado (mergulhado em ácido para remover impurezas da superfície). Foi recozido várias vezes. Finalmente o tratamento térmico chega ao fim. O aço líquido transformou-se em pilhas de folhas de aço, prontas para serem modeladas em dutos para um conjunto de escritórios.

Visto que os componentes principais de uma usina siderúrgica são feitos do próprio aço, por que eles não derretem durante o processo? A superfície interna dos fornos, dos carros-torpedos e das caçambas é revestida de tijolos de material refratário. Um forno conversor a oxigênio é protegido por um revestimento refratário de quase um metro de espessura. Mas os tijolos também se desgastam com o intenso calor e precisam ser substituídos regularmente.

[Diagrama]

(Para o texto formatado, veja a publicação)

1. FABRICAÇÃO DO FERRO

1.400 °C Carvão → Coquerias

↓

1.650 °C Minério de ferro → ALTO-FORNO

Calcário → ALTO-FORNO

↓

Ferro fundido

2. FABRICAÇÃO DO AÇO ↓

1.650 °C Sucata →

Cal e minério → OXIGÊNIO

Oxigênio → FORNO CONVERSOR A OXIGÊNIO

3. RESFRIAMENTO ↓

LINGOTAMENTO CONTÍNUO

Barra bruta

Linguado

Chapa grossa

4. ACABAMENTO ↓

1.200 °C Laminação do aço (barras ou vigas)

Galvanização

Laminação a frio

Laminação a quente

Temperatura ambiente

[Foto]

Observe o tamanho relativo das pessoas

[Crédito da foto na página 23]

Todas as fotos das páginas 23-5, exceto o relógio: cortesia de Bethlehem Steel