Prof. Hélio Padilha
Introdução
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O processo de fundição consiste em vazar (despejar) metal líquido
num molde contendo uma cavidade na geometria desejada para a
peça final.
Os processos podem ser classificados pelo tipo de molde e modelo
e/ou pela força ou pressão usada para preencher o molde com o
metal líquido.
O processo de fundição permite obter, de modo econômico, peças
de geometria complexa, sua principal vantagem em relação a
outros processos.
O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais
como aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco, magnésio e
respectivas ligas.
Introdução

O ferro ocorre, na natureza, sob diversas formas
de minerais. Entretanto, apenas alguns destes
minerais têm valor comercial como fontes de
ferro. Entre estes, os minerais formados por
óxidos de ferro representam a grande maioria
das fontes de ferro para a indústria.
Principais minerais (óxidos)
Magnetita – Fe3O4
 É altamente magnética,
permitindo sua separação
fácil de resíduos indesejáveis
do minério (ganga). É
minerada principalmente na
Rússia e na Suécia e tem a
vantagem da facilidade de
concentração decorrente das
propriedades magnéticas.
Hematita - Fe2O3
 É o minério de maior
emprego na
siderurgia,sendo o
Brasil um dos maiores
produtores mundiais.
Principais minerais (óxidos)

Entre todos estes tipos de minério, a hematita, que constitui a maioria
dos minerais brasileiros, é o mais importante em função da sua relativa
abundância e alto teor de ferro. No Brasil a hematita ocorre em grandes
massas compactas ou friáveis de elevado teor de ferro, ou como rocha
metamórfica laminada em camadas alternadas com quartzo
denominada itabirito, podendo atingir até 69% de ferro.
Nome
Magnetita
Hematita
Limonita
Cor
Cinza escuro
Composição
Fe3O4
Fe2O3
2Fe2O3 3H2O
FeCO3
% Fe
72,36
69,96
62,85
48,20
Ocorrência
Rochas
ígneas,
sedimentares
e
metamórficas
Rochas
sedimentares
e
metamórficas
Rochas
sedimentares
Rochas
sedimentares
Cinza a
Amarela a
vermelho fosco marron escuro
Siderita
Cinza
esverdeado
Produção de ferro metálico
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Os minérios de ferro precisam ser quimicamente
reduzidos para que se obtenha o ferro metálico:
○ Fe+3 + 3e- → Fe
○ Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO

Atualmente há duas técnicas mais importantes
para redução do minério de ferro: redução em
alto-forno, produzindo gusa líquido e a redução
direta.
Ferro GUSA
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O gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo
coque ou carvão e calcário num alto forno. O gusa normalmente
contém até 4,5% de carbono, o que faz com que seja um material
quebradiço e sem grande uso direto.
O ferro gusa é a matéria-prima do aço. É formado por uma liga de
ferro-carbono, obtida em alto forno e fundida em molde padrão de
formato piramidal, de aproximadamente 4,5 kg, e em formato
trapezoidal de 6,5 kg. É dividido em 3 categorias de acordo com sua
especificação química:
 Ferro Gusa de Aciaria: matéria-prima utilizada na produção do aço;
 Ferro Gusa de Fundição: matéria-prima para peças fundidas;
 Ferro Gusa Nodular: matéria-prima utilizada na produção de peças
especiais.
Composição genérica do gusa
Carbono
3,5 a 4,5%
Silício
0,3 a 2%
Enxofre
0,01 a 0,1%
Fósforo
0,05 a 2%
Manganês
0,5 a 2%
Ferro primário
5mm<Pelotas<18mm
Em detalhe
5mm<Sinter<50mm
6mm< Minério <40mm
granulado
Processo de pelotização
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Pelotas são
aglomerados de forma
esférica formados pela
pelotização de minérios
finos com o auxílio de
aditivos seguido por um
endurecimento a frio ou
a quente.
Os aditivos geralmente
utilizados são: fundentes
(calcário, dolomita),
aglomerantes (bentonita,
cal hidratada) e
combustível sólido
(antracito)
Processo de sinterização
As partículas finas de
minério, também chamadas
de sínter-feed, são
pequenas demais para
serem colocadas
diretamente no alto forno.
Portanto, elas sofrem um
processo de aglomeração
denominado sinterização.
 Durante esse processo,
ocorre uma fusão incipiente
das partículas de minério, e
parte da hematita, que é seu
composto principal, é
reduzida a outras fases. O
material produzido, que é o
sínter, é um material
fortemente não-homogêneo
composto principalmente por
hematita, magnetita, ferritos,
silicatos e poros.
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Propriedades
Sínter
Pelotas
57 a 61% de ferro
64 a 67% de ferro
Aproveitamento dos finos de mineração
abaixo de 8 mm até 0,15 mm e de
resíduos siderúrgicos (pó de coletor,
carepa, etc...)
Aproveitamento dos finos de
mineração abaixo de 0,5 mm
Resistência mecânica média e possível à
degradação durante o transporte
Elevada resistência e baixa
degradação no transporte
Tamanho do sínter: 0 a 50 mm, em
formato irregular
Tamanho da pelota: 10 a 12 mm, de
formato esférico
Gera 7 a 10% de finos de retorno no
transporte da sinterização ao alto-forno
Gera de 5 a 10% de finos de retorno
Redutibilidade alta
Redutibilidade alta
Coque

Basicamente, o processo de
coqueificação consiste em
um aquecimento de carvões
coqueificáveis, em ausência
de ar, até cerca de 1100ºC.
Ocorre, então, uma
decomposição térmica que
dá origem aos produtos
voláteis e a um resíduo
sólido carbonoso,
macroporoso e de alta
resistência mecânica,
chamado coque.
Alto forno
São estruturas de aproximadamente
100 metros de altura e 13 metros de
diâmetro. Com temperaturas elevadas
que podem chegar até a 1800°. É
construído com chapas de aço e
revestido com materiais refratários.No
topo do forno o coque, calcário, e o
material portador de ferro (sinter,
pelotas e minério granulado) são
carregados em diferentes camadas.
 O ar injetado pelas ventaneiras irá
reagir com o coque, gerando o gás
redutor em alta temperatura, que irá
trocar calor com a carga. Na região
inferior do alto-forno, os gases com
temperatura de 2000 ºC irão fundir o
ferro gusa já reduzido, bem como
aquecê-lo até a temperatura de
vazamento, de aproximadamente
1500ºC.
 As impurezas presentes nos minérios
não serão reduzidas sendo apenas
fundida, desta forma compondo a
escória.

Produção

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A produção diária em média de um alto forno
varia de 5.000 a 10.000 toneladas.
A carga do alto forno para a produção de 1
tonelada de Ferro Gusa:
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


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1,7 toneladas de minério (Fe2O3 + ganga )
0,25 tonelada de calcáreo (CaCO3)
0,5 tonelada de carvão (CV ou CM)
2 toneladas de ar (H2O, N2, O2, ...)
Produção:
 1 tonelada de Ferro Gusa
 0,2 a 0,4 ton. de escória
 2,3 a 3,5 ton. de gás (reaproveitável).
Reações químicas
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Produção de energia e formação de monóxido
de carbono (CO):
 A queima de carvão ativado pela entrada de ar
quente fornece calor e monóxido de carbono, este
último importante na redução do minério.
 A oxidação do carbono ocorre próximo a entrada de
ar (ventaneiras),próximo a base do alto forno, cerca
de 1 a 3 metros. Na reação não CO2 devido a altas
temperaturas (1500 ºC) e excesso de carbono. O
excesso de CO torna o gás do alto forno combustível.
Reações químicas

Redução do ferro:
 O ferro do minério deve ser reduzido a ferro
metálico. O monóxido de carbono serve para
reduzir o ferro.
Reações químicas

Redução do silício, fósforo e manganês
 Nas temperaturas mais baixas da parte superior do
alto forno ocorre a seguinte reação:
 Nas altas temperaturas :
○ Esta última reação é incompatível em alto-forno,
praticamente todo o fósforo do minério é incorporado no
ferro gusa.
Reações químicas

Reação da escória (escoriamento):
 O silicato de cálcio recebe o nome de escória e
depositam-se no cadinho sobre o ferro, evita a
oxidação, se retirada periodicamente. As escórias
são utilizadas na produção de tijolos, blocos e
concretos.
 O gás do alto-forno limpo de pó se usa como
combustível nos recuperadores e nas caldeiras a
vapor. Seu poder calorífico, é aproximadamente de
1000 cal/m3.
Alto forno
Transporte
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O gusa líquido deve ser transportado para aciaria com o mínimo
de perdas de calor. Este transporte é realizado pelos carro
torpedo, que possibilitam também, a dessulfuração em instalação
própria, através da injeção de aditivos e gás inerte, submergido
por uma lança. Este processo prepara o gusa para a próxima
etapa de transformação.
Carro torpedo
Ferro fundido

Obtenção de Ferro Fundido:
 O material da primeira fusão(ferro gusa) obtido
em alto forno é levado a uma fundição e
refundido junto com sucata de ferro fundido e
aços em forno cubilô, dando origem ao ferro
fundido de segunda fusão com 2,3 a 3,5 % de
carbono.
 Com este produto são feitas peças geralmente,
chamadas peças de ferro-fundido. Exemplos:
carcaça de motor, panelas (caçarolas), fogão à
lenha, lareiras, etc.
Ferro fundido
Correlação dos teores de C e de Si presente nos aços e ferros
fundidos (a maioria dos aços apresenta baixo %Si e os ferros
fundidos elevado %Si).
Ferros fundidos - obtenção
Ferros fundidos cinzentos
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
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Ferro fundido cinzento
Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às
suas características como:
baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata);
elevada usinabilidade, devida à presença de grafite livre em sua
microestrutura;
alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peças com
paredes finas e complexas;
facilidade de fabricação, já que não exige equipamentos
complexos para controle de fusão e solidificação.
A grafite, entrecortando a matriz metálica, absorve vibrações,
facilita a usinagem e confere ao ferro fundido uma melhor
estabilidade dimensional.
Ferro fundido cinzento
Forma da grafita em um ferro fundido cinzento (forma de veios)
Ferro fundido cinzento
Os ferros fundidos absorvem as vibrações por conta da presença da
grafita na estrutura
Ferros fundidos brancos

Menos comum que o ferro fundido cinzento, o
branco é utilizado em peças em que se
necessite elevada resistência a abrasão. Este
tipo de ferro fundido não possui grafite livre
em sua microestrutura. O carbono encontrase combinado com o ferro, resultando em
elevada dureza e elevada resistência a
abrasão. Praticamente não pode ser usinado.
A peça deve ser fundida diretamente em suas
formas finais ou muito próximo delas, a fim
de que possa ser usinada por processos de
abrasão com pouca remoção de material.
Ferro fundido nodular
O ferro fundido nodular é uma classe de ferro fundido, onde o
carbono (grafite) permanece livre na matriz metálica, porém em
forma esferoidal. Este formato da grafite faz com que a
ductilidade seja superior, conferindo ao material características
que o aproximam do aço. A presença das esferas ou nódulos de
grafite mantém as características de boa usinabilidade e
razoável estabilidade dimensional.
 Propriedades mecânicas dos nodulares: boa resistência
mecânica à tração, boa ductilidade e resiliência, boa resistência
à compressão.

Ferro fundido nodular
Forma da grafita em um ferro fundido nodular (forma de nódulos)
Ferros fundidos maleáveis
Obtido por tratamento térmico em altas temperaturas
por longos tempos (tratamento de maleabilização) a
partir de um ferro fundido branco
 Propriedades mecânicas dos maleáveis: Ficam entre
as do nodular e do cinzento média resistência
mecânica à tração, média ductilidade (para um ferros
fundidos que possui em geral muito baixa ductilidade)
e resiliência, boa resistência à compressão.

Ferros fundidos maleáveis
Forma da grafita em um ferro fundido maleável (forma de
“amebas”)
Fundição contínua
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Neste processo, as peças fundidas
são longas, com secções
quadrada, retangular, hexagonal
ou de formatos diversos. Em
outras palavras, o processo funde
barras de grande comprimento
com as secções mencionadas, as
quais serão posteriormente
processadas por usinagem ou
pelos métodos de conformação
mecânica no estado sólido.
Fundição contínua
Aciaria - aços
Aciaria é a unidade de uma usina siderúrgica onde existem máquinas e
equipamentos voltados para o processo de transformar o ferro gusa em
diferentes tipos de aço.
 O principal destes equipamentos é o convertedor, que é um tipo de
forno, revestido com tijolos refratários e que transforma o ferro gusa e a
sucata em aço. Uma lança sopra oxigênio em alta pressão para o
interior do forno, produzindo reações químicas que separam as
impurezas, como os gases e a escória. A principal reação química no
convertedor ocorre entre o oxigênio injetado e o carbono presente no
ferro gusa, gerando gases que são eliminados no convertedor. Estes
gases se combinam e retiram o carbono do gusa, dando origem ao aço.
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Aços - Conversores
Aços - Fornos elétricos