O minério de ferro consiste em oxigénio e átomos de ferro ligados entre si em moléculas. Para o converter em ferro metálico deve ser fundido ou enviado através de um processo de redução directa para remover o oxigénio. As ligações oxigénio-ferro-ferro-ferro são fortes, e para remover o ferro do oxigénio, deve ser apresentada uma ligação elementar mais forte para se ligar ao oxigénio. O carbono é utilizado porque a resistência de uma ligação carbono-oxigénio é maior do que a da ligação ferro-oxigénio, a altas temperaturas. Assim, o minério de ferro deve ser pulverizado e misturado com coque, para ser queimado no processo de fundição.
p>Monóxido de carbono é o ingrediente principal da remoção química do oxigénio do ferro. Assim, o ferro e a fundição de carbono devem ser mantidos num estado deficiente em oxigénio (redutor) para promover a queima de carbono para produzir CO e não CO
ul>>li>explosão de ar e carvão vegetal (coque): 2 C + O2 → 2 CO
- Fase Um: 3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
- Fase Dois: Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
- Fase Três: FeO + CO → Fe + CO2
OligoelementosEditar
A inclusão de mesmo pequenas quantidades de alguns elementos pode ter efeitos profundos nas características comportamentais de um lote de ferro ou no funcionamento de uma fundição. Estes efeitos podem ser tanto bons como maus, alguns catastroficamente maus. Alguns produtos químicos são deliberadamente adicionados, como o fluxo que torna um alto-forno mais eficiente. Outros são adicionados porque tornam o ferro mais fluido, mais duro, ou dão-lhe alguma outra qualidade desejável. A escolha do minério, combustível e fluxo determina o comportamento da escória e as características operacionais do ferro produzido. Idealmente, o minério de ferro contém apenas ferro e oxigénio. Na realidade, este é raramente o caso. Tipicamente, o minério de ferro contém uma série de elementos que são frequentemente indesejados no aço moderno.
SiliconEdit
Sílica (SiO
2) está quase sempre presente no minério de ferro. A maior parte é escória durante o processo de fundição. A temperaturas superiores a 1.300 °C (2.370 °F), algumas serão reduzidas e formam uma liga com o ferro. Quanto mais quente for o forno, mais silício estará presente no ferro. Não é raro encontrar até 1,5% Si no ferro fundido europeu dos séculos XVI a XVIII.
O principal efeito do silício é promover a formação de ferro cinzento. O ferro cinzento é menos quebradiço e mais fácil de terminar do que o ferro branco. É preferido para fundição por esta razão. Turner (1900, pp. 192-197) relatou que o silício também reduz a retracção e a formação de furos de fundição, diminuindo o número de fundições defeituosas.
FósforoEditar
Fósforo (P) tem quatro efeitos principais no ferro: maior dureza e resistência, menor temperatura do sólido, maior fluidez, e falta de frio. Dependendo do uso destinado ao ferro, estes efeitos ou são bons ou maus. O minério de pântano tem frequentemente um elevado teor de fósforo (Gordon 1996, p. 57).
A força e dureza do ferro aumenta com a concentração de fósforo. 0,05% de fósforo no ferro forjado torna-o tão duro como o aço de carbono médio. O ferro de fósforo elevado também pode ser endurecido por martelagem a frio. O efeito de endurecimento é verdadeiro para qualquer concentração de fósforo. Quanto mais fósforo, mais duro se torna o ferro e mais pode ser endurecido por martelagem. Os fabricantes de aço modernos podem aumentar a dureza em até 30%, sem sacrificar a resistência ao choque, mantendo os níveis de fósforo entre 0,07 e 0,12%. Também aumenta a profundidade de endurecimento devido ao têmpera, mas ao mesmo tempo também diminui a solubilidade do carbono no ferro a altas temperaturas. Isto diminuiria a sua utilidade na fabricação de aço em bolha (cimentação), onde a velocidade e quantidade de absorção de carbono é a consideração primordial.
A adição de fósforo tem um lado negativo. Em concentrações superiores a 0,2%, o ferro torna-se cada vez mais frio curto, ou quebradiço a baixas temperaturas. O frio curto é especialmente importante para o ferro de barra. Embora o ferro em barra seja normalmente trabalhado a quente, as suas utilizações exigem frequentemente que seja resistente, dobrável, e resistente ao choque à temperatura ambiente. Um prego que se estilhaça quando batido com um martelo ou uma roda de carruagem que se parte ao bater numa pedra não se venderia bem. Concentrações suficientemente altas de fósforo tornam qualquer ferro inutilizável (Rostoker & Bronson 1990, p. 22). Os efeitos da falta de frio são amplificados pela temperatura. Assim, um pedaço de ferro que é perfeitamente utilizável no Verão, pode tornar-se extremamente frágil no Inverno. Há algumas evidências de que durante a Idade Média os muito ricos podem ter tido uma espada de fósforo alto para o Verão e uma espada de fósforo baixo para o Inverno (Rostoker & Bronson 1990, p. 22).
O controlo cuidadoso do fósforo pode ser de grande benefício nas operações de fundição. O fósforo deprime a temperatura do líquido, permitindo que o ferro se mantenha fundido durante mais tempo e aumenta a fluidez. A adição de 1% pode duplicar a distância que o ferro fundido irá fluir (Rostoker & Bronson 1990, p. 22). O efeito máximo, cerca de 500 °C, é alcançado a uma concentração de 10,2% (Rostocker & Bronson 1990, p. 194) harv error: no target: CITEREFRostockerBronson1990 (ajuda). Para trabalhos de fundição Turner sentiu que o ferro ideal tinha 0,2-0,55% de fósforo. O ferro resultante enchia moldes com menos vazios e também encolhia menos. No século XIX alguns produtores de ferro fundido decorativo utilizavam ferro com até 5% de fósforo. A fluidez extrema permitiu-lhes fazer fundições muito complexas e delicadas. Mas, não podiam suportar peso, pois não tinham resistência (Turner 1900, pp. 202-204).
Existem dois remédios para o ferro com elevado teor de fósforo. O mais antigo, e o mais fácil, é evitar. Se o ferro que o minério produzia fosse curto a frio, procurar-se-ia uma nova fonte de minério de ferro. O segundo método envolve a oxidação do fósforo durante o processo de finagem, adicionando óxido de ferro. Esta técnica é normalmente associada à poça no século XIX, e pode não ter sido compreendida antes. Por exemplo, Isaac Zane, o proprietário da Marlboro Iron Works, não parecia ter conhecimento dela em 1772. Dada a reputação de Zane de se manter a par dos últimos desenvolvimentos, a técnica era provavelmente desconhecida dos ironmasters da Virgínia e Pensilvânia.
Fósforo é um contaminante prejudicial porque torna o aço frágil, mesmo em concentrações tão pequenas como 0,6%. O fósforo não pode ser facilmente removido por fluxo ou fundição, pelo que os minérios de ferro devem geralmente ser pobres em fósforo para começar com.
AluminiumEdit
Muitas quantidades de alumínio (Al) estão presentes em muitos minérios, incluindo minério de ferro, areia e alguns calcários. O primeiro pode ser removido por lavagem do minério antes da fundição. Até à introdução de fornos revestidos de tijolo, a quantidade de contaminação de alumínio era suficientemente pequena para não ter efeito nem sobre o ferro nem sobre a escória. No entanto, quando o tijolo começou a ser utilizado para lareiras e no interior dos altos-fornos, a quantidade de contaminação de alumínio aumentou dramaticamente. Isto deveu-se à erosão do revestimento do forno pela escória líquida.
Alumínio é difícil de reduzir. Como resultado, a contaminação do ferro com alumínio não é um problema. No entanto, aumenta a viscosidade da escória (Kato & Minowa 1969, p. 37 harvnb error: no target: CITEREFKatoMinowa1969 (ajuda) e Rosenqvist 1983, p. 311). Isto terá uma série de efeitos adversos no funcionamento do forno. A escória mais espessa retardará a descida da carga, prolongando o processo. O alumínio elevado também tornará mais difícil a descarga da escória líquida. No extremo, isto poderá levar a um forno congelado.
Existem várias soluções para uma escória de alto alumínio. A primeira é evitar; não utilizar minério ou uma fonte de cal com alto teor de alumínio. Aumentar a proporção do fluxo de cal irá diminuir a viscosidade (Rosenqvist 1983, p. 311).
SulfurEdit
Sulfur (S) é um contaminante frequente no carvão. Está também presente em pequenas quantidades em muitos minérios, mas pode ser removido por calcinação. O enxofre dissolve-se facilmente tanto no ferro líquido como no sólido, às temperaturas presentes na fundição de ferro. Os efeitos, mesmo de pequenas quantidades de enxofre, são imediatos e graves. Eles foram um dos primeiros a ser trabalhados pelos fabricantes de ferro. O enxofre faz com que o ferro seja vermelho ou quente curto (Gordon 1996, p. 7).
O ferro quente curto é frágil quando quente. Este era um problema sério, uma vez que a maioria do ferro utilizado durante os séculos XVII e XVIII era ferro em barra ou ferro forjado. O ferro forjado é moldado por golpes repetidos com um martelo enquanto está quente. Um pedaço de ferro curto quente rachará se for trabalhado com um martelo. Quando um pedaço de ferro quente ou aço racha, a superfície exposta oxida imediatamente. Esta camada de óxido impede a reparação da fenda por soldadura. Grandes fissuras provocam a ruptura do ferro ou do aço. As fissuras mais pequenas podem causar a falha do objecto durante a utilização. O grau de brevidade quente está em proporção directa com a quantidade de enxofre presente. Hoje em dia, o ferro com mais de 0,03% de enxofre é evitado.
O ferro curto quente pode ser trabalhado, mas tem de ser trabalhado a baixas temperaturas. Trabalhar a temperaturas mais baixas requer mais esforço físico do ferreiro ou do forgeman. O metal deve ser golpeado com mais frequência e com mais força para se obter o mesmo resultado. Uma barra ligeiramente contaminada com enxofre pode ser trabalhada, mas requer muito mais tempo e esforço.
No ferro fundido o enxofre promove a formação de ferro branco. Tão pouco quanto 0,5% pode neutralizar os efeitos do arrefecimento lento e um elevado teor de silício (Rostoker & Bronson 1990, p. 21). O ferro fundido branco é mais frágil, mas também mais duro. É geralmente evitado, porque é difícil de trabalhar, excepto na China onde o ferro fundido com alto teor de enxofre, alguns até 0,57%, feito com carvão e coque, foi utilizado para fazer sinos e sinos (Rostoker, Bronson & Dvorak 1984, p. 760). Segundo Turner (1900, p. 200), o bom ferro de fundição deve ter menos de 0,15% de enxofre. No resto do mundo, um ferro fundido com alto teor de enxofre pode ser utilizado para fazer peças fundidas, mas fará ferro fundido pobre.
Existem vários remédios para a contaminação por enxofre. O primeiro, e o mais utilizado em operações históricas e pré-históricas, é o de evitar. O carvão não era utilizado na Europa (ao contrário da China) como combustível para fundição porque contém enxofre e, por conseguinte, provoca ferro curto quente. Se um minério resultava em metal curto quente, os mestres de ferro procuravam outro minério. Quando o carvão mineral foi utilizado pela primeira vez nos altos-fornos europeus em 1709 (ou talvez mais cedo), foi coalhado. Apenas com a introdução do jacto quente de 1829 foi utilizado carvão bruto.
Sulfur pode ser removido dos minérios por torrefacção e lavagem. A torrefacção oxida o enxofre para formar dióxido de enxofre que ou escapa para a atmosfera ou pode ser lavado. Em climas quentes é possível deixar o minério pirítico à chuva. A acção combinada da chuva, bactérias e calor oxida os sulfuretos ao ácido sulfúrico e sulfatos, que são solúveis em água e lixiviados (Turner 1900, pp. 77). No entanto, historicamente (pelo menos), o sulfureto de ferro (FeS
2), embora seja um mineral de ferro comum, não tem sido utilizado como minério para a produção de metal de ferro. Na Suécia também se utilizou a meteorização natural. O mesmo processo, à velocidade geológica, resulta nos minérios de gossan limonite.
A importância atribuída ao ferro com baixo teor de enxofre é demonstrada pelos preços consistentemente mais elevados pagos pelo ferro da Suécia, Rússia, e Espanha dos séculos XVI a XVIII. Hoje em dia o enxofre já não é um problema. O remédio moderno é a adição de manganês. Mas, o operador deve saber quanto enxofre está no ferro, porque pelo menos cinco vezes mais manganês deve ser adicionado para neutralizá-lo. Alguns ferros históricos apresentam níveis de manganês, mas a maioria está bem abaixo do nível necessário para neutralizar o enxofre (Rostoker & Bronson 1990, p. 21).
p>A inclusão de sulfureto de manganês (MnS) também pode ser a causa de graves problemas de corrosão por corrosão em aço inoxidável de baixa qualidade, como o aço AISI 304.Em condições de oxidação e na presença de humidade, quando o sulfureto oxida produz aniões tiossulfato como espécie intermédia e porque o anião tiossulfato tem uma electromobilidade equivalente mais elevada do que o anião cloreto devido à sua dupla carga eléctrica negativa, promove o crescimento do fosso. De facto, as cargas eléctricas positivas nascidas pelos cátions Fe2+ libertados em solução pela oxidação do Fe na zona anódica dentro da fossa devem ser rapidamente compensadas / neutralizadas por cargas negativas trazidas pela migração electrocinética dos ânions na fossa capilar. Alguns dos processos electroquímicos que ocorrem numa fossa capilar são os mesmos que os encontrados na electroforese capilar. Maior a taxa de migração electrocinética dos ânions, maior a taxa de corrosão por corrosão. O transporte electrocinético de iões dentro da fossa pode ser a etapa limitadora da taxa na taxa de crescimento da fossa.