Spelter em Aço: Seu Papel e Significado na Metalurgia

Definição e Propriedades Básicas

Spelter é um termo historicamente usado para se referir ao zinco em várias formas, especialmente no contexto da fabricação de aço e metalurgia. Na indústria do aço, denota mais comumente materiais à base de zinco usados como adições de liga ou revestimentos, ou zinco em sua forma refinada para fins de liga.

Quimicamente, o zinco (Zn) é um metal de transição com número atômico 30, posicionado no Grupo 12 da tabela periódica. Ele exibe uma estrutura cristalina hexagonal compacta (hcp) à temperatura ambiente, com um ponto de fusão de aproximadamente 419,5°C e ponto de ebulição de 907°C. O peso atômico do zinco é 65,38 g/mol.

Fisicamente, o zinco aparece como um metal lustroso de cor branco-azulada, com uma densidade relativamente baixa de cerca de 7,14 g/cm³. É quebradiço à temperatura ambiente, mas torna-se maleável quando aquecido acima de 100°C. As propriedades físicas do zinco o tornam adequado para galvanização e liga na produção de aço.

Papel na Metalurgia do Aço

Funções Primárias

Na fabricação de aço, spelter refere-se principalmente ao zinco usado como material de revestimento (galvanização) ou como elemento de liga em graus especiais de aço. O papel metalúrgico primário do zinco é fornecer resistência à corrosão quando usado como agente galvanizante, formando uma camada de óxido protetora nas superfícies de aço.

Quando ligado ao aço, o zinco influencia o desenvolvimento da microestrutura promovendo a formação de fases específicas durante a solidificação e o tratamento térmico. Ele pode refinar o tamanho dos grãos e modificar as transformações de fase, impactando as propriedades mecânicas.

A adição de zinco é crucial na produção de aço galvanizado, que combina a resistência do aço com a resistência à corrosão do zinco. Ele também desempenha um papel na produção de revestimentos ricos em zinco e certos aços de liga com propriedades personalizadas.

Contexto Histórico

O uso do zinco na produção de aço remonta ao início do século 20, com o advento da tecnologia de galvanização ganhando destaque na década de 1920. O desenvolvimento de processos de galvanização por imersão a quente revolucionou a durabilidade do aço, tornando o zinco um componente essencial.

A compreensão dos efeitos metalúrgicos do zinco avançou significativamente durante a metade do século 20, levando a composições de revestimento otimizadas e formulações de liga. Graus de aço marcantes, como aços estruturais galvanizados e aços de alta resistência contendo zinco, exemplificam sua importância.

Ocorrência no Aço

No aço, o zinco está tipicamente presente em concentrações que variam de quantidades traço até 0,2% em peso em aços galvanizados. Em aços de liga, o zinco pode ser adicionado deliberadamente em pequenas quantidades (até 0,5%) para modificar propriedades.

O zinco pode ser introduzido como metal puro, óxido de zinco (ZnO) ou como parte de ferroligas à base de zinco (por exemplo, ferroligas de zinco ferroso). No aço galvanizado, o zinco existe como um revestimento ou como um elemento de liga menor dentro da matriz do aço.

A forma do zinco dentro do aço varia: pode estar presente como uma solução sólida, como precipitados finos ou como inclusões, dependendo das condições de processamento. Sua distribuição e forma influenciam significativamente as propriedades finais do aço.

Efeitos e Mecanismos Metalúrgicos

Influência Microestrutural

O zinco influencia a microestrutura afetando a estabilidade de fase e o comportamento de transformação. Durante a solidificação, o zinco pode promover a formação de características microestruturais específicas, como ferrita, perlita ou bainita, dependendo dos níveis de liga e das taxas de resfriamento.

Ele altera as temperaturas de transformação, notavelmente diminuindo as temperaturas ac3 e Acm, o que impacta os cronogramas de tratamento térmico. O zinco também pode interagir com outros elementos de liga, como carbono, manganês e fósforo, modificando seus efeitos na microestrutura.

Na galvanização, o zinco forma uma ligação metalúrgica com o aço, criando um revestimento resistente à corrosão. Em aços de liga, o zinco pode precipitar como fases intermetálicas finas, refinando o tamanho dos grãos e melhorando a tenacidade.

Efeito nas Propriedades Chave

O zinco melhora a resistência à corrosão, especialmente em aços galvanizados, formando uma camada de óxido estável que protege o aço subjacente da oxidação e do ataque ambiental. Ele também confere melhorias moderadas na resistência e ductilidade quando ligado em pequenas quantidades.

No entanto, o excesso de zinco pode levar à fragilização ou à fragilidade a quente durante o trabalho a quente, reduzindo a ductilidade e a tenacidade. A presença do zinco pode influenciar a condutividade térmica e elétrica, geralmente reduzindo essas propriedades ligeiramente devido aos seus efeitos de liga.

Em termos de propriedades químicas, o zinco melhora a resistência à oxidação em temperaturas elevadas e pode atuar como um ânodo sacrificial em cenários de corrosão, protegendo substratos de aço.

Mecanismos de Reforço

O zinco contribui para a resistência principalmente através do reforço por solução sólida e endurecimento por precipitação. Quando o zinco é dissolvido no aço, ele impede o movimento de deslocamentos, aumentando a resistência ao escoamento.

A precipitação de fases ricas em zinco durante o resfriamento ou tratamento térmico aumenta ainda mais a resistência e a dureza. Relações quantitativas sugerem que pequenas adições (até 0,2%) podem aumentar a resistência à tração em vários MPa, dependendo da composição do aço e do processamento.

Microestruturalmente, os precipitados de zinco refinam as fronteiras dos grãos e inibem o crescimento dos grãos, contribuindo para uma melhor tenacidade e resistência à fadiga.

Métodos de Produção e Adição

Fontes Naturais

O zinco é obtido principalmente de minérios minerais como a esfalerita (ZnS). A extração envolve a calcinação, lixiviação e eletrorefino para produzir zinco metálico de alta pureza.

O zinco refinado está disponível globalmente, com os principais produtores localizados em países como China, Austrália e Estados Unidos. Sua importância estratégica na fabricação de aço decorre de seu uso generalizado na galvanização e na liga.

Formas de Adição

Na fabricação de aço, o zinco é adicionado em várias formas: como metal puro, pós de óxido de zinco ou ferroligas à base de zinco. Ferroligas como ferroligas de zinco ferroso são comuns para adição controlada.

A preparação envolve processos de fusão e refino para produzir zinco de grau metalúrgico, que é então introduzido nos derretimentos de aço por meio de panelas ou sistemas de injeção. As taxas de recuperação dependem das condições do processo, mas geralmente excedem 95% em operações bem controladas.

Tempo e Métodos de Adição

O zinco é geralmente adicionado durante a fase de refino da panela, após a fusão inicial do aço, para garantir uma distribuição homogênea. Na galvanização, o zinco é aplicado após a solidificação como um revestimento.

O tempo é crítico para evitar a vaporização do zinco ou reações com outros elementos. A homogeneização é alcançada por meio de agitação ou agitação eletromagnética, garantindo a formação uniforme de liga ou revestimento.

Controle de Qualidade

Níveis adequados de adição são verificados por meio de análise espectroscópica, como espectroscopia de emissão óptica (OES) ou métodos de plasma acoplado indutivamente (ICP). Essas técnicas detectam concentrações de zinco com alta precisão.

O monitoramento da química da escória e da temperatura ajuda a prevenir reações indesejáveis, como fragilidade a quente ou vaporização do zinco. Amostragens regulares e ajustes de processo mantêm efeitos metalúrgicos consistentes.

Faixas de Concentração Típicas e Efeitos