Forja
Forjapode se referir aofornoutilizado para aquecer os metais a serem trabalhados por umferreiro[1],ao conjunto de instrumentos utilizados pelo ferreiro[2][3],àoficinaem que metais são forjados por um ferreiro[1][4],ou mesmo ao conjunto de operações de transformação de minério de ferro em ferro metálico, sem passar pelo estado líquido, que envolviam a etapa química de redução do óxido de ferro pelo monóxido de carbono e a etapa física de martelamento para eliminar as escórias que ficavam no interior do ferro[5][6][7].
O processo de forjamento por meio da forja ainda se parece com aquele consagrado naIdade Média[8],segundo o qual o metal deve ser aquecido e martelado sobre uma bigorna.
O processo de redução do minério de ferro, tanto na forma direta ouindireta,emprega fornos que podem ser chamados de forjas. Entretanto, o termo forja está mais associado ao processo de redução direta, cuja etapa derefinoé realizada unicamente por forjamento[9].
Etimologia
editarO termoforjavem dofrancês antigoforge,forma derivada defaverge,que remete ao lugar onde se trabalha o metal[10][11].Por sua vez, o termofavergeprovém dolatimfabrica[10][11],que tanto pode se referir a “oficina”[12],quanto a “ofício” ou “arte”[13].
Combustíveis
editarLenha
editarAté à Idade Média era comum que ferreiros europeus trabalhassem em fornos alimentados porlenha[14],os quais, porém, não atingiam as mesmas temperaturas que aqueles alimentados porcarvão[15][7],combustível mais caro à época.[14]
Carvão
editarA forja a carvão é o forno tradicionalmente associado ao trabalho com metais[16][17].Sua estrutura é normalmente construída emferro fundido[18]oumaterial refratárioe inclui umalgaravizpor onde passa o ar soprado por uminsuflador,como umfoleou umventilador[19][20].Contudo, no passado, não era raro que forjas a carvão fossem construídas com pedras comuns ligadas por barro, ante a indisponibilidade de material refratário adequado.[14]
As temperaturas atingidas pelo emprego de carvão permitiram que metais com altoponto de fusãofossem deformados[14][21],o que levou as forjas a utilizar este combustível em substituição à lenha. Todavia, o tipo de carvão utilizado nas forjas foi alterado com o tempo, por força de crises no abastecimento de determinado tipo e o constante desenvolvimento de novos processos de forjamento e fundição de metais.
Ocarvão vegetalfoi o primeiro substituto da lenha, mas não atingia temperaturas suficientemente altas para a fundição do minério de ferro, o que motivava a existência de etapas intermediárias na produção de ferro e aço[7].Estas desvantagens, contudo, não impediram o carvão vegetal de ser amplamente utilizado ao ponto de se tornar absurdamente escasso.[7]
Diante da referida escassez, ocarvão mineralpassou a ser empregado no lugar do carvão vegetal. Entretanto, a concentração deenxofreneste combustível se provou inconveniente, pois contribuição para a fragilização dos produtos metalúrgicos confeccionados com sua combustão[7].Esse problema somente veio a ser superado com a introdução do processo decoqueificaçãodo carvão mineral[7],que permitiu a produção do combustível mais utilizado em forjas até hoje[20],ocoque.
Gás
editarAs forjas à gás são aquelas que empregamgás natural,propanoougás liquefeito de petróleo[22]para criar a chama que aquecerá o metal a ser forjado e normalmente são construídas a partir de um tambor cilíndrico de metal revestido de material refratário, umqueimadore umbotijãocontendo o combustível[17].Em alguns casos, o botijão é substituído por um ponto degás encanadoa fim de evitar que a temperatura do cilindro diminua devido à insuficiência de gás.[17]
O emprego de gases como combustíveis na forja é indicado a forjadores principiantes pela facilidade que propicia no controle do calor[17],pela portabilidade do equipamento e porque dispensam o uso de foles ou ventilador, o que permite seu uso em oficinas pequenas. Algumas forjas à gás apresentam uma porta em cada extremidade, facilitando o forjamento de peças mais longas.[23]
As principais desvantagens deste tipo de forja são o custo do combustível[24][25][26]e a dificuldade em aquecer partes específicas do material a ser trabalhado[17].Esta última característica, porém, pode ser contornada com o uso de chamas de oxiacetileno e oxigênio-propano.[23]
A frio
editarEm verdade, a “forja a frio” não corresponde a um tipo de combustível para forja, mas a uma técnica de forjamento que emprega pressão mecânica calculada para dar forma a ligas leves de metal[27]abaixo de sua temperatura decristalização(que pode variar da temperatura ambiente – dispensando combustíveis – até centenas degraus celsius).[28][27]Neste tipo de forja é comum a utilização do método da impressão de matriz de forjamento, no qual o metal é fechado em um molde ligado a uma bigorna sobre a qual é vigorosamente lançado um martelo.[27]
As peças forjadas a frio não necessitam de trabalhos de acabamento, e por isso são mais baratas que aquelas forjadas sob calor intenso, além de mais resistentes, porque não submete o material a estresse térmico e não altera a estrutura do material em grão.[28][27]Contudo, antes de serem forjadas a frio, peças feitas de prata, ouro, cobre e latão necessitarão derecozimento.[29]
Tipos de Forja
editarForno de Lupa
editarO forno de lupa é o mais antigo modelo de forja utilizado na redução direta do minério de ferro[7].Esses fornos eram construídos em pedra ou barro[30][31]sobre um buraco retangular, circular ou semi-circular cavado na terra, com algaravizes laterais feitos de argila[32][33],para entrada do ar pela força do vento[7],abano ou insuflador[9],no qual eram depositados minério de ferro e carvão vegetal.[34]
Ao longo do tempo, autores atribuíram denominações diversas a este tipo de forja: "fornos primitivos", "fornos rústicos", "baixos-fornos", "fornos de cadinho", "fornos de galícia", e, inadequadamente, até de "forja catalã".[5][9]Contudo, a denominação “forno de lupa”, surgida da tradução doinglêsbloomery furnace,tem a vantagem de referir-se mais claramente ao produto da redução direta, a lupa (chamadabloomem inglês,loupeemfrancêselupeemalemão).[9]
A produção de ferro[34]e aço[7]por meio destes fornos ocorria em três etapas.[9]Na primeira, o minério de ferro era submetido ao processo de redução direta que lhe transformava emlupa,uma massa esponjosa composta de ferro com baixo teor de carbono eescória.Em seguida, a lupa era retirada por um orifício no fundo do forno e seguia para refino por forjamento. Por fim, o metal refinado era forjado novamente para adquirir sua forma final (forjamento secundário).[9]
Segundo registros históricos, este tipo de forja lograva produzir pouco mais de 100 toneladas de barras de ferro dúctil por ano, apenas.[35]
Forja Catalã
editarA “forja catalã” era um estabelecimento dedicado à redução direta do minério de ferro e à produção de ferro e aço[36]que empregava um forno de pedra com 2 metros de altura, cujos insufladores de ar consistiam em foles de couro acionados portrompas d'água.[34][5][9]
Essa forja criada na região daCatalunha,Espanha,representou um avanço tecnológico em relação aos fornos de lupa, uma vez que sua capacidade diária de produção era quase dez vezes maior.[37][34]Em razão disso, as forjas catalãs dominaram a produção de ferro na Europa do século XI ao século XV.[7]
Ocorre que, com o surgimento dosaltos fornose do método de refino doferro gusa(liga metálica com ponto de fusão mais baixo que o do ferro[34]), a indústria siderúrgica passou a preferir o processo de redução indireta do minério de ferro, aos poucos deixando de utilizar as forjas catalãs.[7]
Forja de Refino
editar“Forja de refino” é um forno empregado na fase de refino do processo de redução indireta do minério de ferro, na qual o ferro gusa sofredescementaçãopor meio de fusões adicionais, reações oxidantes e forjamento para retirada de impurezas, visando a produção deferro forjado,ferro fundido ou o aço.[38][9][7][34]
Uma vez que os altos fornos não atingiam a temperatura necessária para fundir ferro de maneira completa, a utilização do ferro gusa era imprescindível à produção daqueles produtos metálicos.[9]Ocorre que a existência da fase intermediária alongava e encarecia o processo de redução indireta, o que permitia que as antigas forjas continuassem competitivas na produção de ferro e aço.[7]
Contudo, a adoção do processo depudlagemno início do séc XIX encurtou o processo de a redução indireta ao utilizar coque para atingir temperaturas mais altas em seus fornos, de modo que as forjas de refino se tornaram obsoletas. Posteriormente, o processo de pudlagem demonstrou ser incapaz de atender a crescente demanda por ferro e foi substituído peloprocesso de Bessemere peloforno Siemens-Martinde produção de aço líquido.[5][9]
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