ABM - Introdução Aos Processos de Refino Primário Dos Aços Nos Convertedores à Oxigênio

Série: Capacitação Técnica em Processos Siderúrgicos Área: Aciaria

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE REFINO PRIMÁRIO DOS AÇOS NOS CONVERTEDORES A OXIGÊNIO Ernandes Marcos da Silveira Rizzo

Sócio Titular da ABM, Técnico em Metalurgia (CEFETES), Engenheiro Mecânico (UFES), Mestre em Materiais e Processos de Fabricação (UNICAMP), Doutor em Materiais e Processos de Fabricação (UNICAMP e The University of lowa-EUA) Home-page: www.erct.com.br

São Paulo, 2006

ASSOCIAÇÃO BRASILEI BRASI LEIRA RA DE METALUR GIA | E MATER IA IS

Série: Capacitação Técnica em Processos Siderúrgicos Área: Aciaria

INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE REFINO PRIMÁRIO DOS AÇOS NOS CONVERTEDORES A OXIGÊNIO Ernandes Marcos da Silveira Rizzo

Sócio Titular da ABM, Técnico em Metalurgia (CEFETES), Engenheiro Mecânico (UFES), Mestre em Materiais e Processos de Fabricação (UNICAMP), Doutor em Materiais e Processos de Fabricação (UNICAMP e The University of lowa-EUA) Home-page: www.erct.com.br

São Paulo, 2006

ASSOCIAÇÃO BRASILEI BRASI LEIRA RA DE METALUR GIA | E MATER IA IS

Ficha Catalográfica / Cataloguing Card Rizzo, Ernandes Marcos da Silveira Introdução aos processos de refino primário dos aços nos convertedores a oxigênio / Ernandes Marcos da Silveira Rizzo. São Paulo, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2006. 118 p.: ilus. (Capacitação Técnica em Processos Siderúrgicos: Aciaria). Bibliografia. ISBN 85-86778-93-1 1. Siderurgia. 2. Aço : Processos de fabricação 3. Metalurgia. I. Título. CDD 669

1. 2. 3. 4.

índice para Catálogo Sistemático Siderurgia: ferro-gusa : aço Aço : processos de fabricação : laminação Aciaria : processos de fabricação Metalurgia

669 669.142 669.142 669

Direitos exclusivos desta edição reservados à Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais Rua Antônio Comparato, 218, Campo Belo Cep 04605-030 São Paulo, SP http://www.abmbrasil.com.br Proibida a reprodução, mesmo que parcial e por qualquer processo. sem autorização expressa e por escrito da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais - ABM

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Impresso no Brasil 2006

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Introdução aos Processos de Refino Primário nos Convertedores a Oxigênio

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SUMARIO Apresentação

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1 - Breve Histór ico do Desenvolvimento do Processo

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2 - Matérias-Primas e Insumos Ferro-Gusa Líquido Sucata Gases (Oxigênio, Nitrogênio e Argônio ) Fundentes e/ou Refrigerantes

9 9 13 21 22

3 - Equipamen tos Vaso do Convertedor Revestimento refratário do convert edor Lança para injeção de oxig ênio Sistemas de sopro combi nado Sublança

23 23 30 43 49

4 - Ciclo de Operações no Refino Etapas do proc esso Carregamento da carga metálica sólida Carregamento do ferro-gus a líquido O sopr o de oxigênio Padrão de sop ro Testes de temperatu ra, de compos ição química, espera e ressopr o Vazamento do metal líqu ido, vazamento de escória e metalurgia da panela

55 55 57 57 61 67 73 77

5 - Sistema de Coleta, Limpeza e Tratamento de Resíduos do Processo O convert edor com o uma unidade de reciclagem Captação e reaproveitamento de pós e gás

85 85 86

Reaproveitamento de escórias de aciaria

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6 - Reações Químicas de Refino e de Formação da Escória

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Referências

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Bibliografia

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Anexo I - Dados Relativos às Aciaria s Brasilei ras Equipadas com Convertedores

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índice Remissivo

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Membros do comitê do PNCO-ABM elaborador da Norma de Requisitos de Qualificação para Certificação de Operadores da Área de Aciaria: Emandes Marcos da Silveira Rizzo - E. R. Consultoria e Treinamento Ltda. Fausto Leite Vasconcelos - Gerdau-Açominas Hélio Rodrigues - ABM (Coordenador do Programa PNCO-ABM) João Carlos Robles - Aços Villares-Sidenor - Usina de Pindamonhangaba-SP José Domingos Diniz Filho - Vallourec & Mannesmann Tubes do Brasil S.A. (V&M) Paulo Sérgio Bringhenti Lascosqui - Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST) - Grupo Arcelor Wanderlei Miguel Gonçalves - Belgo-Grupo Arcelor - Usina de João Monlevade-MG José Carlos Gilson Parish - ABM Mauro César Giacomin - Belgo-Grupo Arcelor - Usina Grande Vitória-ES

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APRESENTAÇÃO A série de materiais instrucionais denominada Capacitação Técnica em Processos Siderúrgicos foi elaborada com o intuito de oferecer aos interessados na área de metalurgia e materiais, informações essenciais, objetivas e atualizadas a respeito dos diversos processos envolvidos na elaboração, conformação e aplicação dos aços, material este de fundamental importância para o desenvolvimento da sociedade. As publicações podem ser utilizadas para aperfeiçoamento de profissionais que militam na área da siderurgia, por estudantes interessados em compreender a siderurgia ou para treinamento de novos funcionários em um determinado setor da indústria. A série Capacitação Técnica em Processos Siderúrgicos é subdividida em 4 áreas: Conhecimentos Básicos, Redução, Aciaria e Laminação, procurando assim cobrir todo o espectro de conhecimentos relacionados com a siderurgia. Ao invés de uma publicação que cubra todo o conteúdo de uma determinada área, optou-se pela elaboração de diversas publicações de forma a cobrir os itens de conhecimentos específicos de cada especialidade, procurando evitar um excesso de informações que, embora pudessem ser consideradas como enriquecedoras, poderiam prejudicara assimilação do conteúdo pelo público-alvo a que se destinam. Saliente-se que as publicações foram elaboradas com o intuito de apresentar e discutir os principais fluxos de processos, as principais variáveis ou parâmetros de controle destes processos e os principais tipos de equipamentos utilizados. Detalhes construtivos dos equipamentos, as faixas de controle das variáveis ou parâmetros variam de empresa para empresa em função do fornecedor dos equipamentos, grau de atualização tecnológica da empresa e tipo de produto produzido, não sendo, portanto, alvo desta série de publicações e sim de treinamentos específicos na função (on job training). O objetivo principal desta série de publicações é apresentar ao leitor um breve panorama da produção dos aços, o macrofluxo de obtenção e processamento deste material, as razões da existência de uma ampla gama de tipos de aços no mercado, os parâmetros que governam a seleção de um determinado tipo de aço e as linhas gerais para estudo deste ramo relativamente complexo da ciência e tecnologia intitulado siderurgia ou metalurgia das ligas ferrosas. Esta série de publicações também pode ser utilizada com o propósito de auxiliar na preparação dos funcionários das usinas siderúrgicas brasileiras para realização com sucesso das provas de órgãos certificadores de pessoal. Para atingir tal objetivo, e em consonância com a essência de um processo de certificação, são feitas descrições objetivas de cada um dos itens de conhecimentos, em detrimento de análises mais aprofundadas e quantitativas, ou peculiaridades dos equipamentos ou procedimentos de uma determinada empresa. Equações matemáticas ou químicas só são utilizadas em casos essenciais para compreensão de um determinado fenômeno ou processo no grau de exigência típico de provas de certificação. Por definição, um funcionário certificado é aquele que cumpre as atividades de acordo com os padrões operacionais, técnicos e empresariais e sabe explicar ou compreende a importância de seguir as orientações do padrão, realizando, portanto, as atividades com maior eficácia, eficiência, autonomia e conscientização. Dentre os diversos benefícios advindos da aprovação em um processo de certificação ocupacional para o funcionário, podem ser destacados: valorização e reconhecimento, maior empregabilidade, promoção por mérito e melhoria do moral. Para a empresa, outros benefícios podem ser enfatizados quando a mesma possui um quadro de funcionários devidamente certificados: menor variabilidade e maior estabilidade do processo, aumento da produtividade, maior adequação da empresa para reconhecimento pelas normas de gestão da qualidade.

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As publicações foram elaboradas de forma a apresentar nos capítulos iniciais as principais características dos equipamentos utilizados e o fluxo de operações do processo em estudo, procurando deixar as informações relativas aos fenômenos físico-químicos que explicam os processos para os últimos capítulos. No caso específico das publicações para a área de aciaria, os seguintes títulos estão disponíveis:

O autor expressa seus agradecimentos aos funcionários das usinas siderúrgicas, da ABM e de fornecedores de equipamentos e insumos para a siderurgia que forneceram informações vitais para a elaboração desta publicação, além de terem participação fundamental na revisão da mesma. Como todo trabalho que se inicia, este certamente apresentará falhas, seja de conteúdo. forma ou abrangência, cuja identificação, bem como sugestões para aperfeiçoamento desta publicação, serão recebidas de bom grado. O autor também agradece às seguintes empresas e associações de classe que cederam imagens para ilustrar esta publicação: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais - ABM Belgo Siderurgia S.A. - Grupo Arcelor Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST - Grupo Arcelor Danieli do Brasil Ltda. Gerdau - Açominas Instituto Brasileiro de Siderurgia - IBS Minerais Technologies do Brasil Comercio e Indústria de Minerais Ltda. (Minteq-Ferrotron). Plaxair Technology Inc. SMS Demag Ltda. Vallourec & Mannesmann do Brasil S.A. Voest-alpine Indústria Ltda.

Vitória-ES, Maio de 2006. Prof. Dr. Emandes Marcos da Silveira Rizzo

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1 - BREVE HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO Para destacar a importância dos processos pneumáticos, ou seja, através da injeção de oxigênio, para a elaboração dos aços, basta mencionar que aproximadamente 60% do aço produzido no mundo atualmente1 é realizado através desta categoria de processo. Estão instalados cerca de 600 convertedores ao redor do mundo, existindo uma série de diferenças construtivas, na forma de realização do sopro de oxigênio, nos gases auxiliares utilizados dentre vários outros aspectos que serão apresentados e discutidos ao longo deste texto. Até o ano de 1856, o aço era fabricado basicamente pelo processo do forno de pudlagem, consistindo na refusão do ferro-gusa impuro (elevado teor de enxofre) obtido em altos fornos usando carvão de pedra ou coque, em forno um forno de cadinho aquecido a coque, entrando em contato com os gases oxidantes. Através da agitação por meio de barras (to puddle), todo o banho entrava em contato com o oxigênio dos gases e assim, gradualmente, queimava-se o carbono e o ferro-gusa transformava-se em ferro pudlado (ferro doce). O banho líquido transformava-se pouco a pouco em massa pastosa que, no final, apresentava uma consistência tal que era possível retirar bolos ou "lupas". Esta massa era martelada para se transformar em barras. Após uma hora e meia de trabalho eram obtidos 220 a 250 kg de aço doce. Este processo era bastante ineficiente e consumia muito combustível (4 t de carvão para 1 t de aço). A utilização do oxigênio puro para a transformação do ferro-gusa líquido em aço, foi sugerida por Sir Henry Bessemer2, na Inglaterra, que em 1856 já pôde veros méritos na utilização do processo pneumático com a exclusão do nitrogênio do ar soprado nos convertedores (Patente 31.03.1856). Na mesma época William Kelly, nos EUA, utilizou a mesma idéia para a obtenção de aço. Entretanto, o oxigênio necessário à realização da idéia na prática não era disponível nesta época. Desta forma, estes pesquisadores utilizavam o ar atmosférico aquecido e injetado sob pressão atravessando o banho de ferro-gusa líquido para realizar as reações de refino para efetuar conversão do ferro-gusa em aço. O convertedor Bessemer consistia de uma carcaça de chapas de aço, soldadas ou rebitadas, com um formato cilíndrico e dotado de um fundo destacável, contendo as ventaneiras de refratário sílico-aluminoso (Figura 1.1). A carcaça se apoiava em dois munhões para permitir a rotação da mesma. O ar era injetado sob pressão, na faixa entre 1,4 e 1,7 atmosferas, e escoava por uma tubulação instalada no interior de um dos munhões, sendo direcionado para a caixa de vento, localizada no fundo da carcaça. Com esse processo foi possível conseguir, no mesmo espaço de tempo, 200 vezes mais aço que no processo de pudlagem. O basculamento era feito por meio de uma coroa dentada fixa a um dos munhões. O revestimento típico deste equipamento era de pedra sílíciosa, micaxisto ou então, de tijolos de sílíca. O revestimento tinha uma duração de aproximadamente 400 corridas. As ventaneiras eram de forma tubular, de material silico-aluminoso de boa qualidade, tendo comprimento de 800 a 900 mm, com diâmetro na ponta de 150 mm e na base de 200 mm; possuem, em geral, 7 furos de 5/8". O fundo do conversor Bessemer estava sujeito a um desgaste bastante severo, sua vida média era da ordem de 25 a 30 corridas. Geralmente o ferro-gusa para o convertedor Bessemer apresentava a seguinte composição química: Si = 1,10 a 1,50 %; Mn = 0,40 a 0,70 % e P = 0,090 %. Se o teor de silício fosse mais baixo, tenderia a causar corridas mais frias. O teor de Mn acima de 0,70% ocasionava a formação de uma escória muito fluida, tornando mais difícil a separação entre a mesma e o aço.

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Tomando-se como referência o ano de 2003. Engenheiro civil que trabalhava em sa de administração de patentes

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O processo Bessemer, desenvolvido inicialmente utilizando o ferro-gusa importado ca Suécia, fracassou ao ser aplicado com ferro-gusa produzido na Inglaterra, pois este apresentada um elevado teor de fósforo que, não sendo eliminado na etapa de elaboração, tornava o aço frágil. Em 1878, Sidney G. Thomas, conseguiu aplicar a tecnologia do convertedor Bessemer em ferrosgusa de alto teor de fósforo com a utilização de revestimento dolomítico calcinado que permitia a obtenção de escórias ricas em CaO e facilitando, assim, a retirada desse elemento. Este tipo de convertedor é denominado de convertedor Thomas ou Bessemer básico.

Figura 1.1 - Desenho do convertedor patenteado por Henry Bessemer 1.

Figura 1.2 - Convertedor Bessemer da década de XX desativado e exposto como monumento na cidade de Pittsburgh no estado de Filadélfia nos EUA. No caso do convertedor Thomas, o ferro-gusa líquido empregado devia, preferencialmente ter baixo Si e S e ser fisicamente quente. O baixo teor de Si era necessário porque o silício do banho atacaria as paredes do convertedor que são de tijolos de dolomita. O silício não deve ultrapassar 0,35%, porque elevados teores de Si, no começo do sopro, provocam a formação de uma escória espumante, dispersa no meio do banho, projetando material para fora do forno na 1

Ilustração de um livro de 1869 reapresentado em outro livro de 1996 (GORDON, 1996).

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etapa de sopro. Um baixo teor de S é importante porque este elemento é nocivo à composição do aço e difícil de ser retirado no convertedor. O ferro-gusa deve estar bem aquecido, ou seja, ser fisicamente quente para compensar o baixo teor de Si. A espessura do banho nos convertedores Bessemer ou Thomas era da ordem de 600 a 800 mm; o volume interior era, em geral, calculado na proporção de 1 m3 por tonelada de capacidade nominal. Com a produção das primeiras unidades industriais de oxigênio no final do século XIX, o interesse pela sua utilização na siderurgia se acentuou. Em 1930, o oxigênio era utilizado para o enriquecimento do ar soprado em Alto-Fomos e em convertedores Bessemer. Em 1938, Maximillian Shutte, produzia 90% do seu aço pelo processo Bessemer com o enriquecimento do ar, obtendo aumento na produtividade e melhoria de qualidade. Durante a segunda guerra mundial, foi alcançado o desenvolvimento tecnológico necessário para a construção de grandes unidades de separação de ar a baixa pressão, utilizando-se compressores centrífugos, tornando possível a obtenção do oxigênio a custos mais baixos e propiciando o aumento de sua utilização na siderurgia. Na década de 40, os professores Robert Durrer e Nellbrugge desenvolveram experiências na usina de Gerlarfingern na Áustria, utilizando o sopro de oxigênio na superfície do metal líquido através de uma lança refrigerada. As primeiras experiências bem sucedidas foram realizadas empregando-se um convertedor piloto de 2,5 toneladas, instalado em 1947. Com base nestes resultados experimentais, os trabalhos foram continuados na usina de Linz da Voest-Alpine, na Áustria, inicialmente em escala de 2,0 toneladas. A partir de junho de 1949 as experiências passaram para escala de 5 e 15 toneladas. Em dezembro de 1949 foi decidida a instalação de uma aciaria com capacidade de 250.000 t/ano e convertedor de 30 t na cidade de Lins, sendo iniciada sua operação em 27 de novembro de 1952. Em 1953 uma planta com capacidade similar entrou em operação na cidade de Donawitz. Portanto, o ano de 1952 marca o nascimento do processo de refino em convertedores LD1, em homenagem as duas cidades austríacas, Linz e Donawitz, que iniciaram este processo. A partir desta data uma série de outras usinas entrou em operação no mundo todo, com o aumento gradativo do tamanho dos convertedores. A primeira Aciaria a oxigênio fora da Áustria entrou em operação em Agosto de 1954, na Usina de Dominium Fourdries em Hamiton, Canadá, e em dezembro do mesmo ano a Mclouth Steel Coorp. nos EUA. Em 1957, outras usinas entraram em operação nas Américas, Ásia e Europa: Belgo-Mineira (João Monlevade - Brasil), Jones and Laughlin (Aliquipa - USA), Nippon Steel (Japão), Krupp (Alemanha). A partir de então, o número de instalações e o tamanho dos convertedores postos em operação anualmente, apresentaram um rápido crescimento que levaria o processo LD, e suas variantes, à posição atual onde o processo LD é responsável por 60% (540 milhões de tonelada por ano) da produção de aço no mundo (o ano de 2003 como referência). Apesar do intenso desenvolvimento do processo, os seus princípios básicos permaneceram praticamente inalterados. Entretanto, desenvolvimentos consideráveis foram efetuados não só no que diz respeito à capacidade do forno, que alcança hoje valores da ordem de 400 t (350 toneladas - National Steel, EUA e 385 toneladas Italsider, Taranto, Itália), mas também na sua forma, número de furos nas lanças de oxigênio, na qualidade de refratários, no sopro combinado, etc. ao lado de aprimoramento das técnicas operacionais. A rápida seqüência das operações em convertedores de elevada capacidade e a operação simultânea de 2 fornos (em aciaria com 3), conferem as aciarias equipadas com estes fornos uma grande produtividade. Por outro lado, com a ampliação de práticas de sopro adequadas, quase todas as reações de refino podem ser obtidas, permitindo que o processo apresente uma grande versatilidade metalúrgica. Estas duas características, aliadas as condições favoráveis de custos, As siglas BOS (Basic Oxygen Steelmaking) e BOF (Basic Oxygen Furnace) também são utilizadas para

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tanto de investimentos quanto operacional (nenhum consumo de combustível, c o nsur : :e refratário 1/3 do consumo típico dos fornos Siemens-Martin, maior produtividade e menor mão-deobra), foram responsáveis pela rápida evolução do processo LD na produção mundial. O processo LD foi rapidamente introduzido no Brasil através da Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira, cuja Aciaria a oxigênio da Usina de João Monlevade, entrou em funcionamento em 1957, menos de 5 anos após à de Linz. Em 1963, iniciaram a sua operação as Usinas da Companhia Siderúrgica Mannesmann, em Belo Horizonte e Intendente Câmara, da Usiminas, em Ipatinga. Em 1965 entrou em operação a aciaria da Cosipa em Cubatão-SP. Novas aciarias LD foram instaladas conforme mostrados no Anexo 1 incluído no final desta apostila. Em 1979 a produção brasileira de aço com convertedores a oxigênio atingiu a cifra de 8,8 milhões t/ano. Em 1996 o número chegou a 18,0 milhões de t/ano e em 2005, próximo aos 23,6 milhões t/ano : para uma produção total brasileira de aço de 31,2 milhões t/ano em 2005 (tabela do Anexo I). Para alcançar a versatilidade metalúrgica atual, certas limitações inerentes ao processo tiveram de ser vencidas, sendo as principais, o volume de adições de liga e a obtenção de teores muito baixos de carbono e enxofre. Sendo todas as operações de refino conduzidas em atmosfera oxidante a dessulfuração do aço não é viável no interior no convertedor a oxigênio. A adição de elementos de liga no estado sólido, em quantidades superiores a 2% exige temperaturas de vazamento mais elevadas, com suas respectivas desvantagens econômicas. Além disso, a adição de grande quantidade de material traz problemas quanto à homogeneização do aço na panela, desde que não tratadas adequadamente na metalurgia de panela1. A limitação no teor de enxofre imposta pelas condições de dessulfuração no convertedor, foi eliminada pela dessulfuração do ferro-gusa através de vários processos. A seleção criteriosa da matéria-prima e a utilização de ferro-gusa dessulfurado permitem a obtenção de teores de S menores que 0,01% e mesmo da ordem de 0,005. O menor teor de C, economicamente viável nos processos que empregam convertedores a oxigênio é cerca de 0,03%. Teores menores podem ser alcançados apenas através da utilização das técnicas de refino secundário como a desgaseificação a vácuo. Na Figura 1.3 apresenta-se um fluxograma da etapa do refino do aço para ilustrar c posicionamento dos processos de refino primário nas usinas siderúrgicas.

Figura 1.3 - Fluxograma esquemático da etapa do refino do aço nas usinas siderúrgicas. 1

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2 - MATÉRIAS-PRIMAS E INSUMOS As principais matérias-primas e insumos utilizados para a produção do aço nos convertedores foram apresentados na apostila denominada Introdução aos Processos de Preparação de Matérias-Primas para o Refino dos Aços, cuja consulta é recomendada. A título 28 recordação, relaciona-se a seguir as diversas categorias utilizadas para classificar as matériasprimas e insumos de acordo com a função no processo: - Carga metálica - Gases industriais - Fundentes e/ou refrigerantes - Ferros-ligas e ligas nobres - Desoxidantes - Adições complementares (recarburante, aquecimento, isolamento térmico e/ou químico, eliminação de gases, etc). Os tratamentos aplicados ao ferro-gusa líquido visando aumentar a produtividade e/ou permitir atender aos requisitos de composição química para o aço líquido na etapa de refino primário foram apresentados na apostila denominada Introdução aos Processos de Preparação de Matérias-Primas para o Refino dos Aços, cuja consulta é também é recomendada para uma •nelhor compreensão do processo de elaboração do aço nas aciarias que utilizam convertedores. Devido a sua importância, serão feitos comentários a respeito das características particulares da carga metálica para os convertedores a oxigênio. Esta carga metálica pode ser constituída dos seguintes materiais: - sucata de aço - ferro-gusa líquido - ferro-gusa sólido - sucata de ferro fundido - produtos pré-reduzidos (ferro esponja, briquete HBI ou RDI) - briquete de resíduos siderúrgicos. A proporção entre os diversos tipos de carga metálica depende da combinação de uma série de fatores, dentre os quais os mais importantes são: - disponibilidade e preço das matérias-primas; - tipo de aço a ser produzido; - composição química das matérias-primas, inclusive a sua variação ao longo dos lotes; - teor de impurezas na sucata; - limitações dos equipamentos/processos da aciaria para operar com determinados tipos de carga metálica; - prática adotada pela empresa para a preservação do revestimento refratário dos equipamentos.

Ferro-Gusa Líquido Constitui a parte predominante da carga metálica do convertedor a oxigênio, sendo o seu conteúdo térmico, em termos de composição química e temperatura, responsável pela quase totalidade do fornecimento de calor ao processo. Deve, portanto, apresentar características físicoquímicas adequadas e com menor variação possível a fim de permitir uma operação regular e nas condições mais produtivas possíveis. Uma grande variação na composição química ou temperatura do ferro-gusa pode ocasionar uma operação mais errática, uma vez que os modelos de cálculo e carga são válidos geralmente para intervalos mais ou menos restritos das variáveis envolvidas. Uma variação brusca tem efeitos ainda mais desastrosos, uma vez que o soprador,

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que normalmente toma a corrida anterior como referência, tenderá a adotar uma composição :e carga em desacordo com as necessidades. A especificação da composição do ferro-gusa líquido varia conforme as peculiaridades regionais e a operação dos alto-fornos, podendo gerar flutuações de composição em função do tipo de carvão utilizado, do tipo de minério, da quantidade de oxigênio soprado nas ventaneiras na vazão total de ar insuflado, na injeção de finos de carvão, na temperatura do ferro-gusa na saída do cadinho e outros, Nas usinas siderúrgicas a proporção de ferro-gusa líquido na carga do convertedc depende de sua composição e temperatura (conteúdo térmico), da qualidade do aço a ser produzido, da qualidade de carga sólida e da disponibilidade de sucata. Normalmente a carga líquida varia entre 80% para convertedores produzindo aços baixo teor de carbono e 85 a 9 1: : para aços aito carbono; podendo chegar até a 100% da carga. Outro fator que determina o uso de ferro-gusa líquido está relacionado à sua disponibilidade. Em algumas situações a sua taxa e definida pelo tipo de aço que será fabricado e das dimensões do convertedor. O uso de maiores quantidades de ferro-gusa apresenta grandes vantagens do ponto de vista térmico do processo, pois, a quantidade de calor assim gerada é, na maioria das situações mais do que suficiente para o balanço energético da corrida. Este fato possibilita gerar ganhos de rendimento metálico, acelerar a formação da escória pela maior adição de material refrigerante e uma maior economia de oxigênio com menor tempo de sopro, etc. Porém, isto pode provoca/ transtornos operacionais durante o sopro, provocados pela rápida formação da escória, podendo ocasionar fortes projeções na primeira parte do sopro, aumento na geração de gás LD pela maior disponibilidade de oxigênio no processo (adição de minério/sínter para refrigeração do banho gerando descontrole no sistema de captação de fumos, O uso de sucata mantém uma marcha mais constante do convertedor, pois facilita o balanço térmico. Os principais componentes químicos do ferro-gusa são: Ferro (Fe), Carbono (C Manganês (Mn), Silício (Si), Fósforo (P), Enxofre (S). Estes elementos em contato com o oxigênio reagirão produzindo parte da energia necessária para o aquecimento do aço durante a operação do convertedor a oxigênio. O ferro constitui o elemento predominante no ferro-gusa, em torno de 94,0 a 95,0%, No processo de refino do aço objetiva-se manter em sua forma metálica, ou seja, evitar ao máximo a sua oxidação para não reduzir o rendimento metálico do processo. Durante a etapa de refino, parte do mesmo se volatiliza, sendo arrastado pelo sistema de desempoeiramento, sendo recolhido posteriormente na forma de pó ou lama que pode ser reaproveitada. Uma outra parte do ferro migra para a escória em forma de óxidos (FeÒ, Fe2O3) ou mesmo na forma metálica (Fe) e a maior parte formará o aço líquido. O carbono é quase todo queimado (oxidado) na operação de refino, formando os gases CO e C0 2 . O teor de carbono do ferro-gusa líquido situa-se normalmente na faixa de 4,2 a 4,6%. Nesta faixa de composição, o ferro-gusa encontra-se na vizinhança do ponto eutético da liga FeC, ou seja, menor temperatura de fusão desta liga, conforme apresentado no diagrama de fases em equilíbrio ferro-carbono mostrada na Figura 2.1. O teor de carbono do ferro-gusa obtido no alto-forno, depende das condições operacionais e da composição da carga do alto-forno.

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Figura 2.1 - Diagrama de fases em equilíbrio ferro-carbono. O silício do ferro-gusa líquido é originado das das cinzas do do coque e da ganga ganga do minério de ferro ou do sínter. O silício é um elemento de grande importância na produção de calor na operação dos convertedores a oxigênio. Sua queima (oxidação) produz parte do calor necessário ao processo. Além deste fator, o teor de silício do ferro-gusa afeta o volume de escória formada. Se o teor de silício for considerado alto (normalmente Si > 0,70%, dependendo da usina siderúrgica), o volume de escória será maior porque será necessário utilizar mais cal (CaO) para neutralizar a sílica formada, pois se trata de um oxido ácido que provoca elevado desgaste do revestimento refratário básico normalmente utilizado nos fornos de refino primário. Este maior volume de escória pode acarretar problemas de projeções de escória com suas conseqüentes paradas para limpeza das instalações do convertedor (coifa), cascão na boca, aumento do risco de acidentes, perda de rendimento metálico, aumento de consumo de oxigênio e maior risco poluição. Com o silício baixo (normalmente Si < 0,20%, dependendo da usina siderúrgica) surge a necessidade da adição de materiais fornecedores de silício ao processo como FeSi e SiC, o que provoca um aumento no custo. Um baixo teor de Si também dificulta o consumo de sucata. A título de ilustração apresenta-se no gráfico da Figura 2.2 uma relação entre o teor de Si do ferro-gusa e adição de cal no sopro de oxigênio. Um teor de silício na faixa de 0,20 a 0,50% é normalmente desejado para a realização do refino do aço nos convertedores a oxigênio, embora não seja fácil para o setor de alto-fornos manter esta regularidade.

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Figura 2.2 - Exemplo da influência do teor de silício do ferro-gusa líquido na quantidade de cal necessária para corrigir a basicidade da escória (MUNDIM, 1985).

O manganês é originado da ganga de minério de ferro no alto-forno. O Mn não é um elemento gerador de muito calor durante a sua oxidação no convertedor, mas é um elemento muito importante para a condução da etapa de sopro e nas propriedades mecânicas do aço. Se o teor de manganês no ferro-gusa líquido for baixo (Mn < 0,35%), a escória fica mais viscosa. Urna escória mais viscosa diminuí a tendência de projeções de escória e de aço. Para um Mn elevado (Mn > 0,80%), há uma maior possibilidade de formação de cascões na boca do convertedor, nas calhas de adição e no sistema de captação dos gases. Também é importante analisar a relação entre o teor de Mn e de Si no ferro-gusa líquido. Normalmente considera-se que se esta relação for maior do que 1 existe uma maior tendência de projeções durante o sopro pelo fato da escória ficar mais fluida. Se ao contrário esta relação for menor do que 1, existe uma maior tendência de formação de cascão na lança de oxigênio. O teor de manganês do ferro gusa líquido gira em torno de 0,35 a 0,50%. O teor de enxofre no ferro-gusa líquido está relacionado diretamente com a qualidade do carvão ou coque usado no alto-forno e da prática operacional adotada nesta unidade fabril. Como foi apresentado anteriormente o ferro-gusa líquido deve ser dessulfurado antes do seu carregamento no convertedor, haja vista que tanto no alto-forno como no convertedor a dessulfuração é deficiente. Esta etapa de dessulfuração pode ser realizada no carro-torpedo que transporta o ferro-gusa líquido do alto-forno para a aciaria ou em panelas de ferro-gusa que transportam o ferro-gusa líquido do carro-torpedo para ser carregado no convertedor. O teor típico de enxofre no ferro-gusa obtido nos alto-fornos a coque deve ser menor do que 0,05%. Para carregamento nos convertedores a oxigênio, o teor de enxofre do ferro-gusa deve ser reduzido para valores abaixo de 0,010% nas estações de dessulfuração do ferro-gusa líquido ou abaixo deste limite, se houver uma limitação para o teor de enxofre na composição química final do aço e não houver condições para realização de práticas de dessulfuração nas estações de refino secundário da usina siderúrgica. Para um bom controle do teor de enxofre final do aço é importante que seja efetuada uma adequada limpeza da escória do ferro-gusa líquido proveniente da etapa de dessulfuração e que se tenha um bom controle no uso das sucatas que potencialmente podem contaminar o banho metálico. Para casos em que há a necessidade de uma redução maior do S no convertedor a oxigênio, é necessário que se trabalhe com uma escória no forno enriquecida com cal, mas

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Introdução aos Processos de Refino Refino Primário nos Convertedores a Oxigênio

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mesmo assim, a taxa de dessulfuração não ultrapassa a valores acima de 50%. Uma outra forma de efetuar a dessulfuração é através da formação de escória sintética na panela de aço. Isso é obtido pela adição de cal em grande quantidade e fluorita durante o vazamento do aço. Observase que esta prática provoca aumento de custo, com a necessidade de altas temperaturas no fim de sopro e com a formação de uma escória na panela muito prejudicial ao refratário. Os métodos de dessulfuração do aço na etapa de refino secundário são discutidos na publicação Introdução aos Processos de Refino Secundário dos Aços. O teor de fósforo no ferro-gusa líquido está relacionado diretamente com a qualidade do minério de ferro usado no alto-forno. Com o aumento das exigências do mercado, a obtenção de teores de fósforo cada vez mais baixos torna-se um dos grandes desafios na produção do aço no convertedor a oxigênio. Praticamente o processo de sopro tem um objetivo primordial que é o de reduzir para um nível satisfatório o teor de P no banho. Para isto, deve-se observar alguns cuidados que posteriormente serão abordados. Seu teor no ferro-gusa deve ser o mais baixo possível (P < 0,09%), mas normalmente é uma variável em função da pratica operacional do altoforno, como já foi citado. Observa-se que os elementos enxofre e fósforo também podem ser incorporados ao aço líquido nos fornos de refino devido à utilização de sucata de aço, ferro fundido, ferros-liga, f'undentes ou outras adições com altos teores destes elementos. Como a velocidade de fusão do ferro-gusa é inferior a do aço, existem certos cuidados que devem ser tomados quanto ao carregamento da sucata de ferro-gusa, pois, a sua utilização pode aumentar o tempo de refino nos fornos e o consumo de fundentes (cal e dolomita). A queima do Si do ferro-gusa sólido no fundo dos fornos também pode provocar desgastes prematuros do r efratário. Em relação à utilização da sucata de ferro-gusa, outro cuidado importante é relativo à procedência da mesma, que pode apresentar altos teores de S, podendo prejudicar a prática operacional nos fornos de refino primário. Em algumas usinas siderúrgicas, adota-se a prática de continuar com a etapa de dessulfuração do ferro-gusa líquido, mesmo quando a unidade de aciaria está parada por alguns dias para uma manutenção preventiva ou não, uma vez que, normalmente, a unidade de alto-forno pode continuar produzindo regularmente.

Sucata

A sucata é utilizada no convertedor a oxigênio para atender as seguintes finalidades: - Aumento da capacidade de produção da aciaria sem a necessidade de incremento da capacidade de produção das unidades da área de redução (alto-forno, sinterização, coqueria, etc). Isto é possível porque pode-se utilizar até 30% de sucata na carga metálica do convertedor a oxigênio, quando as condições de balanço térmico assim permitirem. Um balanço térmico será considerado positivo, ou seja, a temperatura vazamento objetivada para o metal será atendida, quando os parâmetros temperatura e composição química do ferro-gusa líquido forem favoráveis. - Recuperação de produção ou manutenção da produção da aciaria quando o fornecimento de ferro-gusa líquido da área de alto-fornos for reduzida ou interrompida devido a parada para manutenção preventiva ou corretiva dos equipamentos desta unidade. Da mesma forma, quando o setor de aciaria tem sua produção reduzida ou paralisada nas paradas para manutenção, pode-se continuar a produção na área de altofornos, direcionando-se a produção para as máquinas de moldar gusa ou mesmo vertendose a carga no solo para posterior aproveitamento como sucata na aciaria. Neste caso deve-se tomar o cuidado de realizar a dessulfuração do ferro-gusa líquido antes da moldagem para evitar uma composição com o teor de enxofre acima dos limites especificados pelos clientes.

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- Sob o ponto de vista do rendimento metálico é vantajosa a utilização da maior proporção de sucata de aço na carga sólida, uma vez que o seu teor em ferro é superior ac teor de ferro do ferro-gusa e largamente superior ao do minério de ferro ou curas possíveis adições refrigerantes. - A sucata também pode ser utilizada como material refrigerante na carga do convertedor a oxigênio ou nas panelas de aço líquido, sendo neste caso imprescindível para o controle da temperatura do aço no final do sopro. No aspecto de composição química, a sucata pode ser classificada preliminarmente em sucata de aço, sucata de ferro-gusa e sucata recuperada. A sucata de aço pode ser classificada de acordo com os seguintes critérios: - procedência (geração interna e geração externa à usina siderúrgica); - origem (de processamento e de obsolescência); - composição química (não ligada comum, não ligada especial, não ligada ressulfuraca baixa liga e alta liga); - teor de impurezas (limpa e impura); - preparação (não preparada, prensada, briquetada, tesourada, fragmentada, quebrada, cortada e recuperada); - características físicas: dimensões (livre e dimensionada) e densidade aparente (leve. média e pesada). Estes critérios podem ser combinados para gerar uma série de tipos de sucatas. A Norma ABNT NBR 8746 de 1985 (Sucata de Aço - Classificação) pode ser consultada para verificar os vários tipos de sucata de aço normalizados no Brasil. As dimensões da sucata devem ser tais que permitam a sua completa fusão durante o tempo de sopro e, portanto, a sucata pesada de retorno (lingotes sucatados, lingotes curtos. sucatas de placas e blocos) deve ser previamente preparada através do corte com maçaricos ou guilhotinas. Sucata muito pesada também pode danificar o refratário do convertedor devido ac elevado impacto na operação de carregamento. A densidade aparente de carga de sucata deve ser tal que possibilite o seu completo carregamento com o mínimo de aberturas do forno a fim de não prejudicar a produtividade e : rendimento energético da aciaria. Se a densidade aparente da sucata for baixa, podem ser necessários vários carregamentos utilizando as canaletas, ocasionado uma série de problemas, como, por exemplo: perda de tempo, queda de temperatura do refratário do forno ou da carga metálica já fundida e redução da produtividade da aciaria como um todo. Uma sucata consideraca leve apresenta uma densidade aparente inferior a 600 kg/m3. A sucata considerada pesada 3 apresenta uma densidade aparente superior a 1200 kg/m . Entre estes dois limites a sucata e considerada média. Observa-se ainda que peças de elevada densidade, como lingotes e cortes da área de lingotamento continuo, exigem um maior tempo para dissolverem-se, aumentando também • consumo de energia e o tempo necessário para elaboração do aço. Em algumas usinas, recomenda-se que o comprimento máximo da sucata deve estar em torno de 1 a 1,5 m para permitir a obtenção de uma densidade aparente adequada e se evitar problemas como sucata presa na boca do convertedor que pode vir a danificar a coifa ou cair sob o convertedor quando o mesmo for basculado, atrapalhando a movimentação dos carros de transporte das panelas de aço ou do pote de escória. Em relação ao critério grau de contaminação, a sucata deve ser rigorosamente selecionada para evitar a presença de elementos normalmente considerados contaminantes por prejudicar as propriedades dos aços (S, Cu, Sn, P, etc), por provocarem problemas nos

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equipamentos envolvidos direta ou indiretamente na produção do aço (Zn) ou por representarem risco de explosões ou poluição durante o processo (óleos, graxas, gases combustíveis, extintores :e incêndio, concreto, terra, etc). Assim, o grau de contaminação envolve os critérios composição química e teor de impurezas. No aspecto de composição química, a sucata em geral pode ser classificada preliminarmente em sucata de aço, sucata de ferro-gusa e sucata recuperada. A sucata de aço pode sofrer uma nova classificação em função principalmente dos teores dos seguintes elementos químicos: Sn, P, S, Cu, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Co e Mn. A presença de estanho deve ser controlada por causa de possíveis problemas de fragilidade no trabalho a frio do aço produzido na aciaria. O fósforo é controlado por razões similares e por causa de efeitos adversos na soldagem dos aços inoxidáveis. Em alguns casos pode ser tolerado, podendo estar presente em faixa, como no caso de chapas de aço de alta resistência. O cobre causa fragilidade a quente, formando trincas superficiais, a não ser que o níquel esteja presente em quantidade suficiente para evitar estes efeitos e que a temperaturas e a atmosfera do reaquecimento dos produtos lingotados sejam rigorosamente controladas. No entanto, em certos casos específicos, o cobre é acrescentado como um elemento de liga para promover elevada resistência à corrosão. Mais comumente, ele pode ser substituído por elementos como o manganês no controle do endurecimento. O enxofre é indesejável quando altos níveis de ductilidade transversal são exigidos. O enxofre também afeta a soldagem e é um dos elementos de liga importantíssimo na obtenção de aços de corte rápido (aços ressulfurados). Os efeitos negativos no processo de soldagem, podem ser controlados pelo uso de telúrio, que é capaz de coalescer o MnS. O cobre é normalmente Oriundo de fios e motores elétricos, conexões hidráulicas, sistemas de refrigeração, etc. O estanho é proveniente de chapas revestidas (folhas de flandres) utilizadas na fabricação de embalagens para acondicionamento de alimentos e bebidas. O enxofre é encontrado em sucata de usinagem. O fósforo tem origem nos aços produzidos com alto teor deste elemento e no ferro-gusa. Também merece atenção especial a presença de elementos de liga com tendência de aumentarem a resistência mecânica do aço (níquel, cromo, molibdênio, vanádio, nióbio, cobalto, etc), mas que também reduzem em muito a ductilidade quando em teores acima de determinados limites, afetando a utilização dos aços em aplicação nas situações onde esta propriedade é de fundamental importância como é o caso de aços destinados a sofrer uma estampagem profunda ou no caso de aços para trefilação de arames. Neste caso, as sucatas provenientes do forjamento de ferramentas, elementos de máquinas, cilindros de laminação, etc, cevem ser separadas para uma análise química detalhada. Um outro aspecto relativo á contaminação da sucata é a radiação contida na mesma. Devido ao uso sempre crescente de isótopos radioativos na indústria e na medicina (césio, urânio, protactínio, tório, rádio, radônio, actínio, netúnio, polônio, frâncio), existe a probabilidade, se o controle das fontes radiativas não for adequado, que estes elementos estejam presentes em uma carga de sucata. Isto aconteceu duas vezes nos EUA, resultando em procedimentos muito caros de descontaminação. Para evitar qualquer possibilidade de que isto aconteça, é desejável utilizar detectores de radiação para monitorar todas as cargas de sucata que chegam à usina, tanto a sucata recebida por caminhão quanto aquela recebida por estrada de ferro. A maioria das fontes de radiação está confinada em containeres de chumbo. Por este motivo, os únicos aparelhos para trabalhar com mais de 95% de probabilidade de detectar uma fonte que chega são aparelhos sofisticados, com alta sensibilidade. Detectores mais simples e baratos são freqüentemente colocados na tampa dos equipamentos de análise química para checar possível radioatividade da amostra de aço que está sendo analisada.

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Devido ao fato de que elementos radioativos como o césio são vaporizados e recolhidos no equipamento de desempoeiramento, um detectar parecido deveria ser colocado nos silos e filtros de manga. No entanto, com esses métodos mais simples, o alarme chega muito tarde para evitar a contaminação da usina. Em determinados casos os compradores podem solicitar a realização de exames de radioatividade nos produtos siderúrgicos (placas ou tarugos de aço, por exemplo ou exigir a instalação e utilização dos citados equipamentos para negociar com uma usine siderúrgica. Considerando uma análise em conjunto dos principais critérios citados (composiçao química, dimensões, densidade aparente e teor de impurezas) cada usina siderúrgica adota uma classificação da sucata de aço considerando ainda o seu processo produtivo, tipos de equipamentos utilizados na aciaria e no restante da usina, tipos de aços produzidos, critérios utilizados na programação da produção da aciaria, percentual de ferro-gusa na carga 1. disponibilidade e confiabilidade dos fornecedores, dentre outros parâmetros. Apresenta-se a seguir um exemplo de uma classificação que pode ser adotada por uma usina siderúrgica para a sucata de aço quanto a sua qualidade: - Sucata de aço primeira categoria - Sucata de aço pesada - Sucata de aço de segunda categoria - Sucata recuperada A sucata de aço de primeira categoria

é uma sucata de geração interna da usina siderúrgica sendo constituída por aparas de perfis, barras, chapas grossas, chapas finas laminadas a quente e a frio e outros retornos das linhas de laminação a quente e a frio, prensadas ou não (Figura 2.3). É uma sucata de excelente qualidade, não havendo limites para a sua utilização. A sua única desvantagem é a baixa densidade que pode tornar impossível o seu carregamento total em apenas uma operação.

A sucata de aço pesada também é de geração interna da usina siderúrgica, mas 1 constituída por lingotes, grandes blocos e placas sucatadas, material proveniente do corte na tesoura de placas ou blocos (pontas) ou ainda o cascão do distribuidor de lingotamento contínuo* (Figura 2.4). Sua elevada densidade torna esse tipo de sucata altamente desejável, em termos ce carregamento, porém, a utilização de pedaços com dimensões excessivas pode provocar problemas de desgaste de refratários (choque mecânico) e de material não fundido no final da etapa de refino do aço. De maneira geral, a melhor carga de sucata é constituída pela mistura adequada de sucata de primeira qualidade e sucata pesada.

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No caso de usinas que utilizam freqüentemente cargas com uma alta percentagem de ferro-gusa, poae ser possível o uso de sucatas mais contaminadas para diluir o efeito prejudicial dos mesmos.

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Figura 2.4 - Exemplos de sucata de aço pesada. Os dois tipos anteriores de sucata são denominados em alguns casos de sucata de aço de retorno. Este tipo de sucata é constituído principalmente do elemento ferro, não apresentando cie maneira geral, problemas quanto à presença de impurezas. O problema surge apenas no caso de usinas com fabricação de aços ligados, pois, certos elementos de liga de pequena afinidade pelo oxigênio, quando presentes na sucata, podem exigir a sua classificação e a não utilização para aços que não contenham aquele elemento. A sucata de aço de segunda categoria é obtida a partir do sucateamento de bens de (consumo ou dos processos de fabricação (estampagem, usinagem, forjamento, soldagem, laminação, etc.) de peças, máquinas ou estruturas de aço nas indústrias mecânicas, construção civil, naval, ferroviária, etc. (Figura 2.5). Pode conter uma miscelânea de componentes metálicos, não-metálicos e não-ferrosos, podendo ser fonte importante de contaminantes. Este tipo de sucata normalmente é adquirido pela indústria siderúrgica no mercado interno (Brasil) ou externo (importação). A sucata de aço de segunda categoria pode ser subdividida em várias subcategorias em função do tipo de material que a constitui ou tipo de beneficiamento ou preparação previamente aplicado.

O mercado de sucata distingue a denominada sucata de obsolescência quando a mesma é obtida com ou sem a industrialização da sucata de aço pesada e leve, tais como: pedaços de arames grossos, canos, retalhos de chapa, tubos, tambores, partes de fogões e aços diversos. Se não for preparada, pode ser classificada em graúda, média, miúda e mista, conforme as suas dimensões. A sucata de obsolescência mista pode ser composta de perfis metálicos, vigas, cantoneiras, pontas de vergalhões de construção, retalhos de chapas, tubos de aço, material ferroviário (trilhos usados, rodas de aço, pregos de linhas, talas de junção, engates de vagão, atormentes metálicos e eixos em geral), desmonte de fábricas, automóveis, caminhões, tratores, máquinas agrícolas e rodoviárias, desmontes de navios e máquinas industriais em geral. A sucata de obsolescência é geralmente considerada limpa, com exceção da presença de revestimentos

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No caso anterior, a sucata é fornecida na forma solta (Figura 2,6a). Porém, a sucata não oriunda da indústria siderúrgica também pode ser fornecida na forma de pacotes (Figura 2.6b utilizando processos de industrialização da sucata, envolvendo operações de prensagem. Estes pacotes podem se produzidos com sucatas originadas tanto de processos de fabricação como de obsolescência. Neste caso, podem ser distinguidos vários tipos de pacotes, desde os formados por sucatas isentas de impurezas (chaparia de estamparia com ou sem cavacos, latinhas ou chapas desestanhadas) até sucata com um certo grau de contaminação (chapas pintadas ou esmaltadas, latinhas estanhadas, etc). A sucata de obsolescência pode ser fornecida na forma não preparada ou preparada (tesourada, fragmentada, quebrada ou cortada). A sucata composta de retalhos de chapas diversas, provenientes da indústria automobilística e similar, fornecida solta é denominada de chaparia. Pode ser separada em sucata de estamparia revestida ou não.

Figura 2.6 - Exemplos de sucatas de aço de segunda categoria solta (a) ou prensada (b). Assim como a sucata de obsolescência, a sucata de aço obtida a partir dos processos de fabricação ou processamento (estampagem, usinagem, forjamento, soldagem, laminação, et: também pode ser fornecida na forma solta ou preparada por prensagem e corte. A contaminação da sucata no que diz respeito ao teor de óleo, umidade, tintas, borracha e graxas merecem atenção especial, haja vista que sua presença pode ser desastrosa para o carregamento do ferro-gusa. Em determinadas situações, torna-se necessária a suspensão do uso de determinada carga sólida no convertedor pelo risco de explosões que isto gera, principalmente em períodos chuvosos. Alguns tipos de sucata, principalmente de segunda categoria, são extremamente higroscópicas. Seu uso deve ser sempre acompanhado de urna maior atenção. Além do mais, alguns tipos de sucatas podem reter água devido a reentrâncias e vazios, gerando também riscos ao processo. Para reduzir o risco de explosões na etapa de carregamento ou na etapa de elaboração do aço ou alterações indesejadas da composição química do aço, a sucata de segunda categoria não pode conter os seguintes materiais: extintores de incêndio, botijas de gás de qualquer tipo; compressores/motores de geladeira, de ar condicionado e de máquina de lavar; botijas de gás freon; motores com enrolamento de cobre; tanques fechados; amortecedores de qualquer tipo ou tamanho; filtros de óleo, latas cheia de tinta/combustível; aços ligados; qualquer recipiente fechado contendo produtos químicos, gases sob pressão ou ocultando materiais radioativos explosivos e combustíveis. A sucata de aço recuperada é obtida através do britamento e do peneiramento de despejos das usinas siderúrgicas, principalmente escória de aciaria. Se a sucata for obtida a partir do beneficiamento da escória do convertedor a oxigênio, possui aproximadamente 25% de

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escória e seu uso é limitado principalmente em função disto, pois em quantidades maiores essa sucata pode provocar fortes reações tanto no carregamento quanto no sopro (Figura 2.7). A preparação da sucata para ser carregada no convertedor envolve etapas como inspeção, separação da sucata por tipo, corte e compactação da sucata e carregamento da sucata de aço na canaleta de adição no convertedor a oxigênio. No caso da utilização de briquete, este material pode ser carregado no convertedor através de silos, não necessitando estar presente na canaleta de sucata. As dimensões da sucata devem ser tais que permitam a sua completa fusão durante o sopro e não causem estragos ao revestimento do conversor quando do carregamento. Além disto, deve estar completamente seca, para evitar o risco de explosões durante o enfornamento do ferro-gusa líquido que sempre sucede ao carregamento da carga sólida. Para a preparação da carga sólida, uns dos itens de maior importância é a disponibilidade de sucata no pátio. O ideal é mesclar uma carga que atenda aos aspectos operacionais, metalúrgicos, de segurança e custo.

Figura 2.7 - Exemplos de sucata recuperada a partir de sucata oriunda do convertedor a oxigênio, basculada no pátio, resfriada, beneficiada (britamento e peneiramento e separação da parte metálica através de meios magnéticos) e depois estocada para ser carregada no convertedor a oxigênio (fotos cedidas pela Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST). A prática considerada ideal é a de se trabalhar com sucata completamente seca, para evitar o risco de explosões durante o enfornamento do ferro-gusa líquido que sempre sucede ao carregamento da carga sólida. Esta seqüência é vantajosa por propiciar condições para a eliminação de uma possível umidade da sucata. A prática de se trabalhar com uma carga constante de sucata, variando-se o ferro-gusa líquido é vantajosa porque permite maior facilidade na área de preparação, visto que possibilita preparar previamente as canaletas além de evitar

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A adição da sucata na canaleta para carregamento no convertedor deve ser feita normalmente obedecendo a ordem de entrada no convertedor, ou seja: 1o - Sucata leve 2o - Sucata pesada 3o - Sucata de ferro-gusa Esta ordem tem por finalidade evitar danos ao revestimento refratário. Também é importante para se evitar que a sucata de ferro-gusa fique no fundo do convertedor, reduzindo a possibilidade da variação do teor de carbono da corrida relacionada com o fato de sucata pesada não fundida ou fundida apenas na etapa de fim de sopro. Além disto, esta ordem de carregamento ajuda a evitar o engaiolamento da sucata leve na boca do convertedor.

Figura 2.8 - Carregamento da sucata de aço na canaleta de adição no convertedor e uma etapa de carregamento de sucata no convertedor a oxigênio (fotos cedidas pela Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST). O briquete é uma matéria-prima gerada a partir do briquetamento de uma mistura contendo além dos aglomerantes, lama de aciaria, carepa de escarfagem manual de placas e resíduos ferrosos adquiridos no mercado. Normalmente possui em torno de 50% de escória e seu uso é limitado principalmente pelo seu teor de S. Pode também gerar reações durante seu carregamento nos fornos de refino primário, mas é um tipo de material que é muito deseja:: devido seu baixo custo. Favorece a formação de escória nos convertedores a oxigênio e pode também ser utilizado como material refrigerante neste processo. Os produtos pré-reduzidos, denominados genericamente aqui de ferro esponja, são fabricados através dos processos de redução direta de minérios de ferro utilizando como combustíveis/redutores gás natural, carvão ou finos de coque, como os mais conhecidos HYL, Midrex. Os produtos destes processos podem ser o HBI (Hot Briquetted Iron), o DRI (Direct Reduction Iron) e o HDRI (Hot Direct Reduction Iron). Entretanto, diversas outras tecnologias utilizando gás natural, carvão ou coque como redutores para obtenção de ferro metálico encontram-se em pesquisa ou desenvolvimento.

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Gases (Oxigênio, Nitrogênio e Argônio) No processo de fabricação dos aços com convertedores a oxigênio, é realizado o sopro de oxigênio na superfície do banho metálico em altíssimas pressões (10-15 kgf/cm 2) e com velocidades supersônicas. Isto possibilita a penetração do oxigênio na camada de escória e no cacho metálico e evita o entupimento dos bicos da lança. Normalmente o consumo de oxigênio para o refino corresponde a 55% do consumo total deste gás por uma usina siderúrgica integrada. As reações exotérmicas do oxigênio com os E elementos químicos que compõe a carga do convertedor a oxigênio, principalmente o silício e o carbono do ferro-gusa líquido, e a pós-combustão de uma parte (10 a 15%) do monóxido de carbono gerado no convertedor, é suficiente para fundir a sucata adicionada, além de proporcionar o aquecimento do aço durante a etapa de refino. Parte do oxigênio também oxida os elementos que farão parte da escória. Uma outra parte do oxigênio ficará dissolvida ou absorvida pelo aço cuido e pela escória. O grau de oxidação do aço líquido e da escória são itens de controle muito importantes em uma aciaria a oxigênio e serão detalhados mais adiante neste texto. Nos processos de refino primário com convertedores a oxigênio, utiliza-se oxigênio de elevada pureza, a fim de manter os teores de nitrogênio do aço dentro dos limites exigidos para a adequada qualidade do produto, maximizar a produtividade do forno e a capacidade de fundir a sucata. O valor mínimo de pureza aconselhável é 99,7 a 99,8%, com o restante constituído de argônio e cerca de 50 ppm de nitrogênio. Por exemplo, a diminuição da pureza de 99,5% para 98,5% acarreta um aumento no teor de nitrogênio do metal de 30 ppm para 70 ppm, acima do limite permitido para uma série de aplicações. O consumo de oxigênio varia com a prática operacional (tipo de lança, distância lançabanho, qualidade do ferro-gusa e proporção de sucata na carga). Normalmente o oxigênio é produzido na própria usina siderúrgica nas estações de fracionamento de ar que são responsáveis pela captação do ar atmosférico e o seu "'"acionamento (subdivisão) em oxigênio, nitrogênio e argônio. O argônio e o nitrogênio podem ser empregados para homogeneizar a composição química e a temperatura do aço nos fornos de refino primário e nas panelas de armazenamento e transporte do aço líquido na etapa de metalurgia de panela. O nitrogênio também pode ser utilizado como gás de purga (limpeza) de tubulações ou reservatórios (silos) e para a realização ca etapa de recobrimento das paredes do convertedor com escória (slag splashing). É digno de nota que embora tenham aplicações semelhantes, o argônio apresenta um custo muito mais E evado do que o nitrogênio, razão pela qual só é empregado nos casos onde não é tolerável a absorção do nitrogênio pelo aço em função da deterioração de suas propriedades mecânicas. O consumo de gás oxigênio depende do balanço de materiais e da composição química ca carga. Quanto maior o teor de sucata de aço, menor o consumo de oxigênio. A presença de compostos que ao se dissociarem no convertedor liberam oxigênio também reduz a necessidade cs injeção deste gás pela lança (matérias-primas consideradas oxidantes como carepa de laminação, minério de ferro, calcário, etc). A presença de elementos facilmente oxidáveis no ferro-gusa líquido provoca um aumento do consumo de oxigênio. A necessidade de realizar etapas de ressopro para correção de composição química ou temperatura do aço líquido também aumenta o consumo de oxigênio. A vazão máxima de oxigênio que pode ser utilizada pela unidade de aciaria de uma usina s derúrgica pode ser um dos critérios considerados no planejamento da capacidade de produção cesta unidade. Normalmente utiliza-se um volume de oxigênio da ordem de 45 a 55 Nm 3 /t de aço líquido produzido, operando-se com vazões da ordem de 15.000 a 66.000 Nm 3 /h.

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O consumo de oxigênio varia de acordo com o tipo de equipamento e a prática operac ora adotada na aciaria a oxigênio. Fatores como tipo de lança, distância banho-lança (padrão de sopro), adições de minérios e carepa, composição química do ferro-gusa e da sucata, proporção de sucata na carga, etc.

Fundentes e/ou Refrigerantes

A utilização de fundentes na aciaria é necessária principalmente para a remoção de impurezas durante o refino dos aços, para o controle da basicidade da escória gerada durante o refino. Os fundentes também podem atuar no sentido de reduzir o ponto de fusão e a viscosidade da escória, o que dificulta, ou impede a formação da camada composta de silicato em torno dos grãos de cal que impediria a sua dissolução. Além das ações discutidas, os fundentes devem ainda satisfazer outras condições como: - Não deteriorar as propriedades dessulfurante e desfosforante da cal. - Não produzir vapores importantes no domínio de temperatura do convertedor. - Não apresentar toxidade para o pessoal da aciaria. - Não provocar corrosão importante no revestimento refratário do forno. - Não contaminar o aço com elementos nocivos. Os principais fundentes utilizados em uma aciaria a oxigênio são listados a seguir: - Cal calcítica - Cal dolomita - Calcário (dolomita crua) - Fluorita - Dunito - Carbeto de silício - Escória de corridas anteriores - Minério de ferro - Sínter - Minério de Manganês O consumo de fundentes em uma aciaria depende da composição química e temperatura da carga metálica utilizada, da composição desejada para o aço líquido, da prática adotada para conservação do refratário dos fornos, panelas de armazenamento e transporte do aço líqui c: e dos distribuidores, tubos e válvulas utilizados para controlar o fluxo de aço líquido. A título de ilustração, um valor típico do consumo de cal calcítica e dolomítica (somadas) no caso de um convertedor LD situa-se na faixa de 50 a 70 kg/t de aço líquido produzido. Se for utilizada fluorita. o seu consumo gira em torno de 2 a 5 kg/t de aço produzido. A adição de fluorita varia em função de condições operacionais de cada usina, como qualidade da sucata, volume de escória, entre outros, podendo ser de 0 a 10% do peso de CaO adicionado. Ultimamente, a fluorita tem sido substituída pela nefelina, produto com grandes reservas nacionais e de custo inferior. i

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3 - EQUIPAMENTOS Serão apresentados a seguir alguns dos principais equipamentos que fazem parte de uma aciaria a oxigênio. Será dada ênfase na descrição da função destes equipamentos, sendo os detalhes de sua utilização apresentados posteriormente neste texto. Outros componentes acessórios de uma aciaria a oxigênio serão apresentados ao longo da discussão do processo de elaboração do aço utilizando os equipamentos descritos nesta seção. Os equipamentos de captação e tratamento de resíduos gerados durante o processo de elaboração do aço na aciaria a oxigênio serão apresentados em um outro capítulo deste texto, pois, na opinião do autor, é necessário em primeiro lugar entender como estes resíduos são gerados durante o processo. A Figura 3.1 mostra uma representação esquemática de uma aciaria a oxigênio com destaque para alguns dos principais equipamentos empregados neste setor. A configuração interna e externa básica do convertedor a oxigênio é apresentada nas imagens da Figura 3.2. Algumas usinas siderúrgicas modificam a parte cilíndrica, alterando o seu diâmetro em determinadas posições com revestimento refratário, baseando-se no seu perfil de desgaste. Um aspecto importante do projeto do convertedor está relacionado com o formato da parte inferior do mesmo. Os primeiros convertedores e vários convertedores ainda em operação aoresentam um formato conhecido como perfil garrafa (Figura 3.3a) em oposição ao perfil tronco cônico utilizado no convertedores mais recentes (Figura 3.3b). Uma vantagem do perfil tronco cônico é evitar zonas mortas, ou seja, regiões onde o aço fica estagnado não sofrendo o efeito de agitação, mesmo com a utilização do sopro de gases pelo fundo do convertedor, prejudicando a homogeneidade de temperatura e de composição do banho metálico, além de afetar na interação do banho metálico com a escória e as conseqüentes reações químicas importantíssimas para a desfosforação do banho metálico. O convertedor apresenta o formato de um barril, sendo basculado para o carregamento e vazamento em torno de um eixo horizontal, acionado por um conjunto de motores, e redutores, que permitem a variação de velocidade e um sistema de frenagem (Figura 3.4). A velocidade máxima de rotação normalmente está na faixa de 1 a 2 rpm. A carcaça do forno é feita de chapas soldadas e normalmente se apóia no anel de sustentação de maneira a facilitar a sua troca, com o e xo de rotação do forno fixado no anel. Para o sistema de basculamento, podem ser utilizados mancais de rolamento bipartidos de forma que a troca do rolamento possa ser feita sem a necessidade da retirada da coroa dentada para o manuseio do conjunto, reduzindo o tempo de parada para manutenção. Diferente do convertedor Bessemer, no processo LD emprega-se atualmente um perfil simétrico para o convertedor. A relação altura/diâmetro, após uma acentuada tendência ao decréscimo com aumento da capacidade, é mantida atualmente na faixa de 1,5 a 3,5 visando minimizar as projeções e melhorar a estabilidade de sopro. Uma das características mais importantes no projeto de um convertedor é a relação entre o volume interno útil do convertedor e a quantidade de aço líquido que pode ser elaborado. Esta relação deve ser tal que esteja disponível um máximo espaço para a acomodação da escória e dos gases gerados no processo, realização das reações químicas e que ocorra a maior homogeneização de composição química e temperatura sem a projeção de metal líquido ou escória para fora do convertedor ou sobre a lança de oxigênio. Uma relação mais tradicional grava em torno de 1m3 de volume interno útil para 1 tonelada de aço líquido. Esta relação vem decaindo para valores em torno de 0,7 a 0,8 m3 /t em função da busca por aumento de produtividade dos convertedores.

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Figura 3.1 - Representação esquemática dos principais equipamentos de uma aciaria a oxigênio.

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Figura 3.2 - Exemplo de uma aciaria com um convertedor a oxigênio em pleno funcionamento e representação esquemática do processo no interior do convertedor (crédito das imagens: a-Voestalpine Indústria Ltda.; b-SMS-DEMAG Ltda.). D

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Figura 3.5 - Principais componentes de um convertedor LD (crédito das imagens: a-SMS-DEMAG LTDA, b,c-Voest-alpine Indústria Ltda.). A carcaça do forno ou vaso é dimensionada de acordo com a capacidade do forno, sendo projetada para suportar esforços devido às tensões térmicas e mecânicas. As tensões térmicas são relacionadas com a dilatação do refratário e da própria carcaça, com a diiatação não uniforme devido ao aquecimento heterogêneo da carcaça ou do refratário e com as variações no ciclo de aquecimento e resfriamento do forno. As tensões mecânicas são devido às cargas estáticas e dinâmicas relativas ao peso próprio da carcaça, ao peso dos refratários, impactos durante o carregamento e limpeza do convertedor e durante o basculamento do vaso. Desta forma, um aspecto importante no projeto do forno é possibilitar uma certa dilatação da carcaça e um sistema ie resfriamento eficiente das posições críticas. Os aços selecionados para confecção da carcaça do convertedor devem apresentar excelente resistência à falhas por fluência (creep), ou seja, deformações não-elásticas em temperaturas elevadas (acima de 350°C) mesmo quando o material é submetido a tensões abaixo do seu limite de escoamento. A carcaça é confeccionada utilizando-se chapas grossas laminadas e soldadas. Esta carcaça é apoiada no anel de sustentação de maneira a facilitar a sua troca (Figura 3.6). Em algumas aciarias, este anel de sustentação é refrigerado através da circulação de água. Áletas

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Figura 3.6 - Exemplo de um convertedor do tipo LD, com capacidade de produção de 315 toneladas de aço (crédito das imagens: Companhia Siderúrgica de Tubarão-CST). O fundo do convertedor pode ser fixo ou removível. O fundo removível facilita a troca do revestimento refratário, exigindo a remoção de um menor número de equipamentos auxiliares do convertedor (tubulação de água de refrigeração, sistema de exaustão de gases, etc), permitindo inclusive a sua troca no caso de um desgaste prematuro. O fundo fixo é de construção mais simples e confere ao forno uma maior rigidez, reduzindo os problemas associados COM a deformação da carcaça devido às tensões térmicas. Um progresso importante rapidamente introduzido no perfil do forno LD foi a instalação do furo de corrida, o que permite que o vazamento do aço seja realizado sem a retirada prévia ca escória do forno, o que reduz apreciavelmente o tempo de corrida. O furo de corrida, mostrado na Figura 3.7a, também denominado de canal de vazamento, deve possuir um diâmetro diâmetro que não seja tão pequeno que resulte em um elevado tempo de preenchimento da panela, ocasionando atrasos no processo e perda de temperatura do metal e ao mesmo tempo não pode ser muito grande para facilitar o controle da passagem de escória. O seu formato deve ser regular para que evitaturbulências e espalhamento do jato de metal. Durante o basculamento do aço líquido do convertedor para a panela pode ocorrer a passagem de escória para a panela em 3 estágios: -no início do vazamento, quando o aço líquido com uma camada de escória sobrenadando-o flui em direção ao furo de corrida devido ao basculamento; - na etapa intermediária, devido ao arrastamento de escória pelo vórtice formado devido ao fluxo de líquido no furo de corrida; - no fim do vazamento, quando inicia-se o esgotamento de aço líquido. O furo de corrida pode ser combinado com dispositivos para reduzir a passagem de escória. Os dispositivos utilizados nas usinas siderúrgicas são projetados para reter a escória no interior do convertedor nestes diferentes estágios. Se estes dispositivos não forem empregados cerca de 10 a 15 kg de escória podem fluir para a panela por tonelada de aço líquido vazado, Este

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valor pode ser reduzido para aproximadamente 2 a 4 kg/t de aço utilizando os citados dispositivos sem a necessidade da interrupção do vazamento ainda no jato de aço líquido, para evitar a passagem de escória, aumentando o rendimento metálico do convertedor. A rolha refratária consiste de uma peça com formato tronco-cônica (Figura 3.7b) confeccionada com material refratária e é inserida no furo de corridas pelo operador de área após amostragem final de composição química e temperatura em todas as corridas, ou seja, imediatamente antes do início do vazamento, quando o convertedor é basculado. É utilizada para evitar que o primeiro jato de escória escoe pelo furo de corrida no início do vazamento do aço líquido para a panela. Esta rolha ou tampão resiste à pressão exercida pela escória inicial, evitando sua passagem para a panela. No entanto, após um determinado ângulo de basculamento, a pressão ferrostática promove a expulsão do tampão, iniciando-se o vazamento. Esta prática é geralmente utilizada em conjunto com outros processos de retenção, já que é limitada somente à retenção da primeira escória. Para reter a escória no final de vazamento podem-se empregar esferas refratárias, dardo de retenção, dispositivos pneumáticos, pneumátic os, dentre outros métodos. A introdução de esferas refratárias sólidas (slagball) pode ser realizada de diferentes formas, como por exemplo, através de empilhadeiras adaptadas com calhas. Este método apresenta uma boa retenção de escória, porém a sua limitação está associada ao seu índice de acerto, uma vez que para que a obstrução seja feita com perfeição, a esfera refratária deverá estar posicionada próximo ao furo de vazamento ao final do escoamento do aço, e este fato depende do correto lançamento da esfera próximo ao furo de vazamento e do arraste da mesma pelo efeito vórtice. Como nem sempre estes fatos ocorrem, devido à imprecisão do lançamento das esferas,"da variação da viscosidade ca escória e da movimentação dos conversores após lançamento, o índice de acerto desta técnica e comprometido. O dardo de retenção é fabricado utilizando-se um material refratário com densidade (em torno de 5,0 g/cm3) maior do que a da escória e menor do que a do aço líquido, de modo a vedar o furo de corrida quando a escória começar a vazar no momento em que se aproximar o esgotamento do aço líquido do convertedor. Em algumas usinas recomenda-se que o dardo de retenção seja inserido no convertedor com 70% do aço já vazado com o convertedor posicionado em um ângulo de 90°. A forma do dardo e a sua densidade permite que a medida que diminui o volume de aço líquido no convertedor, o dardo ocupe o furo e reduza o fluxo de aço, resultando desta forma que a escória fique retida no convertedor. Para realizar a inserção do dardo é utilizado o equipamento mecânico dotado de uma lança, denominado de retentor de escória, o qual é refrigerado por nitrogênio (Figuras 3.7c e d). Desta forma, a eficiência da retenção independe do arraste do corpo refratário para o canal de vazamento, e um maior índice de acertos é obtido. Este sistema é apresentado na Figura 3.7e. Pode-se também reter a escória pelo sopro de um gás inerte em alta pressão, através de um bocal refratário instalado na extremidade de um braço. Este bocal é imediatamente introduzido no furo de corrida (pela parte externa do convertedor) antes que uma maior quantidade de escória escoe pelo mesmo (sistema slag sttoper). Em um grande número de usinas a utilização dos dispositivos citados acima para reduzir a passagem de escória para a panela depende diretamente da habilidade dos operadores responsáveis pelo basculamento e vazamento do convertedor, no sentindo de indicar o momento adequado para interromper o vazamento do aço. Estes operadores observam o fluxo de aço cuido e procuram distinguir o início da passagem de um grande volume de escória através da mudança de coloração no jato ou na mudança do fluxo do jato no momento da sua queda na superfície de metal líquido na panela (a escória por apresentar uma menor densidade do que o aço líquido espalha-se mais sobre esta superfície). A eficiência desta operação também depende

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operação foram desenvolvidos equipamentos para detectar a passagem de escória (slag detectors) que podem se basear em dois métodos: - Instalação de bobinas eletromagnéticas no furo de corrida - o campo eletromagnético induzido pela passagem de uma corrente elétrica na bobina é alterado quando ao invés de aço líquido fluindo pelo furo de corrida ocorrer a passagem de escória junto com o aço, permitindo distinguir a passagem de escória. - Utilização de câmeras especiais (sensíveis à radiação infravermelha) que detectam a diferença de emissividade entre o metal e escória, resultado da diferença de temperatura entre ambos. Os sinais captados são transmitidos para computadores e/ou monitores que onde são processados gerando imagens com colorações distintas para o metal e escória (técnica de termografia - Figura 3.7e-f). Com o emprego destas técnicas é possível se detectar o momento em que se inicia a passagem de escória permitindo que o operador ou um sistema automatizado decida acionar dispositivos de fechamento do furo de corrida ou a interrupção do vazamento. O revestimento refratário do convertedor a oxigênio apresentou uma espantosa evolução no decorrer da história deste equipamento. Por se tratar de uma variável importante para o cuto operacional de uma aciaria a oxigênio, é fundamental que não sofra problemas de desgaste prematuro e quebras que evite disponibilizar o convertedor para a produção. A temperatura de elaboração dos aços, que tem aumentado por causa do desenvolvimento da metalurgia a secundária e da introdução do processo de lingotamento contínuo, é um item de preocupação por aumentar a tendência do desgaste do revestimento refratário. Incluindo-se o revestimento permanente, a massa de refratário de um convertedor recémrevestido é da ordem de duas a três vezes a sua capacidade mássica (capacidade de produção). O consumo de refratário depende do tipo de revestimento, da geometria do convertedor, da capacidade de produção do convertedor, do tipo de escória, da composição química doferro-gusa e do aço em elaboração, dos fundentes utilizados, da temperatura de trabalho, da duração do sopro, da política de proteção ao revestimento e do mix de produção. Este número, no começo da produção de aços em convertedores a oxigênio, chegou a ser de aproximadamente 25 kg/t de aço e hoje varia de 0,5 a 5 kg/t de aço.

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Figura 3.7 - Detalhe do revestimento refratário de um furo de corrida de um convertedor a oxigênio (a). Tampão ou rolha refratária para retenção da escória inicial (b). Dardo de retenção de escória no final do vazamento do aço líquido do convertedor para a panela (c). Representação esquemática do sistema de colocação do tampão flutuante ou dardo de retenção (d). Sistema de identifícação de passagem de escória por termografia (e-f) e de fechamento do furo de corrida

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No interior do convertedor a solicitação do revestimento refratário varia em função da posição, visto que existem áreas submetidas ao ataque mecânico do banho, como o fundo e a região de carregamento de sucata, outras áreas submetidas ao ataque químico-mecânico, como por exemplo, a linha de escória. Para assegurar um desgaste balanceado, usam-se combinações de tijolos, em conformidade com a zona de maior ou menor desgaste. Em zonas de alta solicitação podem ser utilizados tijolos especiais de diversos tipos, sendo muito utilizados tijolos mais caros nos pontos críticos, otimizando o custo de refratário por tonelada de aço. Desta forma, a duração do revestimento tem evoluído pela utilização de diferentes tipos de refratários de em diversas partes do convertedor, bem como pelo desenvolvimento da metalurgia do aço durante o sopro para evitar ataques químicos da escória no revestimento. A prática de proteção do refratário com a própria escória gerada no sopro (slag coating e slag splashing) é outra evolução que tem contribuído para que a vida do revestimento aumentasse para níveis satisfatórios. Estas técnicas serão apresentadas mais adiante neste texto. No projeto do revestimento refratário de um convertedor a oxigênio, realiza-se em primeiro lugar a divisão do revestimento em diversas zonas de acordo com o perfil de desgaste apresentado nas inspeções, medições e reparos realizados durante a campanha do convertedor e após o encerramento da campanha do mesmo. A intensidade e o tipo de desgaste fornecem dados que permitem estabelecer o tipo de solicitação presente em cada região e a velocidade de desgaste, permitindo estabelecer a priorí um padrão de desgaste e a correspondente seleção dos materiais adequados para resistir a tais desgastes, evitando que ocorram paradas freqüentes para reparos ou mesmo parada prematuras de campanha do convertedor devido ao desgaste acentuado de uma determinada região ou, situação mais grave, acidentes na área da aciaria devido ao surgimento de fendas na carcaça metálica do convertedor. A divisão do convertedor em zonas do ponto de vista de revestimento refratário 1 recomendada pela Associação Técnica de Refratários do Japão ou similares realizadas pelas empresas brasileiras considera basicamente 4 regiões que podem ser subdivididas em subregiões em função dos mecanismos de desgaste reinantes, conforme apresentado na Figura 3.8 e na Tabela 3.1. O conhecimento destes mecanismos de desgaste é de fundamental importância na seleção dos materiais refratários mais adequados para cada região, justificando a diversidade de regiões apresentadas na Figura 3.9.

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THE TECHNICAL ASSOCIATION OF REFRACTORIES, Refractories Handbook, Tokyo, 1998.

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Figura 3.8 - Representação das diversas regiões de revestimento refratário do convertedor a oxigênio em urna projeção do revestimento da camada de trabalho, com um detalhe de uma

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Além dos mecanismos de desgaste relacionados na Tabela 3.1, um outro fator de influência são os choques térmicos provocados por paradas não previstas do convertedor. Além da divisão do convertedor em diversas regiões, o revestimento refratário ainda pode ser dividido em revestimento permanente ou de segurança, ou seja, o revestimento que não é removido após o encerramento da campanha e revestimento de trabalho, ou seja, o revestimento que se desgasta e que pode ser parcialmente reparado durante a campanha de um convertedor, sendo necessária a troca total do mesmo após o encerramento da campanha. Na Figura 3.8 também é apresentada esta divisão. Uma ordem de grandeza típica da espessura do revestimento refratário é de cerca de 115 a 250 mm para o revestimento permanente e de cerca de 800 a 1250 mm para o revestimento de desgaste. As faixas citadas dependem do tipo de refratário empregado, da região do convertedor em consideração, da capacidade de produção do convertedor, da geometria do convertedor, do tipo de escória objetivada, da composição química do ferro-gusa e do aço em elaboração, dos fundentes utilizados, da temperatura de trabalho, da duração do sopro, da política de proteçãc ao revestimento e do mix de produção, para citar algumas das variáveis que afetam o projeto do refratário de um convertedor a oxigênio. É necessária a divisão do refratário do convertedor em revestimento permanente e revestimento de trabalho para permitir a seleção dos materiais mais adequados ao longo da parede de material refratário, procurando atender simultaneamente às exigências de segurança e performance. As camadas de revestimento permanente e de desgaste são constituídas por duas fileiras distintas de tijolos, reduzindo assim a possibilidade de juntas coincidentes, aumentando a estanqueidade do revestimento. A transferência de calor do interior do convertedor para a carcaça formada por chapas de aço deve ser a menor possível, exigindo uma menor condutividade térmica para os tijolos da camada de segurança. Esta condutividade deve ser maior na camada de desgaste para não provocar trincas no refratário devido às deformações muito heterogêneas devido a um aquecimento não uniforme ao longo da espessura da parede. A camada de desgaste entra em contato com o metal líquido, com a escória, com os gases e materiais particulados (pó), devendo apresentar características adequadas para resistir a ataques químicos e esforços do tipo abrasão, erosão e choques mecânicos, que não são exigidos da camada de segurança. Um outro aperfeiçoamento introduzido no projeto de revestimentos refratários de convertedores foi o corte e a pré-montagem de certas regiões que exigem um reparo mais freqüente como, por exemplo, furos de corrida e região das ventaneiras que, desta forma, podem ser trocados rapidamente em uma parada do equipamento para manutenção ou reparo. Um furo de corrida normalmente é trocado após ser utilizado em uma faixa de 60 a 200 corridas, dependendo da usina. O material refratário utilizado nos convertedores LD pode ser fornecido na forma de material formado como tijolos, ventaneiras ou na forma de material não formado como massas refratárias e argamassas. As massas refratárias não formadas (ou não moldadas) apresentam um elevado teor de MgO (de 91 a 96%) são empregadas tanto na montagem de novos revestimentos (correção de empenos da carcaça, junções de revestimento de trabalho) quanto na manutenção através de reparos a quente. As argamassas refratárias possuem um menor teor1 de MgO (cerca de 80%) e são empregadas na montagem das junções de revestimento de segurança. Os tijolos moldados utilizados no convertedor a oxigênio podem ser fabricados a partir de diferentes materiais refratários, dependendo das condições de custo e disponibilidade da região onde se localiza a indústria siderúrgica. Dolomita, magnésia fundida, o sínter de magnésia de alta

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pureza e outros materiais magnesianos são as principais matérias-primas utilizadas na fabricação de tijolos refratários. Todos são básicos e contêm uma série de aditivos para aumentar a sua resistência ao desgaste. Tijolos de MgO-Cr2O3 são empregados nos revestimentos dos convertedores voltados a produção de aços inoxidáveis. Os tijolos refratários empregados na camada de segurança são a base de MgO (acima de 96,5%) e são pré-queimados de forma que todas as ligações químicas já estão desenvolvidas e estáveis quanto à variação de volume, reduzindo assim tensões termomecânicas sobre as camadas adjacentes de revestimento de trabalho e carcaça de aço, reduzindo a possibilidade de trinca no equipamento. Estes tijolos normalmente apresentam propriedades mecânicas inferiores quando comparadas com a camada de desgaste, devido a não utilização de aditivos para não ocorrer um indesejável aumento da sua condutividade térmica. Em relação aos tijolos refratários empregados nas camadas de desgaste, pode-se a princípio considerar que, se a capacidade instalada é maior que a produção prevista, (as perdas de produção com as paradas necessárias para aplicar um novo revestimento ou realizar reparos não têm influência na produção almejada) pode-se optar pelo revestimento com dolomita (MgO > 30% e CaO > 55%) devido ao seu menor custo. Caso contrário, emprega-se o revestimento de MgO combinado ou não com outros aditivos, objetivando um aumento de vida útil do refratário. Dentre os principais aditivos destacam-se o carbono, ligantes e os aditivos antioxidantes. A magnésia pode ser eletrofundida ou sinterizada. No caso da fabricação do tijolo pelo processo de sinterização, o oxido de magnésio ou magnésia (MgO), é sinterizado em temperaturas na faixa de 1.700 a 2.100°C, com patamares de 5 a 12 horas, adquirindo as seguintes propriedades: aspecto de rocha ou material cerâmico denso, alta resistência mecânica, elevado ponto de fusão, elevada massa específica aparente, baixa porosidade aparente e compatibilidade com o FeO. Porém, este sínter de magnésia apresenta deficiências como uma elevada expansão térmica, um elevado calor específico e uma relativamente alta molhabilidade pelo aço líquido e/ou escória. A combinação do MgO com o carbono é adequada para aumentar a resistência à corrosão e à infiltração pela escória, resultante da menor molhabilidade do carbono pelos óxidos e pela formação de uma camada de oxido de magnésio na face quente do tijolo. Genericamente pode-se considerar que os refratários de MgO-C são frutos de certa incompatibilidade química entre o oxido de magnésio e o carbono, que pode ser evidenciada pela inexistência de formação de fase líquida (eutéticos) e por ambos os constituintes não serem termoquimicamente estáveis em elevadas temperaturas. Isto favorece a formação da magnésia em camadas densas na própria estrutura retratária (face quente) originárias de reações de redução: a) Redução da magnésia pelo carbono MgO(s) + C(s) -» Mg(g) + CO(g) b) Reoxidação do magnésio metálico: formação da camada densa Mg(g) + 1 /2O2(g) -> MgO(s) c) Recombinação do magnésio e do monóxido de carbono em fase gasosa Mg(g) + CO(g) -> MgO(s) + C(s) O carbono também é um material de elevada condutividade térmica, o que permite diminuir as tensões mecânicas geradas pelos gradientes de temperatura entre as faces fria e quente dos refratários. Sua presença também reduz o módulo de elasticidade do sistema, tornando-o menos rígido.

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resistência à compressão a frio do tijolo e um aumento da sua condutividade térmica. Uma menor rigidez do tijolo aumenta sua capacidade de absorver tensões, o que é importante para as etapas de produção, transporte e manuseio dos produtos. O aumento da condutividade térmica reduz as tensões térmicas geradas pelo gradiente térmico ao longo do tijolo, aumentando a resistência aos choques térmicos e reduzindo a expansão térmica. Um elevado teor de grafita elevaria em demasiado a condutividade térmica e a presença de impurezas contidas nas cinzas. O carbono também é proveniente dos aditivos denominados de ligantes como o piche e/ou resinas fenólicas. Como o piche contém misturas complexas de hidrocarbonetos, alguns dos quais se suspeita serem cancerígenos, procurou-se desenvolver resinas que não contenham compostos nocivos à saúde. O ligante também melhora as propriedades mecânicas a frio do tijolo necessárias para as etapas de produção, transporte e manuseio dos mesmos e atua como lubrificante na etapa de prensagem. Aditivos antioxidantes, como alumínio, magnésio, silício e carbeto de boro são usados para evitar a oxidação do carbono do tijolo e reduzir a porosidade dos tijolos, ajudando a evitar a penetração da escória. Também promovem um aumento das propriedades mecânicas (resistência à flexão) em temperaturas elevadas. Porém, promovem um aumento de custo, um aumento da rigidez dos tijolos e uma alteração indesejável da composição química da escória. O tamanho dos cristais de magnésia tem influência significativa sobre a quantidade de desgaste do refratário. Os contornos dos grãos (cristais) são regiões de instabilidade e de maior concentração de impurezas, favorecendo o ataque pela escória. A formação de compostos de baixo ponto de fusão nas escórias ou nas paredes do revestimento refratário acentua o desgaste do refratário. Na Tabela 3.2 são apresentados alguns dos possíveis compostos que podem ser formados a partir dos constituintes presentes na carga do convertedor. Tabela 3.2 - Exemplos de fases de baixo ponto de fusão em cerâmicas refratárias.

Fase

Composição

Temperatura de Fusão

Akermita Cuspidina Dicálcio ferrita Diopsídio Enstatita Magnesiowustita Merwinita Monticelita

2CaO.MgO.2SiO2 3CaO.2SiO2.CaF2 2CaO.Fe2O3 CaO.MgO.2SiO2 MgO.SiO2 FeO.MgO 3CaO.MgO.2SiO2 CaO.MgO.SiO2

1454 1400 1435 1391 (1560) variável (1575) 1499

O desgaste do refratário do convertedor a oxigênio ocorre devido a fatores de origem térmica, química e mecânicos. Em geral estes fenômenos estão inter-relacionados, o que dificulta em alguns casos a análise mais precisa do fenômeno responsável pelo desgaste. Em relação aos fatores de ordem térmica, um aspecto que exerce forte influência na campanha do refratário do convertedor é a obediência dos limites estabelecidos como temperatura máxima prevista quando da seleção do refratário. Se na operação do convertedor houver uma preocupação de se evitar variações bruscas de temperatura, esta atitude contribuirá para reduz o desgaste do refratário. Dentre os fenômenos de natureza química, podem ser citados a oxidação, a formação de compostos de baixo ponto de fusão e a corrosão. Os esforços mecânicos que provocam o desgaste refratário são relacionados principalmente com a erosão, abrasão, remoção mecânica, impactos e tensões devido à dilatação dos materiais.

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As variações bruscas de temperatura provocam variações dimensionais heterogêneas nos tijolos e massas refratárias que, por terem seu deslocamento restringindo pela presença de tijolos vizinhos, produzem uma tensão local que pode superar o limite de ruptura, provocando a formação e posterior propagação de trincas na estrutura do refratário, provocando a perda de fragmentos das faces do refratário. Este mecanismo de desgaste é conhecido como termoclasse. A corrosão compreende diversos mecanismos de desgaste do refratário MgO-C iniciandose com a oxidação do carbono pelo oxigênio presente na atmosfera do forno ou nos componentes da escória, seguida da infiltração da escória na matriz do tijolo, formação de compostos de baixo ponto de fusão (Tabela 3.2) na matriz de magnésia resultando na fusão da mesma e a remoção dos grãos de magnésia por falta de ancoragem dos mesmos. À medida que uma determinada esoessura de camada é perdida o processo é reiniciado. A linha de escória está mais sujeita ao desgaste por corrosão principalmente devido ao fato da maior tendência à oxidação do carbono devido ao oxigênio presente no FeO e no MnO da escória e devido a um possível jato irregular emanando do bico da lança de oxigênio. O desgaste por erosão ocorre quando fluidos sólidos, líquidos ou gasosos se movimentam em relação à superfície do material refratário, como é típico durante as operações de vazamento de aço ou de escória ou basculamento do forno. Outro exemplo deste fenômeno é o desgaste que ocorre quando partículas sólidas ou de gases em alta velocidade atritam com o refratário na boca do forno devido ao fluxo de material particulado arrastados pelos gases. O desgaste por abrasão ocorre quando partículas de sólidos se movimentam sobre a superfície do refratário, como ocorre nas paredes do forno na etapa de carregamento de sucata. Para resistir a tal tipo de desgaste o refratário precisa ser coeso e apresentar uma alta resistência a ruptura a quente. O desgaste do refratário provocado por estragos físicos causados pelo impacto no momento de carregamento de sucata pode ser minimizado se forem tomadas providências como, por exemplo: a introdução em primeiro lugar no convertedor de sucata leve para amortecer a queda da sucata pesada, secar a escória da região de impacto, fazer a forragem do convertedor Bom fundente (antecipando o seu carregamento) e utilizar tijolos impregnados que apresentam uma maior resistência ao impacto. O desgaste do refratário por remoção mecânica ocorre principalmente quando é executada a retirada de cascão que se acumula na boca do convertedor. O desgaste ocorre quando o cascão está aderido ao refratário, principalmente quando as operações de limpeza são realizadas em baixas temperaturas, sem o corte prévio do cascão e sem uma reposição local do refratário desgastado. Do ponto de vista de consumo de refratário, uma escória de boa qualidade é aquela que reúne as seguintes características: Fe total < 20%, basicidade = 3,0 a 5,5, MgO > 6,0 %. Estes parâmetros são recomendados para que a temperatura de fusão desta escória seja deslocada para valores acima de 1.700°C, contribuindo para que a película impregnada da parede do refratário não funda durante a etapa de sopro. Também sua molhabilidade é uma variável importante, pois, determina a capacidade da escória em infiltrar nos microporos do tijolo refratário. A molhabilidade de uma escória é determinada pela sua fluidez, relacionada com a temperatura da escória, teores de Fe-total, a basicidade e o teor de MgO. O percentual citado para o MgO presente na escória é apenas uma referência. Para calcular a quantidade de MgO (MgO de saturação ou MgO(sat) que deve estar presente na escória para evitar a migração do MgO da escória para o refratário geralmente utiliza-se a seguinte equação:

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MgOsat = 8,5 - 0,06(Tesc - 1650) + 0,28 . FeO - 2

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CaO (SiO2 - P2O5)

Os teores de FeO, CaO, Si0 2j P2O5 e MgOsat são dados em %. A temperatura da escória é dada em °C. Alguns autores recomendam que a escória esteja supersaturada de MgO em cerca de 10%, ou seja: MgOreal = 1,1 . MgOsat Quanto maior o teor de FeO e MnO na escória maior a tendência de formação de urna escória fluida, aumentando a tendência do desgaste de refratário devido à maior penetração. Isto se deve ao fato destes compostos reduzirem o ponto de fusão da escória conforme pode ser observado na Figura 3.9 que apresenta um diagrama pseudo-ternário CaO-SiO 2 - FeO com destaque para as isotermas líquidus.

Figura 3.9 - Diagrama pseudo-ternário CaO'-SiO 2'-FeO' com destaque para as isotermas liquidus.

No reparo do revestimento refratário podem ser empregadas técnicas de reparo a quente e reparo a frio. Uma técnica de reparo a quente é denominada de projeção (gunning). Nesta técnica o material é injetado no forno através de meios de transporte pneumátícos. permitindo a aplicação com o forno quente, visando à formação de camadas finas que sejam

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sinterizadas durante a operação. Porém, esta técnica tem a desvantagem de baixa densidade e heterogeneidade causada pela segregação durante o jateamento. Além do mais, é mais difícil o controle da porosidade e da granulometria do revestimento para permitir o escape de vapor água e a acomodação da expansão térmica. Os ligantes utilizados na massa retratária podem ser silicatos, fosfatos ou a base de cromo. Uma segunda técnica de reparo a quente é denominada de slag coating, consistindo na retenção dentro do convertedor de parte da escória gerada no próprio processo de elaboração do aço e na realização de balanços do convertedor com o intuito de obter uma cobertura de parte do revestimento refratário com uma camada de maior ponto de fusão. Recomenda-se que este procedimento não seja realizado se houver sobra de aço no convertedor ou se a escória estiver muito agressiva. No caso da utilização do slag coating, a composição química da escória pode ser modificada através da adição de alguns materiais para elevar a sua temperatura de fusão temperatura liquidus), torná-la saturada de MgO e reduzir a temperatura da escória, facilitando a sua solidificação sobre as paredes de refratário. Também podem ser adicionados materiais visando à desoxidação da escória ou o espumamento da escória de modo a aumentar o seu volume para que atinja uma maior altura e cubra uma maior parte do revestimento refratário. Os materiais adicionados visando à correção da escória normalmente são o calcário dolomítico (dolomita crua), cal calcítica, cal dolomítica e CaC2. A adição de calcário dolomítico apresenta a vantagem de gerar uma homogeneização mais rápida devido à reação de calcinação que se processa dentro do convertedor, liberar gases que promovem a agitação da escória, além de apresentar um menor custo. Se restar escória no interior do convertedor após os balanços para realização do slag coating, a mesma deve ser vazada para o pote de escória ou seca com a adição de cal. Isto reduz o risco de reações durante o carregamento do convertedor. No caso de convertedores com sopro pelo fundo, a prática de slag coating não deve obstruir em demasia a saída das ventaneiras instaladas na soleira do convertedor. Como complemento ao processo de slag coating podem ser adicionados sucata de tijolos refratários para reforçar a proteção do revestimento. Este método é denominado em algumas empresas de pé de moleque. Deve-se ter o cuidado de evitar a penetração de escória ou de tijolos no furo de corrida evitando-se a obstrução do mesmo. Outra técnica de reparo a quente consiste na projeção de escória no revestimento. Esta técnica é mais conhecida como slag splashing 1. Esta técnica consiste na projeção sobre as paredes de refratário da escória gerada no próprio processo de elaboração do aço no convertedor. Esta projeção é efetuada geralmente com nitrogênio injetado em alta pressão pela lança de oxigênio por um período de 2 a 4 minutos. O convertedor pode ser basculado para remover o excesso de escória, evitando um indesejado aumento de altura da soleira, pois diminuiria o volume útil do vaso e poderia bloquear as ventaneiras. Pode ser necessária a adequação da composição química da escória através da adição de alguns materiais para se obter uma escória com alta viscosidade, elevada temperatura de fusão (temperatura liquidus) e saturada de MgO (normalmente acima de 8%). Controla-se principalmente os teores de FeO e MgO, de forma a propiciar a mistura de fases de baixo e alto ponto de fusão. Fases com baixo ponto de fusão (ricas em FeO) asseguram boa adesão entre a escória e o refratário, ao mesmo tempo que fases de elevado ponto de fusão (ricas em MgO) propiciam alta resistência a erosão e refratariedade. O FeO reage com o carbono do refratário formando uma escória espumante que penetra nos poros do refratário e reagindo a seguir com o MgO do refratário aumentando a adesão. Teores de Al2O3, SiO2 e CaO também devem ser monitorados.

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Dolomita pode ser adicionada no início do sopro de nitrogênio com a lança para corrigir o teor de MgO. Como o FeO reduz a viscosidade e a temperatura de fusão da escória, pode ser necessária a adição de carbono, na forma de MgO/50%C ou MgO/30%C, para reduzir o teor de FeO para níveis adequados (em torno de 13% para elaboração de aços de baixo teor de carbono), Esta técnica apresenta uma vantagem sobre a técnica de slag coating de permitir a cobertura de todas as regiões do revestimento, permitindo ainda favorecer uma determinada região através do controle da posição da lança e da vazão de gás. Na Figura 3.10 mostra-se uma representação esquemática do processo de reparo do revestimento refratário do convertedor através da técnica, de slag splashing.

Figura 3.10 - Representação esquemática do processo de reparo do revestimento refratário do convertedor através da técnica de slag splashing. Algum as empresas consideram que a prática ideal é a realização do slag splashing ou slag coating em t odas as corridas. A avaliação da qualidade da escória é realizada durante o vazamento da corrida do convertedor, principalmente em relação ao grau de oxidação desta escória. Também é possível a realização do reparo do revestimento refratário do convertedor através da utilização de massas resinadas ou piche, adicionados através da canaleta de carregamento de sucata. Neste caso é necessário esperar um determinado intervalo de tempo para haver a cura (sinterização) do material adicionado. Porém, o revestimento é mais resistente depois de curado e menos agressivo do que a projeção devido a não utilização de água. O termo campanha do revestimento refratário é utilizado para indicar o número de corridas elaboradas no convertedor que provoca uma deterioração do revestimento de tal monta que exige a parada do equipamento para a troca total do revestimento refratário de desgaste, Apenas como ilustração pode-se citar que as campanhas dos revestimentos refratários no Brasil podem alcançar valores na faixa de 4000 a 7000 corridas ou superior se for priorizada a manutenção do revestimento em detrimento de variáveis como, por exemplo, a redução da temperatura de vazamento do aço ou a adequação da composição da escória.

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As atitudes citadas acima, juntamente com a alteração da constituição do tipo de revestimento refratário, a introdução de um maior teor de carbono, o controle da porosidade do refratário, a redução do número de basculamentos em função da utilização de sublança para medição de temperatura e coleta de amostras e as alterações de procedimentos operacionais desde a etapa de carregamento da carga metálica sólida, passando pela etapa de sopro e o rígido controle da composição da escória, permitiram um extraordinário aumento da vida útil do revestimento refratário de trabalho do convertedor a oxigênio. Existem casos de campanhas superiores a 20.000 corridas nos EUA. O monitoramento do desgaste do revestimento refratário do convertedor a oxigênio pode ser realizado através do emprego de duas metodologias distintas e complementares: a inspeção visual e a inspeção a laser. Os dados obtidos são utilizados para estimar a vida útil do revestimento refratário e as contramedidas necessárias para corrigir desgastes acentuados em de te rm in ad as regiões. A inspeção visual pode ser realizada após a cada corrida elaborada no forno. A inspeção visual pode ser complementada com o monitoramento da temperatura da carcaça do convertedor através de pirômetros óticos, termografia ou termopares instalados em pontos específicos. Este monitoramento permite a identificação de pontos de elevada temperatura na chaparia metálica que são indicativos de um acentuado desgaste da camada de refratário. A inspeção com laser é realizada utilizando-se equipamentos que permitem fazer a varredura da superfície do revestimento refratário através de um feixe de raio laser, permitindo medir a espessura de revestimento refratário remanescente através da comparação dos dados da nedição atual com a medição realizada antes do início da campanha do revestimento. Os dados adquiridos pelo raio laser são processados em um computador permitindo ea zar um mapeamento mais preciso do desgaste do refratário. A medição a laser (também conhecida como ferrotron®) pode ser realizada semanalmente ou com uma maior freqüência de acordo com as necessidades operacionais. Geralmente este procedimento demora de 30 a 60 minutos para ser executado. Na Figura 3.11 mostra-se uma representação esquemática da realização da medição a laser. O programa computacional permite apresentar os resultados na forma de gráficos bidimensionais mostrando a distribuição do desgaste do refratário em uma determinada medição Figura 3.12) ou na forma de isolinhas comparativa de desgaste realizado em várias medições, permitindo acompanhar a evolução do desgaste do revestimento ao longo da campanha do convertedor. Uma inspeção adicional do revestimento refratário consiste na medição da altura de sola ou soleira através da utilização do equipamento denominado de sublança que será apresentado posteriormente neste texto. Esta medição permite que sejam evitados acidentes em caso de elevação em demasiado da altura de sola que pode resultar na penetração da lança de oxigênio no banho líquido, ocasionada a fusão da mesma. A espessura de sola também afeta na injeção de gás inerte pelas ventaneiras no fundo do convertedor.

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Em todos os convertedores do tipo LD emprega-se uma lança para injeção de oxigênio. Esta lança é retrátil e é geralmente constituída por 3 tubos de aço concêntricos, sendo o interior para oxigênio e os 2 externos para circulação da água de refrigeração (Figura 3.13). Esta água entra na temperatura ambiente e sai na faixa de 40 a 45°C, com vazões acima de 150 m3 /min. Na extremidade inferior é soldado o bico da lança e na extremidade superior as mangueiras de oxigênio e água.

Figura 3.13 - Desenhos esquemáticos e fotos do bico de uma lança de injeção de oxigênio. Na figura e tem-se uma lança com sistema de duplo fluxo para auxiliar na fusão de sucata e reduzir a formação de cascão. Na figura h exemplifica-se um método de controle dimensional do furo da lança com gabarito (crédito das imagens: e - Paul Wurth). A lança é sustentada, quando em utilização, por um guincho que a movimenta verticalmente e normalmente dispõe de dispositivos de segurança que impedem sua queda dentro do forno no caso de ruptura do cabo que a liga ao guincho. Quando a lança estiver fora do forno ela pode ser deslocada lateralmente através da movimentação do seu carro de sustentação sobre trilhos. Normalmente duas lanças são posicionadas sobre o convertedor de forma a permitir uma rápida troca da lança em caso de necessidade operacional como, por exemplo, no caso de uma

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aderência de cascão na lança. Normalmente são disponibilizadas várias outras lanças para permitir a retirada da lança de operação para realização de inspeções e manutenções periódicas. As primeiras lanças de injeção de oxigênio nos convertedores tinham bico com apenas um furo central, do tipo paralelo ou convergente-divergente. Entretanto, o aumento da capacidade dos convertedores trouxe consigo a necessidade do aumento da vazão de oxigênio para poder manter o tempo de sopro nos mesmos níveis, o que levou a utilização de diâmetros de furo e vazões cada vez maiores, com o aumento das anormalidades operacionais. Como por exemplos de anormalidades operacionais pode ser citado o excesso de penetração de jato que aumentava o desgaste do revestimento refratário e o aumento de turbulência a níveis que provocava projeções de metal e escória. O desenvolvimento dos bicos multi-furos possibilitou a eliminação deste problema, sendo hoje uma prática universalmente adotada, permitindo uma distribuição mais uniforme do oxigênio sobre o banho. Isto trouxe melhoria sensível no que se refere à incidência de projeções, rendimento metálico, vida de revestimento, formação da escória, desfosforação c: banho, etc. Apesar de terem sido utilizados bicos com até 8 furos, a prática normal é a utilização ce bicos de lança que atendam a realidade de cada convertedor, na faixa de 3 a 6 furos. O bico vai determinar fundamentalmente a vazão e distribuição de oxigênio. Em seguida o bico adaptado para atender aos outros parâmetros relacionados com as restrições metalúrgicas já mencionadas anteriormente. O bico é fabricado, por fundição ou forjamento, utilizando-se o cobre eletrolítico com pureza mínima de 99,9%, devido ao fato deste material apresentar elevada condutividade térmica, permitindo a rápida transferência do calor da superfície externa da lança para a água de refrigeração, possibilitando assim a utilização da lança em um meio com temperatura superior à temperatura de fusão do cobre (~1.084°C). A lança não penetra no banho metálico, mas está próxima ao mesmo (distanciada de 1 a 2 metros), ficando imersa na emulsão escória-gases-gotículas de metal. A transferência de calor por radiação e condução a partir do metal e escória e dos gases resultantes das reações de refino do aço elevam a temperatura da região em que a lança opera para um patamar em tono de 2.000 CC. Se a refrigeração da lança for eficiente e se forem tomadas providências para evitar a presença de cascão sobre o bico, a superfície externa do bico é aquecida em torno de 150 a 200°C, que não é suficiente para prejudicar as propriedades mecânicas do cobre, principalmente a sua resistência ao desgaste por abrasão. O bico de cobre é soldado na extremidade inferior do corpo da lança. Este corpo é fabricado a partir de tubos de aço. Nas inspeções do bico da lança deve-se observar a presença de cascão de aço (camada de aço) sobre o bico de cobre ou sobre o corpo da lança. A presença do cascão é crítica porque na etapa de utilização da lança, haverá um aquecimento e possível fusão deste cascão, podendo provocar a fusão do cobre, provocando fendas por onde a água fluiria para dentro do convertedor, aumentando o risco de explosão devido à transformação da água em vapor1. A presença de cascão na superfície da lança também aumenta a aderência de cascão de escória podendo criar uma camada de volume suficiente que impeça a movimentação da lança através dos flanges localizados sobre o convertedor. Geralmente as lanças de oxigênio são projetadas para operar com vazões na faixa de 300 a 1.200 Nm3 /min (50 a 300 Nm3 /min por furo do bico), obedecendo à regra de quanto maior a capacidade do convertedor maior a vazão. Se considerarmos a capacidade de produção do convertedor, as vazões-limite atuais estão na faixa de 3,0 a 4,0 Nm 3 /(t.min) de sopro de oxigênio. 1

A água na temperatura ambiente apresenta um volume específico de 0,00100 m3 /kg. Ao ser aqueciaa até a temperatura de 100°C, mas ainda no estado líquido, o seu volume específico aumenta para 0,0010435 m3 /kg. Ao ocorrer a transformação de fase de líquido para vapor, o volume específico sobe para 1,6730 m3 /kg. Isto significa um aumento do volume ocupado pela água em 1603 vezes, gerando consequentemente

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considerando que o fator de volume útil do convertedor por tonelada de aço líquido que varia entre 3 3 0,95 m /t e 0,72 m /t. A pressão de sopro normalmente situa-se na faixa de 10 a 11 kg/cm 2. Valores mais altos aumentam a dureza do sopro, o que é prejudicial. Para isto, o diâmetro crítico dos bocais deve ser maior Há casos de usinas que trabalham com a pressão de sopro entre 9 e 10 kg/cm2. O número de furos de saída de oxigênio e o ângulo de inclinação dos mesmos (de 10 a 18º) aumentam à medida que aumenta o diâmetro dos convertedores. Outro item a ser observado nas inspeções refere-se ao desgaste da extremidade do bocal ou furo de saída de oxigênio, pois o estado do mesmo afeta o formato do jato de oxigênio. As lanças de oxigênio podem ser inspecionadas superficialmente ainda no carro, mas fora do forno, quando for notada alguma irregularidade durante o sopro que pode estar relacionada com a lança. Periodicamente, a cada 50 corridas, por exemplo, as lanças são retiradas de operação e inspecionadas em uma oficina preparada para tal fim. Após um determinado número de corridas, as lanças são retiradas de operação para substituição do seu bico e manutenção do corpo, montando-se uma nova lança. Uma quantidade típica de corridas sopradas com uma lança antes da sua desmontagem praticada por algumas empresas é de cerca de 200 corridas. Outras empresas chegam a atingir valores superiores a 1.000 corridas. A distância mínima da lança ao banho metálico durante o sopro praticada na usina siderúrgica afeta diretamente na vida da lança. Este procedimento aumenta a segurança operacional, reduzindo o risco de furar uma lança durante o uso. Normalmente controla-se a diferença de vazão na entrada e na saída de água de refrigeração da lança e/ou a diferença da temperatura de entrada e saída da água, para identificar a ocorrência de furos durante o sopro. Neste caso, recomenda-se interromper o sopro e retirar a lança para efetuar a sua troca, de modo a se evitar explosões e projeções. Um dos itens de maior importância do processo de refino do aço no processo de elaboração de aços com convertedores a oxigênio é a determinação adequada da distância do bico de lança a superfície do banho metálico. A vazão e a pressão do O2 no bico da lança devem proporcionar ao jato velocidades supersônicas para que este jato de oxigênio possa penetrar na camada de escória e ao mesmo tempo evitar o entupimento do bico da lança. Para possibilitar a obtenção de velocidades supersônicas1 do jato de oxigênio, as lanças são projetadas de forma a apresentar um perfil convergente-divergente para os canais de escoamento do oxigênio. À medida que o jato se distância do bico da lança, ocorre uma redução da velocidade do mesmo e arraste de gases do ambiente para dentro do jato. Desta forma a velocidade passa a apresentar valores de velocidades sônicas ou subsônicas, conforme apresentado na Figura 3.14a. As dimensões relativas entre as seções de entrada, a garganta e a saída do canal de escoamento do oxigênio além de afetarem a obtenção de velocidades supersônicas, também influenciam a pressão do gás na saída do bocal. Idealmente esta pressão deve ser igual à pressão ambiente para evitar uma contração do jato, no caso de pressão menor do que a do ambiente, ou expansão do jato no caso contrário. Esta expansão ou contração do jato gera ondas de choque que reduzem a energia útil disponível, prejudicando a penetração do jato de oxigênio no banho metálico. Como o volume do convertedor varia em função da vida do refratário, é fundamental para a a prática de sopro, que o desgaste do refratário seja sempre conhecido ao longo de sua campanha, para que a altura de lança não sofra influência deste parâmetro. Considera-se que o 1

O número de Mach (M) é utilizado para definir se o escoamento é supersônico ou não. O número de Mach é definido por: M = Vg/v c , onde v g corresponde à velocidade do gás e v c corresponde à velocidade do som no gás. O termo velocidade supersônica corr de a um número de Mach maior do que 1, ou seja,

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ideal é que seja feita a medição de desgaste do refratário com certa regularidade ou quando ocorrer grandes variações no sopro. Isso garante que a penetração de O 2 não sofra as variações citadas. O jato do gás oxigênio soprado sobre a superfície do banho metálico impulsiona um determinado volume, criando uma impressão ou depressão cujo perfil depende da pressão do impacto do jato, tendendo para uma superfície plana e estável para pequenas pressões. Com o aumento da pressão de impacto, a penetração não é constante, variando devido à instabilidade do movimento. A instabilidade gera uma oscilação axial da cavidade criando ondas superficiais na sua periferia, provocando a ejeção de partículas metálicas para a atmosfera circundante. Essa dispersão escória-metal varia em função também da distância do bico da lança do banho metálico e irá desempenhar papel primordial nas reações de refino. A interação do jato de oxigênio com o banho metálico pode ser definida basicamente por dois parâmetros: a profundidade de penetração (L) e o diâmetro da depressão formada na superfície (D) conforme indicado na Figura 3.14b. O primeiro parâmetro e influenciado, principalmente pela energia contida no jato (pressão, velocidade, etc.) e o segundo pelo seu diâmetro no nível do banho (diâmetro e inclinação dos furos, altura de sopro, etc).

Figura 3.14 - Representação esquemática das regiões do jato de oxigênio (a) e da penetração do jato de O 2 no banho metálico (b). O comprimento do jato supersônico no centro do fluxo varia de 3 a 8 vezes o diâmetro do furo dos bicos da lança (DEO e BOOM, 1993). A variável L 0 corresponde ao nível do banho estático. A relação L/L0 é uma importante variável no contexto do refino LD e nesse fato estão alguns parâmetros que reagem com essa relação:

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- Número de furos da lança. - Ângulo de inclinação dos furos. - Vida do bico da lança. Com o intuito de avaliar a penetração do jato de oxigênio e a depressão por ele formada na superfície do banho, muitos pesquisadores simularam, com modelos em água, o processo de sopro em convertedores LD. Entretanto, devido às condições de altas temperaturas reinantes no processo, bem como outras influências (reações metal-gás-escoria, arraste de CO para o jato e sua reação com o oxigênio, etc.) os resultados obtidos para a penetração real do jato de oxigênio apresentam uma baixa confiabilidade. Uma nova tecnologia que vem sendo empregada por algumas usinas siderúrgicas exigiu uma modificação nos bicos da lança de oxigênio. Trata-se do processo conhecido como jato coerente e consiste basicamente na injeção de um gás combustível (gás natural ou GLP) na periferia do jato de oxigênio de forma a evitar o espalhamento deste último, mantendo um fluxo aproximadamente paralelo (daí o termo jato coerente), preservando a velocidade do jato supersônico, aumentando a penetração deste no banho (Figura 3.14). Em outras palavras, pelo fato do jato de oxigênio expelido pela lança estar protegido pelos gases oriundos da combustão resultado da reação do gás combustível e do oxigênio injetados pelos pequenos furos na periferia do bico da lança, é possível retardar o efeito de turbilhonamento existente no ambiente dos convertedores. Esta tecnologia foi introduzida em primeiro lugar em fornos elétricos a arco e, posteriormente, foi adaptada para os convertedores LD. Tal tecnologia é importante quando existe uma deterioração dos elementos refratários utilizados para efetuar o sopro pelo fundo do convertedor (assunto discutido mais adiante neste texto), principalmente considerando o apreciável aumento da campanha dos convertedores obtido nos últimos anos, além de permitir condições para uma redução do tempo de sopro. Assim, de certa forma segundo alguns pesquisadores, poderia ser dispensado o sopro pelo fundo para promover a homogeneização do banho, devido à maior penetração do jato de oxigênio. Esta tecnologia também pode ser considerada interessante no caso de convertedores com reduzido volume útil, nos quais o sopro se toma mais difícil de ser controlado devido à elevada oxidação do banho metálico. A maior penetração do jato no banho metálico apresenta a vantagem adicional de reduzir a formação da depressão do banho metálico, reduzindo assim a possibilidade de projeções durante o sopro e facilitando a dispersão das bolhas no banho metálico. O bico das lanças de oxigênio foi modificado conforme apresentado na Figura 3.15. Uma comparação entre os formatos do jato supersônico e do jato coerente e variação da velocidade na parte central do jato para uma vazão de 1.133 Nm3 /h e uma pressão de 7,0 kgf/cm2 são apresentados na Figura 3.16.

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Figura 3.15 - Representação esquemática de um exemplo de configuração do bico da lança de oxigênio empregado no processo de jato coerente.

Figura 3.16 - Representação esquemática do formato do jato supersônico e do jato coerente e 3 variação da velocidade na parte central do jato para uma vazão de 1.133 Nm /h e uma pressão de 7,0 kgf/cm2.

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O processo de refino primário utilizando convertedores a oxigênio, como foi mencionado anteriormente, é um desenvolvimento a partir do processo Bessemer, no qual o ar é substituído pelo o uso de oxigênio puro. Três métodos podem ser utilizados para fornecer o gás oxidante Figura 3.17) combinado ou não com a injeção de outros gases, inertes ou não: Injeção do gás por cima - Os elementos presentes na carga metálica do convertedor são oxidados através de reações com o jato de oxigênio da lança e com a escória, formada inicialmente pela oxidação principalmente do silício e do carbono. Portanto, para que o processo de refino seja eficiente deve haver uma agitação do banho suficiente para haver mistura entre o metal e a escória e a homogeneização de composição química e temperatura do banho metálico. Esta agitação é proporcionada pelo impacto do jato de oxigênio na superfície do banho metálico e pelo fluxo de bolhas de CO formadas devido à oxidação do carbono. Como em grandes convertedores estes mecanismos não proporcionam agitação suficiente, as reações de refino são prejudicadas, dificultando a redução dos teores de oxigênio, fósforo, enxofre e tendendo a obter um menor teor de manganês no final do sopro em comparação com os processos de sopro pelo fundo ou combinado. Devido também à elevada variação de temperatura da superfície da escória até o fundo do banho, a escória incorpora um elevado teor de Fe, o qual pode ser mais facilmente volatilizado, reduzindo o rendimento metálico. Considera-se que esta categoria de processo é mais adequada para fornos de pequena capacidade de carga. Processos típicos são o LD1 ou LD-AC (A de Arbed e C de CRM) ou ainda o OLP (Oxygen Lime Powder). Neste último processo injeta-se cal pela lança junto com o oxigênio. Injeção de gás pelo fundo - Utiliza-se um conjunto de tubos concêntricos, no qual o oxigênio é injetado pelo tubo central e um hidrocarboneto (gás natural ou óleo combustível) circula no tubo mais externo. O hidrocarboneto é necessário para refrigerar o conjunto. Isto é possível porque em elevadas temperaturas o hidrocarboneto se decompõe através de uma reação química que absorve calor. Como principais vantagens proporcionadas pelo sopro pelo fundo, podem ser citadas: a rápida formação de escória, o baixo teor de ferro na escória, a maior eficiência de desfosforação e dessulfuração e a obtenção de teores de carbono e de oxigênio próximo ao equilíbrio. Exemplos desta categoria são os processos LD-OBM {Oxygen Botton Blowing Maxhütte) ou LD-Q-BOP na sigla em inglês (Quick Basic Oxigen Process) e LD-LWS (Loire- Wendel-Sprunck), O sopro apenas pelo fundo reduz os inconvenientes citados para o sopro apenas pelo topo, porém, a formação de escória é prejudicada e a taxa de utilização de sucata na carga metálica do convertedor deve ser reduzida. Injeção combinada (sopro combinado) - Neste caso, combinam-se as vantagens proporcionadas pelo sopro pelo fundo com a utilização de uma lança no topo para aumentar a interação entre o metal e a escória. Esta combinação favorece a cinética das reações, tornando o processo mais rápido e eficiente, principalmente no início e no fim do processo de sopro, períodos no qual a formação de bolhas de CO, que contribuem para agitação do banho metálico, é reduzida. Nestes processos normalmente injeta-se o oxigênio por cima com uma lança e o gás inerte (N2 e/ou Argônio), pelo fundo do convertedor, através de ventaneiras ou elementos permeáveis. Também existem projetos onde parte do oxigênio contendo cal em pó é injetado por baixo. Em alguns casos utiliza-se a injeção de CO2 pelo fundo junto com argônio e o nitrogênio. Esta categoria ainda pode ser subdividida em: - Sopro de oxigênio pelo topo somado a agitação com gás inerte (N 2, CO2 ou Argônio) pelo fundo. Esta categoria inclui os sistemas LD-KGC (Kawasaki Gas Control), LDLBE, LD-BC, Hoogovens-BAP, LD-MTBI (Mannesmann Tuyére Bottom Injection) e outros. O sistema LD-KGC, por exemplo, possuí 8 ventaneiras com controle único. O sistema MTBI possui 12 ventaneiras com controle individual de pressão e vazão de 1

Na literatura técnica na língua inglesa muitas vezes é citado o termo BOF, iniciais de Basic Oxygen

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gás. Valores típicos de vazão de oxigênio situam-se na faixa de 2,5 a 3,5 Nm 3 /t.min s de vazão de gás inerte na faixa de 0,005 a 0,1 Nm3 /t.min. O processo LBE foi desenvolvido pelo grupo ARBED e pelo IRSID e já foi implantado em mais de 8C convertedores (atualmente é representado pelo grupo Paul Wurth). - Combinação de sopro de oxigênio pelo topo e fundo, além de injeção dos outros gases inertes pelo fundo para homogeneização do banho e refrigeração das ventaneiras no fundo. Os processos desta categoria são o LD-OB, LD-HC e outros. São adequados para fabricação de aços com baixo teor de carbono. O processo AOD {Argon Oxygen Decarburization) é um processo de sopro combinado empregado para a produção de aços inoxidáveis1 e aços ligas especiais. Neste processo, os gases oxigênio, argônio, e nitrogênio podem ser injetados pelo topo e pelo fundo. Outras empresas também desenvolveram sistemas que se assemelham ao sistema AOD patenteado pela empresa Praxair, como por exemplo, o convertedor MRP (Meta Refining Process) da Mannesmann Demag, K-BOP-S da Kawasaki Steel Corporation. LD-OBM-S da Voest-Alpine e KCB-S da Krupp Stahl, dentre outras opções. As ventaneiras podem ser instaladas lateralmente ou no fundo do convertedor dependendo do fabricante do forno. - Sopro de oxigênio pela lança no topo mais gases inertes pelas ventaneiras (N2, CO2 ou Argônio) combinada com a injeção de hidrocarbonetos (CnHm) pelas ventaneiras para refrigeração das mesmas. Este processo inclui o LD-CB, LD-STB, LD-OTB, BSCBAP e outros. Em síntese pode-se dizer que os sistemas de sopro combinado objetivam principalmente obter uma maior uniformidade de temperatura e composição química do aço, além de possibilitar uma maior interação entre o metal e a escória facilitando as reações que permitem a redução do teor de fósforo, enxofre e oxigênio e um maior teor de manganês no aço, um menor teor de ferro total na escória, um maior rendimento das adições realizadas no convertedor (fundentes e ferrosligas). Também é possível reduzir o teor de carbono no final do sopro para valores mais reduzidos do que os obtidos nos convertedores sem o emprego de sopro combinado e reduzir a intensidade de projeção de metal e de escória durante o sopro. Alguns fabricantes2 de equipamentos consideram que o consumo de fundentes aumenta em 25% e o rendimento de aço cai em 1% se não for utilizado o sistema de sopro combinado. O número e as dimensões de ventaneiras, o sistema de refrigeração das ventaneiras, o tipo e a vazão de gás empregado e as estratégias de controle do conjunto são os aspectos que distinguem cada um dos processos de sopro combinado citados. Uma das principais dificuldades dos processos de sopro combinado é a utilização destes sistemas durante toda a campanha do convertedor, haja vista a maior tendência de desgaste dos componentes refratários e a falhas nos sistemas eletromecânicos de controle destes equipamentos. Para contornar estes problemas, foram desenvolvidos sistemas de troca rápida de ventaneiras individualmente, de troca rápida de toda a sola do convertedor e sistemas que permitem o isolamento ou redução de vazão (apenas para evitar obstrução da mesma) por uma dada ventaneira que apresente deficiência, continuando com o sopro pelas outras ventaneiras. Em usinas onde é dada prioridade à preservação do revestimento refratário (podendo atingir campanhas acima de 20.000 corridas), os processos de sopro combinado são mais A introdução do convertedor AOD na produção de aços inoxidáveis permite reduzir o custo de produção deste material através da rota duplex: neste caso utiliza-se o forno elétrico a arco para fundir a sucata de aço carbono e inox, com a adição de uma quantidade predeterminada de ferro-cromo de alto teor de carbono; a etapa de descarburação é realizada no convertedor, seguida da adição de outros elementos de liga; se o processo fosse totalmente realizado no forno elétrico a arco, seria necessário utilizar o ferro-cromo de baixo teor de carbono que apresenta um custo muito maior. 2 STAUDINGER, G.; MÜLLER, J.; GUZELA, D. e OLIVEIRA, J. Design Aspects of an Ideal oxygen

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empregados em sua plenitude no início da campanha haja vista a citada maior degradação dos mesmos, sendo em alguns casos totalmente isolados na seqüência da campanha.

Processo de sopro

Processo de sopro

Processo de sopro

combinado

combinado

combinado

Lança no topo e ventaneiras de Injeção de oxigênio pela lança material refratário nãono topo e pelas ventaneiras no refrigeradas no fundo para fundo e injeção de gases injeção de gás inerte: inertes para homogeneização p- KG C, LD-MTBI, LD-LBE, LD- do banho e refrigeração das BC, Hoogovens-BAP. ventaneiras no fundo: LD-OB, LD-HC, K-BOP.

Lança no topo e injeção de gases inertes para homogeneização do banho e refrigerada com hidrocarbonetos (CnHm): LD-CB5 LD-OTB, LD-STB, BSC-BAP

Figura 3.17 - Representação esquemática de algumas das opções de processo de injeção de

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Na Figura 3.18 apresenta-se uma representação esquemátíca do sistema MTBI com a distribuição das 12 ventaneiras na soleira do convertedor, o sistema de controle individual de vazão e pressão, permitindo trabalhar-se com valores diferenciados em cada ventaneira ou zerar a vazão de gás em algumas e continuar o funcionamento normal das restantes. Pode-se operar com pressões da ordem de 4,5 a 17 kg/cm 2 com apenas uma linha de vazão. As válvulas PL1 e PL2 são utilizadas para permitir um controle mais preciso tanto nas vazões mais baixas no Início do processo (PL1) como das vazões mais altas com o decorrer do sopro (PL2). A necessidade de variação de vazão pelo sistema de sopro pelo fundo será discutida mais adiante neste texto, A ventaneira utilizada é constituída de um bloco monolítico de material refratário na forma de um troco de pirâmide, o que a princípio aumentaria a resistência ao desgaste da mesma.

Figura 3.18 - Representação esquemática do sistema MTBI com a distribuição das ventaneiras na soleira do convertedor (a), o sistema de controle individual de vazão e pressão (b) uma imagem a partir da boca do convertedor mostrando as ventaneiras na soleira (c) e uma imagem das tubulações de injeção de gás na parte externa (carcaça) da soleira.

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Para um controle mais preciso e rápido do processo de elaboração do aço no convertedor a oxigênio, pode-se utilizar uma lança auxiliar para realização de medições e retirada de amostras do banho metálico, principalmente na etapa final da corrida. Entre as atividades que podem ser realizadas com o emprego desta lança auxiliar denominada sublança podem ser citadas: - medição da temperatura do banho metálico; - determinação da quantidade de oxigênio dissolvido no banho metálico; - determinação do teor de carbono do banho metálico, a partir da temperatura de solidificação do aço (em um diagrama de fases Fe-C-Mn) ou do teor de oxigênio dissolvido; - medição do nível do banho metálico; - retirada de amostras para realização de análises químicas no laboratórios químicos. Um esquema da sublança é apresentado na Figura 3.19. Com as informações obtidas através das atividades citadas acima, é possível, por exemplo, executar as seguintes operações: - corrigir os dados relativos à quantidade de oxigênio necessária para completar o sopro; - efetuar ajustes no tipo e quantidade de adições para resfriar a corrida, se necessário; - atingir a composição objetivada com um menor número de ressopros, reduzindo o desgaste de refratário, o consumo de oxigênio, um maior rendimento das adições, devido a um menor teor de oxigênio dissolvido no banho; - atingir uma maior produtividade devido ao menor tempo de processo. Em termos de equipamento a sublança é constituída por três tubos concêntricos, da mesma forma como na lança de oxigênio. Nos tubos externos circula a água de refrigeração e no tubo central passa um cabo de compensação que transmite um sinal elétrico captado pelos sensores instalados na ponta da sublança para conversores de tensão elétrica e a partir destes para computadores de processo. Os sensores podem ser protegidos por um fluxo de gás nitrogênio para evitar sua exposição a uma atmosfera oxidante. Os sensores devem estar isentos de umidade para evitar um desprendimento de gases quando penetrarem no metal líquido, aumentando as vibrações e a possibilidade de haver mau contato, introduzindo erros nas medições. Podem ser utilizados vários tipos de sensores como, por exemplo: - Combinado: permitem medir a temperatura do metal líquido e realizam simultaneamente a determinação do teor de carbono através da temperatura de solidificação de uma amostra colhida, através do emprego de um diagrama de fases Fe-C-Mn. - Temperatura: medem a temperatura do metal líquido. - Oxigênio: utilizado para medir a temperatura do metal líquido e o teor de oxigênio dissolvido no metal líquido e ainda coletar uma amostra do metal líquido. - Temperatura e Amostra: utilizado para medir a temperatura e coletar uma amostra do metal líquido. - Nível: para medir o valor da altura do nível do banho ou determinar a altura de um ponto da sola do convertedor. A escolha do tipo de sensor depende da etapa do processo de sopro ou da necessidade de monitoramento de variáveis relativas ao processo ou equipamento. Normalmente são realizadas uma ou duas medições intermediárias de temperatura e teor de carbono do banho (também podem ser retiradas amostras para análise química) e uma medição de fim de sopro (de temperatura e de teor de oxigênio) com retirada de amostra para determinação da composição química do aço. Se for necessário o ressopro novas medições e coletas podem ser necessárias. Outros recursos para medição de variáveis do processo de elaboração do aço no convertedor a oxigênio podem ser utilizados, como por exemplo, medidores audiométricos (sensor sonoro) para análise da condição da escória. Este instrumento se baseia na variação do nível de frequência do ruído do convertedor pelo envolvimento da lança pela emulsão metal-gás-escória, permitindo ajustar automaticamente diversos parâmetros de processo, tais como: altura de lança, vazões de oxigênio e gás inerte, dentre outros. Normalmente uma baixa intensidade relativa do som indica que existe uma tendência de projeção durante a etapa de sopro.

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4 - CICLO DE OPERAÇÕES NO REFINO ETAPAS DO PROCESSO O número de etapas do ciclo de operações para elaboração do aço no convertedor a oxigênio depende do estágio de desenvolvimento tecnológico do convertedor, dos equipamentos adicionais para a etapa de refino secundário e da prática operacional adotada na aciaria. Esta prática pode visar a preservação do revestimento refratário ou acelerar a elaboração do aço. O tempo necessário para cada etapa varia de empresa para empresa, conforme a capacidade dos equipamentos auxiliares, a capacidade de produção do convertedor e a intensidade de geração de poluição e absorção das mesmas pelos equipamentos adequados de controle. Se a empresa operar com a adição de sucata, utilizar sublança para medição de temperatura e coleta de amostras e realizar a prática de slag splashing, as etapas do processo e seus respectivos tempos típicos para um convertedor de 315 t de capacidade são listados a seguir e ilustrada na Figura 4.1: a) Forragem do convertedor (opcional) b) Carregamento da carga metálica sólida e ligeiros basculamentos para secar a carga (3 minutos). c) Carregamento do ferro-gusa líquido (2 minutos). d) Sopro de oxigênio (17 minutos). e) Introdução da sublança para medição de temperatura, de composição química do aço, espera e ressopro (7 minutos). f) Vazamento do aço líquido, adição de ferros-ligas, desoxidantes e recarburantes (6 minutos). g) Realização de slag coating ou slag splashing (3 minutos) h) Vazamento da escória remanescente (3 minutos). Neste caso a duração do ciclo de operações (tempo tap-to-tap ou vazamento a vazamento) seria de 41 minutos. Considerando convertedores de diferentes capacidades de carga, adição ou não de sucata, utilização ou não de sublança, a variação do tempo de vazamento em função do desgaste do furo de corrida, a eficiência dos sistemas de captação de fumos gerados no processo, as práticas adotadas para manutenção do revestimento refratário, o índice de ressopros necessários em função da confiabilidade dos sistemas de controle de sopro, o tempo de ciclo de um convertedor varia na faixa de 35 a 50 minutos. O índice de eficiência de uma aciaria a oxigênio, ou seja, considerando o tempo de calendário menos as perdas de tempo devido às paradas programadas (falta de carga metálica, manutenção preventiva e corretiva), paradas acidentais, perdas de desempenho (redução de velocidade de lingotamento) e perdas por sucateamento, gira em torno de 75 a 85%. Este índice é afetado por uma série de fatores, dentre os quais podem ser destacados: leiaute da aciaria, tipo de equipamentos de manuseio de matérias-primas e do produto final, qualidade dos refratários e técnicas de revestimento e reparo e mix de aços produzidos na aciaria.

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Figura 4.1 - Representação do ciclo de operações no refino empregando-se o convertedor a oxigênio em uma aciaría que disponha de sublança e pratique a lavagem ou cobertura cora escória do revestimento refratário (slag splashing).

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CARREGAMENTO DA CARGA METÁLICA SÓLIDA A sucata é adicionada por meio de canaletas com o convertedor a oxigênio basculado para a posição de carregamento (posição inclinada de cerca de 60° com relação à direção vertical). Após o carregamento (Figura 4.2), retorna-se o convertedor para a posição vertical e oscila-se o mesmo em torno desta, para acomodar a carga e secá-ia. A secagem de sucata é importante para evitar explosões no momento do carregamento do ferro-gusa líquido. As dimensões das canaleta de sucata devem ser adequadas ao tipo de carga metálica sólida utilizada na aciaria da usina siderúrgica de forma que sejam evitados mais de um carregamento para não provocar atrasos no processo. A forragem do convertedor com fundentes é efetuada para proteger o revestimento refratário no caso de carregamento de sucata pesada e pontiaguda.

FIGURA 4.2

- Imagens da etapa de carregamento de sucata no convertedor empregando-se canaletas (crédito das imagens: a,b- Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST).

CARREGAMENTO DO FERRO-GUSA LÍQUIDO O ferro-gusa líquido é encaminhado para a aciaria normalmente através de carrostorpedo. O ferro-gusa pode já ter passado por uma etapa de pré-tratamento (dessulfuração, desfosforação ou dessiliciação) em uma outra unidade da usina siderúrgica ou pode ser transferido para a panela de ferro-gusa para sofrer um ou mais dos pré-tratamentos citados na aciaria. Em qualquer um dos casos, é necessária a realização da pesagem da quantidade estipulada para uma dada corrida. A quantidade de ferro-gusa líquido a ser pesada a partir de um ou mais carros-torpedo depende da proporção de sucata a ser utilizada em uma determinada corrida. Na pesagem do ferro-gusa utiliza-se normalmente, um poço no qual é posicionada a panela de ferro-gusa líquido sobre um carro de transferência acoplado a uma balança. Na operação de pesagem de ferro-gusa líquido podem ser efetuadas algumas das

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(3) - posicionamento do carro de transferência ou carro balança (posição de basculamento de carros-torpedo); (4) - pesagem do ferro-gusa (basculamento do carro-torpedo); (5) - movimentação do carro de transferência até a posição de amostragem; (6) - amostragem do ferro-gusa líquido ou tratamento de dessulfuração em panelas (Processo KR, por exemplo); (7) - liberação da panela de ferro-gusa para limpeza de escória remanescente. Para a realização da limpeza do carro torpedo, realiza-se o basculamento do mesmo e, se for necessário, utilizam-se máquinas para a quebra de cascões, sistemas de aspersão de água (ao hidratar a cal provoca a sua expansão e queda do cascão), fluidificantes da escória (fluorita, por exemplo). O material gerado devido a limpeza é reciclado na própria usina siderúrgica. Antes do ferro-gusa líquido ser adicionada no convertedor, deve ser realizada a remoção da escória utilizando o equipamento denominado skimmer ou escumador. Trata-se de um raspador mecânico. Um dos objetivos desta limpeza é a remoção da escoria com alto teor de enxofre (dessulfuração em carro-torpedo ou em panela de ferro-gusa) para evitar reversão (aumento do teor deste elemento) no convertedor. Esta operação é efetuada de acordo com as seguintes etapas: (1) - posicionamento da panela de ferro-gusa e basculamento até a posição de limpeza de escória; (2) - limpeza da escória através de skimmer ou escumador; (3) - medição de temperatura (antes do carregamento); (4) - reamostragem do ferro-gusa líquido, se necessário; Quando o ferro-gusa líquido é carregado no convertedor normalmente sua temperatura está em uma faixa de 1.300 a 1.400°C. Normalmente se a temperatura estiver abaixo de 1270°C e for utilizada uma taxa de sucata maior do que 15%, podem ocorrer problemas de balanço térmico no convertedor, além de prejudicar a formação de escória. Uma temperatura acima de 1400ºC com utilização de taxa de sucata menor que 15% gera um balanço térmico muito positivo, aumentando o consumo de refrigerantes. O ferro-gusa líquido é carregado no convertedor utilizando-se panelas de formato especial, denominadas de panelas pelicano, em função de seu longo bico para evitar derramamento de material líquido fora do convertedor. Tanto a etapa de carregamento de sucata como a de ferrogusa líquido pode ser interrompida se estiver sendo gerado uma intensidade de poluição particulados acima da capacidade de absorção do sistema captação da aciaria. Isto pode acontecer devido à utilização de sucata mal selecionada, sucata úmida ou convertedor com água em seu interior, dentre outros motivos. Não é recomendado realizar o carregamento do ferro-gusa líquido com restos de escória da corrida anterior, pois existe risco de geração de reações explosivas.

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Figura 4.3 - Etapa de vazamento do ferro-gusa líquido do carro-torpedo para a panela que será utilizada para a pesagem e adição no convertedor a oxigênio ou realização de dessulfuração na panela, no caso de emprego deste processo. Panela de ferro-gusa do tipo pelicano (d).

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Figura 4.5 - Exemplos da etapa de carregamento do ferro-gusa líquido no convertedor. Algumas usinas siderúrgicas ainda utilizam misturadores de ferro-gusa líquido antes do seu carregamento nas panelas de ferro-gusa. Nestas empresas, o ferro-gusa líquido é transportado para a aciaria em panelas. O misturador é um vaso revestido de refratário (silicoaluminosos), normalmente com grande capacidade para armazenamento de gusa líquido. Atualmente está em desuso em função da substituição dos pequenos altos-fornos por alto-fornos de maior capacidade e conseqüentemente a utilização de carros-torpedos. Observa-se ainda que o transporte utilizando-se panelas provoca uma maior perda de temperatura do que o transporte com carros torpedo. Uma das principais funções dos misturadores é homogeneizar o ferro-gusa líquido proveniente de diferentes altos-fornos. Uma outra grande vantagem do misturador é a obtenção de um pulmão entre o alto-forno e a aciaria, possibilitando com isso maiores flexibilidades de paradas da aciaria sem interferência na marcha do alto-forno. O custo de manutenção dos misturadores é relativamente baixo. A combustão é mantida com gás de afto forno e esporadicamente utiliza-se óleo combustível. O revestimento dura em torno de 3 anos, A temperatura de trabalho é de 1.250°C a 1.300°C.

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O SOPRO DE OXIGÊNIO O objetivo da etapa de sopro de oxigênio é a transformação do ferro-gusa em aço, ou seja, o refino do aço. Esta é a fase mais complexa na elaboração dos aços, devido às inúmeras variáveis que interferem no processo. Na Figura 4.6 apresenta-se uma representação esquemática de um convertedor em uma etapa intermediária do processo de refino. Pode-se vizualizar nesta figura as diversas regiões do convertedor. As principais reações químicas que ocorrem neste reator metalúrgico serão objeto de análises e discussões nas próximas seções deste texto. Para dar início ao processo de refino, a lança de oxigênio é abaixada e o sopro de oxigênio é iniciado. Após alguns segundos, é produzida uma chama que caracteriza o início das reações químicas, ou seja, a ignição. A duração do sopro depende de uma série de fatores, entre os quais podem ser destacados: - vazão de oxigênio pela lança, - projeto do bico da lança (afeta a velocidade e distribuição do jato de oxigênio), - relação entre a quantidade de ferro-gusa e de sucata carregada no forno, - composição química da carga, - composição e temperatura almejada para vazamento do aço, - métodos para realização de amostragem de temperatura e composição do aço (sublança, amostradores manuais, etc), - ocorrência de projeções ou emissões ambientais durante o sopro, - a utilização de sistemas computacionais confiáveis para previsão de evolução de composição química do banho metálico durante o sopro, - a utilização de dispositivos para realização de sopro combinado no convertedor. A chama, inicialmente curta, vai-se alongando e torna-se brilhante depois dos primeiros cinco segundos de operação, continuando assim até quase o último minuto, quando então diminui de comprimento e de intensidade entrando no convertedor pela baixa ou nenhuma formação de

CO + CO2. Na zona de impacto do jato de oxigênio, a reação com o metal líquido é imediata e vigorosa, com temperaturas locais de 2.500 a 3.000°C. Devido às diferenças de temperatura, de concentração de elementos químicos e de massa específica, ocorre uma forte movimentação do banho. Como a eficiência térmica do processo é excelente, pois não há o peso morto do nitrogênio no gás soprado como acontecia nos processos (Siemens Martin e Bessemer), pode-se usar qualquer tipo de ferro-gusa, desde que acompanhado com as devidas adições para compensar a deficiência de alguns elementos químicos (Si por exemplo). No início do sopro as reações se processam principalmente no ponto de fogo. Com a formação de um volume suficiente de escória, estabelece-se a emulsão1 metal-escória e as reações de oxidação de partículas metálicas nela contidas ganham importância. Na medida em que o teor de silício do metal decresce, a velocidade de descarburação aumenta e a geração de gases no interior da escória acarreta o aparecimento da emulsão metal-gás-escória. O volume ocupado pela escória cresce continuamente com o aumento da geração de gases e sua altura ultrapassa o nível do bico da lança, que fica imersa na emulsão a partir de 25% do sopro.

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Um sistema constituído de pequenas gotas de um líquido ou bolhas de gás em suspensão em um outro líquido pode ser considerado uma emulsão quando a distância entre gotícuias ou bolhas vizinhas for grande o suficiente para permitir o seu movimento independente. Quando o volume de líquido em um sistema líquido-gás é pequeno comparado ao das bolhas de gás, estas estarão separadas por finas películas do líquido e não poderão se movimentar independentemente, formando uma

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Figura 4.6 - Representação esquemática de um convertedor a oxigênio ern uma etapa intermediária do processo de refino com destaque para as diversas regiões do convertedor e para algumas das principais reações químicas inerentes a este processo. As adições de cal e/ou outros fundentes podem ser realizadas totalmente no início do sopro, ou em parcelas no transcorrer desta etapa. A altura da lança e a vazão de oxigênio podem permanecer constantes ou sofrerem modificações durante o sopro, de acordo com o padrão de sopro previamente definido. Tanto a prática de adição quanto o manuseio da lança são funções das condições específicas de cada aciaria e definem a sua prática operacional.

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As adições de minério de ferro, calcário (doiomita crua), sínter ou carepa para resfriamento do banho são realizadas na etapa final do sopro. Nas equações representando reações químicas apresentadas neste texto, os seguintes símbolos são usualmente empregados: < > - sólido, ( )g - gás, { } - líquido, ( ) - escória, [ ] soluto na fase metálica. Outros autores preferem utilizar outra simbologia: soluto na fase metálica e sem símbolo para gás. Assim, a reação apresentada a seguir: (FeO) + [C] <-> CO + [Fe]

ou

(FeO) + C <-> CO + Fe

pode ser interpretada como: monóxido de ferro dissolvido na escória reage com carbono dissolvido no banho metálico para formar monóxido de carbono, que é liberado para a atmosfera na forma de gás, e ferro dissolvido no banho metálico. Quando a reação for reversível, isto é, pode ocorrer nos dois sentidos invertendo os produtos e reagentes, pode-se empregar os símbolos: «-> ou <—> . Um dos aspectos mais importantes nas reações de refino para a fabricação de aço pelo processo LD é a oxidação dos elementos carbono, manganês, silício, fósforo e outros elementos porventura contidos no ferro-gusa líquido. O filme de óxidos (escória) que se forma, possui importante papel no processo. Porém, os óxidos SiO2 e P2O5 tornam a escória ácida, o que provocaria um excessivo desgaste do revestimento refratário básico do forno (MgO). A adição de CaO e de MgO corrigem a basicidade da escória, protegendo assim o revestimento refratário. Estas adições também fixam o oxido de fósforo formado (P2O5) evitando a reversão deste elemento para o banho metálico no período final de sopro, além de contribuir parcialmente para a dessulfuração do banho. As adições de CaO e MgO à escória também afetam a temperatura de fusão e a reatividade da escória, acelerando as reações de refino e controlando a fluidez da escória no final do sopro para reduzir o desgaste do revestimento refratário. Outros elementos contidos na carga de sucata, como os elementos de liga Cr, V, Ti, Pb, Sn, etc , serão ou não oxidados e escorificados dependendo de sua afinidade pelo oxigênio. A princípio, os elementos químicos podem ser agrupados em 4 grupos, conforme o comportamento dos mesmos durante as reações de refino no convertedor: a) Elementos que são incorporados à escória: Ca, Mg, Si, Al, Zr, Ti e B. b) Elementos que se dividem entre o aço e a escória: C, Mn, P, S, Cr, Nb e V. c) Elementos que são incorporados pelo aço: Cu, Ni, Sn, Sb, Mo, Co, As e W. d) Elementos que se vaporizam e deixam o forno na forma de gases: Zn, Cd e Pb. O comportamento do elemento químico carbono é de extrema importância e por este motivo será discutido em separado. Como princípio básico para a compreensão das reações químicas em um determinado processo, considera-se que entre várias reações possíveis, ocorrerá aquela que apresentar a menor energia livre para uma dada temperatura. Na Figura 4.7 apresenta-se um diagrama de Ellingham com dados aproximados da energia livre de formação de alguns óxidos em função da temperatura na faixa de temperatura de interesse para o refino dos aços. Quanto menor a energia livre, maior é a possibilidade de uma dada reação ocorrer, considerando-se também a concentração do elemento químico. A combinação dos elementos químicos preferencialmente com o oxigênio, ao invés de formação de sulfetos ou nitretos, também pode ser explicada através da menor energia livre necessária para as reações de oxidação na faixa de temperatura em que normalmente ocorre a elaboração do aço. Alguns dados ilustrativos deste fenômeno são apresentados na Tabela 4.1.

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Tabela 4.1 - Energia livre de formação de óxidos, sulfetos e nitretos de alguns elementos químicos a 1.540°C. 100 BTU/lb Mole de O2 ou S2 ou N2 (PETERS, 1982).

O oxigênio necessário às reações de refino é fornecido ao metal em maior parte na forma gasosa pela lança. Entretanto, as adições de minérios e carepa contribuem com uma pequena 'parcela de oxigênio, devido à presença de óxidos ou de umidade. As reações não ocorrem apenas entre o oxigênio gasoso e o metal liquido. Como pode ser observado na Figura 4.1, a escória desempenha um papel importantíssimo no fornecimento de oxigênio ao banho, especialmente na etapa intermediária do sopro, quando é formada a emulsão metal-gás-escória. A distribuição do oxigênio, entre escória e metal não é, entretanto, facilmente determinada, uma vez que é função de uma série de variáveis, como vazão de oxigênio, distância banho-lança e relação profundidade-diâmetro do banho.

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Figura 4.7 - Exemplo de um Diagrama de Ellinghan com dados aproximados da energia livre de formação de alguns óxidos em função da temperatura na faixa de temperatura de interesse para o refino dos aços. Para uma simples interpretação deste diagrama considere que quanto menor for a energia livre (posição mais inferior no eixo vertical esquerdo) de uma dada reação a uma dada temperatura, maior a probabilidade de esta reação ocorrer em relação às outras reações.

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A evolução da composição química do metal e da escória e da temperatura do banho 1 metálico durante o sopro, é mostrada na Figura 4.8. Nesta figura observa-se a existência de três períodos distintos de acordo com a variação da velocidade das reações de descarburação: - Primeiro período de sopro ou fase 1. - Segundo período de sopro ou fase 2. - Terceiro período de sopro ou fase 3.

Para efeito de interpretação do eixo das ordenadas acima, considere que 100% de um dado elemento químico correspondem aos seguintes valores: 1,2%Si; 0,15%P; 0,2%S; 1,4%Mn.

Figura 4.8 - (a) Representação esquemática da variação da temperatura e do teor de alguns elementos de liga no banho metálico, (b) Perfil típico da evolução do teor de carbono e da velocidade de descarburação durante o sopro de O2 no refino no convertedor a oxigênio.

Alguns autores preferem considerar um quarto período para a região onde a curva da velocidade de descarburação torna-se assintótica.

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Um dos parâmetros mais importantes para o controle do processo de elaboração dos aços nos convertedores é o padrão de sopro. Um determinado padrão de sopro envolve o controle das seguintes variáveis ao longo do sopro de uma determinada corrida: - variação da vazão de oxigênio pela lança - controle da distância desta lança em relação ao banho metálico - variação da vazão de gás e do tipo de gás injetado pelas ventaneiras no fundo do convertedor.

Algumas aciarias utilizam uma altura de lança e vazão de oxigênio constante durante o sopro. Porém, a maioria adota valores variáveis para este parâmetro, de acordo com as etapas do sopro e o tipo de aço. A distância entre o bico da lança e o banho metálico varia entre 1.200 mm a 3.000 mm. Essa variável é de fundamental importância e controle, uma vez que, determina o tamanho da superfície metálica sobre o qual o jato de oxigênio incidirá diretamente assim como a força que será exercida, a qual será responsável por um maior ou menor movimento circulatório do banho. As partículas metálicas produzidas devido à ação do jato de oxigênio são altamente oxidadas e as reações químicas entre o ferro e suas impurezas e o oxigênio na zona de impacto (ponto de fogo) tornam a cavidade brilhante em relação ao banho. Na Figura 4.9 apresenta-se um exemplo de um padrão de sopro. Normalmente de 3 a 6 padrões de sopro são utilizados em uma aciaria em função do tipo de aço a ser utilizado ou das condições operacionais prevalecentes (intensidade de projeções, carga de sucata, campanha do revestimento refratário, etc). Por exemplo, a operação pode ser iniciada com um sopro macio (pequena penetração), de maneira a possibilitar uma formação rápida de uma escória reativa. Na segunda etapa, utilizase um sopro duro (maior penetração), visando acelerar a reação de descarburação. No final do sopro, a altura da lança dependerá do tipo de aço a ser produzido. A variação de vazão de gás inerte pelo fundo do convertedor será apresentada mais adiante neste texto.

Figura 4.9 - Representação esquemática de um padrão de sopro para um convertedor a oxigênio. Es:e gráfico também pode ser traçado utilizado como abscissa a variação da quantidade de oxigênio injetado (Nm3) no convertedor. Também pode incluir a variação da quantidade de gás inerte injetado no convertedor no caso de utilização de sopro combinado.

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O aumento da profundidade de penetração do jato de oxigênio, através da redução da distância entre lança de oxigênio e o banho metálico, aumenta o número de partículas do líquido ejetadas para a atmosfera circundante, aumentando a quantidade de metal presente na emulsão. acelerando a reação de oxidação do Si e Mn, com a conseqüente diminuição do teor de Fe na escória. Se a lança continuar próxima ao banho, a reação de descarburação no segundo período também é acelerada. No caso de um sopro normal na segunda etapa de descarburação, a escória inicial atinge rapidamente um nível de fluidez e oxidação suficientes ao desenvolvimento da reação de oxidação pelo FeO da escória e estabilização da emulsão pela diminuição da tensão interfacial. Nesta segunda etapa atinge-se um regime estacionário, ou seja, velocidade constante de descarburação (Figura 4.8), em que a ejeção de gotículas de metal para a emulsão é equivalente ao retorno de metal para o banho, e a velocidade de fornecimento de oxigênio é contrabalançada pela velocidade da reação de descarburação global (ponto de fogo + emulsão). Com um sopro macio (maior distância entre a ponta da lança de oxigênio e a superfície do banho), a escória será mais oxidada, acentuando as reações na emulsão. A maior estabilização da emulsão, devido à diminuição da tensão interfacial pelo transporte de massa metal-escória aumentará o tempo de residência das partículas metálicas. Assim, apesar da ejeção de metal ser menor, a sua proporção na emulsão pode atingir valores superiores a 70%. A geração de grande volume de gases no interior da escória faz com que o volume por ela ocupado cresça, e a sua altura atingirá níveis mais elevados que no caso anterior, aumentando a possibilidade de transbordamentos e projeções de escória. Um sopro duro (menor distância entre a ponta da lança de oxigênio e a superfície do banho) acarreta a formação de uma escória inicial menos oxidada e uma maior ejeção de partículas metálicas. As reações no interior da emulsão serão, assim, prejudicadas devido a uma insuficiência de oxigênio. Também a sua estabilização é prejudicada, e o tempo de residência das partículas tende a diminuir. A reação de descarburação no ponto de fogo será acentuada, e o volume ocupado pela escória será menor, devido a menor geração de gases no interior. Um modelo desenvolvido pelo corpo técnico da Nippon Steel Corporation (NSC) para determinar a profundidade de penetração (L) do jato de oxigênio utiliza a seguinte equação (Figura 3.14):

3 Q = vazão de oxigênio (Nm /).

L0 = nível do banho estático. A variável d t corresponde ao diâmetro do bocal, devendo-se ser substituído por um diâmetro equivalente no caso de uma lança multifuros, em função do diâmetro da garganta, do número de furos da lança e do ângulo de inclinação do furo. O processo de sopro, em função da relação apresentada anteriormente, pode assumir as seguintes características:

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Sopro macio - para L/L0 na faixa de 0,6 a 0,7. Sopro duro - para L/L0 > na faixa de 0,9 a 1,1.

Um aspecto importante relacionado ao padrão de sopro é a avaliação do desgaste do revestimento refratário ao longo da campanha. Isto se faz necessário para que se possa realizar as correções da sola ou forragem de forma a manter sempre igual a distância entre o fundo do convertedor e a lança, ou pelo menos realizar as devidas correções nos limites ou referenciais previamente estabelecidos. As medições de sola e nível de banho, feitas durante a campanha do revestimento refratário (a cada 20 corridas, por exemplo), pode ser feita após o carregamento de ferro-gusa líquido e utilização de sublança ou através do emprego de vergalhões após o fim de scpro. Em relação à variação da vazão de gás injetado pelas ventaneiras no fundo do convertedor, a vazão é mantida em um patamar mínimo (por exemplo, de 240 Nm 3 /h) para evitar a entrada de metal líquido na ventaneira na etapa de carregamento e até cerca de 75% do tempo previsto para o sopro de oxigênio, quando a velocidade de reação de descarburação é reduzida, diminuindo a geração de bolhas de CO que atuariam na agitação e homogeneização do banho metálico e a sua interação com a escória. Para evitar prejuízos para o processo aumenta-se a partir deste momento aproximadamente 75% do tempo de sopro) a vazão de gás (nitrogênio ou argônio) que atinge valores elevados (por exemplo, de 900 Nm 3 /h), promovendo a desejada agitação do banho. Com a descida da sublança para medição de temperatura e/ou coleta de amostras, a vazão de gás (nitrogênio ou argônio) é reduzida para 360 Nm 3 /h para evitar que a agitação do banho projete metal líquido sobre a sublança, podendo perfurá-la. A vazão de gás é novamente elevada para 900 Nm3 /h para promover homogeneização de temperatura e composição do banho metálico. Na etapa de espera dos resultados da sublança a vazão de gás é mantida no patamar mínimo de 240 Nm3 /h para reduzir a perda de temperatura inerente à agitação de um banho metálico. O ressopro será mais eficiente se o banho for novamente homogeneizado. Para evitar a projeção de metal e o entupimento das ventaneiras, a vazão de gás é mantida no patamar mínimo de 240 Nm3 /h na etapa de vazamento do aço líquido. Para a etapa inicial de carregamento do convertedor e a final de banho de escória das paredes refratárias do convertedor (slag splashing) não é necessário o emprego de argônio por ser mais caro do que o nitrogênio. Entretanto, nesta etapa slag splashing a vazão é mantida em patamares mais altos do que na etapa de carregamento para evitar a penetração de escória na ventaneira. No decorrer do processo de sopro, o tipo de gás a ser soprado pelo sistema MTBI depende da limitação do teor de nitrogênio do aço aceito pelo cliente. Na Tabela 4.2 e na Figura 4.10 apresenta-se um exemplo de padrão de seleção entre o Ar e o N. Observa-se que o teor de oxigênio do banho se eleva inicialmente, devido às condições altamente oxidantes propiciada pelo impacto do jato de oxigênio sobre o banho, atingindo valores superiores ao de saturação. Durante a segunda etapa do sopro, ele é reduzido pela intensa reação de descarburação, aumentando rapidamente no final do sopro, gerando nítida relação com o teor de carbono no final do sopro. A Figura 4.11 apresenta uma representação esquemática da variação do teor de oxigênio, do teor de carbono e da velocidade de descarburação. A variação do teor de N2 no metal é o resultado das reações de redução do teor de nitrogênio do banho pela ação da reação de descarburação e oxidação de nitretos (no primeiro período) e de nitrogenação, devido ao teor de N 2 do oxigênio. O balanço destas reações acarreta normalmente uma diminuição do teor de N 2 no inicio e final de sopro, porém, se o teor ce C final for muito baixo, o teor de nitrogênio no aço pode se tornar bastante elevado.

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A temperatura do banho se eleva quase uniformemente durante todo sopro (Figura 4.8). Entretanto, deve-se notar que, mesmo com condições operacionais normais, o seu valor nas etapas iniciais apresentará uma dispersão bastante acentuada, devido às naturais oscilações de temperatura e composição do ferro-gusa e da cinética de dissolução da sucata. Na parte final do sopro esta dispersão diminui acentuadamente em função das adições e das medidas tomadas para controle da temperatura. A oxidação do silício, a descarburação e a oxidação do ferro são reações altamente exotérmicas, isto é, à medida que ocorrem, a temperatura do banho metálico é elevada. Para que a temperatura do banho ao final do sopro não ultrapasse os limites previstos no cálculo de sopro. faz-se necessário a adição de minério de ferro ou sínter durante o sopro (materiais refrigerantes). As informações sobre a evolução da temperatura da escória durante o sopro são muito escassas. Sabe-se que nos primeiros minutos de sopro ela atinge valores de 300°C acima da temperatura do banho. Com a dissolução dos fundentes e com a elevação da temperatura do banho a temperatura da escória é da ordem de 50°C acima da temperatura do banho. Na fabricação de aços costuma-se dizer que um bom metalurgista ou "aciarista" é um bom formador de escória ou ainda a frase: "tome cuidado com a escória e ela tomará conta do metal por si mesma" ou "debaixo de uma boa escória normalmente tem-se um bom aço". Assim é de fundamental importância, embora de forma superficial, discutir como a escória é formada, sua constituição e os parâmetros que podem ser controladas para alterar sua composição, estrutura e propriedades. Considerando o processo de elaboração do aço no convertedor a oxigênio a escória pode ser definida como um banho líquido homogêneo constituído de um ou mais compostos químicos de vários óxidos, que se separa da fase metálica por ser insolúvel e de menor densidade. Esta escória poderá desempenhar uma ou mais das seguintes funções: - absorver e incorporar os elementos indesejáveis do banho metálico.

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- agir como um reservatório de substâncias oxidantes; - permitir a variação da atividade (reatividade) do oxidante; - agir como um isolante físico dificultando a transferência para o metal de gases da atmosfera para o banho metálico (principalmente na panela de aço), - reduzir a projeção de metal durante o período de sopro. - atuar na proteção do revestimento refratário do convertedor (depois de concluído o sopro), Um perfil típico da evolução da composição da escória no convertedor a oxigênio é apresentado na Figura 4.12. Um dos principais objetivos do processo de refino LD é a formação rápida de uma escória reativa e rica em CaO, de maneira a evitar o ataque excessivo do revestimento refratário e acelerar as reações de desfosforação e dessulfuração, sendo esta última difícil de ser realizada em função da atmosfera oxidante no interior do convertedor durante o processo de sopro.

Figura 4.11 - Representação esquemática da variação do teor de oxigênio, do teor de carbono e da velocidade de descarburação nas diversas etapas de descarburação, indicadas por números DEO e BOOM, 1993).

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Dentre as variáveis de controle do processo nos convertedores, uma que é motivo de constante preocupação está relacionada com a projeção de escória, devido principalmente às conseqüências deste fenômeno, que podem gerar perda de produtividade para limpeza da escória sob o convertedor, perda de rendimento metálico, perda de rendimento de fundentes, além de aumentar o risco de acidentes e de uma maior geração de poluição. A formação e o controle da emulsão metal-gás-escória reveste-se de especial importância devido à sua relação com o índice de projeções e com o controle da operação de sopragem. O jato de oxigênio fornece a energia mecânica necessária à emulsificação. A criação das bolhas de gás ou gotículas de líquido exige o fornecimento de uma grande quantidade de energia, proporcional à área das novas superfícies formadas, sendo também afetada pela tensão superficial (y). Segundo alguns autores, o desprendimento de bolhas de CO relacionado com as reações de refino também fornece parte da energia necessária para a emulsificação. A emulsão apresenta, entretanto, uma grande tendência de retorno ao estado de menor energia, pelo desprendimento das bolhas de gás para a atmosfera, decantação das gotículas de metal e coalescência de gotículas e bolhas. Este processo de destruição da emulsão pode ser impedido ou dificultado pelo aumento da viscosidade da escória e pela redução das tensões superficiais escória-gás e escória-metal. A viscosidade das escórias homogêneas típicas do convertedor a oxigênio é muito baixa para retardar, de maneira sensível, a destruição da emulsão. Entretanto, a presença de sólidos em suspensão pode, se em quantidade suficiente, elevar a viscosidade aparente para dificultar o retorno das gotículas metálicas ao banho e o desprendimento das bolhas para a atmosfera. A redução da tensão superficial nas interfaces escória-gás e escória-metal ocorre devido aos fenômenos de adsorção e transferência de massa através destas interfaces. Quando um soluto adsorvido na superfície de uma solução binária (por exemplo, óxidos) provocar uma grande redução de tensão superficial em relação à atividade do soluto, este soluto é denominado tensoativo em relação ao solvente. O SiO 2 é um agente tenso-ativo em relação ao FeO, MnO e CaO, sendo, portanto adsorvida na superfície escória-gás. Dos óxidos presentes nas escórias típicas do convertedor a oxigênio, o mais tenso-ativo em relação ao FeO é o P 2O5. No caso do metal ferro, os elementos mais tenso-ativos são o enxofre e o oxigênio. Desta forma, a emulsão metal-gás-escória será estabilizada principalmente pelo transporte de matéria através das interfaces pelo fenômeno de adsorsão e pela elevada viscosidade aparente da escória devido à presença de partículas não dissolvidas de cal. Com a precipitação de silicatos para a escória, principalmente o silicato dicálcio, ocorre a maior estabilização das bolhas gasosas na emulsão, provocando o aumento no volume dessa escória e possíveis transbordamentos. Nesta situação, uma maior atenção é importante para que não ocorram maiores transtornos no processo. Uma boa saída é diminuir a velocidade de descarburação pela redução da vazão de oxigênio até que o problema esteja contornado. Não se forma no início do sopro uma escória espumosa porque o oxigênio é consumido principalmente pelas reações de oxidação do ferro, silício, manganês e fósforo. Porém, após a formação da escória, as reações de oxidação se processam por intermédio do FeO da escória e do FeO formado na superfície das partículas ejetadas do banho para a escória pela ação do jato de oxigênio. Observa-se que na medida em que as reações direta e indireta com o FeO se equilibram, a interface da emulsão metal-escória se estabiliza. Com o aumento da intensidade da reação de descarburação ocorre também o aumento do fornecimento de gás para o seio da emulsão, provocando o espumamento da escória. No final do sopro, com a descarburação em decréscimo, a diminuição da evolução de CO provoca a gradual destruição da emulsão e, após o sopro, as partículas metálicas da escória, em parte, coalescem e retornam para o banho.

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TESTES DE TEMPERATURA, DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA, ESPERA E RESSOPRO1 Depois de concluída a etapa de sopro, são realizados os testes de temperatura, de composição química do aço, espera e, se necessário, o ressopro com oxigênio.

A) Controle dos Níveis de Oxidação O grau de oxidação do aço líquido e da escória são itens de controle muito importantes em uma aciaria a oxigênio, pois, uma oxidação excessiva pode acarretar os seguintes problemas: - Redução do rendimento em massa de aço líquido. - Alto consumo de ligas devido à necessidade de adição de ligas desoxidantes (alumínio, silício, etc.) ou perda de rendimento das ligas adicionadas para corrigir a composição química (FeMn, FeCr, etc.) devido a reação dos elementos com o oxigênio. - Aumento da quantidade de inclusões no aço. - Aumento do desgaste do refratário. - Tendência para gerar projeções durante o vazamento ou transporte do aço. Por outro lado, se o aço líquido apresentar um nível muito baixo de oxigênio, as operações de aquecimento do aço ou redução do teor de carbono na etapa de refino secundário por desgaseificação a vácuo serão retardadas devido à necessidade de injeção de um maior teor adicional de oxigênio nesta unidade produtiva. Para se conhecer com precisão o teor de oxigênio dissolvido no banho antes do vazamento da corrida, podem ser utilizados instrumentos especiais de medição que são as chamadas células eletroquímicas. Estes instrumentos, a exemplo dos termopares, são imersos no banho líquido e fornecem diretamente o teor de oxigênio dissolvido no aço. Estes sensores são introduzidos no banho através da sublança ou através de lanças convencionais com o basculamento do forno. O teor de oxigênio solúvel é determinado pelo sensor de oxigênio mergulhaclo no banho metálico, enquanto o teor de oxigênio total oods ser determinado no laboratório químico. Em aciarias que não possuem instrumentos para medida de teor de oxigênio no aço este valor pode ser avaliado através de alguns parâmetros. O primeiro deles é o teor de carbono final de sopro. Pela teoria termodinâmica sabe-se que existe um equilíbrio entre os teores de carbono e oxigênio conforme apresentado na Figura 4.13. Esse valor de oxigênio dissolvido varia durante o sopro. No final da primeira etapa de sopro, os valores são da ordem de 150-200 ppm. Na etapa de descarburação esse valor cai e volta a subir na etapa final devido à diminuição do carbono e pelo excesso de oxigênio soprado. O aumento da altura de lança ou o abaixamento da vazão de O2 podem resultar em valores altos de oxigênio no fim de sopro devido à diminuição da penetração do jato de O2 no banho metálico, bem como o desgaste do bico de lança, podem gerar esse efeito. Embora no processo LD não se atinja o equilíbrio ao final do sopro, o teor de carbono do aço pode ser uma boa indicação do nível de oxidação da corrida (Figura 4.14). A fim de melhorar a avaliação do nível de oxidação das corridas pode-se acrescentar ao teor de carbono, o teor de manganês e a temperatura do aço liquido. À medida que o teor de Mn do aço sobe, tem-se um decréscimo do teor de oxigênio dissolvido no banho, o mesmo acontecendo para menores temperaturas do aço. O último parâmetro para esta avaliação é o teor de Fe na escória. Embora estes valores não possuam grande correlação, sabe-se que maiores teores de ferro na escória (%FeO)

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correspondem a maiores teores de oxigênio dissolvidos no banho, conforme é apresentado na Figura 4.15.

Figura 4.13 - Relação entre a atividade do oxigênio e o teor de carbono do aço no final de sopro

Figura 4.14 - Variação do teor de oxigênio durante o sopro.

Figura 4.15 - Relação entre o teor de oxigênio do aço e o teor de ferro na escória.

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B) Fim de Sopro

O acerto de composição e temperatura no final do sopro é afetado pelas condições operacionais na medida em que elas controlam a formação da escória e o desenrolar do processo de refino, influenciando decisivamente nas reações de dessulfuração e desfosforação e afetando, asssim, o grau de oxidação do metal no fim de sooro, Além disse, ES condições operacionais que conduzem a uma maior incidência de projeções tornam o controle do sopro mais difícil, com maiores erros de avaliação para a determinação do momento exato do fim de sopro. Algumas técnicas de modelo estático e dinâmico são aplicadas também para a determinação de resultados de fim de sopro. O controle de processo mais simples é o utilizado pelo soprador, que se apóia apenas na sua experiência pessoal para a condução de operação, e na observação visual da chama para a avaliação de carbono para a determinação do fim de sopro. Com o desenvolvimento de modelos matemáticos, algumas técnicas são usadas para fornecer ao operador subsídios mais concretos para a condução do sopro. Esses modelos podem ser estáticos ou dinâmicos. No modelo estático, o cálculo é feito a partir de dados de matériaprima e da qualidade do aço a ser produzido, antes do início do sopro, conduzindo as adições de fundentes e refrigerantes para todo o sopro. Os modelos dinâmicos atuam em cima de dados parciais e reais colhidos durante o sopro, ou pela análise química do gás ou pela coleta de amostras do aço através das sublanças, retornando ao operador ações corretivas para a obtenção do resultado desejado. Os modelos dinâmicos aliados à experiência de um operador bem treinado podem resultar em bons índices de acerto de composição química e temperatura, sendo a reprodutividade dos resultados uma função de variabilidade da taxa de ferro-gusa líquido, qualidade da sucata e condições de sopro, ou seja, da estabilidade do processo de cada aciaria. Na prática operacional a sublança pode ser utilizada de duas formas distintas: a) Controle estático -> Interrompe-se o sopro quando o teor de carbono está em torno de 0,30% e a temperatura do banho acima de 1600°C. Realizam-se as medições e a retirada de amostra com a sublança. O sopro é reiniciado após o resultado das análises em cerca de 3 minutos. Uma outra opção é: termina-se o sopro quando o volume de oxigênio previamente calculado é atingido; báscula-se o convertedor para realização da medição de temperatura e retirada de amostra; após os resultados de temperatura e composição química(esta proveniente do laboratório) decide-se pelo vazamento ou ressopro/resfriamento. b) Controle dinâmico -» Neste método as medições e a retirada de amostra com a sublança são realizadas com o teor de carbono em torno de 0,60%, sem a interrupção do sopro. Esta prática permite reduzir o tempo da corrida em torno de 8 minutos quando comparado com o controle estático, além de resultar em um maior rendimento metálico, menor desgaste do refratário (por diminuir o número de basculamentos para retirada de amostras), economia de oxigênio e de adições. Conceitualmente a utilização da sublança com controle dinâmico pode ser descrita com o auxílio da Figura 4.16. Observa-se nesta figura que três situações básicas podem ser observadas: a) Nenhuma ação corretiva é necessária -» Neste caso tanto o teor de carbono como a temperatura do banho atingem as faixas pretendidas quando é soprado um volume de oxigênio previsto pelo modelo de descarburação após a medição intermediária. b) É necessário um sopro de oxigênio adicional (ressopro) -» Este é o caso em que o volume de oxigênio necessário à obtenção do teor de carbono desejado não é suficiente para que a temperatura visada seja obtida. Um volume adicional de oxigênio tem que ser soprado até que a temperatura visada seja obtida.

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c) É necessária a adição de refrigerante ao banho metálico -> Neste caso, soprando volume de oxigênio previsto para atingir o teor de carbono desejado, resulta em um elevação de temperatura de fim de sopro para um valor superior ao desejado. necessária então a adição de refrigerante após a medição intermediária.

Figura 4.16 - Representação esquemática dos tipos de controle dinâmico que podem se necessários após a análise com a sublança.

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A necessidade do acerto do teor de fósforo no final de sopro também pode indicar a necessidade de um ressopro, incluindo também os necessários ajustes na composição da escória e do padrão de sopro para a próxima corrida do mesmo tipo de aço para se obter o teor de fósforo cesejado. Uma outra forma de efetuar o controle da etapa de sopro no convertedor a oxigênio é através da análise contínua dos gases de saída do convertedor. Neste caso observa-se a variação dos teores de CO e CO2 para indicar o momento em que o sopro de oxigênio deve ser encerrado.

VAZAMENTO DO METAL LÍQUIDO, VAZAMENTO DA ESCÓRIA E METALURGIA DA PANELA O vazamento do aço líquido para a panela pode ser iniciado após se verificar se o resultado da amostra enviada para o laboratório de análises químicas atende aos valores de composição química e temperatura almejados. Na etapa de vazamento do metal líquido, o operador responsável pelo basculamento deve estar atento para interromper o vazamento, minimizando ao máximo a passagem de escória para a panela. A interrupção do vazamento pode ser feita invertendo-se a direção de basculamento do convertedor ou deslocando-se o carro contendo a panela de aço. Esta última opção normalmente é inconveniente porque gera um trabalho adicional de limpeza da escória ou aço que transborda sobre as linhas férreas de deslocamento do carro de transferência que sustenta a panela para receber o aço líquido. O emprego dos dispositivos apresentados anteriormente como a rolha retratária e o tampão flutuante, somada com a imprescindível habilidade dos operadores responsáveis pelo basculamento e vazamento do convertedor, possibilitam minimizar a passagem de escória do convertedor para a panela, evitando a refosforação do banho de aço líquido, maximizando o rendimento das ligas e garantindo uma maior eficácia no tratamento na etapa de refino secundário. A utilização destes dispositivos também possibilita um maior controle do tempo de vazamento, o que permite realizar as adições na panela de aço de forma homogênea e ainda elimina a tendência de formação de um jato anormal de aço durante o vazamento. A redução da passagem de escória também permite reduzir a quantidade de adições para modificar as características da escória como cal ou escórias sintética a bases de Ca, Al ou CaF 2, para garantir, por exemplo, uma dessulfuração eficiente. Em algumas usinas siderúrgicas podem ser empregados sistemas automatizados para distinguir metal líquido da escória através de dispositivos óticos interrompendo imediatamente o vazamento. Durante o vazamento do aço líquido são iniciadas as operações conhecidas como metalurgia da panela. Os objetivos da metalurgia de panela compreendem o acerto da composição química s do grau desoxidação e a adequação cs. temperatura cio aço, além da modificação da escória na panela, se necessário. Para tal, pode-se adicionar na panela materiais recarburantes, ferros-liga, metais puros, desoxidantes, sucata canivete e injeção de gás inerte. A adição destes materiais, representada esquematicamente na Figura 4.18a, pode também ser utilizada cara gerar outros benefícios como: inclusões, a modificação da morfologia de alguns tipos de inclusões ou mesmo a descarburação do aço se for necessário. É indispensável que os rendimentos das ligas sejam os mais estáveis e que eles possuam as menores percentagens de impurezas. Esta adição normalmente é efetuada através de calhas alimentadas manualmente com os materiais previamente pesados ou através de calhas conectadas a silos equipados com dosadores e balanças comandadas a partir de cabines de controle. O controle da umidade destes materiais também é importante para evitar explosões ou projeções devido a formação de vapor d'água.

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Figura 4.18 - Representação das operações de vazamento do aço líquido e metalurgia da panela. Não é recomendável a adição de matérias como escória sintética, cales, calcários no fundo da panela antes do vazamento, pois poderá haver a formação de uma crosta de aço solidificado sobre no início do vazamento que enclausura estes materiais. Esta crosta pode impedir a saída de gases formados devido às reações provocadas pelo aquecimento dos materiais citados, provocando um aumento local de pressão que poderia gerar explosões e/ou projeções. Por este mesmo motivo também deve-se controlar a umidade do refratário da panela e inspecionar a mesma antes do início do vazamento para verificar se a mesma não contenha nenhum material indesejado. O rendimento dos ferros-liga e dos desoxidantes flutua devido a uma série de fatores, sendo os principais, a oxidação do banho e a quantidade de escória que cai na panela. Uma operação eficiente do LD implica em uma taxa constante quanto ao teor de 0 2 no aço e na mínima passagem possível de escória para a panela. A adição de recarburante é necessária devido ao fato de, em alguns casos, ocorrer uma excessiva redução do teor de carbono do aço no convertedor, pois é injetado uma quantidade extra de oxigênio visando aumentar oxidação da corrida de modo a garantir uma elevada desfosforação do aço. O recarburante normalmente utilizado é o coque moído. A sua adição deve ser realizada durante o vazamento do aço para a panela, mas após a sua desoxidação para evitar uma elevada formação de CO que provocaria o espumejar da escória, projeções e redução da incorporação do carbono. Uma pequena agitação pode ser benéfica para homogeneização da composição. Se o coque for adicionado no final do vazamento, o mesmo tenderá a sobrenadar o banho devido a sua baixa densidade, não sendo incorporado ao aço, aumentando a espumação da escória e podendo provocar transbordamentos ou projeção de material. Se o grau de oxidação

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da corrida não for elevada, pode-se optar pela adição do recarburante no fundo da panela antes de ser iniciado o vazamento. O momento da adição de ferros-liga, metais (cobre, níquel) e desoxidantes é bastante importante, não devem ser adicionados antes do início do vazamento, pois pode aderir no fundo da panela e não fundir, especialmente se formar algum cascão. Quando adicionado no final de vazamento, pode ficar na escória ou ainda tornar o aço não homogêneo. Uma adição normal deve ser feita entre 20 a 60% do vazamento do aço na panela. Para facilitar a dissolução dos materiais adicionados pode ser utilizado o recurso de movimentar ligeiramente o carro de transporte sob o qual a panela de aço está apoiada, de forma que o próprio jato de metal ajude a espalhar o material que esteja sobrenadando o banho. Existem duas formas de adição de ferros-liga na panela. A primeira visa um rendimento mais uniforme da liga, neste caso a adição é feita com os elementos mais desoxidantes inicialmente (Al por exemplo) e os menos logo após (Fe-Mn por exemplo). Isto permite um maior rendimento dos materiais adicionados no final, quando o banho está quase completamente desoxidado pelos primeiros, facilitando também atingir faixas mais estreitas de composição química especificadas. É importante observar que durante o vazamento do aço líquido para a panela, aumenta a exposição deste aço à atmosfera, ocorrendo assim a absorção dos gases presentes no ar (N, H e O). Esta absorção, para uma dada quantidade de aço, será tanto maior quanto maior for o tempo de vazamento, pois, o diâmetro médio do jato é reduzido, aumentando assim a superfície de contato com a atmosfera. A segunda forma é o inverso da primeira e, sendo os mais fracamente desoxidantes adicionados inicialmente, isto visa manter mais tempo uma agitação no banho, facilitando a flutuação das inclusões formadas ou a formação de inclusões líquidas. A granulometria dos ferrosligas é muito importante para o seu rendimento, quando muito fina pode ficar aderida à escória que flutua sobre o metal e, quando grossa, pode ocorrer de não fundir totalmente, passando da mesma forma para a escória. Peças de cobre ou de ferros-iigas muito pesadas também podem danificar o revestimento refratário no momento de sua queda na panela. A escória restante no convertedor pode ser empregada para a realização do slag splashing ou slag coating. Se existir uma quantidade de escória remanescente, pode ser efetuado o vazamento da escória (Figura 4.19) para o pote de escória após um novo basculamento do convertedor no sentido contrário ao sentido do vazamento do aço. Em algumas usinas recomenda-se que o convertedor seja posicionado a 180° (boca voltada para o piso) para garantir que toda a escória ou cascão escoe do convertedor, reduzindo o risco de acidentes na etapa de carregamento posterior do convertedor. Para convertedores com capacidade de produção de cerca de 330 toneladas de aço líquido, um tempo de vazamento em de 5 a 12 minutos é considerado normal. Quando o tempo de vazamento se torna demasiadamente curto devido ao aumento do diâmetro do furo de corrida em função do desgaste do refratário, pode-se realizar a troca apenas da região de refratário correspondente ao furo de corrida. Antes do carregamento do convertedor a oxigênio o furo de corrida é inspecionado para verificar se existe material aderido ao mesmo: tijolos refratários, aço solidificado, escória, etc. O mesmo deve ser limpo antes do carregamento do convertedor. Efetuar a troca do furo de corridas quando a manilha retratária atingir uma vida de aproximadamente 120 a 250 corridas, dependendo da empresa. Depois de concluído o vazamento da corrida, pode-se realizar uma determinação aproximada da quantidade de escória presente na panela utilizando-se para isso uma técnica muito simples consistindo em mergulhar uma barra de aço no banho e verificar, após a retirada da barra (vergalhão), o comprimento da barra que está revestido por uma camada de escória. Podese converter o comprimento obtido em termos de massa de escória levando-se em consideração o diâmetro da panela. Por exemplo, para cada 1 cm tem-se 0,3 t de escória na panela.

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Figura 4.19 - Etapas de vazamento do aço do convertedor para a panela e de escória para o pote. Pode-se efetuar a medição da quantidade de escória na panela imediatamente após o vazamento, antes da injeção de gás, amostragem e temperatura, com a finalidade de garantir uma maior precisão desta medição. Para que este resultado seja mais confiável a escória não pode estar muito espumosa. Em alguns casos podem-se adicionar pedaços de madeira para reduzir a quantidade de gases aprisionados pela escória. Caso a quantidade de escória ultrapasse a um determinado valor previamente estipulado pelo corpo técnico da usina siderúrgica, deverá ser feita a remoção da escória com auxílio do skimmer ou escumador. Deve-se considerar na avaliação da espessura de escória o fato de que quanto maior for esta espessura menor será a perda de temperatura do metal líquido. Em alguns casos torna-se necessário após a adição de ligas e a conclusão do vazamento a injeção de gás inerte, normalmente argônio, pelo fundo da panela através de peças refratárias permeáveis (plug poroso) ou através lanças (tubos metálicos revestidos de material refratário) inseridas pela parte topo da panela e posicionadas próximo ao fundo da panela, escoando o gás pela sua ponta inferior. Este processo é representado esquematicamente na Figura 4.18b. Esta injeção de gás é importante para promover a homogeneização de composição química e temperatura do aço e acelerar a flotação 1 de inclusões presentes no aço. Na injeção de argônio ou nitrogênio para promover a homogeneização de temperatura e composição química do aço líquido, deve-se considerar o efeito destes elementos, injetados a temperatura ambiente ou abaixo, no resfriamento do aço. A troca de calor entre o aço líquido e o gás promove o aquecimento deste gás que, juntamente com a maior exposição do aço à atmosfera devido ao efeito de turbulência (inclusive com o rompimento da camada de escória 1

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devido ao escape das bolhas de gás), promove o resfriamento do aço. Sob o ponto de vista de poder refrigerante, o nitrogênio resfria mais a corrida do que o argônio por apresentar um maior calor sensível1. A intensidade de injeção de gás deve ser estudada de tal forma a se encontrar um valor que atenda às necessidades da aciaria, pois, uma baixa intensidade favorece a flotação das inclusões, melhorando a limpidez do aço, enquanto uma elevada intensidade de injeção contribui para uma maior homogeneidade do banho metálico. Adição de sucata canivete pode ser necessária para promover um resfriamento da corrida se a mesma estiver muito acima da temperatura prevista para o vazamento. Esta adição pode ser realizada simultaneamente com a injeção de gás inerte para acelerar a homogeneização da temperatura. Novas medições de temperatura e retirada de amostras para análise de composição química do aço ou da escória podem ser realizadas após a conclusão do tratamento de metalurgia da panela. A determinação da composição química da escória também pode ser feita a partir de amostras retiradas durante o vazamento do aço no convertedor, utilizando-se dispositivos aclopados ao sistema de inserção do tampão flutuante. Algumas das operações citadas acima são apresentadas de forma esquemática na Figura 4.18 considerando o caso da utilização de uma lança para realizar a injeção de gás inerte ao invés do plug poroso. Após o termino do vazamento, alguns tipos de aço requerem a utilização de escórias sintéticas como os aços que devem apresentar um teor mínimo de inclusões ou de enxofre, como por exemplo, aqueles destinados à fabricação de peças parte expostas e/ou destinados à estampagem profunda (aços IF) e aços para fabricação de tubulações para o transporte de petróleo ou gás natural (aços API). As escórias sintéticas são escórias que podem apresentar uma ou mais das seguintes características: - baixo potencial de oxigênio - facilidade de absorção de inclusões - baixo ponto de fusão - elevada fluidez Assim as escórias sintéticas são utilizadas para desoxidar a escória e assim evitar inclusões, além de atuar no sentido de reduzir a perda de temperatura do aço e absorção de gases da atmosfera. Sua composição pode ser tal que e favoreça a dessulfuração do aço. Normalmente as escórias que apresentam tais características pertencem ao sistema CaO-AI2O3SiO2, com adições de AIF3, NaAIF4, Na 2CO3, CaF2 ou outros compostos. Com a introdução dos processos de refino secundário, os quais serão apresentados e discutidos no livro cesta série intitulado introdução aos Processos de Refino Secundário dos Aços, várias das atividades antes realizadas na etapa de metalurgia de panela foram redirecionadas para estes processos. Por este motivo as informações relativas às escórias sintéticas serão apresentadas nesta etapa do texto. Um aspecto de extrema importância em relação às panelas de aço é a recente instalação de tampas nas mesmas. Estas tampas representam um substancial ganho em termos de segurança operacional em reiação ao transbordamento de metal líquido oievido a oscilações no seu transporte ou devido a ocorrência de reações imprevistas no interior do banho metálico. Além disso, possibilitam uma redução da perda de temperatura do metal líquido, quando cheia, e do refratário, quando vazia, reduzindo a variação térmica do mesmo, resultando em um aumento da 1

Se considerarmos o aço líquido a 1.660°C e o gás a 25°C, as seguintes equações podem ser utilizadas para calcular a quantidade de calor transferida pelo metal líquido para aquecer o gás:

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campanha do revestimento e evitando variações de temperatura do aço enviado para o lingotamento. Em algumas usinas a tampa pode estar apenas na torre da máquina de lingotamento contínuo e em outra ela é colocada desde o final do vazamento do aço líquido no convertedor.

Em relação ainda às atividades de metalurgia da panela relativas ao controle do nível de desoxidação do aço alguns importantes comentários devem ser feitos. Os comentários apresentados nesta publicação são complementados com informações apresentadas no livro desta série de publicações da área de aciaria intitulado Introdução aos Processos de Lingotamento dos Aços. De acordo com a quantidade de oxigênio dissolvido e a macroestrutura formada os aços podem ser classificados em efervescente, capeado, acalmado, semi-acalmado e estabilizado. O processo de fabricação do aço o deixa altamente oxidado devido à elevada taxa de injeção de oxigênio. Estes aços podem ser solidificados via lingotamento convencional para produção de lingotes nos quais o oxigênio livre presente em elevado teor reage com o carbono para formar pequenas bolhas de CO que podem ser liberadas, causando uma movimentação no metal líquido semelhante a uma efervescência, ou serem aprisionadas devido ao aparecimento de uma pele sólida. Bolhas se H2 e N2 também contribuem para aumentar a efervescência. Como resultado, os lingotes apresentarão uma série de bolhas tubulares distribuídas ao longo de uma camada subsuperficial do lingote e a camada mais externa apresenta uma elevada limpidez, o que torna este tipo de aço, denominado de aço efervescente (rimmed steel), adequado para aplicações onde exige-se uma elevado grau de acabamento superficial. Se o aço líquido apresentar um nível muito baixo de oxigênio, as operações de aquecimento do aço ou de redução do teor de carbono em alguns tipos de processos de refino secundário serão retardadas devido à necessidade de injeção de um maior teor adiciona! de oxigênio nesta unidade produtiva. Entretanto, quando o aço for enviado para as máquinas de lingotamento contínuo, após ser submetido ao ciclo de operações no refino secundário, deve-se garantir que o mesmo foi suficientemente desoxidado de modo a não provocar a ruptura de pele solidificada devido a presença de bolhas de gás nesta camada. Outro problema é a impossibilidade de evitar turbulências na parte superior do molde de lingotamento contínuo (menisco) devido a saída de bolhas de CO, o que provoca a contaminação do aço com partículas de pós fluxante (lubrificante) adicionados sobre a camada de metal líquido. Se a indústria siderúrgica utilizar um processo de lingotamento convencional e o nível de oxidação do aço não for suficiente para causar a efervescência necessária pode ser empregada uma lança para injetar o oxigênio no jato de aço líquido durante o vazamento para as lingoteiras. A desoxidação do aço, também denominada de acalmação, pode ser realizada através da adição de materiais desoxidantes (Al, Al e Fe-Si ou Fe-Si-Mn) na panela contendo o aço líquido, produzindo assim o aço acalmado (killed steel). Se for empregado o processo de lingotamento convencional para efetuar a solidificação do aço, o lingote produzido será caracterizado pela formação de um rechupe ou vazio de contração na parte superior, ocupando cerca de 2 a 3% do volume total do lingote, o que obriga o descarte de cerca de 10 a 15% do esboço durante a laminação para se obter um produto isento de defeitos. Os lingotes de aço acalmado apresentam normalmente um maior custo de produção devido ao gasto com desoxidantes e ao maior tempo necessário para solidificar e reaquece- os lingotes. Com os aperfeiçoamentos introduzidos no processo de lingotamento contínuo, atualmente é possível obter placas de aço com excelente qualidade de superfície, sem a necessidade de se utilizar aços efervescentes. Assim, atualmente cerca de 98% do aço produzido no mundo é solidificado via lingotamento contínuo de aços acalmados, com um rendimento muito maior devido às reduções de perdas metálicas, uma maior uniformidade na qualidade do produto

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Estágios intermediários entre a efervescência e a acalmação produzem aços semiacalmados (semi-killed steel), quando se faz a adição parcial de desoxidantes, e aços estabilizados (stabilized steel), para os quais o lingotamento é iniciado como se fosse um aço efervescente para garantir uma pele superficial isenta de defeitos e com cerca de 90% de vazamento (lingotamento) um desoxidante é adicionado para acalmar o aço, melhorando a qualidade da região central do lingote, resultando na fabricação posterior de chapas finas com boa qualidade de superfície aliada a uma boa estampabilidade. Observa-se que na etapa de metalurgia da panela, durante ou logo após o vazamento do aço nos fornos de refino primário, são feitas adições de elementos de liga visando o controle do grau de oxidação do aço líquido. Após estes tratamentos o teor de oxigênio no banho gira em forno de 0,04 a 0,10% em peso (400 a 1.000 ppm). Observa-se que a solubilidade do oxigênio no aço líquido é da ordem de 0,16%, mas no estado sólido é de apenas 0.003%. Portanto, o controle do grau de oxidação deve continuar na etapa de metalurgia secundária (refino secundário). Salienta-se que o controle do grau de oxidação do aço líquido e da escória na panela é importante para evitar uma série de inconvenientes durante as etapas posteriores do processamento do aço como, por exemplo: - a formação de inclusões indesejáveis no aço; - projeção de metal líquido ou de escória durante o transporte, tratamento ou lingotamento do aço; - a redução de rendimento das ligas adicionadas para ajuste de composição química com a conseqüente perda de controle desta composição; - a formação de FeO com a conseqüente diminuição do rendimento metálico; - a formação de bolhas que poderiam originar trincas na pele solidificada durante o lingotamento contínuo, causando inclusive um rompimento de pele e a interrupção, e muitos casos, desastrosa do processo de lingotamento; - a formação de bolhas de gases (CO) na superfície dos produtos iingotados. O aço pode ser desoxidado através da adição de elementos químicos que possuam grande afinidade com o oxigênio e formem compostos sólidos, líquidos ou gasosos que, de preferência, sejam removidos do banho líquido. Na Figura 4.20 apresenta-se um diagrama que mostra a relação entre o grau de oxidação do banho metálico (em % de oxigênio), a quantidade de desoxidante em solução neste banho e as curvas que relacionam a quantidade de oxigênio e a atividade de oxigênio nas condições de equilíbrio. Genericamente pode-se considerar que quanto mais inferior for a posição da curva (linha cheia) no diagrama correspondente ao óxido formado na reação do oxigênio com um elemento químico desoxidante, mais eficiente este elemento será na desoxidação pois, menor será a concentração resultante de oxigênio livre no banho. O termo atividade é utilizado para expressar a fração da concentração molar de uma substância disponível para uma dada reação. Nos cálculos termodinâmicos necessários para prever e controlar as reações de refino do aço, são utilizados valores de atividade dos solutos ao invés da concentração real (% em peso) dos solutos no solvente. Os valores de atividades dependem da interação mútua entre os diversos solutos presentes, além de ser influenciada pela temperatura do sistema. Este conceito pode ser utilizado para explicar, por exemplo, que a dessulfuração de aços com maior teor de carbono é mais fácil de ocorrer cio que para aços com menor teor de carbono porque o coeficiente de atividade do enxofre cresce com o aumento do teor de carbono presente na solução. Sob esta perspectiva, observa-se assim nesta figura que o Mn é um desoxidante fraco e o Al e o Ti são fortes desoxidantes, sendo o silício de eficiência intermediária. O titânio é um elemento de liga muito caro não sendo empregado como desoxidante na etapa de metalurgia da panela ou mesmo no refino secundário e sim adicionado como elemento de liga, após a desoxidação para não haver perda de rendimento. O alumínio puro é adicionado na forma de barras, granulado ou de arames. O silício é adicionado na forma de ferro-silício granulado. O

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cálcio não parece na Figura 4.20, mas é um forte desoxidante, porém é pouco usado devido ao seu alto custo e baixo rendimento. A intensidade de desoxidação pode aumentar se estiverem presentes mais de um tipo de desoxidante através do fenômeno denominado desoxidação complexa. Um caso clássico deste fenômeno ocorre quando o Si e o Mn são utilizados na desoxidação de um aço. Um outro fato a ser considerado é que, ao contrário da alumina que tende a se aglomerar e flotar mais rapidamente, se fosse utilizado apenas o Si para a desoxidação, as partículas de sílica sólida não apresentam este comportamento. Ao se utilizar Si e Mn, as partículas de SiO 2 (ácida) e MnO (básico) se atraem mutuamente, facilitando a flotação.

Figura 4.20 - Representação esquemática do equilíbrio a 1.600°C entre os elementos de liga e o oxigênio contido no ferro líquido1.

FRUEHAN, 1985 e TURKDOGAN, 1996. Para efeito de comparação com dados normalmente utilizados nas indústrias siderúrgicas, considera-se o seguinte exemplo: 10-1% = 0,1% (parte por cem ou por cento) = 10.000 ppm (parte por milhão)

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5 - SISTEMA DE COLETA, LIMPEZA E REAPROVEITAMENTO DE RESÍDUOS DO PROCESSO O Convertedor como uma Unidade de Reciclagem O processo de produção de aço apresenta um aspecto contraditório no que diz respeito aos impactos ambientais. Por um lado este processo é acompanhado de elevada geração de gases, pó, escória e um apreciável consumo de água e de matérias-primas. Por outro lado, é possível o consumo de grande quantidade de sucata, gerada internamente na empresa ou de produtos descartados pela sociedade devido ao fato de se tornarem obsoletos, além da possibilidade de consumir o pó gerado no processo tanto na aciaria como em outras unidades da usina siderúrgica. Também é possível gerar energia aproveitando os gases gerados no processo e produzir outros produtos utilizando a escória oriunda do processo. Estes casos ilustram que existem diversas formas e oportunidades de reduzir o impacto ambiental dos processos de produção de aço, além de resultarem, em sua maior parte, em enormes benefícios econômicos para as usinas siderúrgicas. Em diversas situações também é possível de se obter benefícios tecnológicos para o processo, como por exemplo, o emprego de sucata de aço para equilíbrio do balanço térmico em aciarias a oxigênio. Para salientar este aspecto contraditório, é digno de nota o fato de que aproximadamente 40% do aço produzido no mundo no ano de 2.003 ter empregado sucata de obsolescência como uma das matérias-prima na sua fabricação, resultando no consumo de aproximadamente 400 milhões de toneladas, que do contrário ficariam armazenadas em depósitos, acumulando uma série de problemas ano a ano. As aciarias com sua produção baseadas em fornos elétricos são responsáveis por cerca de 75% do consumo de sucata, restando às aciarias que utilizam convertedores a oxigênio cerca de 25% do aproveitamento de sucata. Serão discutidos nesta seção os equipamentos e/ou métodos que podem ser utilizados para captar e processar os resíduos e subprodutos do processo de produção de aço utilizando os convertedores a oxigênio. Os processos de captação e processamento são necessariamente complementares, pois, deve-se dar um destino adequado para o material captado para eliminar ou reduzir o passivo ambiental através da reciclagem ou armazenamento de forma a não causar outros problemas como contaminação do solo e da água. Atualmente, a necessidade de manter sobre controle a poluição1 gerada na aciaria é de suma importância para atender os requisitos impostos pela legislação ambiental, tanto no próprio local de produção (fiscalização por órgãos municipais, estaduais ou federais), como, em alguns casos de países consumidores da produção da aciaria. Em determinadas situações as próprias usinas siderúrgicas ou empresas consumidoras estabelecem diretrizes de política ambiental visando estar condizente com os limites estabelecidos pela legislação ou pela sociedade civil organizada. Em outros casos existe a necessidade ce empresa portar uma certificação de gestão ambiental para ingressar em determinados mercados ou obter financiamento de determinadas órgãos governamentais ou instituições financeiras. Neste cenário a utilização de equipamentos e práticas adequadas para controlar a poluição demanda investimentos, treinamentos e, em determinados casos, até a limitação da produção para evitar emissões indevidas de material poluente. Não é rara a interrupção momentânea de um processo produtivo por falha dos equipamentos instalados para realizar o controle da poluição. Em 1

Em determinadas fontes da literatura é utilizado o termo 3R, ou seja, redução, reciclagem e recuperação para designar o conceito ou a filosofia empregada no controle da poluição na aciaria. Também pode-se

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outras situações uma determinada empresa pode ser obrigada a encerrar suas atividades devido à obsolescência de seus equipamentos em relação ao controle da poluição, que demandariam pesados investimentos para sua adequação.

Captação e Reaproveitamento de Pós e Gás Para analisar como pode ser feito o controle (redução ou eliminação) da poluição ambiental por particulados ou gases emitidos no processo de produção do aço, deve-se identificar em primeiro lugar quais são os locais com potenciais de emissão destes produtos Neste particular, podem ser destacados a emissão de gás contaminado com pó de materiais metálicos e não-metálicos pela boca do convertedor e as atividades que envolvem manuseio, transporte e adição de matérias-primas granuladas, como fundentes, ferros-ligas, metais, etc. A produção de aço em convertedor é acompanhada de considerável emissão de poeira junto com o gás. A reação do carbono e de outros elementos químicos da carga do convertedor com o oxigênio injetado pela lança ou presente na carga gera bolhas de gás CO e CO 2 que devido à alta quantidade de energia envolvida, escoa pela boca do convertedor em alta velocidade, arrastando grande quantidade de pó. Os gases inertes injetados pelo fundo do convertedor também escoam pela boca do convertedor arrastando partículas. Por estes mecanismos, cerca de 1 a 2% da quantidade de matérias-primas metálicas e de fundentes adicionados no convertedor fluem pela boca do mesmo. Após a captação e o tratamento destes gases é possível reduzir a emissão de material na atmosfera para uma faixa de 0,2 a 0,5 kg de resíduos por tonelada de aço líquido produzido, reaproveitando o restante na própria usina siderúrgica. A maior parte do material particulado que escoa pela boca do convertedor é formada do elemento ferro. Isto se deve ao fato de que cerca de 90 a 95% da carga do convertedor ser constituída de ferro e devido à elevada temperatura na área de impacto do jato de oxigênio com a superfície do banho, certa quantidade de ferro se volatiliza. O ferro arrastado junto com os gases ao sair do convertedor, oxida-se no contato com o ar atmosférico que é sugado pelo sistema de exaustão e com o oxigênio da lança, convertendo-se em óxido de ferro (poeira vermelha de Fe 2O3 e uma parte de poeira escura de Fe 3O4). Outro mecanismo responsável pelo arraste de pó também são as bolhas ascendentes geradas no banho, principalmente bolhas de CO, que afloram na superfície do metal líquido capturam gotículas deste metal que a seguir se misturam com o fluxo de gás que escoa pela boca do convertedor. Em geral as partículas de poeira têm forma esférica, com mais de 90% abaixo de 1 mícron (0,001 mm). Experimentalmente o gás primário, ou seja, aquele formado dentro do convertedor, possuirá, após um certo resfriamento, uma quantidade de material particulado proporcional ao 3 volume de gás formado. A quantidade de particulado está em torno de 100-150 g/Nm . A composição do gás é variável ao longo do processo de sopro, conforme as reações de refino se processam. Trata-se, portanto de um escoamento multifásico, ou seja, uma fase gasosa e uma fase sólida. A fase gasosa é constituída basicamente de CO, CO 2, H2, podendo conter ainda N 2 e Ar de acordo com o sistema de sopro pelo fundo adotado, ou devido ao fato de haver uma contaminação do oxigênio soprado. A fase sólida é constituída dos óxidos de ferro e de outros materiais metálicos e não metálicos adicionados no convertedor. Os primeiros convertedores possuíam sistema de combustão total dos gases, ou seja, a entrada de ar no sistema de captação era objetivada para a queima total do CO do gás e a limpeza do mesmo não era feita, com sua descarga feita livremente na atmosfera na forma de CO2. Atualmente os convertedores possuem sistema de coleta e limpeza de gases, objetivando a redução da poluição atmosférica, o reaproveitamento do pó gerado no processo como carga do próprio convertedor e o aproveitamento dos gases para geração de energia elétrica nas centrais termoelétricas. Existem experiências sugerindo que os gases também podem ser aproveitados para pré-aquecer parte da carga metálica sólida adicionada no convertedor. Segundo alguns

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pesquisadores, isto possibilitaria o aumento da taxa de sucata para valores da ordem de 43%. Uma outra forma de aproveitamento dos gases é através da instalação de um forno de calcinação próximo à boca do convertedor. Vários fatores influenciam na escolha do equipamento para controle da poluição em uma indústria siderúrgica, como: elevada temperatura de operação, reatividade química, propriedades elétricas, combustividade e solubilidade. Em uma aciaria, os sistemas mais utilizados na captação de particulados são: coifas, filtros de mangas, precipitadores eletrostáticos, coletores úmidos e lavadores de gás. Estes sistemas muitas vezes são divididos em sistema de desempoeiramento primário, responsáveis pela captação e processamento inicial dos gases emanados do convertedor, e um sistema de desempoeiramento secundário, responsável pela captação do pó gerado durante o manuseio do ferro-gusa líquido e das emissões fugitivas (fora de controle) de gases da boca do convertedor, durante o sopro, que, devido a folgas ou falhas dos equipamentos, não são captadas pelo sistema primário, A Figura 5.1 apresenta um esquema de um sistema de desempoeiramento primário do tipo úmido, empregado em cerca de 90% dos casos nas aciarias a oxigênio 1. Logo acima da boca do convertedor está instalado um sistema constituído de duas coifas (uma fixa e uma móvel) e uma saia móvel. Este sistema será descrito analiticamente para exemplificar o funcionamento dos principais tipos de equipamentos empregados no sistema de desempoeiramento primário de uma aciaria a oxigênio.

Figura 5.1 - Exemplo de um sistema de despoeiramento primário da opção para recuperação do gás em um gasômetro após sua lavagem ou queima do gás na chaminé. Também são apresentados valores típicos de pressões ao longo do sistema. 1

REPETTO, E. Waste Generation and Treatment and CO Emissions in Steelmaking, Simpósio Siderurgia

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A coifa móvel (também denominada capuz) está posicionada acima da boca do forno de forma a permitir uma folga ou abertura de cerca de 0,5 a 0,6 metros. Esta coifa é o componente de conexão entre o convertedor e o sistema de exaustão. A sua movimentação é para permitir a retirada da saia móvel para manutenção ou troca do revestimento refratário do convertedor. A saia móvel pode ser construída internamente de tubos soldados formando uma parede denominada de membrana. Esta saia é posicionada em torno da coifa móvel tem a função de variar o espaço entre a boca do convertedor e a coifa de captação, de modo a regular a entrada de ar para dentro do sistema. A movimentação desta saia pode ser realizada através de um sistema hidráulico com um curso que pode variar em função do equipamento, podendo se adaptar sobre a boca do forno de modo a reduzir ao máximo a folga existente entre a boca do convertedor e a coifa móvel ou de captação, eliminando ou reduzindo a aspiração de ar do ambiente externo do convertedor, reduzindo a pós-combustão do CO, ou seja, sua oxidação para CO 2. Esta reação de transformação de CO para CO 2 é exotérmica. Assim a citada folga é controlada para que se tenha um valor máximo de pós-combustão (em torno de 10%), evitando assim, o aumento na temperatura do gás que pode chegar a 1.800°C, aumentando a temperatura do sistema de resfriamento, que poderia provocar um superaquecimento dos componentes das coifas, além de aumento no volume de gás no LD, a perda de eficiência na limpeza dos gases e a redução do poder calorífico do gás que será aproveitado em outra unidade da usina siderúrgica. Com o controle da entrada de ar no sistema a temperatura dos gases não ultrapassa 1.450°C e o volume dos mesmos se mantêm em limites bem mais baixos. Isto possibilita a construção de um sistema de exaustão de dimensões menores e menor quantidade de água pode ser usada para resfriamento. Impedindo-se a queima dos gases evita-se a oxidação das partículas, que assim conservam maior granulometria facilitando sua remoção. Em muitos casos a variação da folga de abertura da coifa móvel é traduzida em termos de pressão mensurada por sensores instalados no local. As coifas são refrigeradas com água, podendo ser utilizados condutos abertos ou fechados cujas dimensões são projetadas para absorver cerca de 50% do calor sensível do gás. A velocidade do gás no conduto do capuz ( coifa fixa) deve estar entre 12 a 35 m/s, considerado segura e não abrasiva. A temperatura do gás no capuz é diretamente influenciada pela abertura da coifa móvel durante o sopro de oxigênio e neste fator reside a vida útil do capuz bem como a granulometria das partículas do pó contido no gás LD. Além de haver a emissão de material particulado durante o período de sopro, pode ocorrer também a emissão de particulados associados ou não com gases durante as etapas de carregamento de sucata, carregamento do ferro-gusa líquido, forragem ou realização de reparos no revestimento refratário do convertedor e na adição de fundentes. Também no período de vazamento de aço e de escória do convertedor e as atividades inerentes de metalurgia da panela, existe a possibilidade de grandes emissões de pó e gases. Algumas destas operações são realizadas com o forno na posição vertical, permitindo a plena utilização do sistema coifa fixa e coifa móvel para reduzir o impacto ambiental. Entretanto, quando o convertedor é basculado, a coifa deve ser ajustada para ajudar na captação dos gases e pós emitidos. Se o período de realização da etapa de metalurgia de panela for efetuado em uma estação destinada para tal processo, um sistema próprio de captação de gases e particulado deve ser instalado. Após a captação, a mistura de gases e particulados é conduzida para a torre de depuração na qual ocorre o resfriamento do gás e a separação entre as fases de particulados e de gás. Estas operações são realizadas em duas etapas. Em primeiro lugar a mistura de gás e pó é resfriada ao entrar em contato com a água na câmara de saturação (first dust collector - 1º

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lavagem do gás. Cerca de 70~75% dos particulados dos gases, que são mais pesados (FeO, CaO e SiO2) são coletados no 1o DC. A seguir a mistura constituída de gás, pó e água é forçada a passar por uma garganta venturi ou anel lavador (second dust collector- 2o DC ou ainda ring slit washer- RSW), na qual, devido ao afunilamento do percurso de passagem auxiliado pelo fechamento do cone móvel, ocorre um aumento na velocidade da mistura para valores próximos a 120 m/s. A mistura além de ser acelerada entra em contato com um jato de água, perpendicular ao seu fluxo, também com velocidade acelerada, provocando o molhamento (englobamento) total das micro-partículas que seguem para a câmara de separação de gotas. Na câmara de separação de gotas, a mistura sofre uma desaceleração e passa por um rotor fixo, construído dentro desta câmara, fazendo com que o gás sofra movimentos circulatórios. A força de centrifugação resultante provoca a separação das gotas de água do gás, deixando passar somente o gás, que sai limpo e depois do ventilador (IDF), pode ser armazenado em gasômetro ou desviado para chaminé. É uma etapa que precisa ser muito bem dimensionada para promover a retirada do pó já molhado, evitando assim o seu envio para o meio ambiente. O RSW também tem a função de regular a pressão de sucção do sistema de desempoeiramento na boca do convertedor, evitando fuga de poeira para fora do sistema de exaustão e a queima excessiva do CO na boca. Após a torre de depuração está instalado o ventilador de tiragem forçada (VTF) (ou Induced Draft Fan - IDF), equipamento responsável pelo fornecimento de toda energia ao sistema de limpeza dos gases, tanto para exaustão, depuração e envio do gás para a chaminé ou gasômetro. Este equipamento é acionado por um motor de elevada potência e rotação (por exemplo, 500 HP e 1.800 rpm). A válvula de três vias (three way valve - 3WV) é responsável pelo desvio do fluxo do gás para a chaminé ou para o gasômetro. A válvula de selo d'água (water sealed check valve - W SCV) separa a aciaria do gasômetro. Seu acionamento é sempre feito em conjunto com a 3WV, no início e fim da recuperação. Sua vedação é feita com água para que o gás do gasômetro não retorne a aciaria. Na tubulação entre essa válvula e o gasômetro a pressão é a mesma do gasômetro (200 mmCA). Entre essa válvula e a 3WV a pressão fora da recuperação é zero. A válvula V é formada pelo encurvamento da tubulação que vai até o gasômetro. Seu uso é muito restrito só ocorrendo em caso de falha ou manutenção da válvula WSCV. A tubulação de By Pass constitui uma linha de segurança em caso de falha da válvula 3WV durante a fase de recuperação de gás. Se o gás for direcionado para a chaminé, o mesmo deve ser queimado para evitar emissão do CO para a atmosfera, reduzindo a poluição e o risco de intoxicação, pois o CO é um gás extremamente prejudicial ao homem. A chaminé deve ser equipada com um queimador piloto alimentado com GLP, que incendeia o gás lançado, transformando o CO em CO2 e gerando uma chama. A distância da chaminé em relação ao solo deve ser bastante elevada para facilitar a dispersão dos produtos da combustão do gás pelas correntes de ar, as quais são tanto mais intensas quanto maior a altura. A eficiência do sistema de desempoeiramento primário deve ser bastante elevada se 3

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considerarmos as exigências da legislação (100 mg/Nm de gás no Brasil e 50 mg/Nm de gás nos Estados Unidos). Esta eficiência pode ser definida pela razão entre o pó captado e o pó gerado. Se considerarmos que a quantidade de particulado emitidos na boca do convertedor está em torno de 100-150 g/Nm3 e assumirmos o valor de 150 g/Nm 3 e objetivarmos 50 mg/Nm3 para o gás dispersado na chaminé ou enviado para o gasômetro, esta eficiência deveria ser de 99,97%. Algumas empresas se comprometem a manter a emissão de particulados abaixo de 30 mg/Nm3.

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Para tal devem contar com equipamentos modernos e urna pratica operacional altamente eficiente. Podem ser instalados na chaminé monitores contínuos ou sistemas de análise por amostragem da quantidade de particulados presentes no gás depois da passagem do mesmo pelo sistema de lavagem. Estes analisadores podem ser instalados, por exemplo, na chaminé. Estes sistemas de monitoramento contínuo são normalmente baseados em sistemas óticos. Também são instalados sistemas automáticos de análise de composição do gás (% de 0 2 , CO, C0 2 e N2) ao longo das tubulações de fluxo de gás. Também deve existir um monitoramento constante das pressões, da temperatura da água e dos gases e da velocidade e/ou vazão do gás em vários pontos no sistema. O nitrogênio pode ser utilizado para fazer a purga das tubulações por onde o gás captado na boca do convertedor escoa. Para reduzir ainda mais a poluição ambiental e ao mesmo tempo obter ganhos econômicos, várias usinas siderúrgicas estão empregando processos que permitem aproveitar o gás gerado na aciaria, após a limpeza do mesmo, para produzir energia em centrais termelétricas ou como combustível em outros processos, como por exemplo os fornos de reaquecimento da laminação ou os regeneradores de calor nos alto-fornos. A taxa de gás recuperado pode chegar a 75 Nm 3 /t de aço líquido com um poder calorífico (PCS = poder calorífico superior) de 1.800 a 2.000 kcal/Nm 3. Esta faixa de variação do poder calorífico está diretamente relacionada com a alteração da composição química deste gás, que por sua vez muda ao longo do período de sopro em função da consumação das reações químicas do processo de refino do aço. De corrida para corrida, a composição química média do gás coletado também pode ser modificada de acordo com a constituição da carga líquida e sólida do convertedor, bem com a vazão de oxigênio e de gases inertes pelo sistema de sopro combinado. Também exerce grande efeito os instantes estabelecidos para início e fim de desvio do fluxo de gás da chaminé para o gasômetro. Um exemplo da variação desta composição química durante o período de sopro no convertedor a oxigênio está apresentado na Figura 5.2. Na Tabela 5.1 é apresentada um exemplo da composição química do gás captado e a densidade do mesmo.

Figura 5.2 - Variação da composição química do gás captado durante o período de sopro no convertedor a oxigênio.

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Nem toda a energia contida no gás produzido no convertedor é aproveitada. Parte desta energia é perdida na pós-combustão do CO na boca do convertedor e uma outra parte é perdida no processo de resfriamento do gás em contato com as paredes dos equipamentos de captação e transporte ou com a água de resfriamento na torre de depuração, Cerca de 65 a 75% da energia contida no gás, ou seja, a parcela associada com o potencial das reações químicas exotérmicas dos componentes do gás, pode ser aproveitada em outra unidades ou perdidas devido a queima do gás na chaminé. A recuperação de gás do LD deve ser cercada de cuidados porque trata-se de um gás rico em CO, com um poder calorífico relativamente elevado, extremamente tóxico e explosivo. A boa condução da operação de recuperação de gás LD é o fundamental para anular os efeitos potencialmente nocivos que o CO apresenta. Em relação ao potencial risco de explosão deve-se observar que o este fenômeno aparece quando ocorre uma reação em um curtíssimo intervalo de tempo, gerando a expansão de uma massa seguida da geração de calor. Para que uma explosão ocorra é preciso que haja a formação mínima de um triângulo de explosão, formada pela presença, em um mesmo espaço, de um combustível (sólido, líquido ou gasoso) um comburente (oxigênio, na maioria dos casos) e uma ignição. Na falta de um destes elementos não existe a possibilidade de explosão. Em se tratando do gás oriundo do convertedor a oxigênio, os combustíveis são o CO e o H2 e o comburente é o oxigênio. Para simplificar o estudo dos limites de explosão dentro do sistema, podemos somar os gases inertes CO 2 + N2 e teremos então a considerar 03 gases: CO + O2 + (CO2 + N2). A Figura 5.3 mostra o triângulo de explosão desses gases onde observamos que a zona de explosão se situa para valores de O 2 acima de 6% e CO acima de 14%. Dentro deste ambiente apenas com a presença de uma ignição pode provocar a explosão. As modificações determinadas pela temperatura e pressão, podem ser desprezadas para o caso particular do sistema LDG, pois, após o primeiro coletor de pó a temperatura é sempre inferior a 85°C, e a pressão varia apenas em milímetros de água em torno de uma atmosfera.

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Até a entrada do primeiro apagador, a alta temperatura não permite a coexistência de CO + H2 + O2, mas daí pra frente, com a temperatura em torno de 70°C, a mistura explosiva pode existir.

O importante também é identificar as fontes destes elementos. O CO provém da reação do O 2 da lança com o carbono da matéria-prima. O hidrogênio, que no caso não entra no triângulo, é resultante da dissociação da água presente na matéria-prima e em vazamentos no sistema de refrigeração. O oxigênio é resultado da entrada de ar atmosférico para o sistema, pela falha na selagem de algum ponto do sistema de exaustão, furos ou mesmo a prática da operação com a saia móvel alta, provocando o excesso de entrada de ar falso para o sistema. A mistura explosiva depende então de um ponto de ignição. A ignição pode ocorrer de três maneiras: a) A oxidação da camada de FeO nos dutos do sistema de exaustão, provocando a geração de calor. Para evitar esse problema deve-se ter uma boa eficiência de lavagem de gás e prever a limpeza do interior dos dutos para remover o pó aderido, tão logo termine a corrida. b) Desprendimento de material agregado nas paletas do IDF, que pelo impacto, pode provocar faísca. Para evitar esse problema deve-se ter uma boa eficiência de lavagem de gás e um bom controle de vibração do rotor que pode provocar esse desprendimento de material. c) Retorno da chama piloto. Para evitar esse problema deve-se garantir uma vazão mínima de gás que seja superior a velocidade de queima do CO. O sopro de oxigênio deve ser conduzido de forma a não permitir que a mistura explosiva ocorra. O período inicial de sopro é um ambiente que pode levar a formação da mistura explosiva, pois partimos da situação em que o ambiente dentro do sistema está cheio de ar atmosférico Nessa situação o CO primário formado deve ser totalmente queimado na boca, mantendo a saia na posição máxima, de forma que esse CO2 faça a purga do sistema. Com a evolução da formação de CO, com o decréscimo dos teores de O2, a saia deverá ser abaixada para a sua posição mais próxima da boca (linha de início de sopro). Na mesma situação se encontra o período de final de sopro, quando a velocidade de descarburação diminui e a presença de O2 começa a aumentar devido o empobrecimento do gás (baixo teor de CO). Nessa situação também o sopro deverá ser conduzido para que todo o CO seja queimado na boca, procedendo à subida da saia tão logo o teor de O2 comece a subir. A quantidade de gás que pode ser recuperado de uma corrida, ou seja, desviado para o gasômetro, depende das propriedades deste gás, da capacidade de armazenamento do gasômetro e do consumo deste gás nas centrais termoelétricas ou outras unidades da empresa. Em relação às propriedades do gás, é importante que sejam analisados os efeitos da composição química no poder calorífico e na explosividade e a quantidade de partículados presentes no gás. Estes particulados podem ficar aderidos nas tubulações ou equipamentos de transporte do gás até o gasômetro e, no caso de impactos, podem ser geradas faíscas que podem gerar explosões se os teores de CO e O2 estiverem situados dentro do triângulo de explosão. Este é mais um motivo para que seja garantida uma boa eficiência de limpeza do gás. Logo após o inicio de sopro a formação de CO+CO 2 é iniciada, porém o determinante para que a recuperação de gás seja iniciada são os teores de CO e O 2. Esses números podem variar dependendo do que se deseja do gás e sua aplicação, mas normalmente um gás recuperável é aquele cujos teores de CO e O2 estejam acima de 30% e abaixo de 2% respectivamente. Em média a recuperação e feita com o gás situado entre o 2° e o 15° minuto do sopro, que corresponde a 70 ~ 80% do total de gás da corrida. Esses números se deslocam influenciado por vários motivos, como por exemplo, taxa de utilização de ferro-gusa líquido, vazão de O 2 e a pratica operacional. A vazão de gás gerado durante uma corrida no convertedor a oxigênio pode ser calculada

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no convertedor, quantidade de oxigênio soprada pela lança ou presente nos componentes da carga (por exemplo, no minério de ferro adicionada como refrigerante) e pressão exercida sobre o gás, que afeta o volume ocupado pelo mesmo. Para uma aciaria que opera com um convertedor com capacidade de 315 t, o volume de gás gerado gira em torno de 48.500 m3 /corrida, considerando uma vazão de oxigênio pela lança de 66.000 Nm3 /h, 2 t de minério de ferro, queima na boca do convertedor de 10% do CO gerado no processo, a pressão e temperatura de armazenamento do gás no gasômetro de 67°C e 200 rnmCA (coluna de água) respectivamente, dentre outros parâmetros. Esta quantidade de gás gerado corresponde normalmente de 50 a 80% da capacidade de armazenamento de um gasômetro. A título de exemplo pode-se citar que esta quantidade de gás, obtida com a elaboração de cerca de 315 toneladas de aço líquido, poderia ser utilizada para gerar aproximadamente 21 MWh de energia em uma central termoelétrica equipadas com caldeiras e turbinas movidas a vapor. Entretanto, estes valores dependem do modo como é conduzida a operação de sopro e recuperação de gás, pois o poder calorífico do gás está ligado a sua composição química e a quantidade de gás enviada ao gasômetro depende dos instantes de início e fim de recuperação. Os sistemas de desempoeiramento secundário são responsáveis pela captação do pó gerado durante o manuseio do ferro-gusa líquido e das emissões fugitivas (fora de controle) de gases da boca do convertedor, durante o sopro, que, devido a folgas ou falhas dos equipamentos, não são captadas pelo sistema primário. Como foi dito anteriormente, normalmente os sistemas de desempoeiramento primário são do tipo úmido, ou seja, realizam a lavagem do gás contendo os particulados. Entretanto, a maioria dos sistemas de desempoeiramento secundário é a seco e utilizam normalmente uma configuração constituída de coifas de captação do pó (misturado ou não com gases), casa de filtros para efetuar a remoção do pó, chaminé para efetuar a descarga do ar filtrado na atmosfera e defagulhadores para a remoção de partículas de grandes dimensões que poderiam provocar queima das mangas de filtro e diminuição da sua eficiência e as tubulações que fazem a interligação entre estes equipamentos. A geometria e dimensões das coifas para sucção do pó gerado, são definidas pelas vazões requeridas. Em algumas situações, estas coifas são revestidas internamente com material refratário devido à sua proximidade com regiões de elevadas temperaturas, como é o caso da coifa frontal do convertedor. Os finos coletados nos sistemas de desempoeiramento secundário podem ser utilizados na sinterização. Os materiais particulados absorvidos nos sistemas de desempoeiramento primário e secundário gerarão lamas (primário) e pós (secundário) que deverão ser adequadamente reciclados dentro da própria usina siderúrgica ou como matéria-prima ou insumo em outros segmentos industriais, evitando assim a formação de aterros. Estas lamas ou pós possuem elevado teor de ferro, da ordem de 75 a 80%. Em empresas que não desenvolveram formas de reciclar os resíduos1, os mesmos são destinados à deposição, criando um sério problema ambiental, visto que sua geração é considerável, podendo chegar a 36 kg/t de aço produzido. No 1

A título de esclarecimento são apresentadas duas possíveis definições para o termo resíduos: - materiais nos estados sólido, semi-sólido e os líquidos não passíveis de tratamento convencional, resultantes de atividades antrópicas (relativas às modificações provocadas pelo homem no meio ambiente), que por não terem utilização técnica e economicamente viável, caracterizam-se por uma situação de não serventia de caráter transitório ou definitivo. - materiais resultantes de processo de produção, transformação, utilização ou consumo, oriundos de atividades humanas ou animais, ou decorrentes de fenômenos naturais, a cujo descarte se procede, se

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caso dos sistemas de desempoeiramento da calcinação, são captados finos de cal que podem ser consumidos diretamente na sinterização. Uma alternativa utilizada em algumas usinas siderúrgicas para a reciclagem dos pós com elevado teor de ferro coletados na aciaria é a fabricação de briquete. Neste caso o resíduo está sendo transformado em um subproduto1 que pode ser consumido na própria usina siderúrgica. Na composição do briquete são utilizados lama de aciaria, pós de desempoeiramento e outros materiais, em menores proporções. O briquete é produzido através de prensagem, adicionando-se alguns redutores sólidos. Este briquete será consumido nos próprios convertedores para refrigeração ou acelerar a formação de escória. Além de evitar a formação de aterros, o briquete produzido neste caso permite a redução de custos com a compra de sucata, pois, cada tonelada de briquete adicionado no convertedor substitui aproximadamente 0,61 de sucata. A briquetagem também pode ser realizada a quente (600°C) utilizando-se exclusivamente pó coletado pelo sistema de desempoeiramento da aciaria. O briquete produzido neste caso é utilizado no convertedor em substituição à sucata, embora existam limitações para esta substituição.

Reaproveitamento de Escórias de Aciaria Um outro resíduo do processo de elaboração do aço nos convertedores LD de grande importância em função da quantidade gerada é a escória. A geração específica de escória de aciaria varia de 70 a 170 kg/t de aço produzido. Se considerarmos uma média de 120 kg/t e uma produção mundial de 600 Mt de aço empregando-se convertedores (tomando-se referência o ano de 2003), a geração de escória corresponderia a aproximadamente 72 Mt anualmente no mundo Estes são apenas dados ilustrativos da necessidade de reciclagem da escória de aciaria. A escória de aciaria é classificada como um resíduo da classe II - não inerte, de acordo com a norma NBR 10.004 da ABNT. Após a conclusão do vazamento do aço e das operações de proteção do revestimento refratário do convertedor (slag coatíng ou slag splashing) a escória é vertida para um pote apropriado e é transportada até o pátio, onde é basculada em baias e resfriada através de jatos de água, quando é fragmentada por choque térmico. A intensidade do resfriamento aplicado é definida em função da sua aplicação final. Uma planta de beneficiamento de escória é composta normalmente de britadores, peneiras e correias transportadoras, conforme apresentado na Figura 5.3. O resfriamento pode ser feito por bicos de aspersão de água ou com a utilização de mangueiras. A aspersão permite reduzir emissão de particulados no ambiente e recircular a água utilizada. A seguir é efetuada a extração da sucata de aço por separação magnética para uso na aciaria e alto-forno. As sucatas obtidas possuem teor de ferro de 55% a 85% e, normalmente, a sucata de maior teor de ferro contém menos enxofre e por isso são utilizadas nas aciarias. As de menor teor metálico são recicladas nos alto-fornos, diretamente ou através de processos de sinterização. A escória separada é britada e classificada em peneiras. O enfoque que antes era dado ao tratamento da escória apenas para retirar a parte metálica, com a escória propriamente dita, ficando estocada, foi substituído por um tratamento que disponibiliza um produto ou subproduto com algum retorno financeiro. Após a retirada da parte metálica, a escória é britada e classificada de acordo com o uso a que se destinar. A 1

Produtos secundários (ou co-produtos ou subprodutos) - materiais anteriormente designados como resíduos para os quais foram desenvolvidas tecnologias que permitem sua utilização, de forma ambientalmente adequada, como matéria prima ou fonte de energia na própria atividade geradora ou por terceiros.

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granulometria de britagem da escória depende da sua aplicação. Em geral o material mais fino usado em pavimentação e a parcela grossa utilizado como lastro de ferrovia (Tabela 5.2).

Embora a geração de escória no convertedor a oxigênio seja menor do que no alto-forno (cerca de 270 kg/t de ferro-gusa para esta unidade) a utilização de escória do alto-forno para a fabricação de cimento é uma aplicação já consagrada (mais de 90% no caso do Brasil), suscitando inclusive a instalação de fábricas de cimento próximos às usinas siderúrgicas visando a redução de custo no transporte desta importante matéria-prima. Entretanto, em contraste com a escória de alto-forno, as escórias de aciaria têm seu emprego direto limitado como material de (construção civil, seja como agregado para construção de ferrovias ou rodovias, seja como matéria-prima para a fabricação de cimento. Uma boa parte da escória de aciaria pode ser estocada sem destinação imediata, a não ser que sejam desenvolvidos procedimentos especiais para tratamento desta escória. A composição típica de uma escória de aciaria proveniente do convertedor a oxigênio é apresentada na Tabela 5.3. Observa-se que esta escória possui uma razoável porcentagem de materiais fundentes. Por esta razão alguns pesquisadores (Gonçalves, 2005) sugerem o retorno de parte desta escória para o convertedor LD após a mesma passar por um processo de beneficiamento, envolvendo a classificação granulométrica (10 a 50 mm), secagem em forno rotativo e transporte em caminhão protegido com a lona. A sua adição no convertedor LD (em torno de 15 kg/t de aço) possibilita uma redução no consumo de fundentes da ordem de 30%, resultando em ganhos operacionais e financeiros, além de reduzir a quantidade de resíduos gerados pelo processo de elaboração do aço nos convertedores a oxigênio. Tabela 5.3 - Faixa de composição química típica da escória de convertedor a oxigênio no Brasil.

Na Tabela 5.4, são apresentadas as variações volumétricas em função das transformações ocorridas nas principais espécies químicas presentes na escória de aciaria. Na Tabela 5.5 é apresentada uma composição típica de escória de convertedor LD do ponto de vista mineralógico. A principal limitação no uso dessa escória é a sua elevada instabilidade volumétrica (expansão), provocada pela hidratação do MgO reativo e do CaO livre quando em contato com a umidade, havendo a formação de reações expansivas. A cal livre provém de matéria-prima não reagida durante o processo de fabricação do aço. Além das fases não metálicas, a escória contém uma grande quantidade de partículas de aço ou ferro metálico que ficam incorporadas à escória no sopro de oxigênio. Estas partículas também podem contribuir para a instabilidade volumétrica das escórias, através da geração de produtos de corrosão e oxidação do ferro metálico residual. Uma outra fonte potencial de expansão da escória é a mudança nas formas alotrópicas do silicato dicálcico ou ortosilicato de cálcio (2CaO2.SiO2 ou usando a simbologia C 2S), conforme apresentando na Tabela 5.6. Valores típicos de massa específica e densidade aparente são 3,68 t/m3 e 1,7 t/m3 respectivamente.

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Tabela 5.4. Composição mineralógica típica das escórias de convertedores LD (LÓPEZ, 1989: SEKI et al., 1986; MURPHY, 1997; BOYNTON, 1966).

Tabela 5.5 - Características das espécies químicas isoladas antes e após a hidratação (WEAST, 1971).

Tabela 5.6. - Transformações do silicato de cálcio (2CaOSiO2) em função da temperatura de resfriamento (SEKI et al., 1986; TAYLOR, 1997; LEA, 1970).

*Considerado o ponto de fusão do C2S (NURNBERG, 1981). **Valores calculados a partir da variação da densidade apresentada na literatura. O sinal negativo indica que se obteve uma pequena redução no volume do cristal.

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Observa-se na Tabela 5.5, que, nas transformações, seja por hidratação (2, 4, 10 e 11) e carbonatação (5), seja por oxidação (8 e 9), ocorre um significativo aumento de volume em relação às dimensões originais do cristal. Este fenômeno, associado com as transformações a otrópicas do C2S, conduz à expansão destrutiva na escória de aciaria. O inconveniente representado pela expansão da escória pode ser eliminado através do armazenamento da escória em pilhas de envelhecimento por longo tempo. Porém este processo ocupa muito espaço por um longo tempo. Estão sendo pesquisados processos para acelerar a cura e evitar as restrições do mercado. A estabilização da escória de aciaria está diretamente associada à formação de produtos estáveis, seja por hidratação do CaO e MgO ou carbonatação dos produtos hidratados gerados por estes óxidos. A hidratação e a carbonatação nas escórias de aciaria geram estabilidade volumétrica, visto que os compostos formados são volumetricamente estáveis, em virtude do tempo de estocagem e do grau de exposição do material à umidade, temperatura e teor de CO2. Dessa forma, o material deve estar sujeito a condições que permitam, ao longo do tempo, a hidratação ou carbonatação completa dessas espécies químicas. Nesse sentido, o tempo de estocagem na pilha, ou tempo de envelhecimento do material em ambiente com umidade, são fatores principais que influenciam na estabilização do CaO e MgO reativos (MACHADO, 2.000). O tempo necessário para a estabilização depende principalmente dos fatores: composição química da escória, granulometria, temperatura e umidade do ambiente, tamanho das pilhas e aeração das mesmas. Normalmente seis meses é um período de tempo mínimo para a escória ser considerada curada ou estabilizada. Este tempo pode ser reduzido em função do grau de expansão almejada para uma determinada aplicação ou a utilização de métodos especiais de cura. Para o caso da escória gerada no convertedor a oxigênio são listadas a seguir diversas aplicações: - Indústria produtoras de cimento Substituição ao calcário na produção de clínquer; Substituição ao clínquer1 na produção de cimento; Adição de material inerte em substituição ao calcário na produção do cimento. - Pavimentação / construção civil Tratamento superficial simples de estradas; Base e sub-base de pavimentos flexíveis; Sub-base de pavimento rígido; CBUQ (Concreto Betuminosos Usinado a Quente); Revestimentos de pátios; Agregado para concreto, pré-moldados e artefato. - Agricultura Corretivo agrícola de acidez do solo; Matéria prima para fertilizante agrícola. - Lastro ferroviário - Aplicações diversas Jateamento em substituição à areia. Revestimentos de leitos de rios; Aterros; Drenos; Fabricação de gabiões2.

1

Produto da calcinação de calcário e argila usados como matéria-prima para fabricação de cimento após a moagem.

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É bem aceita e procurada, o uso de escória na pavimentação simples de estradas vicinais que não receberão asfalto em prazo inferior a um ano. Podendo ser escória nova, em tratamento de cura, que acontecerá a céu aberto na própria via, dando maior rigidez ao pavimento. Posteriormente poderá ser pavimentada sem que ocorra a expansibilidade (Figura 5.4). A substituição da areia e da granalha dos processos de jateamento de peças, por finos de escória, indica, nos primeiros resultados, menor emissão de particulados e maior efeito abrasivo, o que significa uso de material de menor custo com menor agressividade ao homem e ao meio ambiente. Em virtude da sua composição, a escória de aciaria pode ser utilizada como matéria-prima na produção de clínquer Portland; como cimento alternativo, fabricado a partir da mistura da escória de aciaria com a escória de alto forno e gipsita; na produção do cimento Portland, in natura, substituindo parte do clínquer, ou após tratamento térmico, semelhante ao que acontece com a escória de alto forno para a formação de vidro. As principais características da escória de aciaria em comparação com o clínquer e cimento Portland e a escória de alto forno são mostradas na Tabela 5.7. Devido aos elevados teores de CaO e P2O5, as escórias de aciaria também podem ser utilizadas como fertilizantes ou aditivo no cultivo de plantas ou algas. Contudo, a presença ce álcalis e de chumbo (Pb) tem limitado o seu uso devido a problemas de toxidade. Tabela 5.7 - Principais características da escória de aciaria em comparação com o clínquer e cimento Portland e a escória de alto-forno (TAYLOR. 1997: LEA. 1970).

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Figura 5.4 - Representação esquemática do fluxo de processo de beneficiamento de escória e algumas imagens do processo.

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Figura 5.5 - Exemplos de aplicação de escória de aciaria a oxigênio: lastro ferroviário, pavimentação de vias rodoviárias, fabricação de artefatos de concreto, pavimentação de vias (escória envelhecida).

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6 - REAÇÕES QUÍMICAS DE REFINO E DE FORMAÇÃO DA ESCÓRIA

Na Figura 6.1 pode-se visualizar as diversas regiões do convertedor e algumas das principais reações químicas que ocorrem neste reator metalúrgico e que serão objeto de discussão neste capítulo. No início do sopro as reações predominantes são as de oxidação do Fe, Si, Mn e P e a escorificação da cal. O oxigênio é disponibilizado para as reações na forma de gás - símbolo ( ) ou ( )g - ou dissolvido no banho metálico - símbolo [ ] - através da seguinte reação química: 1

/ 2(O2)gás <-> [O]

(o1)

O primeiro período de sopro é caracterizado pela oxidação quase completa de silício do ferro-gusa líquido e uma oxidação acentuada do manganês, enquanto a velocidade de descarburação (reação direta e indireta do oxigênio com o carbono da carga) aumenta à medida que os teores dos dois elementos diminuem. As reações de oxidação do silício geram calor e a sílica fundida combina-se com os escorificantes (cal ou dolomita), adicionados desde o inicio através das seguintes reações: - no ponto de fogo [Si] + (O2)gás <->

(SiO2)

(i1)

- no banho metálico: [Si] +

2[O]

<->

(SiO2)

(i2)

- na interface metal/escória: [Si] + 2(FeO) <-> (SiO2) + 2{Fe}

(i3)

- na escória: (SiO2) + 2(CaO) <->

(2CaO-SiO2)

(i4)

À medida que o sopro progride, forma-se uma emulsão escória-metal e outros componentes são oxidados. O teor de sílica na escória cresce na medida em que o Si é escorificado bem como o teor de CaO, pela reação cal com SiO 2 e FeO. O ferro é bastante oxidado neste período e seu teor na escória atinge valores elevados. Durante esta fase é formada uma emulsão com partículas metálicas e escória, que desempenhará papel importante nas reacões de refino.

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Figura 6.1 - Representação esquemática de um convertedor a oxigênio em uma etapa intermediária do processo de refino com destaque para as diversas regiões do convertedor e para algumas das principais reações químicas inerentes a este processo.

E.M.S. Rizzo Introdução aos Processos de Refino Primário nos Convertedores a Oxigênio

As reações de oxidação do ferro são: - no ponto de fogo [Fe] + 1/2 (O2) <-> (FeO)

(f1)

[Fe] + (CO2)aço <-> (FeO) + (CO2)gás

(f2)

- na interface jato de O2/escória: 2(FeO) + 1/2 (O2) <-> (Fe2O3)

(f3)

[Fe] + (CO2) gás no aço <-• (FeO) + (CO)gás

(f4)

- na interface metal/escória: [Fe] + (Fe2O3) <-> 3(FeO)

(f5)

- na escória (emulsão, mas na interface gotículas de metal e escória): {Fe} + 1/2 (O2)gás <-> (FeO)

(f6)

Para a oxid ação do manganês as seguintes reações estão presentes - no banho metálico: [Mn] + [O] <-> (MnO)

(m1)

- na interface metal/escória: [Mn] + (FeO) <-> (MnO) + {Fe}

(m2)

A primeira reação de oxidação do manganês acontece apenas no início do sopro quando o teor de manganês é alto e a temperatura é baixa. Durante a maior parte do tempo, a segunda reação predomina. Na medida em que se forma a escória e os teores de Si e Mn do banho decrescem a velocidade de descarburação aumenta até atingir o valor máximo característico do início da segunda fase do refino ou segundo período de sopro. Neste período, o FeO e o MnO da escória são reduzidos dando origem a um aumento do teor de Mn do metal (corcova de Mn). Terminada a oxidação do Si, o qual estava consumindo a maior parte do oxigênio, o aumento da temperatura e a existência da emulsão metal-escória criam condições em que a única reação importante passe a será descarbur ação. As reações do carbono com o oxigênio são responsáveis pela descarburação, formação de bolhas, aquecimento do banho, dentre outros fenômenos inerentes ao processo. Algumas das possíveis reações oxigênio-carbono que podem estar presentes no convertedor a oxigênio são listadas abaixo: - no ponto de fogo [C] + 1/2 (O2) <-> (CO)gás

(d )

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[C] + (CO2)gás <-> 2(CO)gás

(c2)

(CO2))aço <-> [O] + (CO)gás

(C3)

- no banho metálico: [C] + [O] <-> (CO)gás no aço (c4) (CO)aço + [O] <-> (CO2)aço

(c5)

- na escória (emulsão metal-gás-escória): (CO2))escória + 2(FeO) <-> (CO)escória + (Fe2O3)

(c6)

(CO)aÇo + (Fe2O3) <-> (CO2))aço + 2(FeO)

(c7)

(CO)gás + (FeO) <-> (CO2)gás + {Fe}

(c8)

- na escória (emulsão, mas na interface gotículas de metal e escória): (CO2)gás + [C] <-> 2(CO)gás

(c9)

[C] + (FeO) <-> (CO)aço + [Fe]

(c10)

- na região do jato de O 2 pode ocorrer a pós-combustão do monóxido de carbono para dióxido de carbono que retornaria para o aço: (CO) + 1/2(O2) <-> (CO2)aço Como foi dito anteriormente, ocorre no primeiro período indireta do oxigênio com o carbono da carga (reações c1, descarburação varia em função do teor de silício no banho, trabalhando com ferro-gusa dessiliciado. Uma outra variável descarburação neste período é a vazão de oxigênio.

(c11) de sopro uma reação direta e c2 e c4). A velocidade de sendo máxima para corridas que afeta a velocidade de

Durante o segundo período de sopro, a descarburação se processa quase totalmente através de reações no ponto de fogo (reações c1 e c2) e na emulsão (reações c9 e c10), sendo a participação relativa de cada uma delas influenciada pelas condições operacionais. Observa-se que devido às reações de descarburação ocorre o desprendimento das bolhas gasosas (reações c1, c2 e c4) que promove um movimento circulatório no metal, renovando a interface exposta ao jato de oxigênio. Além disto, a intensa geração de CO no seio da emulsão metal-escória, decorrente da descarburação das partículas metálicas (reações c10 e c11), provoca o "espumamento" da escória, e a formação da emulsão metal-gás-escória que ocupa a maior parte do volume do convertedor, atingindo níveis superiores ao do bico da lança, que fica nela submersa, como mostra a Figura 3.7. A estabilidade desta emulsão é de vital importância para o processo de refino dos aços e será discutida em maior profundidade quando estudarmos as reações de formação da escória em uma seção mais adiante neste texto. A velocidade de descarburação na segunda etapa só é limitada pelo oxigênio disponível. Este período prossegue até o teor de C atingir um valor a partir do qual a velocidade de descarburação passa a ser controlada, não pela disponibilidade de oxigênio, mas pela difusão de C até a interface de reação (terceira etapa do sopro).

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O controle da velocidade de descarburação durante esta segunda etapa é importante para a obtenção de uma operação tranqüila e sem projeções, sendo largamente influenciado pelas condições de formação de escória. A maximização do volume da emulsão, devido a sua estabilização, ou aumento do volume de gás, pode levar ao seu transbordamento, originando as projeções de escória. Resumidamente, pode-se dizer que neste segundo período de sopro verificam-se no interior do convertedor os seguintes fatos: - A lança fica imersa na escória. - A escória encontra-se volumosa, devido à presença de CO em seu meio. - Observa-se formação de gotículas metálicas devido ao jato de O2 (Figura 4.6). - Observa-se depressão do banho, na região do impacto do jato de oxigênio. O terceiro período de sopro é caracterizado pela velocidade de descarburação decrescente, devido à redução do C contido no banho, e por um aumento gradativo da oxidação do Mn e Fe. Logo a velocidade de descarburação passa a ser governada pela difusão do carbono através do banho. Nesta fase, a dissolução da cal, é acelerada e a basicidade da escória é aumentada acentuadamente. A diminuição da geração de gases, associada com a diminuição da velocidade de descarburação, provoca a gradual destruição da emulsão, com o coalescimento das partículas metálicas e seu retorno ao banho. A descarburação no banho metálico é atenuada, e a interface metal-refratário desempenha papel importante nessa reação. A desfosforação é iniciada rapidamente na primeira etapa do sopro, através da seguinte reação química: 2[P] + 5[FeO] -> (P 2O5) + 5[Fe]

(p1)

A reação p1 é altamente exotérmica. Portanto, tende a ocorrer na primeira etapa do sopro, quando as condições de baixa temperatura e elevado teor de FeO (elevado potencial de oxigênio) na escória favorecem a reação de oxidação do P, que prossegue durante toda a primeira etapa com a dissolução da cal através da reação: 2[P] + 5[O] ->

(P2O5)

(p2)

Esta reação predomina no segundo período de sopro, devido à diminuição do teor de Fe da escória e ao aumento da temperatura. O pentóxido de fósforo formado tem uma reatividade muito alta, de modo que a reação (p2) ocorre também em sentido contrário (reação reversível). (P2O5) -> 2[P] +

5[O]

(p3)

Isto corresponde à estabilização da dissolução da cal calcítica, o que faz com que a reação de desfosforação seja interrompida, ou mesmo invertida, com o aumento do teor de P do metal (refosforação). Assim, no segundo período de sopro, é muito importante que sejam criadas condições favoráveis para a desfosforação. Isto é conseguido atuando diretamente a interface metaI/escória onde se deve promover uma maior agitação, que em conjunto com a queima do C, force a migração do P do aço para a escória que está em formação. No terceiro período de sopro a temperatura está mais elevada, o que não favorece a desfosforação. O teor de fósforo do aço no final do sopro dependerá, para dadas condições operacionais, da composição química da carga metálica, do teor em ferro (FeT) da escória, do consumo de cal e da temperatura da escória.

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Através de uma análise termodinâmica pode-se observar que a reação de desfosforação (p2) só será possível com a diminuição da atividade do pentóxido de fósforo, pela sua dissolução na escoria e sua fixação pelo óxido de cálcio na forma de fosfato cálcico. (P2O5) + 3(CaO) <-> (3CaO.P2O5)

(p4)

(P2O5) + 4(CaO) <-> (4CaO.P2O5)

(p5)

ou

A análise termodinâmica da reação de oxidação do fósforo permite concluir que a desfosforação durante o refino LD será favorecido por: - Elevado potencial de oxigênio do sistema. - Baixa temperatura. - Escória rica em CaO, com baixa atividade do P 2O5 e elevada basicidade. As reações de dessulfuração serão discutidas a partir deste ponto. Como o ambiente no interior do convertedor é totalmente oxidante, a reação de formação de sulfetos fica muito prejudicada. Portanto, deve-se procurar um carregamento no qual este elemento esteja presente nos mais baixos teores possíveis. Há três etapas importantes para a obtenção de valores baixos de enxofre: dessulfuração prévia do ferro-gusa combinada com uma adequada seleção de sucata, dessulfuração no refino primário e dessulfuração no refino secundário. Nestas três etapas, a reação de dessulfuração ocorre em base escorificante, ou seja, através da seguinte reação: (CaO) + [FeS] <-> (CaS) + (FeO)

(s1)

Esta reação é altamente endotérmica, necessitando de uma alta temperatura para se processar no sentido da esquerda para a direita. Também é importante um ótimo contato entre o sulfeto de ferro dissolvido no banho metálico e a cal da escória, sendo necessária uma forte agitação do banho, como a que acontece durante a descarburação. Assim, a evolução da dessulfuração está intimamente ligada à evolução da dissolução da cal. De maneira geral, ela apenas se processa de maneira mais efetiva na etapa final de sopro com valores de até 50% (para valores elevados de S, acima de 0,030%), quando a basicidade da escória se eleva. Deve-se notar também que a dessulfuração pela fase gasosa é responsável pela diminuição de 5 a 10% do enxofre carregado. Neste caso, as reações que governam a dessulfuração através da face gasosa não estão perfeitamente definidas, devendo ser consideradas principalmente as de oxidação do enxofre do metal e da escória. [S] + (O2)gás <-> (SO2)gás

(s2)

No refino LD, a escorificação do enxofre só se processa de forma apreciável no final do sopro, quando a aceleração da dissolução da cal eleva a basicidade a níveis adequados. Uma maior adição de fluorita, modificando a trajetória da dissolução da cal, pode modificar este comportamento, dependendo da relação observada e das operacionais de cada usina. O relacionamento positivo observado normalmente entre o coeficiente de partição do S e o teor de ferro na escória no final do sopro deve-se à sua influência sobre a dissolução da cal. A partição do enxofre no final do sopro é definida pela basicidade da escória e facilitada pelo contato intimo entre o metal e a escória, bem como, pela escória estar mais quente e mais fluida.

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Analisando-se a dissolução gasosa em vários processos de refino, considerou-se como mecanismo mais provável a oxidação direta do enxofre da escória pelo oxigênio ou dos sulfetos ca escória pelos óxidos de ferro. (CaSO4)escória + 2FeO -> (CaO.Fe2O3) + (SO2)

(s3)

(CaSO4)escória + Fe2O3 -> (CaO.Fe2O3) + (SO2) + 1/2 O2

(s4)

A análise do coeficiente da partição e da dessulfuração gasosa não permite, entretanto, definir completamente o problema do teor de S no aço, que dependerá fundamentalmente dos teores de S no ferro-gusa, sucata e cal. Deve-se notar que, para teores de S do ferro-gusa suficientemente baixos e nas mesmas condições das demais matérias-primas, o teor de S do aço será superior ao de carregamento. A obtenção de aços baixos S (S ≤ 0,01) exige não só que se utilizem ferro-gusa com baixo teor de S, mas também cuidados especiais em relação às demais matérias-primas, muitas vezes, uma maior proporção de ferro-gusa líquido nas cargas e resfriamento com minério. A raspagem da escória proveniente dos processos de dessulfuração do ferro-gusa líquido é de fundamental importância. Serão apresentadas e discutidas a partir deste ponto as reações inerentes à formação de escória no convertedor. Como já foi apresentado anteriormente, durante o período de refino, geralmente o silício é o primeiro elemento a ser oxidado, o que se dá sempre em presença da oxidação conjunta de manganês e ferro. No convertedor a oxigênio, a oxidação inicial pode ser representada pelas seguintes equações: [Si] + (O2)gás<-> (SiO2)

(i1)

[Si] + 2[O] <-> (SiO2)

(i2)

[Fe] +1/2 (O2) <-> (FeO)

(f 1)

[Mn] + [O] <-> (MnO)

(m1)

A observação destas equações indica que a velocidade e extensão da oxidação do silício, manganês e ferro serão função do potencial de oxigênio reinante no local, dos teores de silício, manganês e ferro, da composição da escória já formada e da temperatura. A seguir desenvolve-se a reação de oxidação aparentemente direta do Si e Mn pelo FeO com a formação de uma escória (FeO.MnO.SiO 2), através das seguintes reações na interface metal/escória: [Si] + 2(FeO) <-> (SiO 2) + 2{Fe}

(i3)

[Mn] + (FeO) <-> (MnO) + {Fe}

(m2)

A oxidação do C é menos provável, uma vez que, envolve a nucleação e crescimento de bolhas de CO, e a formação de escória é uma reação líquido-líquido. À medida que aumenta o volume de silício oxidado, formando a sílica (SiO 2) começa a dissolver a cal calcítica adicionada, e, com o aumento do volume de escória, as reações passam a se processar principalmente através da oxidação indireta pelo FeO no seio da emulsão metal-escória formada. Alguns segundos após o início da escorificação, inicia-se a incorporação pela escória de mais dois óxidos: CaO (cal ou óxido de cálcio) e MgO (óxido de magnésio ou magnésia). O primeiro a partir da cal e o segundo a partir da própria cal, de outro fundente carregado (dolomita

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crua, dolomita calcinada ou cal dolomítica - MgO.CaO e dunito) ou dos refratários. Devido à sua importância para o processo de formação da escória, as reações de dissolução da cal serão vistas em um tópico mais adiante neste texto. A incorporação destes óxidos modifica as atividades da SiO2, FeO, MnO no sentido de abaixar a atividade da SiO2, favorecendo o retorno do ferro e do manganês ao aço. Um perfil típico da evolução da composição da escória no convertedor a oxigênio é apresentado na Figura 4.12. Outros componentes que constituem a escória são Al2O3 (oxido de alumínio ou alumina), Cr2O3 (óxido de cromo), TiO2 (óxido de titânio), etc. provenientes das adições ou oxidação de elementos secundários da carga metálica ou proveniente do desgaste dos refratários que revestem o convertedor. Outros compostos são formados indiretamente durante o processo de oxidação, como por exemplo, o P2O5 (pentóxido de fósforo) e CaS (sulfeto de cálcio). A variação da temperatura do banho metálico foi apresentada na Figura 4.8, que mostra um aumento gradual de 1.250-1.350°C até 1.600-1.680°C no final do sopro. A temperatura da escória líquida pode ser maior do que a do banho metálico em torno de 300°C nos primeiros minutos do sopro. Esta diferença de temperatura é reduzida gradualmente até cerca de 50°C no final do sopro (DEO e BOOM, 1993). O aquecimento da escória se dá pela transferência de calor da região do ponto de fogo bem como devido à coexistência das fases metal e escória. Simultaneamente a escória líquida penetra nos poros da cal. A extensão desta penetração depende do tamanho dos poros e da viscosidade da escória e será discutida mais adiante neste texto. Os óxidos e outros compostos encontrados nas escórias apresentam geralmente completa miscibilidade no estado liquido. As escórias não têm ponto de fusão definido, mas se solidificam e fundem em uma certa faixa de temperatura. A temperatura liquidus pode ser obtida do diagrama de fases correspondentes. Os diagramas de fases são essenciais para o entendimento do que sucede dentro da fase "escória" durante o processamento. No caso das escórias são utilizados diagramas ternários de fases para estudar a composição química ideal para uma dada temperatura liquidus desejada. Se as escórias são resfriadas rapidamente, consistem quase exclusivamente de vidro. Se resfriadas lentamente, constituem cristais muito pequenos de minerais definidos, correspondentes às fases indicadas pelos respectivos diagramas de fases. No caso das escórias, o conhecimento da viscosidade é importante não só devido ao problema do livre escoamento da mesma no esvaziamento do convertedor ou nas operações de slag splashing, mas também porque a viscosidade está relacionada com a velocidade das reações. A velocidade (cinética) das reações químicas é influenciada diretamente pela difusão das substâncias reagentes. Esta velocidade de difusão depende da viscosidade da escória. As escórias, mesmo as mais fluidas, são ordinariamente, de quinze a cinqüenta vezes mais viscosas do que o metal líquido. Torna-se pois evidente que a viscosidade das escórias é um fator cinético de grande importância, embora esta propriedade física não tenha nenhuma relação com o equilíbrio das reações. De grande importância prática é também a relação entre viscosidade e o ataque dos refratários pelas escórias, pois, quanto menor a viscosidade, mais fácil a penetração da escória em trincas existentes no revestimento refratário. A viscosidade da escória é influenciada pela temperatura e pela composição química. No balanceamento de uma carga, procura-se obter uma escória com fluidez adequada na temperatura ou etapa de operação do forno, nem muito reduzida para não dificultar o escoamento ou a interação da escória com o metal líquido, nem muito elevada para evitar o ataque do revestimento refratário. Diagramas ternários de iso-viscosidade, são disponíveis na literatura a respeito. Trata-se de diagramas triangulares que mostram linhas de iso-viscosidade, em função da composição química da escória.

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A viscosidade de um líquido está diretamente relacionada com as dimensões das unidades estruturais iônicas ou moleculares, e é de se esperar que a viscosidade de uma escória líquida aumente se a complexidade estrutural é aumentada, o que acontece, por exemplo, se a basicidade diminui. Observa-se que a sílica (SiO2) é constituída de longas cadeias moleculares de íons (SiO4)-4 o que resulta em uma maior viscosidade para a escória. A presença de CaO permite quebrar estas longas cadeias através da formação dos íons Ca+2 e O-2 , tornando assim a escória mais fluida. O MgO atua no mesmo sentido. A presença de íons flúor (fornecidos através ria adição de fluorita CaF2) também reduz a viscosidade porque este elemento atua da mesma forma que o os íons de oxigênio na quebra da seqüência de cadeias moleculares de (SiO4)-4. A presença de partículas sólidas na escória também exerce grande influência no aumento da viscosidade da mesma. A noção de basicidade de escória é totalmente empírica e arbitrária. A noção de ácido e base apareceu da observação de que as escórias ricas em sílica atacam refratários dolomíticos ou magnesianos e, vice-versa, escórias ricas em CaO e MgO atacam refratários siliciosos. Nenhum outro fundamento teve a introdução destes termos em metalurgia, e nenhuma relação existe com a noção precisa de ácido e base da físico-química das soluções aquosas1. Trata-se, portanto de noção arbitrária (relacionada com a presença de íons de oxigênio O-2 na escória), mas que tem sido muito útil na metalurgia. O valor do índice de basicidade, tal como definido acima, es:á relacionado com o comportamento das escórias nos casos seguintes: - Ataque das escórias sobre os refratários. A basicidade é um índice que permite julgar qualitativamente se uma dada escória é ou não apropriada para uso com um determinado refratário; - Viscosidade das escórias: há uma relação entre a viscosidade de uma escória e sua basicidade; - Desfosforação e dessulfuração: é um fato comprovado que as escórias básicas são essenciais para a desfosforação e a dessulfuração no refino do aço. Tradicionalmente, os óxidos constituintes das escórias se classificam em ácidos, básicos e anfóteros (ácido ou básico dependendo do meio). Outra classificação é a seguinte: básicos (CaO, MgO), bases fracas (MnO, FeO), ácidos fracos (Al2O3) e ácidos (SiO2, P2O5). Um óxido básico é um óxido de fraca atração de oxigênio que em um banho líquido tende a liberar seu íon oxigênio. Ao contrário, um óxido ácido é aquele cujo átomo central apresenta uma forte atração de oxigênio, e captura os anions de oxigênio liberados pelas bases. Nos estágios iniciais do refino do ferro-gusa para a fabricação do aço, a escória é constituída predominantemente de faialita Fe2SiO4 e tefroita, Mn2SiO4. Com a dissolução da cal, devido à menor atração de oxigênio do CaO em relação ao FeO e ao MnO, a cal desloca estes óxidos, formando o ortosilicato de cálcio, Ca2SiO4. Após a apresentação de algumas das principais reações químicas responsáveis pela geração dos constituintes da escória no convertedor a oxigênio, pode-se agora discutir quais são os principais parâmetros que influenciam na formação desta escória. Existe uma concordância "esta área que estes parâmetros são: - A altura de lança de O2 - A dissolução da cal - O teor de ferro na escória - A composição química do ferro-gusa 1

No caso de soluções aquosas, substâncias que se dissolvem na água produzindo grande quantidade de + cátions H são ácidas, enquanto substâncias que produzem grande quantidade de anions OH são ditas bases. Naturalmente, ácidos tendem a neutralizar bases como por exemplo:

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- O projeto da lança de O 2 Como parâmetros secundários podem ser citados ainda: - A vida do bico da lança - A retenção de escória da corrida anterior - O uso de sucata com escória - O uso de briquete - A adição de minério e/ou fluorita A influência da altura da lança na formação da escória foi discutida anteriormente na apresentação dos conceitos relativos ao padrão de sopro. Os outros parâmetros que afetam a formação da escória serão discutidos a seguir. Como já foi abordado anteriormente, a escória formada nos primeiros minutos de sopro, caracteriza-se por possuir alto teor de SiO 2, baixo teor de CaO e alto teor de FeO e MnO. Este tipo de escória possui baixo valor da atividade de CaO, o que dificulta a desfosforação, a dessulfuração e provoca um aumento do ataque do revestimento refratário. Em vista disso, objetiva-se que a cal seja incorporada (dissolvida) à escória o mais rápido possível, de tal maneira a manter a trajetória de composição da escória dentro de um campo de alta basicidade, a maior parte do tempo. A adição de cal deve ser realizada de modo a maximizar sua dissolução na escória. A adição durante a fase de descarburação máxima pode provocar projeções. Normalmente a adição é parcelada do início ao sexto minuto de sopro e, quando necessário, adiciona-se uma parcela na fase final. A adição dosada de cal, e não em bateladas, pode contribuir para sua melhor dissolução na escória, melhorando o seu rendimento e facilitando a desfosforação. A dissolução da cal calcítica se inicia no primeiro período, pela reação com a escória silicosa formada através da seguinte reação na escória: (SiO2) + 2(CaO) <-> (2CaO.SiO2)

(i4)

A proporção de cal dissolvida será função basicamente do volume de sílica formada, que é proporcional ao teor de silício do ferro-gusa líquido e da adição de SiC (carbeto de silício) ou FeSi (ferro silício) no início do processo de sopragem. A dissolução da cal é um processo complexo e depende, principalmente, de alguns fatores, a saber: - A adição de fluorita - A atividade da CaO na escória - A viscosidade da escória - A temperatura - A superfície de contato sólido-líquido - A agitação do banho - O teor de FeO da escória O efeito fluxante do silicato de cálcio que recobre as partículas de cal calcítica, acelera a sua escorificação. A adição de pequenas quantidades fluorita (CaF 2) pode modificar esse modelo de dissolução de cal calcítica, propiciando uma velocidade de dissolução praticamente constante durante todo o sopro. Na Figura 3.9 apresenta-se um diagrama ternário CaO-SiO 2-FeO com destaque para as isotermas liquídus. Nota-se nesta figura que aumentando o teor de CaO' aumenta a temperatura de início de fusão da escória (temperatura liquidus), enquanto um aumento do teor de FeO'

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promove uma redução desta temperatura, aumentando a fluidez da escória e sua capacidade de penetrar no revestimento refratário do convertedor ou panelas, acelerando o desgaste do mesmo. Uma importante reação na formação da escória é apresentada a seguir: (2FeOSiO2)liq + 4(CaO)sol -> 2(CaO.FeO)líq + (2CaO.SiO2)líq Esta reação pode ser interpretada como: o silicato de ferro no estado líquido (2FeO.SiO2)líq ou (Fe2S)líq - combina-se com a cal no estado sólido - CaO)sol ou (C)sol -,formando cálcio-wustita - (CaOFeO)liq ou (CF')liq - rica em ferro e no estado líquido e ainda o silicato dicálcico no estado sólido - 2CaO SiO 2)sol ou (C2S)sol -, ambos os casos para as temperaturas típicas do processo de refino de aço. Se a cal adicionada apresentar uma alta queima, as partículas de silicato dicálcico precipitam-se em uma forma granular e, devido à sinterização com a cálcio-wustita, forma-se uma camada contínua em torno das partículas de cal que, por sua vez, impede ou retarda a continuidade da dissolução da cal. Se a cal adicionada sofre uma queima leve e, portanto, apresenta uma maior porosidade, uma camada cálcio-wustita é formada a uma certa distância da cal. Neste caso, a proporção de (CaO.FeO) líquido, rico em FeO, é maior do que no caso do emprego de uma cal de alta queima. Isto ajuda a ruptura da camada do silicato dicálcico antes do que no caso do emprego de uma cal de alta queima. No último estágio do sopro, com o aumento da temperatura e do teor de ferro na escória, a camada de silicato dicálcico fica mais macia, devido à combinação com o FeO, e dissolve. Desta forma, a dissolução de CaO aumenta rapidamente neste estágio. Alguns estudos mostram que a presença de dolomita, isto é, MgO na escória, o mecanismo de dissolução da cal muda de forma a reduzir a taxa de dissolução como resultado da precipitação em primeiro lugar de silicato tricálcico próximo à cal sólida. A dissolução de dolomita sólida CaO.MgO prossegue de acordo com a reação: (2FeO.SiO2)liq + (2CaO.MgO)sol -> (2CaO.SiO2)sol + (2MgO.FeO)sol A magnesia-wustita - MgO-FeO - apresenta um alto ponto de fusão e forma uma camada contínua sobre as partículas de dolomita, fechando todos os poros, reduzindo assim a taxa de dissolução de dolomita da mesma forma que é reduzida a dissolução da cal pela camada de silicato dicálcico. Entretanto, a taxa de dissolução das partículas de dolomita nas escórias de aciaria é menor do que a da cal. A evolução da oxidação do ferro está intimamente ligada à profundidade de penetração do oxigênio injetado pela lança. A quantidade de ferro oxidado na primeira etapa diminui com o aumento da profundidade de penetração. A sua redução pelo C na segunda etapa aumenta devido a maior quantidade de metal da emulsão. No final do sopro, com a velocidade de descarburação orientada pela difusão de C, c oxigênio em excesso irá oxidar o ferro e o manganês, cujos pesos na escória, especialmente o do óxido de ferro, apresente c rescimento, à medida que teor de C do banho decresce. O teor de FeO na escória provoca aumento na sua fluidez e, conseqüentemente, provoca o aumento no desgaste do refratário. O projeto do bico de lança é uma variável importante. Seu projeto deve ser tal que propicie um jato isento de ondas de choque e com mínima turbulência. A utilização experimental é o principal fator para determinar o projeto ideal do bico de lança, devido ao seu complexo ajuste centro das condições operacionais em função do perfil de cada convertedor.

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O adequado controle da erosão do bico da lança é fundamental também para a manutenção tranqüila das práticas de sopro, Um bico desgastado dá origem a um jato irregular com formação de ondulação e turbulência, afetando as condições de sopro com a diminuição da profundidade de penetração do O 2 no banho, levando a má formação da escória e com riscos de projeção quando mantidas as demais variáveis. A composição química do ferro-gusa é uma variável fundamental na formação de uma massa adequada de escória e, conseqüentemente, em um bom controle do processo de refino LD. Esta variável pode afetar não só o rendimento operacional, mas também o acerto de fim de sopro. Os teores de silício e manganês devem estar dentro das faixas estabelecidas, sendo os teores de P e S mantidos nos níveis mais baixos possíveis e economicamente viáveis. Os baixos teores de Si podem provocar um aumento nas projeções metálicas no início do sopro, devido a não formação de uma camada de escória suficientemente espessa para a proteção do banho em relação ao jato penetrante de oxigênio. Estas projeções podem ocorrer pela queima muito rápida do Si, o que antecipa a entrada da fase de descarburação e, nestas condições, as projeções podem ser violentas, gerando a formação de cascão na lança. A saída, neste caso, é reduzir a velocidade de descarburação pela elevação do nível da lança de O 2 ou abaixamento da vazão de O 2 e adição de fundentes para acelerar a formação da escória. O baixo teor de Si pode também afetar a sopragem no que tange à remoção de fósforo e enxofre devido ao menor volume de escória. Em situação oposta, teores elevados de Si provocam o aumento no volume de escória com riscos de projeções e perdas de rendimento metálico com o aumento no teor de Fe na escória. As projeções, neste caso, podem ser contornadas com a adição adequada de cal durante o sopro, evitando basicidades baixas, adequando a velocidade de descarburação pela redução na vazão de O2 durante a primeira etapa do sopro e escolhendo um padrão de sopro que impeça grande quantidade de FeO na escória nesta etapa, para que não ocorra uma excessiva descarburação no pico do sopro. Variações bruscas de Si do ferro-gusa também provocam grandes transtornos no processo devido a operação sempre levar como referência resultados de corridas produzidas anteriormente. O teor de Mn do ferro-gusa tem influência nítida na formação da escória no primeiro período do sopro, devido à sua oxidação simultânea ao silício. Teores elevados de Mn podem fluidificar em demasia a escória, aumentado sua emulsificação, com riscos de fortes projeções de escória. Teores baixos de Mn acarretam em uma escória mais viscosa no início, com riscos de projeção metálica, formação de cascão na lança de O 2 e na boca do forno. No cálculo do peso de da composição química da escória gerada no convertedor a oxigênio, deve ser considerado as características dos fundentes utilizados e a composição química da carga metálica. As porcentagens de CaO e MgO disponíveis nas cales adicionadas ao convertedor dependem do teor de SiO 2 e da basicidade binária (BB) e da basicidade magnesiana (BM) adotadas para o processo. As seguintes equações podem ser utilizadas para definir estas variáveis: cal

disponível

= %CaOcal -BB .%SiO 2

disponível

= %MgOcal -BM .%SiO 2

%CaO cal

%MgO cal

cal

(e1)

(e2)

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No cálculo da quantidade de SiO 2 a ser neutralizada pela CaO, a seguinte expressão é utilizada:

Desta forma, o cálculo da massa de cal calcítica (Mcal) e de cal dolomítica (M ( Mdol) necessárias para a neutralização da sílica pode ser efetuado de acordo com o seguinte procedimento: CaONecessário = (SiO (SiO2)Entrada .BB

(e4)

MgONecessário = (SiO (SiO2)Entrada .BM

(e5)

disponível

CaONecessário = Mcal.(%CaO cal

disponível

MgONecessário = Mcal.(%MgO cal

Disponível

) + Mdol.(%CaO Dolomita ) Disponível

)+ Mdol.(%MgO Dolomita )

(e6) (e7)

Uma forma de avaliar as características da escória gerada nos convertedores a oxigênio de forma contínua é através de detectores audiométricos instalados no sistema de captação de gases na coifa do convertedor. Estes detectores são baseados na variação do nível de freqüência do ruído do conversor pelo envolvimento da lança pela emulsão metal-gás-escória, conforme mostra a Figura 6.2.

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Figura 6.2 - Representação esquemática de um sistema de controle da etapa de sopro nos convertedores a oxigênio através de detectores audiométricos (sound meter). meter).

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FRUEHAN, R.J. Curso de Principies and practices for clean steelproduction. São Paulo, 2005. [Apostila]. KIRMSE, O.J. Parâmetros gerais de uma aciaria a oxigênio. Serra, Companhia Siderúrgica de Tubarão - IDA/IAA/IAT, 1990. 88p. LLEWELLYN, D.T.; HUDD, R.C. Steels, metallurgy and applications. London : ButterworthsHeinemann, 1998. MENDELSON, H.D. The prediction of bubble terminal velocities from wave theory. A. Inst. Chem. Eng. J.,v. 13, p.250-253, 1967. MORI, K Kinetics of fundamentais reactions pertinent to steelmaking process, Transactions of Iron Steel Institute ofJapan, v. 28, p. 246-261, 1988. MUNDIM, M.J. Tecnologia de fabricação do aço líquido. 3.ed. Belo Horizonte : COTEC-UFMG, 1985. v.2: Aciaria a oxigênio. SAHAI, Y.; GUTRIE, R.I.L. Hydrodynamics of gas stirred melts: part I. gas/liquid coupling: APUD in FRUEHAN, R.J. Ladle metallurgy principies and practices. Warrendale, PA : The Iron and Steel Society, 1985.

SLAG ATLAS. 2.ed. Dusseldorf: Verlag Stahleisen, 1995. TURKDOGAN, E. Fundamentais of steelmaking. London : The Institute of Materials, 1996.

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ANEXO I - DADOS RELATIVOS ÀS ACIARIAS BRASILEIRAS EQUIPADAS COM CONVERTEDORES

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ÍNDICE REMISSIVO aço acalmado, 89 aço efervescente, 89 atividade, 90 basicidade de escória, 116 Bessemer básico, 8 BOF, BOS, 9 briquete, 23,101 camada de segurança, 38 camadas de desgaste, 38 campanha do revestimento, 43 canaletas, 61 captação de particulados, 94 carcaça, 30 carga metálica, 12 carro-torpedo, 15 ciclo de operações, 59 convertedor Bessemer, 7 convertedorThomas, 8 convertedores LD, 9 co-produtos, 101 dardo de retenção, 32 descarburação,110 desfosforação, 112 desoxidantes, 86 dessulfu ração, 113 diagrama de Ellingham, 67 emulsão metal-gás-escória, 65 escória, 75, 101 escória espumosa, 77 escórias sintéticas, 88 escumador, 62 esferas refratárias, 32 estanqueidade do revestimento, 37 etapas do processo, 59 ferro-gusa líquido, 61 ferro-gusa líquido, 12 ferrotron , 44 fluorita, 25 forragem, 61 fundentes, 25 furo de corrida, 31 gás primário, 93 grau de oxidação, 78, 90 índice de eficiência, 59 Injeção combinada, 52 injeção de gás inerte, 87 Injeção de gás pelo fundo, 52 Injeção do gás por cima, 52 jato coere nte , 50 ja to de oxigênio, 49 Linz e Donawitz, 9

material particulado, 93 medições de sola, 73 metalurgia de panela, 83 misturadores, 64 modelo estático, 80 modelos dinâmicos, 80 nível de banho, 73 oxidação do ferro, 110 oxidação do manganês, 110 oxidação do silício, 108 oxigênio, 24 padrão de sopro, 66, 71 panelas de aço, 88 panelas pelicano, 62 pesagem de ferro-gusa líquido, 62 primeiro período de sopro, 108 processos pneumáticos, 7 produtos pré-reduzidos, 23 recarburante, 85 refrigerantes, 25 regiões do convertedor, 65 reparo do revestimento, 41 revestimento de trabalho, 37 revestimento permanente, 37 revestimento refratário, 33 rolha refratária, 32 segundo período de sopro, 110,111 sistema de desempoeiramento, 94 skimmer, 62

slag coating, 35, 42, 43 slag splashing, 35, 43, 46 slag sttoper, 32 sopro combinado, 52 sopro de oxigênio, 65 sopro duro, 71 sopro macio, 71 sopro normal, 72 sublança, 44, 56 subproduto, 101 sucata, 16 sucata canivete, 88 temperatura da escória, 74 temperatura do banho, 74 tempo tap-to-tap, 59 terceiro período de sopro, 112,113 triângulo de explosão, 98 vazamento da escória, 86 vazamento do aço líquido, 83 velocidade da descarburação, 70 viscosidade das escórias, 77

ABM - Introdução Aos Processos de Refino Primário Dos Aços Nos Convertedores à Oxigênio

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