Desoxidação do Aço

Desoxidação do aço

  O processo de fabricação do aço consiste no refino do metal quente em aço que é feito sob atmosfera oxidante. Durante o processo de refino, o oxigênio se dissolve no aço. A seguir estão as principais fontes de oxigênio no aço.

• Sopro de oxigênio
• Uso de escórias oxidantes e minério de ferro durante os processos siderúrgicos
• Recolha de oxigênio atmosférico pelo aço líquido durante a operação de fervilhar
• Refratários oxidantes do revestimento
• Sucata enferrujada e molhada.

A desoxidação é o último estágio na fabricação de aço. Durante a fabricação do aço, o banho de aço no momento da extração contém 400 a 800 ppm de atividade de oxigênio. A desoxidação é realizada durante o rosqueamento, adicionando na panela cheia quantidades apropriadas de ligas de ferro ou outros desoxidantes especiais. Se ao final do golpe o teor de carbono do aço estiver abaixo das especificações, o aço líquido também é recarburado na panela cheia. No entanto, grandes adições na panela cheia têm o efeito adverso sobre a temperatura do aço líquido.





A solubilidade do oxigênio no aço é insignificantemente pequena. Durante a solidificação do aço fundido, o excesso de oxigênio é rejeitado pelo aço solidificado. A solubilidade do oxigênio no aço líquido é de 0,23% a 1700 graus C. Ele diminui durante o processo de resfriamento e depois cai acentuadamente durante a solidificação do aço líquido, atingindo 0,003% em aço sólido.

O excesso de oxigênio liberado da solução sólida oxida os componentes do aço, como C, Fe, e elementos de liga, resultando em bolhas e inclusões não metálicas aprisionadas dentro da estrutura de aço fundido. Tanto os furos quanto as inclusões têm efeito considerável nas propriedades mecânicas e impactam negativamente a qualidade do aço.

Para evitar a oxidação dos componentes de aço durante a solidificação, o teor de oxigênio do aço líquido precisa ser reduzido. Isso é feito pela desoxidação do aço que é uma operação tecnológica de fabricação de aço, na qual a concentração (atividade) de oxigênio dissolvido no aço líquido é reduzida a um nível necessário. Além da produção de aço sólido, eliminando bolhas e minimizando inclusões não metálicas, a desoxidação também é empregada para controle de tamanho de grão para aumentar a tenacidade do aço

Várias estratégias foram desenvolvidas para desoxidação do aço. Isso pode ser realizado adicionando agentes desoxidantes metálicos ao aço líquido antes ou depois de ser vazado ou por tratamento a vácuo, no qual o carbono dissolvido no aço é o desoxidante. Além da desoxidação por desoxidantes metálicos e da desoxidação por vácuo, às vezes é empregado mais um método de desoxidação, a desoxidação por difusão.

De acordo com o grau de desoxidação, existem quatro tipos de desoxidação que variam de totalmente desoxidada a levemente desoxidada. Nenhum dos vários tipos é melhor que o outro, mas cada um é útil em seu próprio sentido. De acordo com o grau de desoxidação, os aços carbono podem ser subdivididos em quatro grupos.

• Aços de rebordo – Esses aços são aços de baixo carbono parcialmente desoxidados ou não desoxidados que desenvolvem uma quantidade suficiente de monóxido de carbono durante a solidificação. Os lingotes de aços com aros são caracterizados por boa qualidade superficial e quantidade considerável de bolhas. Os aços com aros são geralmente rosqueados sem ter feito adições de desoxidantes ao aço no forno ou apenas pequenas adições ao aço líquido na panela cheia, a fim de ter oxigênio suficiente presente para dar a evolução de gás desejada reagindo no molde com carbono . Os procedimentos exatos seguidos dependem se o aço tem um teor de carbono nas faixas mais altas (C =0,12 % a 0,15 %) ou nas faixas mais baixas (C =0,10 % max). Quando o aço líquido no lingote começa a solidificar, há uma rápida evolução do gás monóxido de carbono (CO), resultando em uma camada externa de aço relativamente limpo com baixo teor de carbono e outros solutos. Esses lingotes são mais adequados para a fabricação de hastes de eletrodos e chapas de aço.
• Aços capeados - A prática de aço capeado é uma variação da prática de aço com aro. A ação de aro pode começar normalmente, mas é então terminada após um minuto ou mais, selando o molde com uma tampa de ferro fundido. Esta prática é normalmente aplicada em aços com teor de carbono superior a 0,15%. A prática do lingote tampado geralmente encontra aplicação na produção de chapas, tiras, arames e barras.
• Aços semimortos – Esses aços são aços desoxidados incompletamente contendo alguma quantidade de excesso de oxigênio, que reage com o carbono formando uma quantidade suficiente de monóxido de carbono durante a solidificação do aço líquido para contrabalançar a contração de solidificação. Esses aços geralmente têm teor de carbono na faixa de 0,15% a 0,30% e encontram ampla aplicação em formas estruturais
• Aços mortos - Esses aços são desoxidados a tal ponto que durante a solidificação não há formação e evolução de monóxido de carbono. Os lingotes e fundidos de aço morto possuem estrutura homogênea e não apresentam porosidade gasosa (blowholes). O alumínio é usado para desoxidação, juntamente com ligas de ferro de manganês e silício. Em certos casos, são usados ​​silicatos de cálcio ou outros desoxidantes fortes especiais. A fim de minimizar a tubulação, quase todos os aços mortos são fundidos em moldes de topo a quente. Para lingotamento contínuo, o aço líquido deve ser totalmente morto para lingotamento sem defeitos. Os aços mortos são geralmente usados ​​quando é necessária uma estrutura homogênea nos aços acabados. Aços de liga, aços forjados e aços para cementação são desse tipo, quando a qualidade essencial é a solidez. Na produção de certos aços de estampagem extra profunda, um aço de baixo carbono (C=0,12 % max) é morto, geralmente com uma quantidade substancial de alumínio que é adicionada na panela, no molde ou em ambos. Embora a desoxidação do aço pelo alumínio suprima a formação de monóxido de carbono durante a solidificação e, portanto, suprima os furos, existem muitas operações de processamento de aço em que a morte do aço por alumínio é indesejável.

Existem basicamente três elementos usados ​​na desoxidação do aço. Estes são manganês (Mn), silício (Si) e alumínio (Al). O manganês e o silício são adicionados na forma de ligas de ferro de alto carbono ou baixo carbono ou como liga de silicomanganês (Si-Mn). O alumínio que é adicionado para desoxidação tem um nível de pureza de cerca de 98%. Às vezes, o cálcio (Ca) também é usado para desoxidação.

O cálcio é o desoxidante mais eficiente e o Si não é tão eficiente quando comparado ao Ca. O Al também é um forte elemento desoxidante quando comparado com o Si. Embora Ca e Al sejam desoxidantes muito eficientes, eles oxidam muito rápido e, além disso, sua densidade é muito menor que o aço. Além disso, o Ca tem um ponto de ebulição de 1485 graus C, o que significa que o Ca está em fase gasosa na temperatura de fabricação do aço. Métodos de injeção ou métodos de adição adequados são necessários para a desoxidação com Ca.

A desoxidação pode ser realizada por um único elemento como Si, Al, Mn etc ou por uma mistura de elementos como Si + Mn, Ca-Si-Al etc. A desoxidação por elemento único é conhecida como desoxidação simples.

Enquanto a desoxidação por uma mistura de elementos é conhecida como desoxidação complexa. Tanto na desoxidação simples quanto na complexa, o óxido é formado; portanto, também é chamada de desoxidação por precipitação. A desoxidação também é realizada por carbono sob vácuo; que é chamado de desoxidação a vácuo. Os elementos são adicionados na forma de Ferroligas Fe-Si, Fe-Mn ou Fe-Si + Fe-Mn etc. Na desoxidação complexa onde é usada uma mistura de Si + Mn, Ca + Si, Ca + Si + Al, o seguinte vantagens são relatadas em comparação com um simples.

• O oxigênio dissolvido é menor.
• Devido à formação do produto de desoxidação líquida, a aglomeração do produto em tamanho grande pode ser obtida facilmente e pode ser facilmente flutuada.

Desoxidação com Fe-Mn

Quando o aço é parcialmente desoxidado com Mn, o ferro também participa das reações, formando Mn (Fe) O líquido ou sólido como produto da desoxidação.

[Mn] + [O] =MnO

[Fe] + [O] =FeO

O estado de equilíbrio do aço com o produto de desoxidação Mn (Fe) O é mostrado na Fig 1.

Fig 1 Conteúdo de manganês e oxigênio do ferro em equilíbrio com FeO – MnO líquido ou solução sólida

  Desoxidação com Si e Mn

A desoxidação pelo Si é muito mais completa do que a do Mn e a desoxidação simultânea por esses dois elementos resulta em oxigênio residual muito menor em solução, devido à atividade reduzida do Si. Dependendo da concentração de Si e Mn adicionado ao aço na panela cheia, o produto da desoxidação será silicato de manganês fundido (MnO.SiO2) ou sílica sólida (SiO2).

[Si] + 2[O] =SiO2        (1)

[Mn] + [O] =MnO      (2)

Um dos primeiros estudos pioneiros de equilíbrio de reação de escória-metal é aquele atribuído a Korber e Oelsen por sua medição da distribuição de equilíbrio de Mn e Si entre ferro líquido e escória MnO-FeO-SiO2 saturada com SiO2. Os resultados de seus experimentos a 1600 ± 10 graus C são mostrados na Fig 2.



Fig 2 Concentração de Mn, Si e O em ferro líquido equilibrado com SiO2. O silicato de manganês saturado derrete a 1600 ± 10 graus C

Desoxidação com Si, Mn e Al

Aços semi-mortos com oxigênio dissolvido residual na faixa de 40 a 23 ppm são feitos desoxidando o aço na panela cheia com a adição de uma pequena quantidade de alumínio junto com o silício-manganês ou uma combinação de ferrosilício e ferromanganês. Neste caso, o produto da desoxidação é um silicato de alumínio-manganês líquido com uma composição semelhante a 3MnO.Al2O3.SiO2. Com pequena adição de alumínio, e. cerca de 15 kg para 100 t de calor junto com Si/Mn quase todo o alumínio é consumido nesta desoxidação combinada com Si e Mn. O alumínio residual dissolvido no aço será inferior a 10 ppm. O equilíbrio de desoxidação com Si e Mn comparado com Al, Si e Mn para o produto de desoxidação saturado com Al2O3 é mostrado na Fig 3.

Fig 3 Equilíbrio de desoxidação com Si e Mn em comparação com Al, Si e Mn para o produto de desoxidação saturado com Al2O3

  Desoxidação com Al

O alumínio é um desoxidante muito eficaz que é usado na maioria das operações siderúrgicas. Normalmente a desoxidação do alumínio é realizada em panela cheia. Em certos casos, as adições de Al também são feitas no molde durante o lingotamento ou lingotamento contínuo. Relações de equilíbrio aparentes para os produtos de desoxidação:Al2O3 puro e aluminato de cálcio fundido com razão CaO/Al2O3 de 1 são mostradas na Fig 4.

Fig 4 Desoxidação com Al em equilíbrio com Al2O3 ou aluminato de cálcio líquido com CaO/Al2O3 sendo 1

Quando o aço morto com Al é tratado com Ca-Si, as inclusões de alumina são convertidas em aluminato de cálcio fundido. Para a razão CaO/Al2O3 de 1, a atividade de Al2O3 é 0,064 em relação ao Al2O3 puro em temperaturas na faixa de 1500 -1700 graus C.