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Desenvolvimento da Tecnologia de Aciaria em Fornos Elétricos a Arco




Desenvolvimento da tecnologia de fabricação de aço em forno elétrico a arco  

O desenvolvimento da tecnologia siderúrgica ocorre para atender a uma série de requisitos. Esses requisitos podem ser classificados em quatro grupos, conforme indicado abaixo.


Para entender o forno elétrico a arco (EAF), é necessário entender o que é um arco elétrico. Um arco elétrico é uma forma de descarga elétrica entre dois eletrodos, separados por um pequeno espaço (normalmente, ar normal). O exemplo mais conhecido disso é o relâmpago. Qualquer pessoa que tenha realizado soldagem a arco também está familiarizada com arcos elétricos. Se conectar a peça de trabalho ao lado negativo de uma fonte de alimentação CC e um eletrodo ao lado positivo, toque o eletrodo momentaneamente e puxe-o um pouco distante da peça de trabalho, então um arco elétrico estável se forma entre os eletrodos e o peça de trabalho e o calor deste arco é suficiente para derreter o eletrodo e soldar as peças de trabalho. A mesma ideia é usada em maior escala em um forno elétrico a arco.





A história da siderurgia com fornos elétricos a arco (EAF) não é muito antiga. É apenas um pouco mais de um século quando o primeiro forno foi comissionado para derreter aço utilizando energia elétrica. O desenvolvimento inicial da tecnologia ocorreu, uma vez que essas unidades permitiam atingir facilmente as temperaturas mais altas e garantiam as melhores condições para a produção de aços ligados e ligas de alta qualidade. Desde então, grandes avanços foram feitos em equipamentos de fornos, tecnologia EAF, práticas de fusão, matérias-primas e produtos siderúrgicos. Os avanços na tecnologia EAF permitiram que a EAF competisse com mais sucesso com as usinas integradas que empregam a tecnologia de forno de oxigênio básico (BOF) de fabricação de aço. Hoje, a siderurgia EAF tem uma contribuição substancial na produção de aço do mundo, embora ainda esteja muito atrás da contribuição da produção de aço feita pela tecnologia de fabricação de aço dominante da BOF.

Desenvolvimentos iniciais

No século 19, uma série de testes foram feitos para empregar um arco elétrico para a fusão do ferro. Sir Humphry Davy conduziu uma demonstração experimental em 1810, a soldagem foi investigada por Pepys em 1815, Pinchon tentou criar um forno eletrotérmico em 1853, e em 1878-79, Carl Wilhelm Siemens retirou patentes para fornos elétricos do tipo arco.

De Laval havia patenteado um forno elétrico para a fusão e refino de ferro em 1892 e Paul Heroult demonstrou a fusão a arco elétrico de ligas de ferro entre 1888 e 1892. Novas tecnologias emergentes foram colocadas em uso comercial no início do século XX, quando uma ampla gama de geração de energia elétrica relativamente barata começou nessa época. Em 1906, o primeiro forno de fusão a arco elétrico nos Estados Unidos foi instalado na fábrica de Halcomb. Este forno de arco elétrico Heroult 'Antigo nº 1' agora está como um monumento histórico designado ASM (American Society for Materials) na Station Square em Pittsburgh, Pensilvânia (Fig 1).


Fig 1 O primeiro forno de arco elétrico Heroult

Inicialmente, a siderurgia EAF foi desenvolvida para a produção de tipos especiais de aços usando formas sólidas de alimentação, como sucata e ligas de ferro. O material sólido foi primeiramente derretido por fusão direta a arco, refinado através da adição de fundentes apropriados e aproveitado para processamento posterior. Fornos elétricos a arco também foram usados ​​para preparar carboneto de cálcio para uso em pedaços de carboneto. A tecnologia de fabricação de aço EAF agora evoluiu de um processo lento para um processo de fusão rápida que funciona em um nível que se aproxima do nível de produtividade de um BOF.

Uma seção transversal esquemática através de um forno de refino a arco Heroult é mostrado na Fig 2. Nesta Fig, E é um eletrodo (apenas um mostrado), levantado e abaixado pela cremalheira e pinhão R e S. O interior é revestido com tijolo refratário H, e K denota o forro inferior. Uma porta em A permite o acesso ao interior. A carcaça do forno repousa sobre balancins para permitir que seja inclinada para rosqueamento.


Fig 2 Forno de refino de arco Heroult

Evolução da tecnologia de fabricação de aço EAF

Desde que o primeiro EAF industrial para fabricação de aço entrou em operação, o desenvolvimento foi rápido e houve um aumento de dez vezes na produção de 1910 a 1920, com mais de 500.000 toneladas de aço sendo produzidas por EAFs em 1920, embora isso representasse apenas uma porcentagem muito pequena de a produção global de aço da época. Os fornos de primeira geração tinham capacidade entre 1 tonelada e 15 toneladas. A EAF tinha conversores Bessemer/Thomas e fornos Siemens Martin (lareira aberta) como fortes concorrentes, inicialmente. Mas seu nicho era a produção de aços especiais que exigiam alta temperatura, fusão de ferroligas e longos tempos de refino.

EAF é uma fase padrão no processo de fabricação de aço. Ao longo dos anos a EAF evoluiu dinamicamente e adotou métodos eficientes, competitivos e sustentáveis ​​no processo e a produção global de aço da EAF está aumentando. Muitos países que não podem produzir ferro pela rota tradicional, ou seja, rota BF-BOF) estão adaptando a rota EAF de fabricação de aço. Uma das principais razões para esses países adaptarem a rota de fabricação de aço EAF é a indisponibilidade de carvões de coque e a fácil disponibilidade de energia de baixo custo devido à acessibilidade de combustível barato. A siderúrgica que utiliza a tecnologia EAF para a produção de aço é conhecida como mini-mills e esta indústria é a maior recicladora de sucata de aço.

Enquanto os EAFs foram amplamente utilizados na Segunda Guerra Mundial para a produção de ligas de aço, foi somente mais tarde que a fabricação de aço elétrico começou a se expandir. O baixo custo de capital para uma mini-mill permitiu que as usinas se estabelecessem rapidamente em um cenário global devastado pela guerra, e também permitiu que elas concorressem com sucesso com as grandes siderúrgicas por 'produtos longos' de aço carbono de baixo custo (aço estrutural, barras e vergalhões, e fio-máquina) no mercado.

Quando a Nucor, hoje uma das maiores produtoras de aço dos EUA, decidiu entrar no mercado de longos em 1969, optou por iniciar uma mini-mill, tendo um EAF como forno siderúrgico, logo seguido por outros fabricantes. Enquanto a Nucor se expandiu rapidamente no leste dos EUA, as organizações que as seguiram em operações de mini-mills concentraram-se nos mercados locais de produtos longos, onde o uso de um EAF permitiu que as plantas variassem a produção de acordo com a demanda local. Esse padrão também foi seguido globalmente, com a produção de aço EAF usada principalmente para produtos longos, enquanto as usinas integradas, usando a rota de produção BF – BOF, concentradas nos mercados de 'produtos planos' (chapas de aço, tiras e chapas de aço mais pesadas, etc.). .). Em 1987, a Nucor tomou a decisão de expandir para o mercado de produtos planos, ainda utilizando o método de produção EAF.

O aumento na produção e tecnologia de EAF em todo o mundo deve-se às seguintes razões.


O crescimento da siderurgia EAF tem sido acompanhado por diversas melhorias tecnológicas que permitiram grandes reduções nos requisitos de energia e melhorias na eficiência energética, produtividade do forno e ambiente de trabalho na aciaria. Essas melhorias tecnológicas trouxeram várias vantagens para as operações do EAF, que incluem, entre outras, operação estável do arco elétrico, baixo consumo de energia, baixo consumo de eletrodos, menos quebras de eletrodos, menor força aplicada aos eletrodos e braços de rolamento de eletrodos e menores distúrbios de rede.

O processo de fabricação de aço EAF dependia apenas da energia elétrica até que as energias químicas se tornassem suplementares para reduzir o custo de conversão através da melhoria da produtividade EAF. No entanto, o gerenciamento eficiente da energia elétrica e química se dá pela combinação do controle dinâmico eficiente do arco elétrico com uma injeção balanceada de oxigênio e carbono para aumentar a produtividade do EAF. As plantas EAF geralmente usam uma mistura de ferro reduzido direto (DRI) / ferro briquetado a quente (HBI) / DRI quente e alimentações de aço reciclado e materiais à base de carbono como agentes espumantes de escória e como carburadores. De acordo com os requisitos de redução do consumo de energia e emissões de gases de efeito estufa, o antracito tradicional e o coque metalúrgico são substituídos por materiais à base de carbono e agora as fontes alternativas de carbono, como pneus de borracha em fim de vida e plásticos reciclados, também estão substituindo parcialmente os materiais convencionais de carbono.

Melhorias nos projetos EAF

Muitas das melhorias tecnológicas no projeto dos EAFs foram feitas para a redução dos tempos de tap-to-tap. Essas melhorias incluíram o seguinte.

Principais desenvolvimentos na tecnologia EAF

Algumas das principais melhorias tecnológicas durante os últimos quarenta anos são apresentadas a seguir.

EAF com pneus de borracha e plásticos

Um estudo realizado pela Sidney Steel Mill da One Steel em colaboração com a UNSW em testes de laboratório sobre o uso de pneus de borracha na fabricação de aço EAF para otimização de escória espumosa desenvolveu e comercializou um sistema de engenharia por meio de testes em plantas para EAFs para injetar misturas de borracha de pneus em fim de vida e coque em EAF como agentes espumantes de escória. O método resultou em benefícios como aumento de volume e espumosidade da escória, incluindo melhor eficiência de energia elétrica devido a um arco mais longo e melhor transferência de calor do arco para o aço, bem como diminuição da perda de calor através da escória e paredes laterais. Enquanto os fabricantes de aço EAF que usam a tecnologia de injeção de polímero (PIT) também podem esperar melhorias no rendimento, consumo de oxigênio injetado, consumo de refratários e eletrodos e desgaste do sistema de injeção. A tecnologia de injeção de borracha (RIT) tornou-se um processo padrão nas siderúrgicas da One Steel em Sydney e Laverton EAF e alcançou marcos significativos com 40.720 calores aproveitados com injeção de borracha, 13.721 toneladas de coque reduzido devido – substituído e redução na injeção devido a Controle de FeO e dimensionamento consistente, e 1.128.486 pneus de passageiros equivalentes usados. O aço verde resultante de pneus velhos de borracha e plásticos não produz resíduos ou gases tóxicos.




Processo de manufatura

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