Otimização da Produção de Aço: Uso de Ferro Gusa Quente em Fornos de Arco Elétrico

Uso de Ferro Gusa Quente para Produção de Aço em Forno de Arco Elétrico

A produção de aço pelo forno de arco elétrico (FAE) tem excelente flexibilidade com relação à seleção de materiais de carga. O material de carga tradicional para o processo FAE tem sido 100% de sucata fria, mas, devido a questões relacionadas à sucata, como sua disponibilidade e qualidade, flutuações de preço de mercado e restrições impostas pela sucata na produção de alguns graus de aço devido a elementos residuais e nível de nitrogênio, materiais de carga alternativos têm sido usados em porcentagens variadas com sucesso pelos operadores de FAE. Os materiais de carga alternativos são ferro reduzido direto (FRD), ferro briquetado a quente (FBQ), ferro gusa ou ferro gusa quente.

O uso de ferro gusa quente é mais popular em áreas onde há escassez de sucata e/ou energia elétrica ou a energia elétrica tem alto custo. A fonte popular de ferro gusa quente é o alto-forno; portanto, o ferro gusa quente pode ser usado naqueles FAEs que estão em close proximidade do alto-forno, caso contrário, o operador do FAE tem que usar ferro gusa. O ferro gusa precisa de energia extra para sua fusão. Uma grande faixa de variação nas proporções de ferro gusa quente e sucata são possíveis na produção de aço em FAE. Com operação de 100% sucata em uma extremidade da escala; o FAE também pode ser operado com uma carga de apenas 20% sucata e 80% ferro gusa quente. Atualmente, existem muitos FAEs que foram projetados para usar até 80% de ferro gusa quente na carga.

A combinação de uma carga de ferro gusa quente e sucata no FAE ajuda a melhorar o desempenho operacional do processo. O ferro gusa quente tem carbono e silício dissolvidos, que são importantes fontes de calor disponíveis com sua oxidação. O calor de oxidação desses elementos junto com o calor sensível disponível no ferro gusa quente ajuda na redução substancial no consumo de energia durante a produção de aço no FAE. Além disso, o ferro gusa quente é livre de materiais estranhos não metálicos que foram removidos como escória durante o processo de produção de ferro. No entanto, os operadores de FAE precisam ter cuidado com a forte reação que ocorre no forno devido ao carbono no ferro gusa quente. O ferro gusa quente pode ser carregado de maneira controlada para cuidar do teor de carbono no banho de metal líquido no forno.

Principais Benefícios Associados ao Carregamento de Ferro Gusa Quente no FAE

• Produtividade aumentada.
• Melhoria na formação de espuma de escória.
• Aumento do teor de carbono na carga.
• Alta pureza, baixo teor de ganga do ferro gusa quente permite a produção de produtos de aço que necessitam baixo teor residual.
• O ferro gusa quente tem química conhecida e consistente certificada por análise, o que compensa as amplas flutuações de química comuns com o uso de sucata obsoleta.

A energia química contida no ferro gusa quente é entregue eficientemente pelo carbono contido, que promove fusão mais rápida e aumento da produtividade. O ferro gusa quente é extremamente benéfico para aumentar a produtividade do FAE e alcançar tempos curtos de vazamento a vazamento (tap-to-tap), desde que o projeto do forno não restrinja a taxa de descarburização. O ferro gusa quente também permite considerável flexibilidade na seleção de sucata. Devido ao baixo teor residual do ferro gusa quente, é possível utilizar sucata de baixo grau quando maior proporção de ferro gusa quente é usada no FAE.

O ferro gusa quente fornece benefícios semelhantes ao ferro gusa, com o benefício adicional de que o material já está a uma temperatura de cerca de 1.300 °C ou superior. Assim, a maior parte da necessidade de energia no FAE (necessária para fusão do Fe) já é fornecida. Uma tonelada de ferro gusa quente a 1.430 °C fornece cerca de 250 kWh na forma de calor sensível, baseando-se apenas no teor de Fe. Para o uso de ferro gusa no FAE, as economias típicas de energia estão na faixa de 3,1 kWh/porcentagem de ferro gusa a 3,6 kWh/porcentagem de ferro gusa. O uso de ferro gusa quente aumenta a economia para 4,8 kWh/porcentagem de ferro gusa quente. O uso de grandes quantidades de ferro gusa quente pode diminuir o consumo de energia para o nível de 200 kWh por tonelada de ferro gusa quente e abaixo, podendo ser muito benéfico para localidades que têm uma rede elétrica fraca.

Influência do FGQ nos Parâmetros-Chave do Processo FAE

Nos tempos recentes, a ênfase principal na produção de aço em FAE tem sido relacionada a alcançar máxima eficiência energética. Além disso, os materiais de carga de alimentação influenciam o projeto do FAE e sua prática operacional. A influência do FGQ como material de carga em vários parâmetros-chave de um processo FAE de produção de aço é detalhada abaixo.

Elementos Residuais

Elementos residuais, também conhecidos como elementos tramp, não podem ser removidos do aço durante o processamento. Portanto, a quantidade destes elementos no produto é uma função direta da quantidade destes elementos carregados no processo de produção de aço através dos materiais de carga. Altos níveis de elementos residuais podem afetar operações de lingotamento e laminação, além de afetar a qualidade do produto. Ao adicionar FGQ, que é uma unidade de ferro limpa, na mistura de carga, o nível de elementos residuais no aço líquido pode ser reduzido a níveis aceitáveis através do processo de diluição.

Nível de Nitrogênio no Aço

O nitrogênio é geralmente considerado impureza indesejável que causa fragilização em aços e afeta o envelhecimento por deformação. O nitrogênio no aço líquido está presente na forma de solução. Durante a solidificação do aço no lingotamento contínuo, o nitrogênio é a principal razão para a formação de bolhas (blow holes). O ferro gusa quente, por causa de seus níveis mais baixos de nitrogênio, fornece um efeito de diluição e também resulta na geração de gás monóxido de carbono (CO) dentro do banho de aço através da ebulição por carbono (C boil), o que leva ainda mais à redução do teor de nitrogênio no aço.

Remoção de Hidrogênio

O gás CO evoluído durante o processo de descarburização ajuda na remoção de hidrogênio. Foi demonstrado que a descarburização a uma taxa de 1% por hora pode reduzir os níveis de hidrogênio no aço de 8 ppm para 2 ppm em 10 minutos.

Influência na Produtividade e Outros Parâmetros Operacionais

Com o uso de FGQ na mistura de carga, há maior consumo de oxigênio, o que ajuda na melhoria da produtividade do FAE, em menor tempo de vazamento a vazamento, melhor rendimento de Fe e redução no consumo específico de energia. Com o uso de FGQ na mistura de carga, a economia está na faixa de 4 kWh por porcentagem de ferro gusa quente a 8 kWh por porcentagem de ferro gusa quente na carga. A Figura 1 mostra a relação da produtividade e consumo específico de energia com a porcentagem de ferro gusa quente na carga do FAE.

Papel do Carbono

Durante a produção de aço no FAE, o carbono é necessário para reagir com o oxigênio e óxido de ferro para ajudar na formação de espuma de escória. Algum carbono também é necessário para atender ao requisito do produto. O carbono também é carregado no FAE para reagir no banho com oxigênio injetado para produzir gás CO, bem como para fornecer entrada suficiente de energia química para economia de consumo de energia elétrica. A geração de gás CO dentro do banho ajuda a alcançar baixa concentração de gases dissolvidos no aço. As bolhas de gás CO também ajudam na formação de espuma de escória (criam uma emulsão) que ajuda a conter o arco elétrico e melhorar a transferência de energia para o banho de aço em vez de para a carcaça do forno e transferência para o banho por energia de radiação. As eficiências de transferência sob várias condições de escória são dadas na Tabela 1.

Tabela 1 – Tipo de arco e eficiência de transferência de energia elétrica
Nº	Tipo de arco	% eficiência de energia elétrica
1	Livre (free burning)	26
2	Parcialmente cercado por escória espumante	65
3	Totalmente cercado por escória espumante	93
4	Parcialmente aquecimento por resistência	97
5	Total aquecimento por resistência	100

Pode-se ver que imergir totalmente o arco elétrico na escória espumante tem enorme efeito positivo na transferência de energia. Assim, as perdas de calor por radiação podem ser reduzidas. A quantidade total de adição de carbono necessária na operação do FAE depende de vários fatores: (i) teor de carbono dos materiais de alimentação; (ii) nível planejado de consumo de oxigênio; (iii) nível de carbono no vazamento desejado; (iv) economia do rendimento de Fe comparado ao custo do carbono; e (v) capacidade do sistema de gás de escape. O carbono é normalmente adicionado no FAE na forma de carvão ou coque, que tem um teor de cinzas que é um material indesejado na produção de aço. O ferro gusa quente tem carbono na faixa de 3,8% a 4,5%. Portanto, o uso de ferro gusa quente economiza muito custo quando comparado com a adição de carbono ao banho de fontes externas.

Devido à recuperação errática de carbono da carga no FAE, muitos operadores de FAE recorreram a materiais de alimentação de alto carbono, como ferro gusa ou ferro gusa quente, etc., como forma de reduzir as variações nas operações de produção de aço. Quando grandes quantidades de ferro gusa ou ferro gusa quente são usadas, não é necessário adicionar carbono de carga. Cada 1% de ferro gusa quente na carga fornece 0,435 kg por tonelada de carga de carbono (assume 4% C no ferro gusa quente, e 92% rendimento de sucata). Assim, 20% de ferro gusa quente na carga fornece o equivalente a quase 9 kg por tonelada de carbono de carga. A recuperação de carbono contido em materiais de alimentação metálicos é muito alta (tipicamente 90% a 100%). Quando a recuperação melhorada de carbono é levada em conta, esta quantidade de ferro gusa quente pode substituir 10 kg por tonelada de carbono de carga a 60 kg por tonelada de carbono de carga.

Características de Projeto

A questão-chave do FAE é sua capacidade de descarburização. Alto teor de carbono na carga requer tempo adicional para descarburização. O FAE não pode utilizar taxas de injeção de oxigênio típicas da prática de produção de aço em conversor de oxigênio básico (BOF). Participação de ferro gusa quente excedendo 40% tem sido considerada como limite máximo acima do qual a produtividade do FAE é reduzida devido à capacidade insuficiente de injeção de oxigênio. No entanto, atualmente existem FAEs projetados para usar até 80% de ferro gusa quente.

Os limites de injeção de oxigênio em FAEs de projeto normal estão geralmente relacionados a problemas com fenômenos extensos de respingos, retrofogo, aumento do consumo de eletrodos e erosão do revestimento refratário, bem como redução da vida de painéis de teto e peça central refratária delta. Taxas típicas de descarburização em FAEs de projeto normal variam de 0,06% a 0,1%. Teor de carbono muito alto nos materiais de carga em tais FAEs pode aumentar o tempo de vazamento a vazamento devido a esta limitação. A relação típica entre taxa de descarburização e carga de ferro gusa quente nos materiais de carga do FAE é mostrada na Figura 2.

Comparação com Teor de Carbono de FRD e/ou FBQ

Além disso, no caso de FRD/FBQ (material de alimentação FAE), o carbono também é necessário para reduzir o óxido de ferro presente no FRD e/ou FBQ. Isso aumenta a necessidade de carbono de carga. No caso de ferro gusa quente, tal requisito não existe, pois o ferro gusa quente tem 100% de metalização.

Teor de Silício e Manganês do Ferro Gusa Quente

O ferro gusa quente contém quantidade substancial de silício e manganês. Estes elementos, quando oxidados, fornecem energia química que reduz ainda mais o consumo de energia elétrica. Também, estes óxidos, sendo ácidos em natureza, aumentam o consumo de fundente (CaO e MgO) para manter o nível requerido de basicidade da escória no banho do forno.

Carregamento de Ferro Gusa Quente

O carregamento de ferro gusa quente no FAE parece uma proposição simples, embora na verdade seja bastante complexo. O carregamento de ferro gusa quente em um FAE precisa de cuidado extra, pois o contato com escória de forno altamente oxidada ou sucata fria pode resultar em reações violentas. A perda de controle durante o carregamento de ferro gusa quente pode resultar em transbordamento de escória e metal do FAE. Reações violentas semelhantes normalmente acontecem quando grandes gradientes de concentração de carbono se desenvolvem no banho líquido durante a fase de superaquecimento. A perda de controle durante o carregamento de ferro gusa quente termina com transbordamento de escória e aço do forno. Em casos extremos, danos nos braços de eletrodos também são observados durante erupções violentas no forno.

O carregamento de ferro gusa quente pode ser feito em dois locais: através do teto ou da porta de escória. Algumas usinas carregam ferro gusa quente no FAE balançando o teto e despejando-o no forno. Isso causa mistura muito rápida do ferro gusa quente com a escória altamente oxidada no FAE e, às vezes, devido a isso, explosões ocorrem. Portanto, para este modo de operação, recomenda-se que um desoxidante de escória seja adicionado antes da adição de ferro gusa quente. Desoxidantes típicos são finos de silício, finos de alumínio e carboneto de cálcio.

Os pontos importantes durante o carregamento de ferro gusa quente no FAE são: (i) o carregamento deve ser realizado com energia ligada para evitar perdas de produtividade; (ii) o controle de inclinação da panela de ferro gusa quente deve ser preciso o suficiente para garantir taxas de vazamento estáveis; (iii) o canal de ferro gusa quente deve ser o mais curto possível para evitar congelamento do ferro gusa quente; e (iv) o canal deve ser pré-aquecido entre as operações de vazamento.

Para utilizar a vantagem da temperatura do ferro gusa quente, seu carregamento no forno deve ser feito com teto fechado. O método alternativo de carregar o ferro gusa quente no FAE é despejá-lo em uma calha inserida no lado do FAE. Este método requer mais tempo para carregamento do ferro gusa quente, mas resulta em operação muito mais segura.

Normalmente, as limitações logísticas e de layout não deixam muita liberdade para selecionar o local onde as panelas de ferro gusa quente podem ser entregues à oficina do FAE, ou seja, no lado de carregamento ou vazamento do forno. O próprio projeto do FAE impõe limitações adicionais. A posição do transformador, exaustão de gás de escape, etc., limitam seriamente o espaço disponível onde o canal de ferro gusa quente pode ser inserido no forno e o posicionamento real do canal é um compromisso entre várias considerações. As soluções típicas são dadas na Figura 2. O canal inserido através da porta de escória deve ser móvel (por meio de um carro dedicado de carregamento de ferro gusa quente). Em outras posições, o canal pode ser fixo na carcaça do forno ou no carro de carregamento.

A desvantagem mais séria do carregamento pela porta de escória é o vazamento de ferro gusa quente contra o fluxo de escória. Em alguns casos, isso pode resultar em má remoção de fósforo do banho. Além disso, o vazamento só pode ser iniciado após a área atrás da porta de escória estar livre de escória. A posição do canal na parede lateral é problemática em caso de transbordamento de ferro gusa quente. Naquele local, é difícil coletar o metal derramado. Além disso, qualquer transbordamento cria risco para todas as tubulações instaladas na área vizinha. O canal localizado no balcão do EBT (vazamento de furo de vazamento excêntrico) parece ser o mais vantajoso. Devido à presença limitada de sucata naquela área, o carregamento de ferro gusa quente pode ser iniciado muito cedo. Em caso de transbordamento, o ferro gusa quente pode ser coletado no poço de vazamento abaixo do forno.

A maioria das operações modernas injetam oxigênio em vários locais em vez de usar a única lança da porta de escória. Sob esta condição, foi estabelecido que carga de ferro gusa quente de 30% a 40% é mais adequada para FAEs. Carregamento de ferro gusa quente até 50% foi usado com sucesso em alguns FAEs. No entanto, carregamento de ferro gusa quente acima de 50% resulta em problemas operacionais, pois calor excessivo é gerado através da oxidação de elementos como carbono, manganês e silício, o que pode levar a superaquecimento dos fornos.

Com os novos avanços na tecnologia de FAE e processo, a remoção de carbono em alta velocidade do ferro gusa quente pode ser alcançada no FAE sem perder rendimento ou sobrecarregar o sistema de gás de escape. À medida que a tecnologia de FAE evoluiu, a utilização econômica de ferro gusa quente no FAE aumentou de um máximo de 50% para até 80%. A utilização total do conteúdo de energia do ferro gusa quente pode agora ser alcançada.