Processo CAS-OB: Metalurgia Secundária Avançada com Tratamento por Argônio e Oxigênio

Processo CAS-OB de Metalurgia Secundária

O processo CAS-OB é um processo de tratamento de panela na metalurgia secundária usado para o aquecimento do aço por meios químicos. A abreviação CAS-OB significa "Composition Adjustment by Sealed Argon Bubbling – Oxygen Blowing" (Ajuste de Composição por Borbulhamento de Argônio Selado – Sopro de Oxigênio). O processo foi desenvolvido e patenteado pela Nippon Steel Corporation nos anos 1980. Durante o processo CAS-OB, as funções mais importantes são o ajuste da temperatura a um nível ótimo e a adição precisa de elementos de liga. O propósito do aquecimento é garantir temperatura suficiente do aço líquido quando ele é enviado à máquina de lingotamento contínuo. O processo CAS-OB pertence aos processos que operam à pressão atmosférica.

O processo CAS-OB é projetado para homogeneização e controle da composição e temperatura do aço. É um processo de tratamento de panela projetado para aquecimento e liga do aço líquido. O processo é amplamente usado para graus de aço que não requerem tratamento de desgaseificação a vácuo. Recentemente, devido à aplicação mais ampla do tratamento de desgaseificação a vácuo, o uso do processo CAS-OB diminuiu.

O processo CAS-OB permite recuperações de liga consistentemente altas e o reaquecimento do aço usando a reação exotérmica entre oxigênio e alumínio. Com esta capacidade de bom controle de composição química, homogeneidade do aço e reaquecimento, o processo CAS-OB torna-se uma estação de buffer ideal na metalurgia secundária da siderurgia. O objetivo do processo CAS-OB é homogeneizar e controlar a composição e temperatura do aço. Foi relatado que o processo CAS-OB permite melhor agendamento, controle de temperatura aprimorado e maior pureza de inclusões.

Princípio e Equipamentos do Processo

O CAS-OB é um processo de tratamento de panela projetado para aquecimento e liga do aço líquido. O processo permite adições de liga sob atmosfera inerte de argônio. Permite adição simultânea de alumínio e gás oxigênio soprado através de uma lança superior. Estes reagem para formar alumina e geram uma quantidade considerável de calor devido à natureza exotérmica da reação. O processo CAS-OB, portanto, resulta em aquecimento químico do aço líquido.

Em processos de aquecimento químico, o aço é aquecido por meio de uma reação exotérmica de um elemento dissolvido pelo sopro de oxigênio. O uso de alumínio é preferido como elemento para aquecimento químico. Foi relatado que uma concentração de 0,1% de alumínio dissolvido no aço líquido é capaz de produzir um aumento de temperatura de +34 °C reagindo com gás oxigênio. Obviamente, também há perdas de calor causadas por radiação e através das paredes da panela. O princípio do processo CAS-OB é mostrado na Figura 1.

Figura 1 Princípio do processo CAS-OB

Equipamentos do Processo

O processamento do aço líquido é realizado em panelas, equipadas com comportas deslizantes (slide gates) e plug poroso para sopro de argônio. O equipamento para o processo consiste em um snorkel (também chamado de sino/bell) fixado a um suporte móvel. No topo do snorkel, uma porta é provida, que serve para alimentação de alumínio e ferroligas (se necessário) no snorkel e para remoção de gases para o sistema de limpeza de gás. O design do snorkel prevê a descida de lança de oxigênio e lança de processo e instrumentação para amostragem, medição de temperatura e medição de oxigênio dissolvido, bem como uma lança para injeção de pó metálico, composto dessulfurante e fio de siliceto de cálcio (CaSi).

O snorkel consiste em duas partes. A parte superior é revestida apenas por dentro, enquanto a inferior é revestida tanto por dentro quanto por fora. O revestimento do snorkel é normalmente feito com concreto refratário de alta alumina reforçado com 2% de agulhas de aço inoxidável. Estes concretos também são usados para o revestimento da lança de oxigênio e lança submersa para sopro de argônio no aço líquido, que é usada quando o argônio não pode ser fornecido ao aço líquido através do plug poroso de fundo. Tijolos de cromomagnesita também têm sido usados para o revestimento da base do snorkel. Existe uma lança submersa especialmente formatada para agitação adicional de argônio.

A vida útil do revestimento do topo do snorkel é normalmente de 400 a 600 panelas, enquanto a vida do revestimento da base do snorkel é de 50 a 150 panelas. A vida do revestimento da lança de oxigênio é normalmente de 100 panelas no mínimo e a da lança para sopro de argônio é de 150 panelas no mínimo.

O Processo CAS-OB

O aço líquido de um processo primário de siderurgia (forno a oxigênio básico ou forno a arco elétrico) é inicialmente despejado em uma panela. A panela consiste em um revestimento de aço com uma camada de tijolos refratários ou concreto refratário por dentro. A camada refratária fornece isolamento e é resistente ao ambiente corrosivo do banho de aço, tendo uma alta temperatura de cerca de 1600 °C. Durante o tratamento, componentes do aço reagem com oxigênio adicionado para formar uma fase de escória. Adições na forma de óxidos também se dissolvem na fase de escória. Componentes típicos de escória são FeO, SiO₂, MgO, Al₂O₃ e CaO. No processo CAS-OB, a fase de escória participa das reações e protege o aço líquido da atmosfera e funciona como uma camada isolante.

O processo CAS-OB é projetado para criar uma atmosfera inerte acima do aço para permitir a adição de ligas sem contato com oxigênio atmosférico ou escória de óxido. Isso é realizado primeiro criando uma área livre de escória (conhecida como "olho") na superfície do aço líquido pela introdução de argônio no aço através de um plug poroso no fundo da panela. Bolhas de argônio atingindo a superfície do aço empurram a camada de escória no topo da panela, criando uma área livre de escória. A quantidade de fluxo de argônio necessária para produzir o olho de tamanho requerido no topo da panela varia com a condição do plug poroso, a profundidade da escória no topo da panela e a fluidez da escória. Uma vez criado o olho, o snorkel pode ser abaixado na área livre de escória.

A operação do processo é realizada através do uso de três itens: (i) um snorkel refratário no topo da panela, que pode ser usado para conter uma atmosfera inerte de argônio ou a reação química entre oxigênio e alumínio, (ii) fornecimento de gás argônio, e (iii) uma lança de oxigênio resfriada a água. Estes itens funcionais são o coração do processo.

A principal característica do processo é o snorkel refratário sob o qual a adição de liga ao banho é feita. O snorkel fornece um ambiente protegido para adição de materiais de liga, onde a superfície do aço está aberta, mas ainda protegida do contato com a atmosfera circundante. Isso também garante que a quantidade de nitrogênio absorvido possa ser mantida em um nível baixo. A borbulhação de argônio também fornece agitação para homogeneizar temperatura e composição do aço.

A panela de aço é posicionada de forma que o snorkel esteja situado exatamente acima do plug de agitação poroso. Isso garante que a superfície agitada do banho de aço seja confinada à área sob o snorkel. Agitação adicional de argônio, se necessária, pode ser feita através da lança submersa especialmente formatada. O reaquecimento do aço é realizado injetando oxigênio em conjunto com adições de alumínio.

A borbulhação de gás argônio no fundo cria um "olho aberto" na camada de escória. O snorkel é abaixado sobre o aço líquido sobre este olho aberto na escória. Em particular, permite a adição simultânea de alumínio e sopro de gás oxigênio através de uma lança superior. A alumina produzida precisa flutuar para fora para produzir aço limpo. Adição adicional de ferroligas nesta região livre de escória atinge maior rendimento.

Os principais estágios do processo são aquecimento, redução de escória e (possível) ligação. O propósito do estágio de aquecimento é aumentar a temperatura do aço líquido ao seu valor alvo antes de seu lingotamento contínuo. Antes do aquecimento real começar, o aço líquido é agitado por sopro de argônio no fundo para formar uma área de olho aberto livre de escória na superfície do banho de aço. Consequentemente, o snorkel refratário é parcialmente submerso no aço líquido.

Durante o estágio de aquecimento, partículas sólidas de alumínio são alimentadas na superfície livre do aço dentro do snorkel. O alumínio é oxidado sob o snorkel soprando oxigênio com uma lança supersônica e a reação exotérmica causa um aumento na temperatura do aço. Óxido de alumínio (alumina) formado durante o aquecimento vai para a fase de escória sobre a superfície do aço e alguma quantidade de alumínio é dissolvida no aço. Devido ao calor gerado pela reação de alumínio e oxigênio, a temperatura do aço líquido pode ser elevada em até 10 °C por minuto sem desgaste excessivo do equipamento.

Devido ao sopro intensivo da lança, além do alumínio, alguma porção de outros metais da fase do aço, manganês, silício e ferro em particular, são oxidados na escória. Isso é indesejável do ponto de vista econômico e, portanto, é normalmente necessário realizar redução de escória após o estágio de aquecimento.

Além de aumentar o teor de alumina na fase de escória, o sopro de oxigênio leva a um aumento na quantidade de FeO, SiO₂ e MnO na escória. Para evitar perdas excessivas dos componentes metálicos, a redução de escória é realizada após o aquecimento. Durante o estágio de redução de escória, a estrutura do snorkel é erguida e o aço é agitado usando sopro de argônio dos plugs porosos no fundo da panela. Agitação vigorosa de argônio resulta em um movimento circular do aço na panela.

No estágio de redução de escória, a fase do aço é fortemente agitada soprando gás inerte, normalmente argônio, do fundo da panela. A agitação a gás força a fase do aço em um movimento circular. Na interface aço-escória, o aço fluindo causa o desprendimento de pequenas gotas da camada de escória superior. As gotas de escória e aço formam uma emulsão onde ocorre uma grande área interfacial entre as fases. A área interfacial aumentada acelera a transferência de massa entre o aço e a escória e, portanto, fornece condições preferíveis para as reações de redução.

Como resultado de tensões de cisalhamento que o fluxo rotativo do aço impõe na escória superior, pequenas gotas se desprendem da camada de escória, levando a um imenso aumento na área interfacial entre escória e aço. Esta grande área interfacial fornece condições favoráveis para uma alta taxa de redução.

O processo é normalmente dividido em aquecimento, ligação e redução de escória. O objetivo do estágio de aquecimento é aumentar a temperatura do banho de aço por aquecimento químico, que é conduzido alimentando partículas de alumínio no banho e empregando sopro de oxigênio simultâneo através de uma lança superior. Na prática, a taxa de aquecimento químico é limitada para evitar a introdução de estresses térmicos excessivos nas estruturas das paredes por meio de processos de transferência de calor, particularmente radiação e convecção.

O procedimento do tratamento CAS-OB é iniciado definindo o nível do banho de aço para imergir o snorkel a profundidade suficiente. Antes do snorkel ser abaixado, a taxa de fluxo de argônio é aumentada de forma que uma área livre de escória, ou seja, um olho aberto, seja formada na qual o snorkel é imerso. Após o snorkel ser abaixado, o sopro de fundo é diminuído e a desoxidação do aço é realizada por adição de alumínio ou alumínio-silício. Dependendo da medição de temperatura, o processo de desoxidação é seguido pelo aquecimento do aço. No estágio de aquecimento, partículas sólidas de alumínio são alimentadas na superfície do aço e oxigênio é simultaneamente soprado através da lança superior. Um possível estágio de ligação segue após o estágio de aquecimento ter sido completado. Amostras de aço são tomadas antes do aquecimento e após a ligação, pouco antes do snorkel ser erguido.

Após a entrega da panela à posição de processamento do aço líquido, o sopro de argônio através do plug poroso no fundo da panela é iniciado e a presença de purga é monitorada visualmente. Simultaneamente, a altura do free-board é medida e o valor do movimento do sino é calculado. Deve-se garantir que a extremidade inferior do sino seja imersa no aço líquido por pelo menos 200 mm. Também a temperatura do aço líquido e a atividade de oxigênio dissolvido nele são medidas.

Antes do snorkel ser abaixado, o fluxo de argônio é aumentado para que a superfície do aço líquido na purga tenha o "olho aberto". Na área do "olho aberto", o snorkel é abaixado. Após ter abaixado o snorkel no aço líquido à profundidade desejada, o fluxo de argônio é reduzido. A superfície livre do aço líquido da escória dentro do snorkel serve como local para adição de alumínio granular e outros aditivos para desoxidação. Após isso, homogeneização é realizada do aço líquido por 4 a 5 minutos. Então o fluxo de argônio é reduzido ainda mais para coleta de amostra e medição da temperatura do aço líquido. O resultado das medições de temperatura é calculado para aquecimento químico, a quantidade requerida de metal alumínio e oxigênio. A Figura 2 mostra diagrama esquemático de um processo CAS-OB.

Figura 2 Diagrama esquemático de uma instalação CAS-OB

Características Especiais do Processo CAS-OB

Existem várias características especiais do processo CAS-OB. Neste processo, o snorkel desce até o aço para produzir uma área inerte sobre o "olho de escória" (área sem escória desde que a pluma de borbulhamento a empurrou para o lado). A adição de liga e reaquecimento químico por injeção de oxigênio e alumínio são produzidos sob o snorkel. Ele produz mais alumina que um forno de metalurgia de panela, e esta alumina é requerida para flutuar para fora para obter aço limpo.

O diâmetro do snorkel é crítico para garantir a região livre de escória na camada de escória. Deve ser determinado conhecendo o diâmetro do olho aberto durante a borbulha de fundo. O diâmetro do olho aberto pode ser estimado com a ajuda da geometria da pluma de borbulhamento (cone de pluma) que depende da taxa de fluxo de gás.

No processo CAS-OB, a abertura do plug de borbulha de fundo é importante para garantir olho aberto. Para evitar o risco de falha de abertura do plug de borbulha, sistema de mudança de posição do snorkel é adotado. Com este arranjo, a posição do snorkel pode ser comutada para uma boa área de borbulhamento.

O teor total de oxigênio do processo CAS-OB é normalmente similar ao processo de borbulhamento de argônio e forno de panela, mas é ligeiramente inferior ao do processo de desgaseificação a vácuo Ruhrstahl-Heraeus (RH).

Durante o processo, o skull é fixado à parte superior do snorkel, enquanto algum material de óxido é fixado à parte inferior do snorkel. Crescimento de óxido na parte inferior do snorkel causa choque com a borda da panela de vazamento e quebra do sino.

Vantagens e Desvantagens

O processo CAS-OB tem muitas vantagens que incluem: (i) diminuição da temperatura de vazamento (tapping) em cerca de 15 °C, (ii) menor re-sopro (re-blowing) de panelas no forno a oxigênio básico, (iii) homogeneização rápida e confiável de ligas, (iv) alto rendimento previsível de materiais de liga, (v) baixo consumo de alumínio, (vi) atingimento mais consistente da temperatura alvo para lingotamento contínuo, (vii) baixo teor total de oxigênio após tratamento, (viii) permite ligação com tolerâncias estreitas, (ix) redução do consumo e custos de ligas, (x) menores panelas abortadas, e (xi) buffer entre o forno a oxigênio básico e a máquina de lingotamento contínuo resulta em condições de vazamento melhoradas.

Desvantagens do processo CAS-OB incluem: (i) formadores de escória precisam ser adicionados antes que a panela seja transportada para a estação, e (ii) remoção de enxofre não pode ser realizada com o processo. Custos de investimento para instalação de uma estação CAS-OB são maiores comparados a alguns outros processos de aquecimento, como processo IR-UT (injection refining-up temperature), embora as taxas de aquecimento sejam maiores no processo CAS-OB. Além disso, a escória frequentemente adere à estrutura do sino, o que causa aumento no peso e volume do sino. Isso pode ter efeitos indesejáveis na operação CAS-OB.