Metalurgia de Panela (Tundish): Otimizando a Transferência de Aço para Lingotagem Contínua

Metalurgia de Panela (Tundish)

Para transferir aço líquido de uma panela de vazamento para o molde da máquina de lingotagem contínua, um vaso intermediário, chamado de panela (tundish), é usado. A panela é um vaso retangular, com a extremidade maior para cima, revestido de refratário, que pode ter uma tampa revestida de refratário no topo. O fundo da panela tem uma ou mais portas de bico com comporta(s) deslizante(s) ou haste(s) de fechamento para controlar o fluxo de aço líquido. A panela é frequentemente dividida em duas seções: (i) uma seção de entrada, que geralmente tem uma caixa de vazamento e onde o aço líquido é alimentado da panela de vazamento de aço, e (ii) uma seção de saída, de onde o aço líquido é alimentado no(s) molde(s) da máquina de lingotagem contínua. Vários dispositivos de controle de fluxo, como barras, vertedores, defletores com furos, etc., podem ser arranjados ao longo do comprimento da panela. Caminho mais longo é preferido para prolongar o tempo de residência do aço líquido para promover a flotação de macro-inclusões. Elementos importantes da metalurgia de panela de uma panela são mostrados na Figura 1.

Funções da Panela na Lingotagem Contínua

A panela de lingotagem contínua serve como um amortecedor e liga o processo descontínuo de refino secundário do aço na panela com o processo de lingotagem contínua no molde. Atua como reservatório durante os períodos de troca de panela e continua a fornecer aço líquido ao molde quando o aço líquido de entrada é interrompido, tornando possível a lingotagem sequencial por várias panelas. As principais causas para formação de inclusões e contaminação do aço líquido incluem reoxidação do aço líquido pelo ar e escória de panela oxidante carregada, arrastamento de escória de panela e de panela, e emulsificação destas escórias no aço líquido. Estas inclusões devem ser flutuadas para fora do aço líquido durante seu fluxo através da panela antes de serem vazadas no molde.

No passado, quando a metalurgia de panela (ex: forno de panela, LF) não estava totalmente desenvolvida, a panela era esperada para funcionar como refinadora do aço líquido desoxidado transferido da panela onde as inclusões não foram totalmente removidas. Sem processamento LF, o aço líquido desoxidado tinha macro-inclusões e um grande número de micro-inclusões de origem indígena que podiam aglomerar para formar macro-inclusões durante a transferência do aço líquido. Uma panela é capaz de reduzir alguma fração de macro-inclusões do aço líquido, ajustar composições químicas, e controlar a temperatura do aço líquido a um nível apropriado para alimentação no molde. Com o uso do LF e/ou desgasificador, a limpeza do aço líquido melhorou significativamente ao longo dos anos para atender às demandas cada vez mais rigorosas dos clientes, e a panela agora é vista mais como um contaminador do que como um refinador. Contaminação apreciável geralmente ocorria durante períodos transitórios (ou não-estacionários) da lingotagem sequencial, ou seja, durante a abertura da panela, na transição de dois aquecimentos (ou troca de panela), e durante o esvaziamento da panela.

Durante períodos transitórios, o fluxo de aço líquido de entrada e qualquer respingo de metal líquido são fortemente reoxidados pelo ar ambiente e pela escória de panela oxidante que é carregada para a panela com o aço líquido. O fluxo de aço líquido atinge e emulsifica agressivamente a escória de panela e a escória da panela flutuando na superfície do aço líquido, que eventualmente são arrastadas para o aço líquido. Tanto a reoxidação quanto o arrastamento de escória geram macro-inclusões de óxido prejudiciais. O aço líquido desoxidado por Al, mesmo após a remoção de partículas grandes de produto de desoxidação no LF, contém um grande número de partículas finas de alumina em suspensão. Estas partículas são encontradas para aglomerar pelo fluxo turbulento do aço líquido durante a transferência do aço líquido da panela via panela para o molde, formando grandes aglomerados de alumina.

As macro-inclusões e grandes aglomerados de alumina são conhecidos por serem a principal causa de problemas de processamento a jusante e defeitos ocorrendo em fios e seus produtos finais. Os clientes das usinas siderúrgicas geralmente exigem aço mais limpo com menor tamanho de macro-inclusões e aglomerados para melhor desempenho dos produtos de aço. Consequentemente, o projeto e operação de uma panela devem ser direcionados para minimizar a formação de macro-inclusões e aglomerados de alumina, e removê-los uma vez formados. Caso contrário, todos os esforços feitos na limpeza do banho no LF e durante outras etapas do processo não têm valor.

Em seus estágios iniciais de desenvolvimento, a panela era considerada nada mais que um reservatório para manter aço líquido suficiente para fornecer uma carga constante sobre o molde, e permitir que a troca de panela ocorresse sem interrupção da lingotagem sequencial. Com a ênfase contínua na qualidade superior do aço, agora está cada vez mais claro que a panela de lingotagem contínua tem uma função muito mais importante como reator contínuo do que originalmente previsto. A panela, que é um acoplador crucial no processo de lingotagem contínua de aço de alta qualidade, agora se tornou verdadeiramente reconhecida como um reator metalúrgico crítico. Como tal, é um vaso no qual ocorre uma série de operações que requerem controle químico, térmico e físico.

Várias tecnologias, como bico longo ou tubo de proteção com gás inerte, foram implementadas para reduzir a reoxidação pelo ar e emulsificação de escória. Similarmente, dispositivos de controle de fluxo do banho foram usados para melhorar a flotação de inclusões formadas durante o processo. A implementação de controle ativo da temperatura do aço líquido na panela também contribuiu para a lingotagem de aço limpo. Estas medidas provaram ser bastante bem-sucedidas, pelo menos durante a operação estacionária da panela, mas podem não ser suficientes para a operação não-estacionária. A operação não-estacionária é parte integrante da lingotagem sequencial longa para melhor rendimento de metal. Embora seja desejável lingotar aço de alta qualidade, um compromisso entre qualidade e custo sempre foi atingido em qualquer operação de panela.

A qualidade do aço líquido entregue da panela para o molde depende altamente do grau e controle da interação das fases de escória, gás e refratário com o aço líquido. Uma panela moderna é projetada para fornecer máxima oportunidade para realizar várias operações metalúrgicas, como separação de inclusões, flotação, liga, modificação de inclusões por tratamento com cálcio, controle de superaquecimento, homogeneização térmica e de composição, levando ao desenvolvimento de uma área separada de refino secundário do aço, referida como metalurgia de panela.

A panela de lingotagem contínua tem vários papéis, que incluem: (i) um elo crítico na cadeia de qualidade da siderurgia, (ii) um refinador contínuo, e (iii) um transmissor de sinais metalúrgicos. O cerne do processo permanece que uma panela não controlada se torna um contaminador em vez de um refinador. É inegável que a panela é tão parte das práticas de aço limpo quanto a panela antes dela e o molde subsequentemente a ela. Se a qualidade construída no aço nas operações de siderurgia primária e secundária é perdida na panela, a capacidade de produzir um produto de qualidade que atenda à aplicação pretendida depende inteiramente da recuperação no molde. Esta é uma tarefa muito mais árdua, considerando o tempo limitado que o aço reside nos confins do molde, que fornece uma capacidade finita de limpar o aço no último estágio antes da solidificação completa.

Muitos operadores de usinas siderúrgicas estudaram suas panelas para maximizar os benefícios do tempo de residência disponível para a flotação e assimilação de produtos de reação do aço líquido na fase de escória. Estes podem ser produtos de desoxidação, reoxidação, precipitação, emulsificação e/ou arrastamento de componentes refratários no aço líquido, e assim abrangem tanto inclusões indígenas quanto exógenas. Baseado em uma escolha sólida de projeto de panela, a operação de uma panela precisa ser orientada para o seguinte:

• Promover a flotação de inclusões maximizando o tempo de residência
• Garantir a assimilação de inclusões por uma escória cativa e não corrosiva
• Reduzir perdas térmicas e químicas do aço líquido
• Minimizar curto-circuito e zonas mortas
• Oferecer ao operador um projeto ótimo para qualidade e rendimento.

A eliminação de contaminação por ar e/ou fases refratárias e tecnologias para suportar práticas de aço limpo é parte integrante de operações de panela sólidas. Critérios de projeto, modelagem, controles de fluxo de panela, escórias, controle de temperatura e melhorias de limpeza, assim como operações não-estacionárias, são aspectos importantes da metalurgia de panela. Uma vez que um projeto de panela foi finalizado para uma aplicação específica, os operadores estão em posição de maximizar melhorias de qualidade quando a panela é considerada e operada como um refinador contínuo. O operador precisa estar ciente de que desvios das práticas estabelecidas de aço limpo podem ter resultados desastrosos.

Com ênfase em taxas de produtividade mais altas impulsionadas por velocidades de lingotagem aumentadas, maior disponibilidade de máquina e melhor rendimento do produto, panelas maiores e mais profundas tornaram-se a norma na indústria. Isso proporcionou um efeito benéfico na limpeza do aço, pois a separação de inclusões é geralmente facilitada em um vaso de panela mais alto e mais volumétrico, especialmente se cuidado é tomado para que as inclusões não sejam fisicamente arrastadas a níveis desnecessariamente profundos.

A busca por maiores profundidades de operação da panela não apenas adicionou ao tempo de residência do metal, mas também forneceu o benefício adicional de reduzir o potencial de vortexing de escórias da panela, especialmente durante condições transitórias, como trocas de panela. Isso é verdade independentemente do tipo de dispositivos dosadores de panela para molde usados, que podem ser orifícios dosadores simples, controle por haste de fechamento, mecanismos de comporta deslizante de múltiplas placas ou as válvulas de controle de precisão mais recentemente introduzidas. Para utilizar a panela como um vaso de refino, então, os seguintes critérios devem ser satisfeitos:

• Eliminação de fontes de contaminação do aço fundido, por exemplo, erosão refratária, reoxidação, carregamento de escória de panela e emulsificação de escória de panela.
• Promoção da flotação e separação de inclusões do aço líquido por meio de dispositivos modificadores de fluxo (DMF), filtros e escória projetada.
• Introdução de tecnologias como controle térmico, transferência livre de escória e sistemas otimizados de entrega de metal ao molde.

O papel e funções da panela no processo de lingotagem contínua e sua significância na produção de lingotagem de aço limpo são resumidos abaixo:

• A panela liga a panela de vazamento com o molde de uma máquina de lingotagem contínua. Aceita aço líquido de uma panela e o entrega aos moldes de lingotagem contínua com contaminação mínima, uniformemente e a uma taxa de fluxo e temperatura desejadas.
• A panela é um vaso revestido de refratário consistindo de seções de entrada e saída e dispositivos de controle de fluxo, como barras e vertedores ou um defletor com furos, ao longo de seu comprimento. Uma panela pode ter uma tampa revestida de refratário, e tem portas de fundo que são montadas com comportas deslizantes ou hastes de fechamento através das quais o banho é vazado no molde.
• A reoxidação pelo ar do fluxo de aço líquido de entrada é prevenida com o uso de um bico longo imerso no aço líquido na panela ou por um tubo protegido com fluxo de gás argônio.
• O bico longo e o tubo protegido também servem para reduzir a emulsificação da escória no aço líquido.
• Dispositivos de controle de fluxo na panela aumentam o tempo de residência do aço líquido e ajudam a reduzir macro-inclusões originadas de reoxidação pelo ar e emulsificação de escória. Ao mesmo tempo, aglomerados de inclusões de alumina aglomeradas são reduzidos pela flotação destas inclusões.