Fornos a Arco Submerso: Tecnologia Essencial para Metalurgia Moderna

A utilização industrial de energia elétrica começou com o desenvolvimento da máquina dínamo por Werner von Siemens. Fornos a arco elétrico têm sido usados por muitos anos tanto para fusão de sucata de ferro (fornos a arco aberto) quanto para processos de redução (fornos a arco submerso). No caso do forno a arco submerso (FAS), minério e agente redutor são alimentados continuamente ao forno pelo topo de modo que os eletrodos ficam enterrados na mistura e o arco fica submerso. O forno é chamado de forno a arco submerso pois o arco está submerso. O arranjo físico mais comum consiste em um banho circular com três eletrodos verticais dispostos em triângulo. Fornos de seis eletrodos com banhos circulares ou retangulares também são usados, mas são menos comuns.

Fornos a arco submerso encontraram aplicação em mais de 20 áreas industriais principais, como ferro-ligas, indústria química, chumbo, zinco, cobre, refratários, óxido de titânio, reciclagem, fósforo, etc. Um diagrama esquemático típico de um forno a arco submerso para produção de ferro-cromo junto com balanço de massa é dado na Figura 1.

Histórico

A crescente demanda por ferro-ligas e agentes de desoxidação na produção de aço no início do século XX levou ao desenvolvimento do primeiro forno a arco submerso. A construção do primeiro FAS iniciou em 1905. Esta unidade de 1,5 MVA foi instalada em Horst Ruhr, Essen, Alemanha, para produção de carbeto de cálcio. Foi comissionada com sucesso em 1906 e baseava-se em tecnologia CC (corrente contínua).

Desde então, um grande número de FAS (tanto com fornos baseados em CC quanto CA) foram comissionados com diversas aplicações. Hoje, a maioria dos fornos a arco submerso baseia-se em conceitos de CA (corrente alternada).

Princípio e Características do FAS

O princípio de um FAS convencional é aquecimento por resistência elétrica. A energia elétrica é convertida em calor e energia de redução usando a resistência (R) da carga ou da escória fundida, às vezes reforçada pela resistência elétrica de um arco entre a escória e o eletrodo. A energia é transmitida ao cadinho do forno por eletrodos de carbono. A potência do forno é o produto da resistência do cadinho e do quadrado da corrente do eletrodo. Portanto, um aumento limitado da corrente do eletrodo pode resultar em um aumento de carga relativamente grande.

Característica do processo no FAS é que o eletrodo penetra através da matéria-prima para baixo até o cadinho, sobre o banho de metal. Normalmente, a escória penetra neste leito de coque, mas não tão longe a ponto de contatar a ponta do eletrodo. O calor elétrico para fusão é desenvolvido na vizinhança imediata da ponta do eletrodo, onde a maior parte da queda de tensão se concentra. O leito de coque aquecido tem condutividade elétrica e térmica muito alta comparado com a carga fria. Consequentemente, apenas uma parte menor da corrente sai das laterais do eletrodo. O leito de coque também conduz o calor para as zonas de fusão longe do eletrodo. Gases de reação da zona de fusão, principalmente gás CO (monóxido de carbono), passam para cima através das matérias-primas descendentes, pré-aquecendo-as parcialmente, cedendo seu calor sensível e parcialmente causando redução em estado sólido dos óxidos de ferro superiores.

No entanto, a espessura da zona onde os materiais são aquecidos à temperatura de reação é tão pequena que o gás não tem tempo de retenção suficiente para dar uma redução extensiva. 10% a 20% de pré-redução é normal em operação com carga fria.

A equação básica para a potência de entrada no forno é dada por P = 3E Cos φ I = 3RI², onde P é a potência, E a tensão de face entre transformador e cadinho do forno, I a corrente do eletrodo e R a resistência ôhmica do cadinho. Quanto ao fator de potência, a equação é FP = Cos φ – V [R/(R²+X²)], onde R e X são respectivamente a resistência ôhmica e a reatância do sistema. A reatância do forno X é determinada principalmente pelas dimensões do forno e arranjo elétrico e é próxima de constante enquanto as mesmas condições gerais de operação são mantidas. Sem considerar o fator de potência na rede elétrica, a resistência ôhmica no cadinho e a amperagem permitida nos eletrodos são os parâmetros determinantes para a carga no forno.

No entanto, o efeito de um baixo fator de potência pode ser facilmente compensado pela instalação de bancos de capacitores para correção do fator de potência na rede.

Existem diferentes meios de regular a resistência ôhmica pela seleção de matérias-primas e especialmente granulometria e qualidade do material de carbono. No entanto, existem alguns fatores principais que precisam de consideração especial:

• A tendência a acumular um grande leito de coque normalmente dá resistência ôhmica decrescente
• Material condutivo na carga tende a dar fluxo de corrente das laterais dos eletrodos, resultando novamente em resistência reduzida
• Temperatura aumentada nas laterais dos eletrodos aumenta a possibilidade de fluxo de corrente das laterais e, assim, diminui a resistência total

A experiência com FAS convencional é que sua economia depende da disponibilidade de energia elétrica barata. Além disso, os requisitos de tipos específicos de agentes redutores para controlar a resistividade elétrica no forno são importantes. O baixo tempo de retenção no forno comparado ao do alto-forno dá oportunidade para menor redução em estado sólido e utilização de gás dentro do forno. Os gases de escape, portanto, representam uma grande proporção da entrada de calor no processo e a utilização significativa do gás é um fator maior na economia do processo.

A qualidade da matéria-prima tem o maior impacto no processo. Por um lado, afeta a composição da escória e, por outro, o padrão de fusão dentro do forno (baseado nas propriedades físicas e na quantidade de entrada de energia).

As propriedades físicas determinam se o fundidor pode operar no (i) modo de resistência convencional usando a resistência elétrica da escória, ou (ii) modo de arco protegido usando a resistência elétrica da escória e arco ou usando a resistência elétrica da mistura de alimentação.

Características do FAS

Um FAS típico com operação de escória compreende um casco de forno circular ou retangular com bocas de vazamento separadas para escória e metal. Para alguns processos, a escória e o metal são vazados através de uma boca e separados downstream via vazamento em cascata ou skimmers. O casco do forno é revestido com refratário e — se resfriamento adicional do casco for requerido pelo processo — resfriado a água por um sistema especial de resfriamento de parede lateral. O fundo do casco é geralmente resfriado por ventilação forçada de ar. Os eletrodos são consumidos pelo banho do forno. Eletrodos auto-assados com revestimentos ou eletrodos pré-assados são periodicamente estendidos por novas peças. O eletrodo é semi-automaticamente introduzido no banho com o forno a plena carga elétrica e sem interrupção da operação do forno.

Os conjuntos de coluna de eletrodos contêm todas as instalações para segurar, introduzir e regular a penetração no banho. Todas as operações de eletrodos são realizadas hidraulicamente.

A energia elétrica é normalmente fornecida do transformador do forno via linhas de alta corrente, tubos flexíveis resfriados a água nos eletrodos e grampos de contato aos eletrodos. Se o processo gera gás de escape contendo certa quantidade de CO, o forno é normalmente projetado como tipo forno fechado e o gás de escape é coletado e utilizado para aplicações adicionais como geração de energia, aquecimento, bombeamento, geração de vapor, etc.

As principais características normais de fornos baseados em CA são:

• Colunas de eletrodos de baixa manutenção para vários tipos de eletrodos
• Dispositivo de sustentação e introdução de eletrodo robusto e à prova de falhas
• Projeto robusto do forno não permite abaulamento/movimento
• Sistema de carregamento por eletrodo oco
• Projeto de teto estanque a gás resfriado a água fornece gás rico em CO de alta qualidade
• Aplicação de sistema de recuperação de energia possível

Fornos CC Convencionais

Os fornos CC são geralmente do tipo circular e a energia elétrica é convertida em calor principalmente pelo arco, estabelecido entre a ponta do eletrodo e o banho de escória. O eletrodo superior é conectado como cátodo e o sistema de fundo condutivo como ânodo. Um forno típico com operação de banho de escória aberto compreende geralmente 1 a 3 bocas de vazamento de escória e 1 a 2 bocas de vazamento de metal em elevação mais baixa. O forno requer arranjos avançados de resfriamento na área do teto e parede lateral devido ao fato de que a temperatura da escória líquida está em contato direto com o material refratário e devido ao calor de radiação do arco. O conceito refratário é geralmente projetado cuidadosamente para adotar essas condições agressivas. O eletrodo é consumido pelo processo do forno. Eletrodos pré-assados são periodicamente estendidos por novas peças. Conceitos convencionais aplicam braço de eletrodo para regular o eletrodo. As funções mecânicas e os princípios de transferência de potência elétrica são similares às colunas de eletrodos convencionais baseadas em CA.

Também fornos CC podem ser projetados como tipo forno fechado e o CO pode ser coletado. O consumo de energia pode ser otimizado devido ao regulador combinado de movimento do eletrodo com controlador de ignição por tiristor e alta velocidade do eletrodo. O sistema de coluna de eletrodo CC geralmente permite introdução e nippleagem sob plena potência (proporcionando tempo de potência ligada maximizado). Dispositivo de peça central de troca rápida é essencial para tempo máximo de operação. Em fornos CC, normalmente arranjo inteligente de alimentação é necessário para maximizar vazão e vida do refratário. Outras características de um forno CC incluem:

• Projeto robusto do casco
• Sistema de carregamento por eletrodo oco
• Sistemas de resfriamento de teto e parede lateral projetados para suportar proteção suficiente em nível moderado de consumo de energia

O forno CC geralmente opera com arco aberto, que funde o material em tempo muito curto. O material pode ser carregado através do sistema de eletrodo oco diretamente no arco. Normalmente, o arco "dança" na ponta do eletrodo. Portanto, também é prático carregar o material diretamente ao redor da ponta do eletrodo. Em alguns fornos, é possível acumular uma camada de proteção de parede lateral com o material carregado. A maioria dos processos, onde a escória é superaquecida, não permite este tipo de proteção de parede lateral. Geralmente, pode-se afirmar que o consumo total de energia de um forno CC é maior em comparação a um forno CA devido ao seguinte:

• Há maior carga de calor radiante no espaço livre do forno
• Há requisito adicional de resfriamento do forno devido a temperaturas de processo mais altas
• Há alto grau de fumos metálicos que consomem energia adicional

O benefício do forno CC é o uso direto de material fino eliminando a necessidade de investimento em processo intensivo de aglomeração necessário upstream do forno. Também o menor nível de preço do material fino ajuda a reduzir os custos operacionais gerais.

Aplicação do FAS

As áreas de aplicação para FAS incluem produção de ferro-cromo, ferro-níquel, ferro-manganês, silico-manganês, ferro-nióbio, Ilmenita (escória de TiO2) bem como potencial para reciclagem de resíduos.

Originalmente, as ferro-ligas eram produzidas exclusivamente em altos-fornos especiais, resultando em ferro-gusa consistindo de teores pequenos a médios de silício, cromo e manganês. O tipo de fusão e equilíbrio metalúrgico determinava o teor de carbono destas ligas. O forno a arco submerso é uma unidade muito melhor qualificada para produzir ferro-ligas no que tange a controle de temperatura e ajuste a diferentes potenciais de redução. Com o tempo, uma indústria independente de ferro-ligas estabeleceu-se, que atende às demandas permanentemente crescentes da indústria siderúrgica. A maioria das ferro-ligas é produzida por fusão pirometalúrgica ocorrendo em fornos a arco submerso. A forte competitividade dos fornos a arco submerso neste setor foi alcançada principalmente pela instalação de unidades de fusão de alta potência avançadas.

Atualmente, mais de 99% da produção de ferro-ligas e TiO2 é realizada em fornos a arco submerso CA. Não há aplicação na pirometalurgia para fornos CC que não possa ser realizada em fornos CA.

O desenvolvimento de grandes sistemas de eletrodos, tecnologia avançada de transformadores e novos princípios de construção de fornos permitiu o projeto de grandes FAS retangulares com capacidade de até 36 m de comprimento e 17 metros de largura. Do ponto de vista tecnológico, unidades ainda maiores são possíveis, mas sua viabilidade econômica deve ser verificada cuidadosamente.

Atualmente, FAS de alta capacidade de 120 MVA retangulares com sistema de resfriamento a cobre mais tiristor e forno CC de 70 MW para ferro-cromo foram instalados.

Novos desenvolvimentos são reconhecidos para processos aplicando operação de banho de escória aumentada na construção de unidades altamente eficientes com alta densidade de potência. A maior densidade de potência no forno causa maiores fluxos de calor através da parede lateral, o que exige a aplicação de novos conceitos de resfriamento.

Os sistemas de controle também passaram por uma evolução significativa durante as últimas décadas, como mostrado abaixo:

• 1906 — Controlado manualmente
• 1955 — Controlador de feixe equilibrado elétrico
• 1960 — Controlador de bobina móvel
• 1965 — Controlador transdutor
• 1975 — Controlador transistor
• 1985 — Controlador H&B
• 1995 — Controlador por software

Desde o final da década de 1950, todos os FAS são equipados com controladores de eletrodos. Os atuais fornos a arco submerso avançados fazem uso de controladores por software. A aplicação CC para tecnologia de forno a arco submerso mostra mundialmente uma participação crescente em áreas de nicho, especialmente em algumas ferro-ligas, limpeza de escória e unidades de produção de TiO2. No entanto, a maioria dos fornos a arco submerso é e permanecerá baseada em tecnologia CA.