Materiais Essenciais para Produção de Aço em Forno a Oxigênio Básico

Materiais Necessários para Produção de Aço em Forno a Oxigênio Básico (FOB)

Os seguintes tipos de materiais são necessários para a produção de aço líquido no processo de fabricação de aço em forno a oxigênio básico (FOB) (Figura 1).

• Matérias-primas básicas: gusa líquido, sucata, cal, etc.
• Matérias-primas secundárias: desoxidantes e carburizantes.
• Gases de utilidade: oxigênio, nitrogênio, argônio, etc.
• Refratários e materiais refratários: material de revestimento, material de projeção (gunning) e materiais de remendo.
• Sondas consumíveis: sondas de temperatura e sondas de amostragem.
• Água de resfriamento para resfriamento da lança de sopro de oxigênio e gases de exaustão.

Figura 1 – Materiais necessários para a produção de aço em forno a oxigênio básico

Matérias-Primas Básicas

As matérias-primas básicas para produção de aço no conversor FOB incluem: (i) gusa líquido do alto-forno, (ii) sucata de aço e/ou qualquer outra fonte de ferro metálico, (iii) minério de ferro, e (iv) fundentes. A sucata, carregada de uma caixa de sucata, é o primeiro material a ser carregado no FOB. O gusa líquido é então vazado no conversor a partir de uma panela de carga de gusa, após o que se inicia a soprada com gás oxigênio. Os fundentes, geralmente em forma de grumos, são carregados no FOB através de um sistema de silos após o início da soprada de oxigênio. Os fundentes também podem ser injetados no forno em forma de pó através de tuyeres de fundo. A composição e quantidades de matérias-primas básicas usadas no conversor FOB variam de uma aciaria para outra, dependendo de sua disponibilidade e economia do processo.

Gusa Líquido (Ferro Líquido)

O gusa líquido ou ferro líquido é a fonte primária de unidades de ferro e energia. É recebido dos altos-fornos em vagões de topo aberto ou torpedo. No caso de panelas de topo aberto, o gusa é vazado em um misturador de gusa para manter sua temperatura antes do uso no conversor FOB. A composição química do gusa pode variar substancialmente, mas tipicamente contém: 3,8% a 4,5% de carbono, 0,5% a 1,5% de silício, 0,25% a 1,5% de manganês, 0,05% a 0,15% de fósforo e 0,03% a 0,08% de enxofre.

O nível de enxofre do gusa pode ser reduzido a até 0,001% em uma planta de dessulfuração de gusa. A composição do gusa depende da prática e carga do alto-forno. Geralmente, há diminuição no teor de silício e aumento no enxofre do gusa quando o alto-forno opera em regime mais frio. O teor de fósforo do gusa aumenta se o teor de fósforo for alto na carga do alto-forno.

Carbono e silício são os principais contribuintes de energia. O silício do gusa afeta a quantidade de sucata que pode ser carregada na carga do FOB. Por exemplo, se o silício do gusa é alto, mais calor é gerado por sua oxidação, permitindo carregar mais sucata. O silício do gusa também afeta o volume de escória, e consequentemente o consumo de cal e o rendimento de ferro resultante.

O gusa geralmente está saturado com carbono, e sua concentração de carbono depende da temperatura e concentração de outros elementos solutos como silício e manganês. O teor de carbono aumenta com o aumento da temperatura e teor de manganês, e diminui com o aumento do teor de silício.

É importante conhecer a temperatura e o teor de carbono do gusa no momento em que é vazado no conversor FOB para controle do processo. A temperatura do gusa é normalmente medida na panela de carga antes de ser carregada no FOB. Tipicamente, a temperatura varia entre 1300 °C e 1350 °C.

Dessulfuração do Gusa

A dessulfuração é favorecida a altas temperaturas e baixos potenciais de oxigênio. A presença de outros elementos solutos no gusa, como carbono e silício, aumenta a atividade do enxofre, o que por sua vez melhora a dessulfuração. Assim, baixo potencial de oxigênio e altos teores de carbono e silício tornam as condições mais favoráveis para remover enxofre do gusa do que do aço no conversor FOB. Nem todo gusa é dessulfurado. Gusa usado para produzir graus de aço com especificações rigorosas de enxofre é dessulfurado em planta de dessulfuração, onde reagentes podem reduzir o enxofre a até 0,001%, mas mais tipicamente na faixa de 0,004% a 0,005%. É importante que a escória produzida após a dessulfuração do gusa seja removida efetivamente por escorificação. Essa escória contém altas quantidades de enxofre, e qualquer escória carregada para o conversor FOB, onde condições não são boas para dessulfuração, causa captação de enxofre no aço líquido.

A pesagem do gusa é feita em balança antes de ser vazado no conversor FOB. É muito importante que o peso do gusa seja conhecido com precisão, pois qualquer erro pode causar problemas na química de turndown, temperatura e tamanho da carga no conversor FOB. Esse peso também é entrada importante para o modelo de carga estática.

Sucata

A sucata é a segunda maior fonte de unidades de ferro no conversor FOB após o gusa. É basicamente ferro ou aço reciclado, gerado dentro da usina (ex: aparas na lingotadeira contínua, sucata de laminação, sucata recuperada de resíduos da aciaria, ou sucata de manutenção) ou comprada de fonte externa.

É importante que os vários tipos de sucata sejam carregados em quantidades corretas para atender aos requisitos da mistura de sucata na caixa de sucata. A caixa de sucata é pesada para saber a quantidade exata. A mistura e o peso da sucata são parâmetros importantes; caso contrário, o desempenho de turndown da carga no conversor FOB é afetado adversamente.

Geralmente, sucata mais leve é carregada na frente e a mais pesada na parte traseira da caixa. Isso faz com que a sucata mais leve caia primeiro no conversor FOB quando a caixa é inclinada. É preferível que a sucata mais leve caia primeiro no revestimento refratário, antes da mais pesada, para minimizar impacto e danos ao revestimento. Além disso, como sucata pesada é mais difícil de derreter que a leve, é preferível que fique no topo, mais próxima da área de impacto do jato de oxigênio, derretendo mais rápido. Peças de sucata grandes demais para serem carregadas no forno são cortadas em pedaços menores por meio de tesouras, corte a chama ou lança de oxigênio. Peças finas e pequenas, como aparas de chapa e perfurações, são compactadas em fardos usando prensas hidráulicas especiais. Normalmente, peças maiores e mais pesadas são mais difíceis de derreter que as menores e leves. Sucata não derretida pode causar problemas significativos no controle do processo, resultando em altas temperaturas ou químicas fora da especificação no turndown.

A prática de sopro combinado no conversor FOB pode melhorar significativamente as características de mistura e, consequentemente, a fusão de peças maiores de sucata. Certos elementos presentes na sucata, como cobre, molibdênio, estanho e níquel, são introduzidos no conversor FOB através da carga de sucata. Esses elementos não podem ser oxidados e, portanto, não podem ser removidos durante a soprada. Dissolvem-se uniformemente no banho líquido durante a soprada. Outros elementos como alumínio, silício e zircônio podem ser totalmente oxidados durante a soprada e incorporados à escória. Elementos de categoria intermediária em termos de tendência a reagir, como fósforo, manganês e cromo, distribuem-se entre o metal e a escória. Zinco e chumbo são removidos principalmente durante a soprada como vapor. Aciarias tipicamente usam cerca de 10% a 35% de sua carga metálica total como sucata, dependendo das condições locais e economia. Tecnicamente, a razão sucata/gusa na carga metálica do FOB depende de fatores como silício, carbono e temperatura do gusa, uso de lança de pós-combustão.

Ferro Reduzido Direto (FRD)

O FRD é usado em algumas aciarias como refrigerante e fonte de unidades de ferro. Tipicamente contém 89% a 94% de ferro total (cerca de 88% a 96% de metalização), 0,1% a 4% de carbono, 2,8% a 6% de alumina e sílica combinados, 3% a 8% de FeO e pequenas quantidades de CaO e MgO. Pode conter fósforo na faixa de 0,005% a 0,09%, enxofre de 0,001% a 0,03% e baixas concentrações de nitrogênio (geralmente < 20 ppm).

O FRD é normalmente alimentado no FOB em forma de grumos ou briquetes de tamanho ~25–30 mm. Os briquetes são passivados para eliminar tendência a combustão espontânea, permitindo manuseio conveniente. Geralmente alimentado através do sistema de silos.

Ferro-gusa

Em algumas aciarias, ferro-gusa também é usado como fonte de unidades de ferro. Necessita calor para fusão e, uma vez derretido, comporta-se no conversor FOB como gusa. Carregado no conversor através da caixa de sucata junto com outra mistura.

Minério de Ferro

Geralmente carregado em forma de grumos no conversor FOB como refrigerante e frequentemente usado como substituto de sucata. Minérios de ferro são substitutos úteis pois contêm menores quantidades de elementos residuais como cobre, zinco, níquel e molibdênio. O efeito de resfriamento do minério de ferro é cerca de três vezes maior que o da sucata. A redução do óxido de ferro no minério é endotérmica e quantidades maiores de gusa e menores de sucata são requeridas quando minério é usado para resfriamento. Minérios devem ser carregados no início da soprada quando o teor de carbono no banho líquido é alto, para reduzir efetivamente o óxido de ferro. A redução dos óxidos de ferro produz quantidades significativas de gás, aumentando tendência à formação de espuma de escória e transbordamento (slopping). Adição tardia de minério resulta em efeito prejudicial no rendimento de ferro e química da escória no ponto final. Se minério é usado apenas como refrigerante logo antes da vazada, a escória torna-se altamente oxidada e fluida, aumentando carregamento de escória na panela. O atraso na reação de resfriamento do minério não reduzido causa queda súbita de temperatura ou reação violenta na panela, resultando em superoxidação do aço líquido.

Escala de Laminação (Mill Scale)

É possível usar escala de laminação como refrigerante no conversor FOB em quantidades adequadas. A escala é muito efetiva em aumentar a razão gusa/sucata. Porém, causa transbordamento intenso (slopping) durante o processo. A escala e outras adições de óxido de ferro são reduzidas durante a soprada principal, liberando ferro e oxigênio. Esse oxigênio adicional fica disponível para remoção de carbono, acelerando a reação global. O transbordamento provavelmente é causado pelo aumento do volume de escória associado ao uso de mais gusa (maiores quantidades de silício e carbono geram mais SiO2 e CO, respectivamente) e pelo aumento da taxa de reação.

Cal Virgem (Cal Cinzada)

Durante a fabricação de aço no conversor FOB, o consumo de cal virgem depende do silício do gusa, razão gusa/sucata na carga, teores iniciais (gusa) e finais (aço alvo) de enxofre e fósforo. A cal virgem é produzida pela calcinação do calcário. A qualidade da cal virgem necessária na fabricação de aço em conversor é descrita em artigo separado (link: https://www.ispatguru.com/quality-of-lime-for-steelmaking-in-converter/).

Como grande quantidade de cal virgem é carregada no conversor FOB em curto período, a seleção cuidadosa da qualidade é importante para melhorar sua dissolução na escória. Em geral, grumos pequenos com alta porosidade têm maior reatividade e promovem formação rápida de escória. Problemas de qualidade mais comuns: núcleos internos não calcinados, hidratação, excesso de finos e reatividade muito baixa.

Dolomita Calcinada

Carregada com cal virgem para saturar a escória com MgO e reduzir dissolução de MgO dos refratários do forno na escória. Tipicamente contém 36% a 40% de MgO e 54% a 58% de CaO. A adição deve manter o nível de MgO da escória acima do limite de saturação. Nível de MgO acima da saturação torna a escória menos corrosiva e reduz/elimina ataque químico da escória nos refratários.

Em algumas aciarias, dolomita bruta é adicionada diretamente no conversor. Atua como refrigerante e fonte de MgO para saturar a escória, mas com efeito retardado, pois a reação de calcinação ocorre no conversor. Quando aquecida, a reação endotérmica de calcinação ocorre, causando queda de temperatura.

Dolomita calcinada também é adicionada para condicionamento da escória antes do respingo de escória (slag splashing). É importante que a química e tamanho da dolomita calcinada sejam controlados.

Calcário e Dolomita Bruta como Refrigerantes

Em algumas aciarias FOB, calcário ou dolomita bruta é frequentemente usado como refrigerante em vez de fundente. Calcário é comumente usado para resfriar o banho se a temperatura de turndown for superior à especificada. Quando aquecido, a reação endotérmica de calcinação ocorre produzindo CaO e CO2, causando queda de temperatura. A extensão da queda depende do tamanho da carga e condição da escória. Exemplo: em carga de 150 toneladas, adição de 1 tonelada de calcário causa queda de ~12 °C.

Fluorita (CaF2)

É um fluidificante de escória que reduz a viscosidade. Quando adicionado ao FOB, promove dissolução rápida da cal na escória dissolvendo a camada de silicato de dicalcio (2CaO·SiO2) formada ao redor das partículas de cal, que retarda a dissolução. Atualmente, fluorita é usada muito parcimoniosamente devido ao seu ataque corrosivo severo a todos os tipos de refratários, incluindo conversor FOB e panela de vazamento. Além disso, fluoretos formam ácidos fortes no sistema de coleta de gases de exaustão, corroendo partes estruturais e sendo emissões indesejáveis.

Matérias-Primas Secundárias

São desoxidantes e carburizantes. Normalmente adicionados na panela de vazamento durante a vazada da carga do conversor.

A desoxidação é o estágio final na fabricação de aço. Durante a produção, o banho de aço no momento da vazada contém 400 a 800 ppm de atividade de oxigênio. A desoxidação é realizada durante a vazada adicionando à panela quantidades apropriadas de ferro-ligas ou outros desoxidantes especiais.

Desoxidantes são geralmente ferro-ligas a granel como ferrossilício, silicomanganês e ferromanganês. Usados na fabricação de aço para desoxidação e introdução de elementos de liga. São a maneira mais econômica de introduzir elementos de liga no aço. Ferro-ligas conferem qualidades distintas aos aços.

Ferro-ligas também são adicionadas para controle de tamanho de grão e melhoria de propriedades mecânicas. Dependendo do processo de fabricação e tipo de aço, a exigência de diferentes ferro-ligas varia amplamente. A adição aumenta resistência à corrosão e oxidação, melhora têmpera, resistência à tração em alta temperatura, resistência ao desgaste e abrasão com carbono adicionado, e aumenta outras propriedades desejadas como resistência a fluência. Ferro-ligas são insumos vitais para produzir todos os tipos de aço. São usadas como matéria-prima na produção de aços ligados e inoxidáveis.

Se ao final da soprada o teor de carbono do aço estiver abaixo da especificação, o aço líquido também é recarburizado. Feito por adição controlada de carburizantes na panela. Carburizantes comuns: coque de forno de coque (breeze) e coque de petróleo. No entanto, grandes adições na panela têm efeito adverso na temperatura do aço líquido.

Gases de Utilidade

No processo FOB, uma lança refrigerada a água injeta oxigênio em altíssimas velocidades sobre o banho líquido para produzir aço. Com demandas crescentes para produzir aços de maior qualidade com menores níveis de impurezas, oxigênio de pureza muito alta deve ser suprido. O oxigênio para fabricação de aço deve ser pelo menos 99,5% puro, idealmente 99,7% a 99,8%. O restante é 0,005% a 0,01% de nitrogênio e o resto argônio.

No conversor FOB, o oxigênio é jateado em velocidades supersônicas (Mach > 1) com bocais convergentes/divergentes (Laval) na ponta da lança refrigerada. Um jato de gás forte penetra a escória e incide na superfície do metal líquido para refinar o aço. Hoje, a maioria dos FOBs opera com pontas de lança contendo 4 a 5 bocais e vazões de oxigênio variando de 640 a 900 Nm³/min.

Nitrogênio

Normalmente usado no conversor FOB para sopro combinado e respingo de escória (slag splashing). Gás nitrogênio para melhorar a mistura do banho metálico é soprado através de tuyeres de fundo ou elementos permeáveis. A agitação do banho é realizada com nitrogênio na faixa de alto carbono do banho. Vazões de fundo normalmente inferiores a 0,2 Nm³/t·min. Na prática típica, nitrogênio é introduzido pelo fundo nos primeiros 60% a 80% da soprada de oxigênio. A rápida evolução do gás CO na primeira parte impede captação de nitrogênio no aço.

Nitrogênio também é usado para respingar a escória líquida condicionada nas paredes do conversor FOB após a vazada da carga, criando camada protetora de revestimento de escória sobre os refratários.

Argônio

Normalmente usado no conversor FOB para sopro combinado. Gás argônio para melhorar a mistura do banho é soprado através de tuyeres de fundo ou elementos permeáveis. A agitação é realizada com argônio na faixa de baixo carbono do banho. Vazões de fundo normalmente inferiores a 0,2 Nm³/t·min. Na prática típica, argônio é introduzido pelo fundo nos últimos 20% a 40% da soprada de oxigênio.

Refratários e Materiais Refratários

Três tipos de materiais refratários são necessários para fabricação de aço em conversor FOB: tijolos básicos geralmente refratários magnésia-carbono (MgO-C), composto de projeção (gunning) à base de magnésia para reparo de partes danificadas, e material de remendo (geralmente tijolos usados quebrados) para remendo do fundo erodido. Descrito em artigo no link: https://www.ispatguru.com/refractory-lining-of-a-basic-oxygen-furnace/.

Sondas Consumíveis

Consumíveis para produção de aço no conversor FOB são sondas descartáveis para amostragem do aço para análise após fim da soprada e para medição de temperaturas do gusa na panela de carga e do aço líquido no conversor após fim da soprada.

Água de Resfriamento

Água é necessária para resfriamento da lança de sopro de oxigênio e bico, bem como para resfriamento dos gases de exaustão.

A água de resfriamento é necessária na lança para evitar queima da lança de oxigênio no conversor FOB. Tanto o bico de cobre quanto a lança de aço são resfriados por água recirculante a pressão de ~6 kgf/cm². Componentes importantes são os canais de resfriamento onde a água flui pelo centro do bico e sai pelo tubo externo da lança. Projetado para obter velocidade máxima de água na área do bico, exposta às maiores temperaturas. A água de resfriamento é crítica para manter alta vida útil da lança. Vazões devem ser mantidas na taxa de projeto. Temperatura de saída da água não deve exceder 60–65 °C.

O gás rico em CO que sai do conversor é primeiro resfriado no capô indiretamente, seja por água de resfriamento ou por sistema de resfriamento evaporativo (ECS), para reduzir sua temperatura nominal de 1600–1700 °C para ~900 °C. No caso de ECS, água desmineralizada é necessária, pois o calor é recuperado na forma de vapor.

Em algumas aciarias, o cone superior do conversor FOB é refrigerado a água. Dois componentes no cone superior que podem se beneficiar do resfriamento a água para manter baixa temperatura de operação são o próprio invólucro cônico e o anel labial no canto superior do cone.

A qualidade da água é parâmetro importante. Se contaminada com óxidos ou sujeira, depósitos normalmente se formam dentro dos tubos, resultando em efeito negativo na transferência de calor.