A Evolução da Siderurgia por Oxigênio Básico: Da Concepção às Práticas Modernas

A siderurgia por oxigênio básico (BOS) é o processo de fabricação de aço pela insuflação de oxigênio puro (O₂) em um banho de metal líquido contido em um vaso conhecido como conversor de oxigênio básico (BOF), conversor LD ou simplesmente conversor.

A história da siderurgia começou no século XIX, quando Réaumur da França em 1722, Kelly dos Estados Unidos em 1850 e Bessemer da Grã-Bretanha em 1856 descobriram como melhorar o ferro-gusa controlando o teor de carbono das ligas de ferro, que assim verdadeiramente se tornaram aços. Enquanto Réaumur, um químico, era movido pela curiosidade científica, Kelly e Bessemer, sendo engenheiros, respondiam à necessidade de maiores quantidades e melhores qualidades de aço que a revolução industrial, com seus teares, máquinas a vapor, máquinas e ferrovias, havia criado. Isso iniciou uma relação dialética entre ciência e tecnologia e os conceitos básicos de refino de metal quente (ferro-gusa) pela oxidação do carbono (C) em banho líquido foram inventados naquela época.

Foi uma mudança radical em relação à reação gás-sólido nos fornos de eixo, predecessores dos alto-fornos que reduzem minério de ferro com carvão vegetal, ou da pudelagem do ferro que era uma tecnologia de forjamento e refino realizada no estado sólido e que não tem equivalente no presente. A intensidade de inovações na segunda metade do século XIX foi impressionante e trouxe uma mudança de paradigma. A siderurgia por conversor Bessemer surgiu em 1856, o forno de arco aberto (open hearth), que pode fundir sucata além de refinar metal quente, foi descoberto apenas nove anos depois do conversor Bessemer em 1865, e o conversor básico Thomas doze anos mais tarde em 1877. O conversor Thomas utilizava ar para o refino do metal líquido.

O conversor a ar inventado por Bessemer em 1856 é considerado o primeiro processo moderno de siderurgia. Em 1877, o processo Thomas, um processo Bessemer modificado, foi desenvolvido para permitir o tratamento de ferro líquido com alto teor de fósforo. No processo Thomas, o fósforo (P) era oxidado no que é chamado de "after blow" (sopro final) após a maior parte do C ter sido removida do banho. O processo de arco aberto, também referido como processo Siemens-Martin (SM), foi desenvolvido quase simultaneamente com o processo Thomas. O processo de arco aberto utilizava transferência de calor regenerativa para pré-aquecer o ar usado em um queimador, e é capaz de gerar calor suficiente para fundir e refinar sucata de aço sólido e metal quente em um forno reverberatório. Por volta dos anos 1950, quando a siderurgia por oxigênio básico aparecia no horizonte, a siderurgia era baseada principalmente na tecnologia de processo de arco aberto. Metal quente e sucata eram carregados em grandes fornos horizontais onde queimadores forneciam energia para fusão da sucata. Lanças de oxigênio (O₂) eram usadas para melhorar a eficiência dos queimadores e remover C e silício (Si) do metal quente. O processo de arco aberto era um processo alotérmico e, portanto, energia externa tinha que ser fornecida ao forno. Tempos típicos de carga a carga (tap-to-tap) eram de oito horas para tamanhos de carga de 200 a 250 toneladas de aço líquido.

A próxima grande inovação na siderurgia, que seguiu de perto a invenção da eletricidade, foi o processo de forno a arco elétrico (EAF) de siderurgia. O EAF foi introduzido por Héroult em La Praz por volta de 1900 nos vales dos Alpes, próximo à fonte da nova energia, já que na época ainda não era viável transmitir eletricidade por longas distâncias. A tecnologia EAF baseava-se no aproveitamento de uma energia substituta ao carvão e também na fusão de sucata em quantidade ainda maior do que o forno de arco aberto. O processo EAF de siderurgia é creditado por ter iniciado uma economia de reciclagem.

O conceito de BOS remonta a 1856, quando Henry Bessemer patenteou um processo de siderurgia envolvendo insuflação de O₂ para descarbonização de ferro líquido (Patente UK nº 2207). Na época, não havia método disponível para fornecer a quantidade de O₂ necessária para o processo. Quantidades comerciais de O₂ não estavam disponíveis ou eram muito caras, e portanto a invenção de Bessemer permaneceu apenas no papel e inutilizada. A siderurgia por insuflação de oxigênio puro tornou-se praticável em 1928, quando a empresa Linde conseguiu desenvolver um método (o processo Linde-Fränkl) para fornecer O₂ puro em grandes quantidades. Devido ao sucesso do processo Linde-Fränkl, o O₂ também se tornou muito mais barato, de modo que ambas as pré-condições (disponibilidade de grandes quantidades e de oxigênio barato) para a introdução do processo BOS foram atendidas.

Tanto na Europa quanto nos EUA, experimentos com O₂ foram realizados repetidamente. Entre aqueles que trabalharam com O₂ de alta pureza estava Otto Lellep, mas seu conceito de "insuflar O₂ verticalmente sobre um banho de ferro líquido" provou ser malsucedido. Segundo Hubert Hauttmann, que participou dos experimentos de Lellep entre 1936 e 1939 na Gutehoffnungshütte, onde estava empregado na época, a intenção era converter ferro líquido insuflando O₂ puro através de um bocal na base do conversor. O aço produzido dessa forma era de qualidade miserável.

Durante a Segunda Guerra Mundial, engenheiros chamados C.V. Schwartz da Alemanha, John Miles da Bélgica, Durrer da Suíça e Heinrich Hellbrügge da Alemanha propuseram suas versões de siderurgia com sopro de O₂, mas apenas Durrer e Hellbrügge levaram a um nível de produção em larga escala.

Carl Valerian Schwarz submeteu uma patente em 1939 para insuflação de oxigênio no banho a velocidade supersônica. Mas esse método também "ainda não era capaz de produzir aço utilizável". Embora o posterior processo Linz-Donawitz (LD) tivesse semelhanças com a patente de Schwarz, suas características típicas eram diferentes (por exemplo, "insuflação central vertical"). Certamente foi devido ao estouro da Segunda Guerra Mundial que a tecnologia descrita na patente de Schwarz não levou inicialmente a nenhuma aplicação prática. Foi também no final dos anos 1930 que Robert Durrer da Suíça começou seus próprios experimentos.

Após a guerra, Heinrich Hellbrügge e Robert Durrer (diretor técnico da Roll'schen Eisenwerke) iniciaram novos experimentos na Roll'schen Eisenwerke na cidade suíça de Gerlafingen. A fotografia do primeiro conversor de oxigênio de sopro superior em Gerlafingen é mostrada na Fig. 1.

Foi Durrer quem estabeleceu os princípios teóricos básicos e aconselhou a VÖEST a insuflar o O₂ de cima em um vaso separado, após ter sido estabelecido um contato entre Gerlafingen e VÖEST para cooperação técnica em escala industrial. Uma série de experimentos usando um conversor experimental de 2 toneladas foi iniciada em 3 de junho de 1949 nas instalações da VÖEST. Após a equipe em Linz ter sofrido vários contratempos iniciais, um avanço foi alcançado já em 25 de junho de 1949, quando a pressão de O₂ foi reduzida e a ponta da lança de sopro foi movida para mais longe do banho, de modo que o jato de O₂ não pudesse penetrar tão fundo. Com esse avanço, foi produzido aço que podia ser laminado em chapa sem problemas. O departamento experimental da VÖEST examinou esse aço e foi muito positivo em suas observações. Foi o momento em que o processo de siderurgia por conversor LD nasceu. Os experimentos continuaram até que várias centenas de cargas de 2 toneladas tivessem sido produzidas, após o que mudaram para um conversor experimental de 15 toneladas especialmente construído e erguido ao ar livre. A primeira carga foi produzida em 2 de outubro de 1949. O novo grau de aço foi submetido a testes metalúrgicos e outros contínuos.

O fator-chave para essa inovação foi o movimento do banho líquido. Até então, considerava-se impossível obter movimento suficiente do banho sem insuflar o O₂ a maior profundidade. Mas esse movimento foi alcançado de forma altamente satisfatória pela formação de CO (monóxido de carbono). O princípio do "sopro suave" também promoveu a formação de FeO, que por sua vez absorveu as impurezas oxidadas para formar escória. Isso ajudou na produção de um excelente novo grau de aço.

Além da Roll'schen Eisenwerke em Gerlafingen e da VÖEST, a Mannesmann AG em Duisburg-Huckingen e a ÖAMG (Donawitz) também manifestaram interesse em maio de 1949 no processo de sopro de O₂ ou pelo menos na metalurgia do O₂ em geral. Durante os experimentos em Linz e após uma demonstração do processo, uma divisão precisa de trabalho foi acordada em 17 de junho de 1949. A VÖEST continuaria o trabalho com aço bruto de Linz em um vaso de refino muito maior, enquanto a Mannesmann experimentaria com sopro de O₂ em aço Thomas, a Roll'schen Eisenwerke investigaria o uso de O₂ no EAF e a ÖAMG conduziria testes com O₂ em um forno de ferro-gusa de eixo baixo. O acordo obrigava todos os envolvidos com essa metalurgia do O₂ a "não emitir nenhuma declaração ou passar qualquer informação fora de suas próprias empresas sobre detalhes do refino com O₂ que viessem a seu conhecimento ou conclusões que pudessem ter alcançado durante as discussões em Linz em 17 de junho de 1949".

Com base no acordo, logo se tornou evidente a partir de experimentos em Donawitz que o uso de oxigênio em fornos de eixo era inútil, ondeupon a empresa começou a explorar diferentes abordagens. O processo desenvolvido em Donawitz para a recuperação de escória com alto teor de manganês por sopro com O₂ levou à consciência de que apenas o uso de um processo de sopro com O₂ puro deveria ser considerado para os planos de expansão e racionalização da produção de aço em Donawitz. Após extensa investigação e bem-sucedido trabalho de desenvolvimento em uma configuração experimental de 5 ou 10 toneladas, com oxigênio fornecido durante os primeiros testes a partir de cilindros dispostos em série, a direção da empresa decidiu construir uma nova usina siderúrgica, que estaria pronta para operação em dois anos. Os engenheiros de Donawitz inicialmente nomearam seu processo "SK", das iniciais alemãs para "Conversor de Oxigênio". Este termo ajudou a distinguir as atividades da VÖEST e da ÖAMG até certo ponto.

Em 9 de dezembro de 1949, o então diretor-gerente da VOEST, Heinrich Richter-Brohm, tomou a decisão, não isenta de risco, para a construção da primeira usina siderúrgica LD. Não muito tempo depois e após o esclarecimento de questões sobre métodos de produção para graus de aço mais duros, decidiu-se construir uma planta LD em Donawitz também. As primeiras patentes para o processo foram solicitadas em 1950.

No relatório anual de pesquisa e garantia de qualidade de 1951, afirmava-se que "durante o ano de revisão, extenso trabalho de pesquisa foi dedicado aos graus de aço LD, e uma publicação foi emitida. Espera-se que este tipo de aço possua grande potencial em termos de qualidade, e em particular permitirá a produção de aço com superfície de alta qualidade combinada com boa conformabilidade a frio. Isso é especialmente importante para a produção de chapas finas, onde até agora boa conformabilidade a frio só era possível se certos defeitos de superfície fossem aceitos (graus de aço killed). Mas aços com maior limite de escoamento também podem ser produzidos de forma extremamente vantajosa pelo processo de refino com oxigênio".

Em 1951, tornou-se possível em Linz refinar metal quente com O₂ puro em siderurgia em um processo inovador, operacionalmente confiável, para a produção de aço de qualidade em massa em Linz. O anúncio do novo processo foi feito pela primeira vez em dezembro de 1951, na conferência "Refino de Aço com Oxigênio Puro" da Sociedade Austríaca de Metalurgia em Leoben. Na conferência, Robert Durrer afirmou que as duas usinas metalúrgicas (Linz e Donawitz) haviam desenvolvido o conceito de insuflação de O₂ de alta pureza sobre metal quente doméstico em um processo industrial viável, e parabenizou-os por este grande sucesso. Com este anúncio, a Áustria tornou-se o primeiro país a produzir aço em escala industrial a partir de metal quente por insuflação de O₂ puro. A seção transversal do conversor LD antes e durante a insuflação de O₂ no banho de metal líquido é mostrada na Fig. 2.

Em 27 de novembro de 1952, o primeiro conversor foi comissionado na Usina LD 1 (Fig. 3) em Linz, um marco na produção de aço pelo princípio de sopro de O₂. Em 5 de janeiro de 1953, esta Usina LD, a primeira no mundo, foi oficialmente inaugurada. Em 17 de junho de 1953, a Usina LD 1 em Linz já havia produzido 100.000 toneladas de aço LD, e no início de dezembro de 1953 foram produzidas 250.000 toneladas métricas de aço. A segunda Usina LD entrou em operação em 22 de maio de 1953 na Österreichisch-Alpine Montangesellschaft (ÖAMG) em Donawitz. O processo, agora desenvolvido até a plena maturidade operacional, superou todas as expectativas tanto na qualidade do aço produzido quanto em sua viabilidade econômica.

As condições metalúrgicas excepcionalmente favoráveis neste processo resultaram em aço bruto livre de O₂, de modo que nenhuma desoxidação era necessária. O aço era de baixo gás, baixo nitrogênio (N₂), livre de fósforo (P), enxofre (S) e elementos acompanhantes indesejados. Em suas propriedades técnicas, especialmente conformabilidade a frio, o aço produzido no conversor LD era claramente superior ao aço produzido pelo processo de arco aberto. O processo LD também era capaz de fornecer graus de aço estrutural de qualidade excepcional. O aço produzido no conversor LD deu excelentes resultados em estruturas soldadas submetidas a cargas muito severas. Bobinas de tira larga do aço produzido no conversor LD eram fornecidas em grandes quantidades a laminadores a frio tanto na Alemanha quanto no exterior.

A abreviação LD para Linz-Donawitz, que é costumeiramente usada hoje, foi adotada oficialmente em 1958. O nome LD foi escolhido porque a VÖEST em Linz e a ÖAMG em Donawitz a desenvolveram até a maturidade em escala industrial.

Em agosto de 1954, a Dominion Foundries & Steel, Ltd. do Canadá tornou-se a primeira corporação fora da Alemanha a operar uma usina siderúrgica LD. Tinha dois conversores de 60 toneladas. Foi seguida no mesmo ano pela McLouth Steel Corp. nos EUA, que iniciou sua usina siderúrgica LD com a assistência do diretor da planta da VÖEST, Rudolf Rinesch. Em setembro de 1956, a terceira empresa fora da Alemanha a iniciar operação LD foi a Société des Aciéries de Pompey, França, com um conversor de 15 toneladas. Em 1957, cinco usinas siderúrgicas LD foram comissionadas na Alemanha Ocidental, Japão, Brasil e EUA; mais cinco foram adicionadas ao total em 1958; duas em 1959 em Rourkela, Índia; e oito em 1960. Em 1960, mais usinas siderúrgicas LD estavam em construção do que haviam sido construídas até então, nos EUA, Japão, Espanha, Portugal, Itália (expansão de planta existente), Alemanha Ocidental, Brasil, Inglaterra, Escócia, Noruega, Argentina, Austrália (1961) e França.

A inovação técnica em processos de fabricação upstream, particularmente nos processos de refino e lingotamento contínuo, foi essencial para alcançar a melhoria contínua nos níveis de qualidade dos aços requeridos para várias aplicações. Devido a isso, também houve uma atualização contínua no processo BOS desde a comissionamento do primeiro conversor LD em Linz.

O processo LD original consistia em insuflar O₂ sobre o topo do ferro líquido através do bocal refrigerado a água de uma lança vertical. Nos anos 1960, os siderúrgicos começaram a trabalhar em conversores de sopro inferior e a introdução de insuflação de gás inerte para agitação do metal líquido no conversor e remoção de impurezas de P.

No início dos anos 1970, ocorreu novo desenvolvimento na siderurgia BOS com o sopro inferior de O₂ pelo uso de tuyeres protegidos por gás hidrocarboneto ou óleo combustível. Após experiências com esses dois tipos de conversores, foram desenvolvidos vasos de sopro combinado superior e inferior. E no final dos anos 1970, o sopro misto foi introduzido no conversor do processo BOS. A maioria dos conversores usados no mundo hoje são do tipo combinado.

Inhomogeneidades na composição química e temperatura são criadas no banho durante o sopro de O₂ em conversores de sopro superior devido à falta de mistura no banho de metal. Existe uma zona relativamente morta diretamente sob a cavidade do jato no conversor. A necessidade de melhorar o processo de siderurgia no conversor de sopro superior levou ao desenvolvimento do processo de sopro combinado. A primeira prática de sopro combinado a ser comercialmente aceita foi o processo LBE (Lance Bubbling Equilibrium) desenvolvido pela ARBE-IRSID. Este processo está muito mais relacionado ao processo BOF, pois todo o oxigênio é fornecido pela lança superior. O aspecto de sopro combinado é alcançado por um conjunto de elementos porosos instalados no fundo do conversor através dos quais argônio ou nitrogênio é insuflado. No processo LBE, o gás nitrogênio é tipicamente usado quase exclusivamente durante a maior parte do sopro na faixa de 3–11 Nm³/min. No entanto, na parte final do sopro, quando a absorção de nitrogênio pode criar problemas, gás argônio é usado para agitação. Além disso, o argônio é usado quase exclusivamente como gás inerte para agitação pós-sopro, momento em que a vazão é aumentada para 10–17 Nm³/min.

Durante os primeiros anos do processo de conversor LD, o gás de topo era completamente queimado na boca do conversor através do capuz aberto e depois resfriado na chaminé, seja indiretamente com água ou por sistema de resfriamento evaporativo. Naquela época, produziam-se cerca de 300 kg de vapor e 250 m³ de gás de escape por tonelada de aço bruto.

Os aspectos ambientais foram um desafio sério para o processo de conversor na época em que foi implementado industrialmente nos anos 1950. A finura das poeiras no gás de escape do conversor forçou os fornecedores do processo a desenvolver novos sistemas de despoeiramento. 1 grama de poeira do conversor tem uma área de superfície visível entre 300 a 500 m². Para evitar geralmente os efeitos ópticos de "fumaça marrom", a poeira deve ser removida do sistema a um nível inferior a 100 mg por metro cúbico. Para isso, foram usados sistemas de despoeiramento tanto do tipo úmido quanto seco. O desafio tornou-se cada vez mais uma oportunidade para o processo de conversor à medida que o número de questões ambientais cresceu. E essa oportunidade ajudou no desenvolvimento do sistema de recuperação de gás do conversor com combustão suprimida. Hoje, demandas econômicas e ambientais exigem que a energia no gás do conversor e a poeira contendo ferro sejam coletadas e eficientemente recicladas.

No início dos anos 1960, processos foram desenvolvidos para recuperar este gás de topo do conversor de alto poder calorífico para que o mesmo pudesse ser usado como combustível gasoso dentro da planta. Isso foi alcançado através de combustão suprimida. O equipamento de processo instalado acima da boca do conversor tem funções de resfriar, limpar e recuperar o gás do conversor com a ajuda de combustão suprimida. Com a combustão suprimida do gás de topo do conversor, recuperam-se 70–100 m³ de gás do conversor por tonelada de aço bruto com poder calorífico variando de 1.600–2.000 kcal/Nm³ de gás. Além disso, 80 kg/ton de aço bruto de vapor também são gerados caso se adote sistema de resfriamento evaporativo para o gás de topo.

Nos primeiros dias da siderurgia pelo processo de conversor, a fumaça marrom da chaminé indicava que o conversor estava trabalhando. Hoje, como resultado do sistema de recuperação e limpeza de gás do conversor, a operação do conversor é detectada apenas pela tocha de queima (flare stack).

Desde 1977, várias melhorias foram feitas no projeto do próprio vaso do conversor, em materiais refratários e práticas de aplicação refratária, e no projeto da lança de oxigênio e bocais de fundo do forno, contribuindo grandemente para a melhoria da eficiência da siderurgia e redução do consumo unitário de matérias-primas e refratários, todos úteis para prolongar a vida do forno até vários milhares de cargas.

Hoje, o tamanho do conversor aumentou e conversores grandes com capacidade de até 350 toneladas métricas de ferro estão disponíveis. No ano de 2014, de uma produção mundial total de aço bruto de 1.669 milhões de toneladas, a produção de aço bruto pelo processo BOS contabilizou 1.229 milhões de toneladas, o que significa 73,7% da produção total global de aço.