Compreendendo a Espumação de Escória em Conversores BOF: Causas, Efeitos e Mitigação

A espumação de escória é um fenômeno crítico na produção de aço em conversores de oxigênio básico (BOF). Durante o processo, um jato supersônico de oxigênio é injetado sobre o banho de metal quente, oxidando impurezas como carbono, silício, manganês e fósforo. Os óxidos gasosos formados — principalmente CO (90%) e CO₂ (10%) — escapam pelo topo do conversor, enquanto os óxidos líquidos se combinam com os fundentes adicionados, formando a escória líquida que facilita o refino.

Benefícios da Espumação Controlada

A espumação é benéfica quando mantida em volumes controlados, pois:

• Aumenta a área de superfície para reações de refino;
• Protege o banho metálico do contato direto com a atmosfera;
• Melhora a cinética das reações, transferência de calor e eficiência energética;
• Funciona como meio para pós-combustão e transferência de calor;
• Protege o revestimento refratário, prolongando sua vida útil;
• Atua como sumidouro para óxidos de impurezas (Mn, Si, P);
• Evita a oxidação do banho líquido e permite controle de sua composição;
• Atua como isolante térmico, reduzindo perdas de energia.

Requisitos para Formação de Espuma

Dois requisitos fundamentais existem para a espumação:

1. Reações ou processos que gerem pequenas bolhas de gás;
2. Propriedades adequadas da escória para manter as bolhas como espuma estável.

Gases provenientes de reações químicas tendem a formar espuma com bolhas menores e mais estáveis, enquanto a injeção de gases (O₂, Ar) resulta em bolhas maiores e espumas menos estáveis.

Dinâmica da Espumação no BOF

Com a progressão da soprada, a quantidade de escória e gases gerados aumenta, intensificando a espumação. O pico de espuma ocorre tipicamente entre 25% e 30% da soprada, coincidindo com a taxa máxima de descarburização. A espuma é formada pelo aprisionamento de CO na escória. Quando o jato de O₂ atinge o banho, gotículas metálicas são arrancadas e acabam na espuma, criando uma emulsão de escória, gás e gotículas metálicas. Nesta emulsão, a escória tem grande área de superfície de gotículas metálicas para reagir, acelerando a cinética.

Mecanismos de Geração de Gás

O gás origina-se principalmente da descarburização através de três vias:

1. Oxidação direta na superfície do metal: [C] + ½O₂(g) = CO(g);
2. Reação indireta na espuma: [C] + (FeO) = CO(g) + {Fe}, onde FeO forma-se por {Fe} + ½O₂(g) = (FeO);
3. Reação no banho entre O₂ dissolvido e C: [C] + [O] = CO(g).

A taxa de geração de gás atinge o máximo no início da soprada (25-30%), mantém-se relativamente constante enquanto há FeO e gotículas metálicas disponíveis, e cai bruscamente por volta de 80% da soprada devido ao baixo teor de carbono.

Índice de Espumação (FI) e Fatores Influenciadores

O índice de espumação (FI) é a razão entre a altura da espuma e a velocidade superficial do gás, expressa em segundos (tipicamente 0,6 a 1,3 s). Indica o tempo que os gases levam para atravessar a espuma verticalmente. Com taxa constante de O₂, a altura da espuma é diretamente proporcional ao FI.

Viscosidade Aparente da Emulsão

Propriedade crucial: quanto maior a viscosidade aparente, maior o FI. O aumento da viscosidade aparente eleva a altura da espuma, podendo causar transbordamento (slopping). A presença de partículas sólidas influencia fortemente: aumento de apenas 10% na fração de sólidos eleva a viscosidade aparente em 50% e a altura da espuma em proporção equivalente.

Efeito da Composição da Escória

A composição (sistema CaO–MgO–SiO₂–FeO–Al₂O₃) afeta viscosidade, condutividade térmica, densidade e tensão superficial, impactando a capacidade de remover impurezas. Estudos experimentais com escórias CaO-SiO₂-FeO a 1.250–1.400 °C mostram:

• Adição de P₂O₅ reduz ligeiramente o FI;
• Enxofre reduz marginalmente o FI;
• CaF₂ reduz significativamente o FI;
• MgO aumenta notavelmente o FI;
• FeO: FI diminui até ~20% FeO, depois estabiliza até ~32%;
• MnO reduz ligeiramente o FI;
• P₂O₅ aumenta o FI até 3%, depois diminui com adições maiores.

Efeito da Temperatura

Elevação de temperatura (1.400–1.550 °C) reduz o FI em escórias 35%CaO-35%SiO₂-30%FeO-10%MgO. Atribui-se ao coeficiente positivo da tensão superficial e negativo da viscosidade com a temperatura. O aumento da tensão superficial desestabiliza a espuma, enquanto o aumento da viscosidade a estabiliza; o efeito combinado reduz o FI.

Efeito do Tamanho das Bolhas

A espumação é inversamente proporcional ao tamanho das bolhas. Bolhas menores geram espuma mais estável. Estudo com injeção de Ar por bico multi-orifício (bolhas ~7,5 mm) vs. bico simples (~13,5 mm) mostrou altura de espuma 70% maior com bolhas menores. Bolhas de CO geradas por reações interfaciais são finas e esféricas, produzindo espuma mais estável que bolhas poliedricas de Ar injetado.

Efeito da Basicidade

O FI passa por um mínimo com o aumento da basicidade. Inicialmente, o FI cai devido à diminuição da viscosidade e aumento da tensão superficial. Após a composição de liquidus, adição extra de CaO precipita partículas sólidas 2CaO·SiO₂, aumentando a viscosidade e estabilizando a espuma.

Efeito da Densidade

A densidade aumenta com FeO, MnO, MgO e diminui com SiO₂ e temperatura. O FI diminui com acúmulo de FeO, MnO, MgO e aumenta com SiO₂. FeO também reduz a viscosidade. A relação inversa entre FI e densidade é consistente em múltiplos estudos.

Efeito da Viscosidade

A viscosidade é governada por formadores de rede (SiO₂); óxidos metálicos (FeO, MgO, MnO, CaO) quebram a rede e reduzem a viscosidade. O slopping ocorre frequentemente nos primeiros minutos da soprada devido ao aumento da viscosidade pela baixa temperatura e partículas de cal não dissolvidas, coincidindo com alta taxa de descarburização. Partículas de segunda fase precipitadas abaixo da temperatura de liquidus aumentam a viscosidade, estabilizando a espuma. O FI aumenta com a viscosidade até um valor crítico, acima do qual o gás canaliza através da escória sem espumar.

Efeito da Tensão Superficial

A tensão superficial das escórias (0,20–0,70 N/m) é muito menor que a do ferro líquido (~1,8 N/m a 1.550 °C). Óxidos como SiO₂, P₂O₅, MnO reduzem a tensão superficial da escória; Al₂O₃ a aumenta ligeiramente. A tensão interfacial metal/escória afeta a formação de emulsão e transferência de massa. Baixa tensão interfacial favorece o refino, mas pode dificultar a separação física da escória do metal na vazada. Componentes ativos na superfície (P₂O₅, CaF₂, Fe₂O₃, V₂O₅, Na₂O) são essenciais para espumar, pois reduzem viscosidade e tensão superficial. Aumento da tensão superficial aumenta o diâmetro das bolhas, desestabilizando a espuma; bolhas pequenas formadas com alta tensão superficial do metal estabilizam a espuma.