Otimização do Transbordamento de Escória (Slopping) em Conversores BOF para Qualidade Superior do Aço

A produção de aço em conversor BOF é um processo em batelada onde o ferro líquido é convertido em aço. A concentração de elementos como carbono, manganês e fósforo impacta a qualidade do aço final. Para atingir a temperatura e composição alvo, oxigênio é soprado no conversor revestido com refratário contendo o ferro líquido. O O₂ oxida os elementos do banho, elevando a temperatura e reduzindo as impurezas. Os óxidos líquidos formados flutuam para o topo, criando a camada de escória. Um volume significativo de escória é necessário para um processo eficaz, mas é limitado pela capacidade do conversor.

Formação da Espuma e Emulsão Gás-Metal-Escória

As altas taxas de reação no conversor decorrem da enorme área de superfície disponível. A injeção de O₂ gera grande quantidade de gás, formando uma emulsão com a escória líquida e gotículas metálicas arrancadas da superfície do banho pelo impacto do jato. Os gases formados (CO e CO₂) sobem pela camada de escória, tornando-a espumosa.

A formação de espuma ocorre próximo ao meio da soprada, coincidindo com a diminuição da absorção de FeO pela escória e com o período de máxima taxa de descarburização. A altura máxima de espuma é atingida pouco antes da primeira metade da soprada (cerca de 35%), devido ao alto volume de gás gerado e à alta espumabilidade da escória naquele momento.

Características da Espuma Multi-fásica

A espuma no BOF é multi-fásica, consistindo de escória líquida, gotículas metálicas, partículas sólidas de "segunda fase" (fundentes não dissolvidos) e gases do processo. Isso ocorre porque:

1. O jato de O₂ de alta velocidade impacta o banho, ejetando gotículas metálicas para a parte superior do conversor;
2. Os fundentes são adicionados em lotes, resultando em dissolução lenta e formação gradual de escória líquida;
3. A escória líquida, fundentes não dissolvidos e gotículas metálicas formam uma emulsão mais ou menos viscosa, interceptando os gases a caminho da boca do conversor;
4. Grande parte dos gases forma-se dentro da própria emulsão pela reação entre C nas gotículas metálicas e FeO na escória líquida.

Um grande volume de espuma (emulsão gás-metal-escória) é necessário no conversor, mas é limitado pelo tamanho do vaso. Se o volume excede a capacidade, parte da escória é expelida pela garganta do conversor — fenômeno chamado slopping.

Benefícios e Riscos da Espumação

A espumação auxilia o refino de várias formas: aumenta área de superfície para reações, protege o banho da atmosfera, protege o refratário, e forma meio para pós-combustão. Porém, em quantidades excessivas, torna-se perigosa quando transborda pela boca do conversor (slopping).

O Fenômeno do Slopping

Slopping é a ejeção de escória para fora do conversor, identificada visualmente como lançamento de pedaços de metal e escória pela garganta durante a soprada. É um fenômeno irregular; slopping intenso pode ser acompanhado por grande ejeção de poeira. As consequências incluem:

• Perda de rendimento (yield);
• Interrupções na produção contínua;
• Poluição ambiental;
• Custos de saúde e segurança;
• Danos a coifas de exaustão e boca do conversor;
• Aumento do tempo de aquecimento (heat time) para limpeza, reduzindo produtividade;
• Desequilíbrio térmico, afetando a temperatura final do aço líquido.

Por outro lado, se a espumação for excessivamente suprimida, a geração de poeira e perdas de calor por radiação tendem a aumentar.

Variáveis de Processo que Causam Slopping

Inicialmente, acreditava-se que o slopping decorria de dois fatores principais: (i) evolução da escória com baixa basicidade, alta viscosidade e baixa tensão superficial; (ii) descarburização incentivada por alta temperatura do banho e alto teor de ferro na escória. No entanto, o fenômeno é mais complexo, dinâmico e dependente de numerosas variáveis:

• Curso violento da fusão;
• Viscosidade da escória;
• Tensão superficial da escória;
• Densidade da escória;
• Tamanho das bolhas de gás geradas na descarburização;
• Circulação fraca ou instável do banho;
• Altura, volume e formato do revestimento de trabalho do conversor;
• Altura da lança acima do banho;
• Vazão de O₂ pela lança;
• Desgaste dos orifícios da ponta da lança;
• Química do ferro gusa (HM) e da sucata;
• Taxa de descarburização.

A grande quantidade de variáveis explica a crença comum de que os incidentes de slopping são caóticos e imprevisíveis.

Regimes de Soprada

Na prática, alcançar equilíbrio perfeito de O₂ fornecido ao banho e à escória é difícil. Dois termos descrevem desvios desse equilíbrio:

• Soprada forte (hard blowing): Lança mais próxima do banho, promovendo descarburização no ponto quente e depois no banho, resultando em escória sub-oxidada. A descarburização é alta, mas a escória não espuma; a emulsão torna-se viscosa e encolhe, facilitando canalização de gases e spitting intensificado, reduzindo yield e causando acúmulo (skulling) na lança, cone e boca do conversor. Aumenta também o desgaste do fundo.
• Soprada fraca (soft blowing): Lança mais afastada, aumentando suprimento de O₂ à escória, reduzindo taxa de descarburização e gerando escória super-oxidada. A altura da espuma diminui e promove desgaste do revestimento. Impacto mais raso do jato reduz mistura do banho, criando zonas mortas e acúmulo no fundo.

Em posição ótima da lança, o O₂ fresco suprido à escória equilibra o consumo de FeO para descarburização das gotículas ejetadas. A taxa de descarburização é alta mas controlada, criando espuma estável que preenche grande parte do volume do conversor, minimizando desgaste e skulling. Yield e resultado da soprada são bons.

Condições Hiper-reativas e Slopping

A combinação de baixa taxa de descarburização e escória super-oxidada assemelha-se a uma "bomba-relógio" — condições "hiper-reativas" com excesso de O₂ e C não reagindo por má mistura. Qualquer mudança menor nas condições desencadeia aumento drástico na geração de gás e crescimento da espuma, levando a slopping violento.

O slopping ocorre quando, devido ao crescimento excessivo da espuma, ela não pode ser contida e flui pela lateral externa do conversor. O ritmo depende do estado de oxidação da escória: lento para escória densa e sub-oxidada; rápido para escória fluida e super-oxidada. A prevenção requer controle rigoroso da composição da escória e, portanto, do estado de oxidação da espuma.

Causas Estáticas vs. Dinâmicas

• Causas estáticas: Condições pré-soprada — projeto do conversor, volume e características da escória, qualidade dos materiais de carga (HM e sucata), padrões de soprada (posição da lança, tempo de adições, vazão de O₂).
• Causas dinâmicas: Relacionadas ao tipo de soprada — desvio dos padrões de soprada, extensão da agitação no fundo do conversor.

O slopping pode ocorrer por crescimento excessivo da emulsão gás-escória-metal. A espuma flui para fora dependendo do grau de oxidação da escória: lentamente para escória densa e sub-oxidada; rapidamente para escória altamente oxidada.

Influência do Teor de Silício no Ferro Gusa

• Baixo teor de Si: Aumenta slopping no início da soprada por formação de camada de escória espessa o suficiente para proteger o banho do jato de O₂. A queima rápida de Si antecipa a fase de descarburização, podendo gerar slopping violento e formação de skulling na lança. Prevenção: reduzir taxa de descarburização elevando a lança ou diminuindo vazão de O₂ (ou ambos) e adicionar fundentes para acelerar formação de escória. Baixo Si também afeta remoção de P e S por volume reduzido de escória.
• Alto teor de Si: Aumenta volume de escória e teor de Fe na escória. Solução: adição adequada de cal durante a soprada, evitando basicidades baixas, ajustando velocidade de descarburização reduzindo vazão de O₂ na primeira etapa e escolhendo padrão de soprada que evite grande quantidade de FeO na escória nessa fase.

Prevenção do Slopping: Métodos On-line e Off-line

Métodos Off-line (Antes da Soprada)

Baseados em experiência passada de como condições operacionais afetaram slopping em bateladas anteriores. Fatores relatados como causadores:

• Teor de Si no HM acima de 1,2%;
• Teor de Mn no HM fora da faixa 0,5–0,9%;
• Carga acima da capacidade projetada do conversor;
• Uso de fluorita para acelerar dissolução da cal;
• Uso de óxido de ferro (minério, sinter) como refrigerante;
• Uso de forno recém-revestido (baixo volume interno);
• Projeto da lança de O₂;
• Soprada com lança mais alta que o normal.

Ações de controle off-line incluem restringir teor de Mn alvo no HM e calibrar regularmente a separação lança-banho. Práticas variam entre usinas e muitas vezes conflitam com outros aspectos da operação.

Métodos On-line (Durante a Soprada)

Correções feitas em tempo real em resposta a sinais indicando iminência de slopping. O método tradicional — operador monitora visualmente e age quando sinais aparecem — provou-se pouco eficaz, pois quando os sinais são visíveis, o slopping já começou e o dano já ocorreu. A atenção e experiência do operador são cruciais mesmo com sistemas computadorizados.

Técnicas de Detecção Avançada

• Análise acústica e de intensidade luminosa: Modelos baseados em sinais acústicos e luminosos para prever slopping.
• Processamento de imagem: Fibroscópio de imagem para monitorar ambiente interno do forno.
• Sinais sonoros: Microfone no duto de exaustão para estimar nível de escória e sugerir ajuste de altura da lança.
• Técnicas computacionais inteligentes: Lógica fuzzy, algoritmos genéticos, redes neurais, análise de vibração da lança, método de micro-ondas.

Técnicas de Supressão de Espuma

• Materiais carbonáceos (coque): Partículas de coque promovem coalescência das bolhas, desestabilizando a espuma. O tamanho das partículas deve ser maior que as bolhas; partículas menores estabilizam a espuma.
• Injeção de pó de alumínio;
• Ajuste da altura da lança;
• Manipulação das vazões de gás.

Sistemas de Alerta e Mitigação

Os esforços concentram-se em três áreas: (i) modelagem do slopping e seu potencial; (ii) dispositivos de medição para detectar início do slopping; (iii) medidas de mitigação em tempo real.

Exemplos de Modelagem

• Cálculo de perfil de soprada ótimo baseado na composição inicial do banho;
• Sistema de cálculo de potencial de slopping para cada batelada.

Exemplos de Dispositivos de Medição

• Medidor de micro-ondas para nível de escória relativo à boca do conversor;
• Sistema de detecção por medição de vibração da lança de O₂;
• Uso de ondas de rádio para medição de profundidade da escória.

Sistemas Combinados Promissores

Combinação de dispositivos de medição on-line para detecção precoce e intervenções de processo para mitigação. Modelos físicos baseados em experimentos em modelos frios e quentes. Modelo físico para controle de espumação dinâmica, validado em modelo de água.

Sistemas de Alerta Específicos

• Detecção por combinação de sonômetro e análise de gases;
• Sistema com filtragem adaptativa e algoritmos de detecção de mudança para alarme on-line ao operador.

Câmera para Detecção de Slopping

Quantificação objetiva: câmeras VCR monitoram o processo. Quando ocorre slopping, metal fundido cai do topo do conversor. Cada frame é segmentado por limiarização de nível de cinza. A razão entre pixels claros e escuros indica severidade do incidente, média em janela de 2 segundos, salva em tempo real com outros dados do processo.

Sonômetro para Detecção

Desde os anos 1970, sonômetros monitoram indiretamente o nível de espuma. À medida que o nível sobe, a emissão sonora em certas bandas de frequência diminui. Sinal usado pelo operador para monitorar mudanças de nível e como entrada para controladores.

Sistema de Alerta Avançado

Combinação de medições-chave com processamento avançado de sinais. Modelo de identificação de sistema atualizado por estimação recursiva de parâmetros, fornecendo alertas precoces ao operador. Alimentado com vazão de gás de escape e teor de CO; sinal do sonômetro como saída. Refinado substituindo CO por medição de pressão (devido a atrasos na análise de gás de escape). Microfone no duto fornece dados de áudio de alta resolução para estimador de altura de espuma baseado em intensidade de sinal em certas frequências.