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Siderurgia II – Módulo 3Siderurgia II – Módulo 3
Siderurgia II
Refino Primário
Aciaria LD (BOF – Basic Oxygen Furnace)
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Histórico do Processo LD (BOF)
• 1856: Henry Bessemer propõe o uso de oxigênio (ar) para remoção do carbono do ferro gusa (tempo corrida = 8hs)
• 1920: preço do oxigênio – US$ 720/t• 1930: Alemanha – uso de oxigênio no enriquecimento do ar para
altos-fornos• 1948: conversor piloto de 2,5 t• 1950: primeiro conversor industrial (35 t) – Linz e Donawitz• 1957: primeiro conversor no Brasil (Belgo – Monlevade)• 1963: Mannesman e Usiminas• 1965: Cosipa• 2009:
– Mundo: 780 milhões t (65% produção)
– Brasil: 23 milhões t (74% produção)
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PROCESSOS ATUAIS DE FABRICAÇÃO DO AÇO
PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMAS. PELOTIZAÇÃO. SINTERIZAÇÃO
. COQUERIA. CARVOEJAMENTO
REDUÇÃO. ALTO-FORNO
. COREX. REDUÇÃO DIRETA
ACIARIA. CONVERSORES A OXIGÊNIO
. FORNO ELÉTRICO
REFINO DO AÇO
LINGOTAMENTO. CONVENCIONAL
. CONTÍNUO
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
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Fluxo de produção da ArcelorMittal – João Monlevade
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Lay-out da aciaria LD
• Ala de Convertedores– Fornos & sistema de limpeza de gases– Lanças– Silos de cal e fundentes
• Ala de Carregamento– Recebimento/pesagem de gusa e sucata– Misturadores de gusa– Plataforma de operação– Cabine de controle
• Ala de vazamento– Preparação de panelas
(montagem/reparo de refratários, montagem de válvulas gaveta)
– Sistema de pré-aquecimento de panelas
– Carro-panela
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Calha de carga
Panela de gusaExaustão de
gases
Conversor
Lança de oxigênio
Sub-Lança de temperatura e carbono
Silo de adições
Panela de aço Pote de escória
Equipamentos
Ponte Rolante
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Tipos de conversores
Sopro por baixo (Q-BOP)
Gás combustível como refrigeranteOxigênio puro e escorificante em pó
Sopro combinadoGas inerte (N2 ou Ar)
CO2
Oxigênio puro e escorificante em pó
Oxigênio puro
Sopro por cima
Oxigênio puro
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Processo LD (BOF):
CO CO2 N2 H2
68 8 12 12
Gás100 Nm3/t
Composição (%)
CaO SiO2 MgO FeO
50 15 8 35
50 kg/t
Composição (%)
Escória
C Si Mn P S
0,04 0,01 0,15 0,01 0,007
Aço Líquido1.000 kg
Composição (%)
Oxigênio56 Nm3/t
Cal80 kg/t
C Si Mn P S
4,2 0,4 0,3 0,01 0,007
Composição (%)
Gusa Líquido750 kg/t
C Si Mn P S
0,05 0,03 0,05 0,03 0,009
Composição (%)
Sucata340 kg/t
Gás Inerte (N 2 , Ar)1,6 Nm3/t
Gusa líquido
Sucata
Cal
Oxigênio
Gás inerte (N2, argônio)
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Reações no conversor
Oxigênio
Emulsão gás-escória-metal
Escória
Metal
FeO(escória) + CO(g) = Fe(metal) + CO2(g)
2 Fe(metal) + O2(g) = 2 FeO(escória)
Sub-Lança (temperatura e teor de carbono)
2 C(metal) + O2(g) = 2 CO(g)
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Equipamentos
• Convetedor– Refratários
• Óxidos básicos: CaO e MgO
• Consumo: 2 a 10 kg/t
• Projetos de revestimento:– Balanceado: dimensões variadas– Diferenciado: qualidade variável– Misto: dimensões e qualidade variáveis
• Regiões de desgate critícas:– Linha de escória: erosão– Fundo: impacto da carga
• Prolongamento da vida do refratário– Uso de projeção de massa para reparos a quente; 1 vez por turno– Uso “slag splashing”: ao término de cada corrida
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Zonas críticas do revestimentoFuro de vazamento
Cone superior
Região de vazamento
Região dos munhões
Região de impacto da carga
Cone inferior
Soleira (fundo)
Resto revestimento
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Equipamentos
• Lança– Objetivo: injetar a máxima vazão de oxigênio sem
alterações operacionais como• projeções de metal/escória para fora do conversor,
• desgaste acentuado do revestimento,
• baixo rendimento metálico,
• baixa eficiência energética.
– Corpo da lança: 3 tubos concêntricos (fluxo de oxigênio e água de refrigeração)
– Bico: • Material: cobre eletrolítico de alta condutividade térmica
• Projeto: 3 furos com seção convergente/divergente para obter jato supersonico.
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Equipamentos
• Sub-Lança– Função: medir a temperatura e o teor
de carbono durante o sopro– Objetivo: atingir, ao final do sopro, as
faixas de temperatura e teor de carbono objetivadas, sem necessidade de resopro
– Resultado: menor tempo de corrida (maior produtividade)
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Matérias-primas
• Carga Metálica
– Gusa líquido/sólido
– Sucata de aço/gusa
– Ferro esponja
• Fundentes
– Cal calcítica (CaO) ou dolomítica (CaO/MgO)
– Fluorita (CaF2)
– Minério de ferro
• Refrigerantes
– Minério de ferro
– Calcário
– Carepa
• Oxigênio
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Carga metálica
• Gusa líquido– Funções
• Fornecer energia para o processo (entalpia e reações de oxidação do C e Si)
• Fonte de metal primário (sem impurezas)
– Características de qualidade• Temperatura: 1.300 a 1.400 C (constante)
• Composição química
C Si Mn P S
% 4,0 – 4,2 0,3 – 0,7 0,5 – 0,8 < 0,150 < 0,040
Obs. Com pré-tratamento de gusa %Si ~ 0,1
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• Gusa líquido– % de gusa líquido na carga metálica depende
• Composição (%Si) – capacidade térmica e formação de escória
• Temperatura
• Qualidade do aço a ser produzido (elementos residuais)
• Qualidade da carga sólida (densidade e tamanho)
• Qualidade da cal
• Dimensões do conversor (efeito da perda térmica)
• Pequenos (~ 30 t): 85 – 90%
• Grandes (300 t): 70%
– % de gusa impacta diretamente no custo• Alta %, custo mais alto
Carga metálica
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• Gusa líquido
– Importância do teor de silício• Rendimento térmico processo AF/LD:
• Incorporação de 0,1% Si no AF = 25.000 kcal/t• Oxidação de 0,1% Si no LD = 4.821 kcal/t
%3,19100x000.25
821.4térmico
Carga metálica
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• Gusa líquido:
Efeito de se reduzir 0,1% no teor de Si do gusa
Alto-Forno LD
Consumo de carbono: -6,5 kg/t Rendimento metálico: +0,2%
Produtividade: +3,1% Número de corridas: +110
Consumo de cal: -6,3 kg/t
Consumo de dolomita: -2,9 kg/t
Conseqüência: é necessário reduzir a % Si no gusa antes do LD
Pré-tratamento do Gusa
Carga metálica
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Pré-tratamento de gusa
Agente Dessiliconizador
Agente Desfosforante/Dessulfurante
Remoção de escóriaAlto-Forno
LD
Misturador de GusaCarro
torpedo
Reciclagem de escória
Dessiliciação
Desfosforação
Dessulfuração
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• Sucata de aço– Funções
• Fonte de ferro para o processo (%Fe>99%)
• Refrigerante para controle térmico
– Origem• Geração interna (lingotamento/laminação)
• Externa (compras)
– Classificação• Composição química: tipo de aço a ser produzido
• Dimensões: tempo necessário para fusão & desgaste do refratário
• Densidade: efeito na produtividade (úmero de cargas)
• Grau de contaminação: tipo de contaminante (Cu, Sn)
Carga metálica
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• Sucata de aço– Classificação
• Primeira categoria: aparas de chapas grossa, tiras a quente e a frio, retorno de laminação.
– Alta pureza e baixa densidade.
• Pesada : lingotes e placas de lingotamento sucatadas, aparas de corte de LC ou lingotes.
– Elevada densidade, alto teor de S e P, precisa de preparação.
• Segunda categoria: sucata de bens de consumo (geladeira, automóveis, etc.).
– Elevado nível de contaminantes e precisa preparação (seleção, limpeza, corte e prensagem)
• Sucata recuperada: proveniente da britagem e peneiramento de escória e resíduos de lingotamento.
– Teor metálico variável.
Carga metálica
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Alguns tipos de sucata de aço
Plate and Structural tamanho max. 1,50 x 0,60 m x 0,60 m e 6 mm espessura; isento de tubos e peças ocas.
No1 Heavy tamanho max.1,50 x 0,60 x 0,60 e 6 mm espessura contendo tubos, peças ocas, rodas pesadas de veículos e cabos de aço; isento de peças de veículos leves
No2 Heavy tamanho max. 1 x 0,60 x 0,60 m contendo peças de rodas veículos leves e isento partes de veículos leves e eletrodomésticos
No1 Bundles chapas novas prensadas e amarradas com densidade mínima de 1600 kg/m3 ; isento materiais de recobrimento contendo até 0,5% Si
No1 Bundles chapas velhas e galvanizadas prensadas e amarradas com densidade min de 1600 kg/m3;
Shredded peças velhas fragmentadas tamanho max.200 mm; livre de terra e areia, metais não ferrosos e outros; baixa umidade; densidade min. 800 kg/m3; teores max. Sn de 0,03% e Cu de 0,25%
No1 Busheling adequada par prensagem, livre de revestimentos a base de estanho
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Carga metálica
• Sucata de gusa– Fonte
• Peças de ferro fundido (lingoteiras)• Limpeza de canais de vazamento de AF• Compras externas
– Vantagens sobre a sucata de aço• Livre de elementos residuais• Alto teores de C e Si (fontes de calor)
– Desvantagem• Contaminação com sílica e alumina (terra, areia)• Baixo teor de ferro (~ 90 a 94%)
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Fundentes
• Cal– Funções
• Neutralizar a sílica proveniente da oxidação do silício do gusa formando 3CaO.SiO2 de modo a reduzir o consumo de refratário
• Obter uma basicidade (%CaO / %SiO2) da escória adequada para permitir a remoção de P e S.
– Característica importante: elevada velocidade de dissolução na escória
• Dissolução depende• Qualidade da cal• Condições operacionais
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Fundentes• Cal
– Qualidade da cal• Densidade: 1,5 a 1,7 g/cm3
• Indicativo da superfície específica• Granulometria: 15 a 40 mm, max.10%<5mm
• Indicativo da superfície específica• Perdas nos gases
• Baixo teor de CO2 (<5%)• Maior consumo de energia• Menor teor de CaO
• Baixo teor de silíca (SiO2)• Menor teor de CaO• Maior consumo de cal
• Baixo teor de enxofre
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Sequência de fabricação do aço na aciaria LD:
1. Carregamento de sucata
2. Carregamento gusa líquido
3. Sopro O2 + cal
4. Amostragem
5. Vazamento do aço + (ligas e desoxidantes)
6. Vazamento da escória
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Seqüência de operação
Carregamentode sucata
Carregamentode gusa líquido
Sopro Vazamentodo aço
Vazamentoda escória
tap – to – tap (~50 min)
~4 min ~4 min ~30 min ~6 min ~6 min
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Controle de sopro
Amostragem%C e temp.
Sopro &Controle por
Sub-lança
Re -Sopro
Amostragem manual Sub-lança
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Reações no LD
• Reações– Oxidação do Carbono: mais importante, pois
determina a produtividade– Oxidação do Silício– Oxidação do Manganês– Oxidação de Ferro– Oxidação do Fósforo – Dessulfuração
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Variação da composição química dos principais elementos
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Reações:Reações:
C + O CO (direta)
C + FeO Fe + CO (indireta)
Etapas:
1º Período:Veloc. Lenta – oxidação de outros elementos (Si)
2º Período:Velocidade constante e limitada pela vazão de O2
3º Período:Veloc. Diminui redução do teor de carbono no banho
Oxidação do CarbonoOxidação do Carbono
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Oxidação do SilícioOxidação do SilícioReações:Reações:
Si + 2 O SiO2 (l)
Si + 2 FeO 2 Fe + SiO2
SiO2 + 3CaO 3CaO.SiO2 (l)
1º Período:
Termodinâmica:
- Si tem alta afinidade pelo oxigênio
- oxidação praticamente total ao final do 1º Período
- Dissolução da cal: a cal deve estar totalmente dissolvida antes do término do Período I (presença de FeO e MnO na escória favorece a dissolução – escória fica mais líquida)
SOPRO MACIOSOPRO MACIO
Adição de fluxantes:
FluoritaMinério
Abaixar Tf dos silicatos
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Oxidação do ManganêsOxidação do Manganês
Reações:Reações:
Mn + O = MnO (l)
1º Período:Oxidação do Mn
2º Período:Redução do MnO
MnO (l) + C = Mn + CO
(g)
3º Período: Oxidação do Mn
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Oxidação do FerroOxidação do Ferro
Reações:Reações:
Fe (l) + O = FeO (l)
1º Período:Oxidação do Fe
2º Período:Redução do FeO
FeO (l) + C = Fe(l) + CO
(g)
3º Período: Oxidação do Fe Importante para o rendimento metálico do LD
1. Sopro macio2. Adição
FeO/Fe2O33. Escória corrida
anterior
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Oxidação do FósforoOxidação do Fósforo
Reações:Reações:
2 P + 5O + 4CaO(l) P2O5.4CaO (l)
Termodinâmica:-alta atividade CaO na escória -(cal dissolvida): Períodos I e II devido a presença de FeO e MnO- baixa temperatura: Período I
1º Período:Alta taxa desfosforação
2º Período:P2O5 que não reagiu CaO P no banho %P aumenta devido descarburação
3º Período: Descarburação diminui %P diminui
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DessulfuraçãoDessulfuração
ReaçãoReação
S + CaO (l) = CaS (l) + O
1º Período:2º Período:alta atividade CaO na escória (cal dissolvida): Períodos I e II devido a presença de FeO e MnO
3º Período: alta temperatura
- 50% S carregado permaneceParte do S é vaporizado (SO, SO2 e COS)