ABM - Introdução Aos Processos de Refino Primário Dos Aços Nos Convertedores à Oxigênio

Srie: Capacitao Tcnica em Processos Siderrgicos rea: Aciaria

INTRODUO AOS PROCESSOS DE REFINO

PRIMRIO DOS AOS NOS CONVERTEDORES

A OXIGNIO Ernandes Marcos da Silveira Rizzo

Scio Titular da ABM, Tcnico em Metalurgia (CEFETES), Engenheiro Mecnico (UFES), Mestre em Materiais e Processos de

Fabricao (UNICAMP), Doutor em Materiais e Processos de Fabricao (UNICAMP e The University of lowa-EUA)

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So Paulo, 2006

ASSOCIAO BRASILEIRA D E M E T A L U R G I A

| E M A T E R I A I S

Ficha Catalogrfica / Cataloguing Card

Rizzo, Ernandes Marcos da Silveira Introduo aos processos de refino primrio dos aos nos

convertedores a oxignio / Ernandes Marcos da Silveira Rizzo. So Paulo, Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2006.

118 p.: ilus. (Capacitao Tcnica em Processos Siderrgicos: Aciaria). Bibliografia.

ISBN 85-86778-93-1

1. Siderurgia. 2. Ao : Processos de fabricao 3. Metalurgia. I. Ttulo.

CDD 669

ndice para Catlogo Sistemtico 1. Siderurgia: ferro-gusa : ao 669 2. Ao : processos de fabricao : laminao 669.142 3. Aciaria : processos de fabricao 669.142 4. Metalurgia 669

Direitos exclusivos desta edio reservados Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais

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Proibida a reproduo, mesmo que parcial e por qualquer processo. sem autorizao expressa e por escrito da

Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais - ABM

:

E.M.S. Rizzo Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio 1

SUMARIO Apresentao 3

1 - Breve Histrico do Desenvolvimento do Processo 5

2 - Matrias-Primas e Insumos 9 Ferro-Gusa Lquido 9 Sucata 13 Gases (Oxignio, Nitrognio e Argnio) 21 Fundentes e/ou Refrigerantes 22

3 - Equipamentos 23 Vaso do Convertedor 23 Revestimento refratrio do convertedor 30 Lana para injeo de oxignio 43 Sistemas de sopro combinado 49 Sublana

4 - Ciclo de Operaes no Refino 55 Etapas do processo 55 Carregamento da carga metlica slida 57 Carregamento do ferro-gusa lquido 57 O sopro de oxignio 61 Padro de sopro 67 Testes de temperatura, de composio qumica, espera e ressopro 73 Vazamento do metal lquido, vazamento de escria e metalurgia da panela 77

5 - Sistema de Coleta, Limpeza e Tratamento de Resduos do Processo 85 O convertedor como uma unidade de reciclagem 85 Captao e reaproveitamento de ps e gs 86

Reaproveitamento de escrias de aciaria 94

6 - Reaes Qumicas de Refino e de Formao da Escria 101

Referncias 115

Bibliografia 116

Anexo I - Dados Relativos s Aciarias Brasileiras Equipadas com Convertedores 117 ndice Remissivo 118

2 Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio E.M.S. Rizzo

Membros do comit do PNCO-ABM elaborador da Norma de Requisitos de Qualificao para Certificao de Operadores da rea de Aciaria:

Emandes Marcos da Silveira Rizzo - E. R. Consultoria e Treinamento Ltda. Fausto Leite Vasconcelos - Gerdau-Aominas Hlio Rodrigues - ABM (Coordenador do Programa PNCO-ABM) Joo Carlos Robles - Aos Villares-Sidenor - Usina de Pindamonhangaba-SP Jos Domingos Diniz Filho - Vallourec & Mannesmann Tubes do Brasil S.A. (V&M) Paulo Srgio Bringhenti Lascosqui - Companhia Siderrgica de Tubaro (CST) - Grupo Arcelor Wanderlei Miguel Gonalves - Belgo-Grupo Arcelor - Usina de Joo Monlevade-MG Jos Carlos Gilson Parish - ABM Mauro Csar Giacomin - Belgo-Grupo Arcelor - Usina Grande Vitria-ES


APRESENTAO A srie de materiais instrucionais denominada Capacitao Tcnica em Processos Siderrgicos foi elaborada com o intuito de oferecer aos interessados na rea de metalurgia e materiais, informaes essenciais, objetivas e atualizadas a respeito dos diversos processos envolvidos na elaborao, conformao e aplicao dos aos, material este de fundamental importncia para o desenvolvimento da sociedade. As publicaes podem ser utilizadas para aperfeioamento de profissionais que militam na rea da siderurgia, por estudantes interessados em compreender a siderurgia ou para treinamento de novos funcionrios em um determinado setor da indstria.

A srie Capacitao Tcnica em Processos Siderrgicos subdividida em 4 reas: Conhecimentos Bsicos, Reduo, Aciaria e Laminao, procurando assim cobrir todo o espectro de conhecimentos relacionados com a siderurgia. Ao invs de uma publicao que cubra todo o contedo de uma determinada rea, optou-se pela elaborao de diversas publicaes de forma a cobrir os itens de conhecimentos especficos de cada especialidade, procurando evitar um excesso de informaes que, embora pudessem ser consideradas como enriquecedoras, poderiam prejudicara assimilao do contedo pelo pblico-alvo a que se destinam.

Saliente-se que as publicaes foram elaboradas com o intuito de apresentar e discutir os principais fluxos de processos, as principais variveis ou parmetros de controle destes processos e os principais tipos de equipamentos utilizados. Detalhes construtivos dos equipamentos, as faixas de controle das variveis ou parmetros variam de empresa para empresa em funo do fornecedor dos equipamentos, grau de atualizao tecnolgica da empresa e tipo de produto produzido, no sendo, portanto, alvo desta srie de publicaes e sim de treinamentos especficos na funo (on job training). O objetivo principal desta srie de publicaes apresentar ao leitor um breve panorama da produo dos aos, o macrofluxo de obteno e processamento deste material, as razes da existncia de uma ampla gama de tipos de aos no mercado, os parmetros que governam a seleo de um determinado tipo de ao e as linhas gerais para estudo deste ramo relativamente complexo da cincia e tecnologia intitulado siderurgia ou metalurgia das ligas ferrosas.

Esta srie de publicaes tambm pode ser utilizada com o propsito de auxiliar na preparao dos funcionrios das usinas siderrgicas brasileiras para realizao com sucesso das provas de rgos certificadores de pessoal. Para atingir tal objetivo, e em consonncia com a essncia de um processo de certificao, so feitas descries objetivas de cada um dos itens de conhecimentos, em detrimento de anlises mais aprofundadas e quantitativas, ou peculiaridades dos equipamentos ou procedimentos de uma determinada empresa. Equaes matemticas ou qumicas s so utilizadas em casos essenciais para compreenso de um determinado fenmeno ou processo no grau de exigncia tpico de provas de certificao.

Por definio, um funcionrio certificado aquele que cumpre as atividades de acordo com os padres operacionais, tcnicos e empresariais e sabe explicar ou compreende a importncia de seguir as orientaes do padro, realizando, portanto, as atividades com maior eficcia, eficincia, autonomia e conscientizao.

Dentre os diversos benefcios advindos da aprovao em um processo de certificao ocupacional para o funcionrio, podem ser destacados: valorizao e reconhecimento, maior empregabilidade, promoo por mrito e melhoria do moral. Para a empresa, outros benefcios podem ser enfatizados quando a mesma possui um quadro de funcionrios devidamente certificados: menor variabilidade e maior estabilidade do processo, aumento da produtividade, maior adequao da empresa para reconhecimento pelas normas de gesto da qualidade.


As publicaes foram elaboradas de forma a apresentar nos captulos iniciais as principais caractersticas dos equipamentos utilizados e o fluxo de operaes do processo em estudo, procurando deixar as informaes relativas aos fenmenos fsico-qumicos que explicam os processos para os ltimos captulos.

No caso especfico das publicaes para a rea de aciaria, os seguintes ttulos esto disponveis:

O autor expressa seus agradecimentos aos funcionrios das usinas siderrgicas, da ABM e de fornecedores de equipamentos e insumos para a siderurgia que forneceram informaes vitais para a elaborao desta publicao, alm de terem participao fundamental na reviso da mesma. Como todo trabalho que se inicia, este certamente apresentar falhas, seja de contedo. forma ou abrangncia, cuja identificao, bem como sugestes para aperfeioamento desta publicao, sero recebidas de bom grado.

O autor tambm agradece s seguintes empresas e associaes de classe que cederam imagens para ilustrar esta publicao:

Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais - ABM Belgo Siderurgia S.A. - Grupo Arcelor Companhia Siderrgica de Tubaro - CST - Grupo Arcelor Danieli do Brasil Ltda. Gerdau - Aominas Instituto Brasileiro de Siderurgia - IBS Minerais Technologies do Brasil Comercio e Indstria de Minerais Ltda. (Minteq-Ferrotron). Plaxair Technology Inc. SMS Demag Ltda. Vallourec & Mannesmann do Brasil S.A. Voest-alpine Indstria Ltda.

Vitria-ES, Maio de 2006.

Prof. Dr. Emandes Marcos da Silveira Rizzo


1 - BREVE HISTRICO DO DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO Para destacar a importncia dos processos pneumticos, ou seja, atravs da injeo de

oxignio, para a elaborao dos aos, basta mencionar que aproximadamente 60% do ao produzido no mundo atualmente1 realizado atravs desta categoria de processo. Esto instalados cerca de 600 convertedores ao redor do mundo, existindo uma srie de diferenas construtivas, na forma de realizao do sopro de oxignio, nos gases auxiliares utilizados dentre vrios outros aspectos que sero apresentados e discutidos ao longo deste texto.

At o ano de 1856, o ao era fabricado basicamente pelo processo do forno de pudlagem, consistindo na refuso do ferro-gusa impuro (elevado teor de enxofre) obtido em altos fornos usando carvo de pedra ou coque, em forno um forno de cadinho aquecido a coque, entrando em contato com os gases oxidantes. Atravs da agitao por meio de barras (to puddle), todo o banho entrava em contato com o oxignio dos gases e assim, gradualmente, queimava-se o carbono e o ferro-gusa transformava-se em ferro pudlado (ferro doce). O banho lquido transformava-se pouco a pouco em massa pastosa que, no final, apresentava uma consistncia tal que era possvel retirar bolos ou "lupas". Esta massa era martelada para se transformar em barras. Aps uma hora e meia de trabalho eram obtidos 220 a 250 kg de ao doce. Este processo era bastante ineficiente e consumia muito combustvel (4 t de carvo para 1 t de ao).

A utilizao do oxignio puro para a transformao do ferro-gusa lquido em ao, foi sugerida por Sir Henry Bessemer2, na Inglaterra, que em 1856 j pde veros mritos na utilizao do processo pneumtico com a excluso do nitrognio do ar soprado nos convertedores (Patente 31.03.1856). Na mesma poca William Kelly, nos EUA, utilizou a mesma idia para a obteno de ao. Entretanto, o oxignio necessrio realizao da idia na prtica no era disponvel nesta poca. Desta forma, estes pesquisadores utilizavam o ar atmosfrico aquecido e injetado sob presso atravessando o banho de ferro-gusa lquido para realizar as reaes de refino para efetuar converso do ferro-gusa em ao.

O convertedor Bessemer consistia de uma carcaa de chapas de ao, soldadas ou rebitadas, com um formato cilndrico e dotado de um fundo destacvel, contendo as ventaneiras de refratrio slico-aluminoso (Figura 1.1). A carcaa se apoiava em dois munhes para permitir a rotao da mesma. O ar era injetado sob presso, na faixa entre 1,4 e 1,7 atmosferas, e escoava por uma tubulao instalada no interior de um dos munhes, sendo direcionado para a caixa de vento, localizada no fundo da carcaa. Com esse processo foi possvel conseguir, no mesmo espao de tempo, 200 vezes mais ao que no processo de pudlagem.

O basculamento era feito por meio de uma coroa dentada fixa a um dos munhes. O revestimento tpico deste equipamento era de pedra slciosa, micaxisto ou ento, de tijolos de slca. O revestimento tinha uma durao de aproximadamente 400 corridas. As ventaneiras eram de forma tubular, de material silico-aluminoso de boa qualidade, tendo comprimento de 800 a 900 mm, com dimetro na ponta de 150 mm e na base de 200 mm; possuem, em geral, 7 furos de 5/8". O fundo do conversor Bessemer estava sujeito a um desgaste bastante severo, sua vida mdia era da ordem de 25 a 30 corridas.

Geralmente o ferro-gusa para o convertedor Bessemer apresentava a seguinte composio qumica: Si = 1,10 a 1,50 %; Mn = 0,40 a 0,70 % e P = 0,090 %. Se o teor de silcio fosse mais baixo, tenderia a causar corridas mais frias. O teor de Mn acima de 0,70% ocasionava a formao de uma escria muito fluida, tornando mais difcil a separao entre a mesma e o ao.

Tomando-se como referncia o ano de 2003. z Engenheiro civil que trabalhava em uma empresa de administrao de patentes.

6 Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio E.M.S. Rizz:

O processo Bessemer, desenvolvido inicialmente utilizando o ferro-gusa importado ca Sucia, fracassou ao ser aplicado com ferro-gusa produzido na Inglaterra, pois este apresentada um elevado teor de fsforo que, no sendo eliminado na etapa de elaborao, tornava o ao frgil. Em 1878, Sidney G. Thomas, conseguiu aplicar a tecnologia do convertedor Bessemer em ferros-gusa de alto teor de fsforo com a utilizao de revestimento dolomtico calcinado que permitia a obteno de escrias ricas em CaO e facilitando, assim, a retirada desse elemento. Este tipo de convertedor denominado de convertedor Thomas ou Bessemer bsico.

Figura 1.1 - Desenho do convertedor patenteado por Henry Bessemer1.

Figura 1.2 - Convertedor Bessemer da dcada de XX desativado e exposto como monumento na cidade de Pittsburgh no estado de Filadlfia nos EUA.

No caso do convertedor Thomas, o ferro-gusa lquido empregado devia, preferencialmente ter baixo Si e S e ser fisicamente quente. O baixo teor de Si era necessrio porque o silcio do banho atacaria as paredes do convertedor que so de tijolos de dolomita. O silcio no deve ultrapassar 0,35%, porque elevados teores de Si, no comeo do sopro, provocam a formao de uma escria espumante, dispersa no meio do banho, projetando material para fora do forno na 1 Ilustrao de um livro de 1869 reapresentado em outro livro de 1996 (GORDON, 1996).


etapa de sopro. Um baixo teor de S importante porque este elemento nocivo composio do ao e difcil de ser retirado no convertedor. O ferro-gusa deve estar bem aquecido, ou seja, ser fisicamente quente para compensar o baixo teor de Si. A espessura do banho nos convertedores Bessemer ou Thomas era da ordem de 600 a 800 mm; o volume interior era, em geral, calculado na proporo de 1 m3 por tonelada de capacidade nominal.

Com a produo das primeiras unidades industriais de oxignio no final do sculo XIX, o interesse pela sua utilizao na siderurgia se acentuou. Em 1930, o oxignio era utilizado para o enriquecimento do ar soprado em Alto-Fomos e em convertedores Bessemer. Em 1938, Maximillian Shutte, produzia 90% do seu ao pelo processo Bessemer com o enriquecimento do ar, obtendo aumento na produtividade e melhoria de qualidade.

Durante a segunda guerra mundial, foi alcanado o desenvolvimento tecnolgico necessrio para a construo de grandes unidades de separao de ar a baixa presso, utilizando-se compressores centrfugos, tornando possvel a obteno do oxignio a custos mais baixos e propiciando o aumento de sua utilizao na siderurgia.

Na dcada de 40, os professores Robert Durrer e Nellbrugge desenvolveram experincias na usina de Gerlarfingern na ustria, utilizando o sopro de oxignio na superfcie do metal lquido atravs de uma lana refrigerada. As primeiras experincias bem sucedidas foram realizadas empregando-se um convertedor piloto de 2,5 toneladas, instalado em 1947. Com base nestes resultados experimentais, os trabalhos foram continuados na usina de Linz da Voest-Alpine, na ustria, inicialmente em escala de 2,0 toneladas. A partir de junho de 1949 as experincias passaram para escala de 5 e 15 toneladas. Em dezembro de 1949 foi decidida a instalao de uma aciaria com capacidade de 250.000 t/ano e convertedor de 30 t na cidade de Lins, sendo iniciada sua operao em 27 de novembro de 1952. Em 1953 uma planta com capacidade similar entrou em operao na cidade de Donawitz. Portanto, o ano de 1952 marca o nascimento do processo de refino em convertedores LD1, em homenagem as duas cidades austracas, Linz e Donawitz, que iniciaram este processo. A partir desta data uma srie de outras usinas entrou em operao no mundo todo, com o aumento gradativo do tamanho dos convertedores.

A primeira Aciaria a oxignio fora da ustria entrou em operao em Agosto de 1954, na Usina de Dominium Fourdries em Hamiton, Canad, e em dezembro do mesmo ano a Mclouth Steel Coorp. nos EUA. Em 1957, outras usinas entraram em operao nas Amricas, sia e Europa: Belgo-Mineira (Joo Monlevade - Brasil), Jones and Laughlin (Aliquipa - USA), Nippon Steel (Japo), Krupp (Alemanha). A partir de ento, o nmero de instalaes e o tamanho dos convertedores postos em operao anualmente, apresentaram um rpido crescimento que levaria o processo LD, e suas variantes, posio atual onde o processo LD responsvel por 60% (540 milhes de tonelada por ano) da produo de ao no mundo (o ano de 2003 como referncia).

Apesar do intenso desenvolvimento do processo, os seus princpios bsicos permaneceram praticamente inalterados. Entretanto, desenvolvimentos considerveis foram efetuados no s no que diz respeito capacidade do forno, que alcana hoje valores da ordem de 400 t (350 toneladas - National Steel, EUA e 385 toneladas Italsider, Taranto, Itlia), mas tambm na sua forma, nmero de furos nas lanas de oxignio, na qualidade de refratrios, no sopro combinado, etc. ao lado de aprimoramento das tcnicas operacionais.

A rpida seqncia das operaes em convertedores de elevada capacidade e a operao simultnea de 2 fornos (em aciaria com 3), conferem as aciarias equipadas com estes fornos uma grande produtividade. Por outro lado, com a ampliao de prticas de sopro adequadas, quase todas as reaes de refino podem ser obtidas, permitindo que o processo apresente uma grande versatilidade metalrgica. Estas duas caractersticas, aliadas as condies favorveis de custos,

As siglas BOS (Basic Oxygen Steelmaking) e BOF (Basic Oxygen Furnace) tambm so utilizadas para designar os processos que utilizam os convertedores a oxignio.

8 Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio E.M. S Rizzo

tanto de investimentos quanto operacional (nenhum consumo de combustvel, consur: :e refratrio 1/3 do consumo tpico dos fornos Siemens-Martin, maior produtividade e menor mo-de-obra), foram responsveis pela rpida evoluo do processo LD na produo mundial.

O processo LD foi rapidamente introduzido no Brasil atravs da Companhia Siderrgica Belgo-Mineira, cuja Aciaria a oxignio da Usina de Joo Monlevade, entrou em funcionamento em 1957, menos de 5 anos aps de Linz. Em 1963, iniciaram a sua operao as Usinas da Companhia Siderrgica Mannesmann, em Belo Horizonte e Intendente Cmara, da Usiminas, em Ipatinga. Em 1965 entrou em operao a aciaria da Cosipa em Cubato-SP. Novas aciarias LD foram instaladas conforme mostrados no Anexo 1 includo no final desta apostila. Em 1979 a produo brasileira de ao com convertedores a oxignio atingiu a cifra de 8,8 milhes t/ano. Em 1996 o nmero chegou a 18,0 milhes de t/ano e em 2005, prximo aos 23,6 milhes t/ano: para uma produo total brasileira de ao de 31,2 milhes t/ano em 2005 (tabela do Anexo I).

Para alcanar a versatilidade metalrgica atual, certas limitaes inerentes ao processo tiveram de ser vencidas, sendo as principais, o volume de adies de liga e a obteno de teores muito baixos de carbono e enxofre. Sendo todas as operaes de refino conduzidas em atmosfera oxidante a dessulfurao do ao no vivel no interior no convertedor a oxignio. A adio de elementos de liga no estado slido, em quantidades superiores a 2% exige temperaturas de vazamento mais elevadas, com suas respectivas desvantagens econmicas. Alm disso, a adio de grande quantidade de material traz problemas quanto homogeneizao do ao na panela, desde que no tratadas adequadamente na metalurgia de panela1.

A limitao no teor de enxofre imposta pelas condies de dessulfurao no convertedor, foi eliminada pela dessulfurao do ferro-gusa atravs de vrios processos. A seleo criteriosa da matria-prima e a utilizao de ferro-gusa dessulfurado permitem a obteno de teores de S menores que 0,01% e mesmo da ordem de 0,005.

O menor teor de C, economicamente vivel nos processos que empregam convertedores a oxignio cerca de 0,03%. Teores menores podem ser alcanados apenas atravs da utilizao das tcnicas de refino secundrio como a desgaseificao a vcuo.

Na Figura 1.3 apresenta-se um fluxograma da etapa do refino do ao para ilustrar c posicionamento dos processos de refino primrio nas usinas siderrgicas.

Figura 1.3 - Fluxograma esquemtico da etapa do refino do ao nas usinas siderrgicas.

1 Em alguns textos utilizado o termo caamba para designar a panela de ao.


2 - MATRIAS-PRIMAS E INSUMOS As principais matrias-primas e insumos utilizados para a produo do ao nos

convertedores foram apresentados na apostila denominada Introduo aos Processos de Preparao de Matrias-Primas para o Refino dos Aos, cuja consulta recomendada. A ttulo 28 recordao, relaciona-se a seguir as diversas categorias utilizadas para classificar as matrias-primas e insumos de acordo com a funo no processo:

- Carga metlica - Gases industriais - Fundentes e/ou refrigerantes - Ferros-ligas e ligas nobres - Desoxidantes - Adies complementares (recarburante, aquecimento, isolamento trmico e/ou qumico, eliminao de gases, etc). Os tratamentos aplicados ao ferro-gusa lquido visando aumentar a produtividade e/ou

permitir atender aos requisitos de composio qumica para o ao lquido na etapa de refino primrio foram apresentados na apostila denominada Introduo aos Processos de Preparao de Matrias-Primas para o Refino dos Aos, cuja consulta tambm recomendada para uma nelhor compreenso do processo de elaborao do ao nas aciarias que utilizam convertedores.

Devido a sua importncia, sero feitos comentrios a respeito das caractersticas particulares da carga metlica para os convertedores a oxignio. Esta carga metlica pode ser constituda dos seguintes materiais:

- sucata de ao - ferro-gusa lquido - ferro-gusa slido - sucata de ferro fundido - produtos pr-reduzidos (ferro esponja, briquete HBI ou RDI) - briquete de resduos siderrgicos.

A proporo entre os diversos tipos de carga metlica depende da combinao de uma srie de fatores, dentre os quais os mais importantes so:

- disponibilidade e preo das matrias-primas; - tipo de ao a ser produzido; - composio qumica das matrias-primas, inclusive a sua variao ao longo dos lotes; - teor de impurezas na sucata; - limitaes dos equipamentos/processos da aciaria para operar com determinados tipos

de carga metlica; - prtica adotada pela empresa para a preservao do revestimento refratrio dos

equipamentos.

Ferro-Gusa Lquido

Constitui a parte predominante da carga metlica do convertedor a oxignio, sendo o seu contedo trmico, em termos de composio qumica e temperatura, responsvel pela quase totalidade do fornecimento de calor ao processo. Deve, portanto, apresentar caractersticas fsico-qumicas adequadas e com menor variao possvel a fim de permitir uma operao regular e nas condies mais produtivas possveis. Uma grande variao na composio qumica ou temperatura do ferro-gusa pode ocasionar uma operao mais errtica, uma vez que os modelos de clculo e carga so vlidos geralmente para intervalos mais ou menos restritos das variveis envolvidas. Uma variao brusca tem efeitos ainda mais desastrosos, uma vez que o soprador,


que normalmente toma a corrida anterior como referncia, tender a adotar uma composio :e carga em desacordo com as necessidades.

A especificao da composio do ferro-gusa lquido varia conforme as peculiaridades regionais e a operao dos alto-fornos, podendo gerar flutuaes de composio em funo do tipo de carvo utilizado, do tipo de minrio, da quantidade de oxignio soprado nas ventaneiras na vazo total de ar insuflado, na injeo de finos de carvo, na temperatura do ferro-gusa na sada do cadinho e outros,

Nas usinas siderrgicas a proporo de ferro-gusa lquido na carga do convertedc depende de sua composio e temperatura (contedo trmico), da qualidade do ao a ser produzido, da qualidade de carga slida e da disponibilidade de sucata. Normalmente a carga lquida varia entre 80% para convertedores produzindo aos baixo teor de carbono e 85 a 9 1 : : para aos aito carbono; podendo chegar at a 100% da carga. Outro fator que determina o uso de ferro-gusa lquido est relacionado sua disponibilidade. Em algumas situaes a sua taxa e definida pelo tipo de ao que ser fabricado e das dimenses do convertedor.

O uso de maiores quantidades de ferro-gusa apresenta grandes vantagens do ponto de vista trmico do processo, pois, a quantidade de calor assim gerada , na maioria das situaes mais do que suficiente para o balano energtico da corrida. Este fato possibilita gerar ganhos de rendimento metlico, acelerar a formao da escria pela maior adio de material refrigerante e uma maior economia de oxignio com menor tempo de sopro, etc. Porm, isto pode provoca/ transtornos operacionais durante o sopro, provocados pela rpida formao da escria, podendo ocasionar fortes projees na primeira parte do sopro, aumento na gerao de gs LD pela maior disponibilidade de oxignio no processo (adio de minrio/snter para refrigerao do banho gerando descontrole no sistema de captao de fumos, O uso de sucata mantm uma marcha mais constante do convertedor, pois facilita o balano trmico.

Os principais componentes qumicos do ferro-gusa so: Ferro (Fe), Carbono (C Mangans (Mn), Silcio (Si), Fsforo (P), Enxofre (S). Estes elementos em contato com o oxignio reagiro produzindo parte da energia necessria para o aquecimento do ao durante a operao do convertedor a oxignio.

O ferro constitui o elemento predominante no ferro-gusa, em torno de 94,0 a 95,0%, No processo de refino do ao objetiva-se manter em sua forma metlica, ou seja, evitar ao mximo a sua oxidao para no reduzir o rendimento metlico do processo. Durante a etapa de refino, parte do mesmo se volatiliza, sendo arrastado pelo sistema de desempoeiramento, sendo recolhido posteriormente na forma de p ou lama que pode ser reaproveitada. Uma outra parte do ferro migra para a escria em forma de xidos (Fe, Fe2O3) ou mesmo na forma metlica (Fe) e a maior parte formar o ao lquido.

O carbono quase todo queimado (oxidado) na operao de refino, formando os gases CO e C02. O teor de carbono do ferro-gusa lquido situa-se normalmente na faixa de 4,2 a 4,6%. Nesta faixa de composio, o ferro-gusa encontra-se na vizinhana do ponto euttico da liga Fe-C, ou seja, menor temperatura de fuso desta liga, conforme apresentado no diagrama de fases em equilbrio ferro-carbono mostrada na Figura 2.1. O teor de carbono do ferro-gusa obtido no alto-forno, depende das condies operacionais e da composio da carga do alto-forno.


Figura 2.1 - Diagrama de fases em equilbrio ferro-carbono.

O silcio do ferro-gusa lquido originado das cinzas do coque e da ganga do minrio de ferro ou do snter. O silcio um elemento de grande importncia na produo de calor na operao dos convertedores a oxignio. Sua queima (oxidao) produz parte do calor necessrio ao processo. Alm deste fator, o teor de silcio do ferro-gusa afeta o volume de escria formada. Se o teor de silcio for considerado alto (normalmente Si > 0,70%, dependendo da usina siderrgica), o volume de escria ser maior porque ser necessrio utilizar mais cal (CaO) para neutralizar a slica formada, pois se trata de um oxido cido que provoca elevado desgaste do revestimento refratrio bsico normalmente utilizado nos fornos de refino primrio. Este maior volume de escria pode acarretar problemas de projees de escria com suas conseqentes paradas para limpeza das instalaes do convertedor (coifa), casco na boca, aumento do risco de acidentes, perda de rendimento metlico, aumento de consumo de oxignio e maior risco poluio.

Com o silcio baixo (normalmente Si < 0,20%, dependendo da usina siderrgica) surge a necessidade da adio de materiais fornecedores de silcio ao processo como FeSi e SiC, o que provoca um aumento no custo. Um baixo teor de Si tambm dificulta o consumo de sucata. A ttulo de ilustrao apresenta-se no grfico da Figura 2.2 uma relao entre o teor de Si do ferro-gusa e adio de cal no sopro de oxignio. Um teor de silcio na faixa de 0,20 a 0,50% normalmente desejado para a realizao do refino do ao nos convertedores a oxignio, embora no seja fcil para o setor de alto-fornos manter esta regularidade.

12 Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio E.M.S. Rzzo

Figura 2.2 - Exemplo da influncia do teor de silcio do ferro-gusa lquido na quantidade de cal necessria para corrigir a basicidade da escria (MUNDIM, 1985).

O mangans originado da ganga de minrio de ferro no alto-forno. O Mn no um elemento gerador de muito calor durante a sua oxidao no convertedor, mas um elemento muito importante para a conduo da etapa de sopro e nas propriedades mecnicas do ao. Se o teor de mangans no ferro-gusa lquido for baixo (Mn < 0,35%), a escria fica mais viscosa. Urna escria mais viscosa diminu a tendncia de projees de escria e de ao. Para um Mn elevado (Mn > 0,80%), h uma maior possibilidade de formao de casces na boca do convertedor, nas calhas de adio e no sistema de captao dos gases. Tambm importante analisar a relao entre o teor de Mn e de Si no ferro-gusa lquido. Normalmente considera-se que se esta relao for maior do que 1 existe uma maior tendncia de projees durante o sopro pelo fato da escria ficar mais fluida. Se ao contrrio esta relao for menor do que 1, existe uma maior tendncia de formao de casco na lana de oxignio. O teor de mangans do ferro gusa lquido gira em torno de 0,35 a 0,50%.

O teor de enxofre no ferro-gusa lquido est relacionado diretamente com a qualidade do carvo ou coque usado no alto-forno e da prtica operacional adotada nesta unidade fabril. Como foi apresentado anteriormente o ferro-gusa lquido deve ser dessulfurado antes do seu carregamento no convertedor, haja vista que tanto no alto-forno como no convertedor a dessulfurao deficiente. Esta etapa de dessulfurao pode ser realizada no carro-torpedo que transporta o ferro-gusa lquido do alto-forno para a aciaria ou em panelas de ferro-gusa que transportam o ferro-gusa lquido do carro-torpedo para ser carregado no convertedor. O teor tpico de enxofre no ferro-gusa obtido nos alto-fornos a coque deve ser menor do que 0,05%. Para carregamento nos convertedores a oxignio, o teor de enxofre do ferro-gusa deve ser reduzido para valores abaixo de 0,010% nas estaes de dessulfurao do ferro-gusa lquido ou abaixo deste limite, se houver uma limitao para o teor de enxofre na composio qumica final do ao e no houver condies para realizao de prticas de dessulfurao nas estaes de refino secundrio da usina siderrgica.

Para um bom controle do teor de enxofre final do ao importante que seja efetuada uma adequada limpeza da escria do ferro-gusa lquido proveniente da etapa de dessulfurao e que se tenha um bom controle no uso das sucatas que potencialmente podem contaminar o banho metlico. Para casos em que h a necessidade de uma reduo maior do S no convertedor a oxignio, necessrio que se trabalhe com uma escria no forno enriquecida com cal, mas


mesmo assim, a taxa de dessulfurao no ultrapassa a valores acima de 50%. Uma outra forma de efetuar a dessulfurao atravs da formao de escria sinttica na panela de ao. Isso obtido pela adio de cal em grande quantidade e fluorita durante o vazamento do ao. Observa-se que esta prtica provoca aumento de custo, com a necessidade de altas temperaturas no fim de sopro e com a formao de uma escria na panela muito prejudicial ao refratrio. Os mtodos de dessulfurao do ao na etapa de refino secundrio so discutidos na publicao Introduo aos Processos de Refino Secundrio dos Aos.

O teor de fsforo no ferro-gusa lquido est relacionado diretamente com a qualidade do minrio de ferro usado no alto-forno. Com o aumento das exigncias do mercado, a obteno de teores de fsforo cada vez mais baixos torna-se um dos grandes desafios na produo do ao no convertedor a oxignio. Praticamente o processo de sopro tem um objetivo primordial que o de reduzir para um nvel satisfatrio o teor de P no banho. Para isto, deve-se observar alguns cuidados que posteriormente sero abordados. Seu teor no ferro-gusa deve ser o mais baixo possvel (P < 0,09%), mas normalmente uma varivel em funo da pratica operacional do alto-forno, como j foi citado.

Observa-se que os elementos enxofre e fsforo tambm podem ser incorporados ao ao lquido nos fornos de refino devido utilizao de sucata de ao, ferro fundido, ferros-liga, f'undentes ou outras adies com altos teores destes elementos.

Como a velocidade de fuso do ferro-gusa inferior a do ao, existem certos cuidados que devem ser tomados quanto ao carregamento da sucata de ferro-gusa, pois, a sua utilizao pode aumentar o tempo de refino nos fornos e o consumo de fundentes (cal e dolomita). A queima do Si do ferro-gusa slido no fundo dos fornos tambm pode provocar desgastes prematuros do refratrio.

Em relao utilizao da sucata de ferro-gusa, outro cuidado importante relativo procedncia da mesma, que pode apresentar altos teores de S, podendo prejudicar a prtica operacional nos fornos de refino primrio. Em algumas usinas siderrgicas, adota-se a prtica de continuar com a etapa de dessulfurao do ferro-gusa lquido, mesmo quando a unidade de aciaria est parada por alguns dias para uma manuteno preventiva ou no, uma vez que, normalmente, a unidade de alto-forno pode continuar produzindo regularmente.

Sucata

A sucata utilizada no convertedor a oxignio para atender as seguintes finalidades: - Aumento da capacidade de produo da aciaria sem a necessidade de incremento da capacidade de produo das unidades da rea de reduo (alto-forno, sinterizao, coqueria, etc). Isto possvel porque pode-se utilizar at 30% de sucata na carga metlica do convertedor a oxignio, quando as condies de balano trmico assim permitirem. Um balano trmico ser considerado positivo, ou seja, a temperatura vazamento objetivada para o metal ser atendida, quando os parmetros temperatura e composio qumica do ferro-gusa lquido forem favorveis. - Recuperao de produo ou manuteno da produo da aciaria quando o fornecimento de ferro-gusa lquido da rea de alto-fornos for reduzida ou interrompida devido a parada para manuteno preventiva ou corretiva dos equipamentos desta unidade. Da mesma forma, quando o setor de aciaria tem sua produo reduzida ou paralisada nas paradas para manuteno, pode-se continuar a produo na rea de alto-fornos, direcionando-se a produo para as mquinas de moldar gusa ou mesmo vertendo-se a carga no solo para posterior aproveitamento como sucata na aciaria. Neste caso deve-se tomar o cuidado de realizar a dessulfurao do ferro-gusa lquido antes da moldagem para evitar uma composio com o teor de enxofre acima dos limites especificados pelos clientes.


- Sob o ponto de vista do rendimento metlico vantajosa a utilizao da maior proporo de sucata de ao na carga slida, uma vez que o seu teor em ferro superior ac teor de ferro do ferro-gusa e largamente superior ao do minrio de ferro ou curas possveis adies refrigerantes. - A sucata tambm pode ser utilizada como material refrigerante na carga do convertedor a oxignio ou nas panelas de ao lquido, sendo neste caso imprescindvel para o controle da temperatura do ao no final do sopro.

No aspecto de composio qumica, a sucata pode ser classificada preliminarmente em sucata de ao, sucata de ferro-gusa e sucata recuperada.

A sucata de ao pode ser classificada de acordo com os seguintes critrios: - procedncia (gerao interna e gerao externa usina siderrgica); - origem (de processamento e de obsolescncia); - composio qumica (no ligada comum, no ligada especial, no ligada ressulfuraca

baixa liga e alta liga); - teor de impurezas (limpa e impura); - preparao (no preparada, prensada, briquetada, tesourada, fragmentada, quebrada,

cortada e recuperada); - caractersticas fsicas: dimenses (livre e dimensionada) e densidade aparente (leve.

mdia e pesada). Estes critrios podem ser combinados para gerar uma srie de tipos de sucatas. A Norma

ABNT NBR 8746 de 1985 (Sucata de Ao - Classificao) pode ser consultada para verificar os vrios tipos de sucata de ao normalizados no Brasil.

As dimenses da sucata devem ser tais que permitam a sua completa fuso durante o tempo de sopro e, portanto, a sucata pesada de retorno (lingotes sucatados, lingotes curtos. sucatas de placas e blocos) deve ser previamente preparada atravs do corte com maaricos ou guilhotinas. Sucata muito pesada tambm pode danificar o refratrio do convertedor devido ac elevado impacto na operao de carregamento.

A densidade aparente de carga de sucata deve ser tal que possibilite o seu completo carregamento com o mnimo de aberturas do forno a fim de no prejudicar a produtividade e : rendimento energtico da aciaria. Se a densidade aparente da sucata for baixa, podem ser necessrios vrios carregamentos utilizando as canaletas, ocasionado uma srie de problemas, como, por exemplo: perda de tempo, queda de temperatura do refratrio do forno ou da carga metlica j fundida e reduo da produtividade da aciaria como um todo. Uma sucata consideraca leve apresenta uma densidade aparente inferior a 600 kg/m3. A sucata considerada pesada apresenta uma densidade aparente superior a 1200 kg/m3. Entre estes dois limites a sucata e considerada mdia.

Observa-se ainda que peas de elevada densidade, como lingotes e cortes da rea de lingotamento continuo, exigem um maior tempo para dissolverem-se, aumentando tambm consumo de energia e o tempo necessrio para elaborao do ao.

Em algumas usinas, recomenda-se que o comprimento mximo da sucata deve estar em torno de 1 a 1,5 m para permitir a obteno de uma densidade aparente adequada e se evitar problemas como sucata presa na boca do convertedor que pode vir a danificar a coifa ou cair sob o convertedor quando o mesmo for basculado, atrapalhando a movimentao dos carros de transporte das panelas de ao ou do pote de escria.

Em relao ao critrio grau de contaminao, a sucata deve ser rigorosamente selecionada para evitar a presena de elementos normalmente considerados contaminantes por prejudicar as propriedades dos aos (S, Cu, Sn, P, etc), por provocarem problemas nos


equipamentos envolvidos direta ou indiretamente na produo do ao (Zn) ou por representarem risco de exploses ou poluio durante o processo (leos, graxas, gases combustveis, extintores :e incndio, concreto, terra, etc). Assim, o grau de contaminao envolve os critrios composio qumica e teor de impurezas.

No aspecto de composio qumica, a sucata em geral pode ser classificada preliminarmente em sucata de ao, sucata de ferro-gusa e sucata recuperada. A sucata de ao pode sofrer uma nova classificao em funo principalmente dos teores dos seguintes elementos qumicos: Sn, P, S, Cu, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Co e Mn.

A presena de estanho deve ser controlada por causa de possveis problemas de fragilidade no trabalho a frio do ao produzido na aciaria. O fsforo controlado por razes similares e por causa de efeitos adversos na soldagem dos aos inoxidveis. Em alguns casos pode ser tolerado, podendo estar presente em faixa, como no caso de chapas de ao de alta resistncia. O cobre causa fragilidade a quente, formando trincas superficiais, a no ser que o nquel esteja presente em quantidade suficiente para evitar estes efeitos e que a temperaturas e a atmosfera do reaquecimento dos produtos lingotados sejam rigorosamente controladas. No entanto, em certos casos especficos, o cobre acrescentado como um elemento de liga para promover elevada resistncia corroso. Mais comumente, ele pode ser substitudo por elementos como o mangans no controle do endurecimento. O enxofre indesejvel quando altos nveis de ductilidade transversal so exigidos. O enxofre tambm afeta a soldagem e um dos elementos de liga importantssimo na obteno de aos de corte rpido (aos ressulfurados). Os efeitos negativos no processo de soldagem, podem ser controlados pelo uso de telrio, que capaz de coalescer o MnS.

O cobre normalmente Oriundo de fios e motores eltricos, conexes hidrulicas, sistemas de refrigerao, etc. O estanho proveniente de chapas revestidas (folhas de flandres) utilizadas na fabricao de embalagens para acondicionamento de alimentos e bebidas. O enxofre encontrado em sucata de usinagem. O fsforo tem origem nos aos produzidos com alto teor deste elemento e no ferro-gusa.

Tambm merece ateno especial a presena de elementos de liga com tendncia de aumentarem a resistncia mecnica do ao (nquel, cromo, molibdnio, vandio, nibio, cobalto, etc), mas que tambm reduzem em muito a ductilidade quando em teores acima de determinados limites, afetando a utilizao dos aos em aplicao nas situaes onde esta propriedade de fundamental importncia como o caso de aos destinados a sofrer uma estampagem profunda ou no caso de aos para trefilao de arames. Neste caso, as sucatas provenientes do forjamento de ferramentas, elementos de mquinas, cilindros de laminao, etc, cevem ser separadas para uma anlise qumica detalhada.

Um outro aspecto relativo contaminao da sucata a radiao contida na mesma. Devido ao uso sempre crescente de istopos radioativos na indstria e na medicina (csio, urnio, protactnio, trio, rdio, radnio, actnio, netnio, polnio, frncio), existe a probabilidade, se o controle das fontes radiativas no for adequado, que estes elementos estejam presentes em uma carga de sucata. Isto aconteceu duas vezes nos EUA, resultando em procedimentos muito caros de descontaminao. Para evitar qualquer possibilidade de que isto acontea, desejvel utilizar detectores de radiao para monitorar todas as cargas de sucata que chegam usina, tanto a sucata recebida por caminho quanto aquela recebida por estrada de ferro.

A maioria das fontes de radiao est confinada em containeres de chumbo. Por este motivo, os nicos aparelhos para trabalhar com mais de 95% de probabilidade de detectar uma fonte que chega so aparelhos sofisticados, com alta sensibilidade. Detectores mais simples e baratos so freqentemente colocados na tampa dos equipamentos de anlise qumica para checar possvel radioatividade da amostra de ao que est sendo analisada.

16 Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio E.M. S Rizzo

Devido ao fato de que elementos radioativos como o csio so vaporizados e recolhidos no equipamento de desempoeiramento, um detectar parecido deveria ser colocado nos silos e filtros de manga. No entanto, com esses mtodos mais simples, o alarme chega muito tarde para evitar a contaminao da usina. Em determinados casos os compradores podem solicitar a realizao de exames de radioatividade nos produtos siderrgicos (placas ou tarugos de ao, por exemplo ou exigir a instalao e utilizao dos citados equipamentos para negociar com uma usine siderrgica.

Considerando uma anlise em conjunto dos principais critrios citados (composiao qumica, dimenses, densidade aparente e teor de impurezas) cada usina siderrgica adota uma classificao da sucata de ao considerando ainda o seu processo produtivo, tipos de equipamentos utilizados na aciaria e no restante da usina, tipos de aos produzidos, critrios utilizados na programao da produo da aciaria, percentual de ferro-gusa na carga1. disponibilidade e confiabilidade dos fornecedores, dentre outros parmetros. Apresenta-se a seguir um exemplo de uma classificao que pode ser adotada por uma usina siderrgica para a sucata de ao quanto a sua qualidade:

- Sucata de ao primeira categoria - Sucata de ao pesada - Sucata de ao de segunda categoria - Sucata recuperada

A sucata de ao de primeira categoria uma sucata de gerao interna da usina siderrgica sendo constituda por aparas de perfis, barras, chapas grossas, chapas finas laminadas a quente e a frio e outros retornos das linhas de laminao a quente e a frio, prensadas ou no (Figura 2.3). uma sucata de excelente qualidade, no havendo limites para a sua utilizao. A sua nica desvantagem a baixa densidade que pode tornar impossvel o seu carregamento total em apenas uma operao.

A sucata de ao pesada tambm de gerao interna da usina siderrgica, mas 1 constituda por lingotes, grandes blocos e placas sucatadas, material proveniente do corte na tesoura de placas ou blocos (pontas) ou ainda o casco do distribuidor de lingotamento contnuo* (Figura 2.4). Sua elevada densidade torna esse tipo de sucata altamente desejvel, em termos ce carregamento, porm, a utilizao de pedaos com dimenses excessivas pode provocar problemas de desgaste de refratrios (choque mecnico) e de material no fundido no final da etapa de refino do ao. De maneira geral, a melhor carga de sucata constituda pela mistura adequada de sucata de primeira qualidade e sucata pesada.

1 No caso de usinas que utilizam freqentemente cargas com uma alta percentagem de ferro-gusa, poae ser

possvel o uso de sucatas mais contaminadas para diluir o efeito prejudicial dos mesmos.

E M.S. Rizzo Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio 17

Figura 2.4 - Exemplos de sucata de ao pesada.

Os dois tipos anteriores de sucata so denominados em alguns casos de sucata de ao de retorno. Este tipo de sucata constitudo principalmente do elemento ferro, no apresentando cie maneira geral, problemas quanto presena de impurezas. O problema surge apenas no caso de usinas com fabricao de aos ligados, pois, certos elementos de liga de pequena afinidade pelo oxignio, quando presentes na sucata, podem exigir a sua classificao e a no utilizao para aos que no contenham aquele elemento.

A sucata de ao de segunda categoria obtida a partir do sucateamento de bens de (consumo ou dos processos de fabricao (estampagem, usinagem, forjamento, soldagem, laminao, etc.) de peas, mquinas ou estruturas de ao nas indstrias mecnicas, construo civil, naval, ferroviria, etc. (Figura 2.5). Pode conter uma miscelnea de componentes metlicos, no-metlicos e no-ferrosos, podendo ser fonte importante de contaminantes. Este tipo de sucata normalmente adquirido pela indstria siderrgica no mercado interno (Brasil) ou externo (importao). A sucata de ao de segunda categoria pode ser subdividida em vrias subcategorias

em funo do tipo de material que a constitui ou tipo de beneficiamento ou preparao previamente aplicado.

O mercado de sucata distingue a denominada sucata de obsolescncia quando a mesma obtida com ou sem a industrializao da sucata de ao pesada e leve, tais como: pedaos de arames grossos, canos, retalhos de chapa, tubos, tambores, partes de foges e aos diversos. Se no for preparada, pode ser classificada em grada, mdia, mida e mista, conforme as suas dimenses. A sucata de obsolescncia mista pode ser composta de perfis metlicos, vigas, cantoneiras, pontas de vergalhes de construo, retalhos de chapas, tubos de ao, material ferrovirio (trilhos usados, rodas de ao, pregos de linhas, talas de juno, engates de vago, atormentes metlicos e eixos em geral), desmonte de fbricas, automveis, caminhes, tratores, mquinas agrcolas e rodovirias, desmontes de navios e mquinas industriais em geral. A sucata de obsolescncia geralmente considerada limpa, com exceo da presena de revestimentos em alguns casos.


No caso anterior, a sucata fornecida na forma solta (Figura 2,6a). Porm, a sucata no oriunda da indstria siderrgica tambm pode ser fornecida na forma de pacotes (Figura 2.6b utilizando processos de industrializao da sucata, envolvendo operaes de prensagem. Estes pacotes podem se produzidos com sucatas originadas tanto de processos de fabricao como de obsolescncia. Neste caso, podem ser distinguidos vrios tipos de pacotes, desde os formados por sucatas isentas de impurezas (chaparia de estamparia com ou sem cavacos, latinhas ou chapas desestanhadas) at sucata com um certo grau de contaminao (chapas pintadas ou esmaltadas, latinhas estanhadas, etc). A sucata de obsolescncia pode ser fornecida na forma no preparada ou preparada (tesourada, fragmentada, quebrada ou cortada).

A sucata composta de retalhos de chapas diversas, provenientes da indstria automobilstica e similar, fornecida solta denominada de chaparia. Pode ser separada em sucata de estamparia revestida ou no.

Figura 2.6 - Exemplos de sucatas de ao de segunda categoria solta (a) ou prensada (b). Assim como a sucata de obsolescncia, a sucata de ao obtida a partir dos processos de

fabricao ou processamento (estampagem, usinagem, forjamento, soldagem, laminao, et: tambm pode ser fornecida na forma solta ou preparada por prensagem e corte.

A contaminao da sucata no que diz respeito ao teor de leo, umidade, tintas, borracha e graxas merecem ateno especial, haja vista que sua presena pode ser desastrosa para o carregamento do ferro-gusa. Em determinadas situaes, torna-se necessria a suspenso do uso de determinada carga slida no convertedor pelo risco de exploses que isto gera, principalmente em perodos chuvosos. Alguns tipos de sucata, principalmente de segunda categoria, so extremamente higroscpicas. Seu uso deve ser sempre acompanhado de urna maior ateno. Alm do mais, alguns tipos de sucatas podem reter gua devido a reentrncias e vazios, gerando tambm riscos ao processo.

Para reduzir o risco de exploses na etapa de carregamento ou na etapa de elaborao do ao ou alteraes indesejadas da composio qumica do ao, a sucata de segunda categoria no pode conter os seguintes materiais: extintores de incndio, botijas de gs de qualquer tipo; compressores/motores de geladeira, de ar condicionado e de mquina de lavar; botijas de gs freon; motores com enrolamento de cobre; tanques fechados; amortecedores de qualquer tipo ou tamanho; filtros de leo, latas cheia de tinta/combustvel; aos ligados; qualquer recipiente fechado contendo produtos qumicos, gases sob presso ou ocultando materiais radioativos explosivos e combustveis.

A sucata de ao recuperada obtida atravs do britamento e do peneiramento de despejos das usinas siderrgicas, principalmente escria de aciaria. Se a sucata for obtida a partir do beneficiamento da escria do convertedor a oxignio, possui aproximadamente 25% de


escria e seu uso limitado principalmente em funo disto, pois em quantidades maiores essa sucata pode provocar fortes reaes tanto no carregamento quanto no sopro (Figura 2.7).

A preparao da sucata para ser carregada no convertedor envolve etapas como inspeo, separao da sucata por tipo, corte e compactao da sucata e carregamento da sucata de ao na canaleta de adio no convertedor a oxignio. No caso da utilizao de briquete, este material pode ser carregado no convertedor atravs de silos, no necessitando estar presente na canaleta de sucata. As dimenses da sucata devem ser tais que permitam a sua completa fuso durante o sopro e no causem estragos ao revestimento do conversor quando do carregamento. Alm disto, deve estar completamente seca, para evitar o risco de exploses durante o enfornamento do ferro-gusa lquido que sempre sucede ao carregamento da carga slida. Para a preparao da carga slida, uns dos itens de maior importncia a disponibilidade de sucata no ptio. O ideal mesclar uma carga que atenda aos aspectos operacionais, metalrgicos, de segurana e custo.

Figura 2.7 - Exemplos de sucata recuperada a partir de sucata oriunda do convertedor a oxignio, basculada no ptio, resfriada, beneficiada (britamento e peneiramento e separao da parte metlica atravs de meios magnticos) e depois estocada para ser carregada no convertedor a oxignio (fotos cedidas pela Companhia Siderrgica de Tubaro - CST).

A prtica considerada ideal a de se trabalhar com sucata completamente seca, para evitar o risco de exploses durante o enfornamento do ferro-gusa lquido que sempre sucede ao carregamento da carga slida. Esta seqncia vantajosa por propiciar condies para a eliminao de uma possvel umidade da sucata. A prtica de se trabalhar com uma carga constante de sucata, variando-se o ferro-gusa lquido vantajosa porque permite maior facilidade na rea de preparao, visto que possibilita preparar previamente as canaletas alm de evitar enganos na hora do carregamento.


A adio da sucata na canaleta para carregamento no convertedor deve ser feita normalmente obedecendo a ordem de entrada no convertedor, ou seja:

1o - Sucata leve 2o - Sucata pesada 3o - Sucata de ferro-gusa

Esta ordem tem por finalidade evitar danos ao revestimento refratrio. Tambm importante para se evitar que a sucata de ferro-gusa fique no fundo do convertedor, reduzindo a possibilidade da variao do teor de carbono da corrida relacionada com o fato de sucata pesada no fundida ou fundida apenas na etapa de fim de sopro. Alm disto, esta ordem de carregamento ajuda a evitar o engaiolamento da sucata leve na boca do convertedor.

Figura 2.8 - Carregamento da sucata de ao na canaleta de adio no convertedor e uma etapa de carregamento de sucata no convertedor a oxignio (fotos cedidas pela Companhia Siderrgica de Tubaro - CST).

O briquete uma matria-prima gerada a partir do briquetamento de uma mistura contendo alm dos aglomerantes, lama de aciaria, carepa de escarfagem manual de placas e resduos ferrosos adquiridos no mercado. Normalmente possui em torno de 50% de escria e seu uso limitado principalmente pelo seu teor de S. Pode tambm gerar reaes durante seu carregamento nos fornos de refino primrio, mas um tipo de material que muito deseja:: devido seu baixo custo. Favorece a formao de escria nos convertedores a oxignio e pode tambm ser utilizado como material refrigerante neste processo.

Os produtos pr-reduzidos, denominados genericamente aqui de ferro esponja, so fabricados atravs dos processos de reduo direta de minrios de ferro utilizando como combustveis/redutores gs natural, carvo ou finos de coque, como os mais conhecidos HYL, Midrex. Os produtos destes processos podem ser o HBI (Hot Briquetted Iron), o DRI (Direct Reduction Iron) e o HDRI (Hot Direct Reduction Iron). Entretanto, diversas outras tecnologias utilizando gs natural, carvo ou coque como redutores para obteno de ferro metlico encontram-se em pesquisa ou desenvolvimento.

E M.S. Rizzo Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio 21

Gases (Oxignio, Nitrognio e Argnio) No processo de fabricao dos aos com convertedores a oxignio, realizado o sopro de

oxignio na superfcie do banho metlico em altssimas presses (10-15 kgf/cm2) e com velocidades supersnicas. Isto possibilita a penetrao do oxignio na camada de escria e no cacho metlico e evita o entupimento dos bicos da lana.

Normalmente o consumo de oxignio para o refino corresponde a 55% do consumo total deste gs por uma usina siderrgica integrada. As reaes exotrmicas do oxignio com os E elementos qumicos que compe a carga do convertedor a oxignio, principalmente o silcio e o carbono do ferro-gusa lquido, e a ps-combusto de uma parte (10 a 15%) do monxido de carbono gerado no convertedor, suficiente para fundir a sucata adicionada, alm de proporcionar o aquecimento do ao durante a etapa de refino. Parte do oxignio tambm oxida os elementos que faro parte da escria. Uma outra parte do oxignio ficar dissolvida ou absorvida pelo ao cuido e pela escria. O grau de oxidao do ao lquido e da escria so itens de controle muito importantes em uma aciaria a oxignio e sero detalhados mais adiante neste texto.

Nos processos de refino primrio com convertedores a oxignio, utiliza-se oxignio de elevada pureza, a fim de manter os teores de nitrognio do ao dentro dos limites exigidos para a adequada qualidade do produto, maximizar a produtividade do forno e a capacidade de fundir a sucata. O valor mnimo de pureza aconselhvel 99,7 a 99,8%, com o restante constitudo de argnio e cerca de 50 ppm de nitrognio.

Por exemplo, a diminuio da pureza de 99,5% para 98,5% acarreta um aumento no teor de nitrognio do metal de 30 ppm para 70 ppm, acima do limite permitido para uma srie de aplicaes. O consumo de oxignio varia com a prtica operacional (tipo de lana, distncia lana-banho, qualidade do ferro-gusa e proporo de sucata na carga).

Normalmente o oxignio produzido na prpria usina siderrgica nas estaes de fracionamento de ar que so responsveis pela captao do ar atmosfrico e o seu "'"acionamento (subdiviso) em oxignio, nitrognio e argnio.

O argnio e o nitrognio podem ser empregados para homogeneizar a composio qumica e a temperatura do ao nos fornos de refino primrio e nas panelas de armazenamento e transporte do ao lquido na etapa de metalurgia de panela. O nitrognio tambm pode ser utilizado como gs de purga (limpeza) de tubulaes ou reservatrios (silos) e para a realizao ca etapa de recobrimento das paredes do convertedor com escria (slag splashing). digno de nota que embora tenham aplicaes semelhantes, o argnio apresenta um custo muito mais E evado do que o nitrognio, razo pela qual s empregado nos casos onde no tolervel a absoro do nitrognio pelo ao em funo da deteriorao de suas propriedades mecnicas.

O consumo de gs oxignio depende do balano de materiais e da composio qumica ca carga. Quanto maior o teor de sucata de ao, menor o consumo de oxignio. A presena de compostos que ao se dissociarem no convertedor liberam oxignio tambm reduz a necessidade cs injeo deste gs pela lana (matrias-primas consideradas oxidantes como carepa de laminao, minrio de ferro, calcrio, etc). A presena de elementos facilmente oxidveis no ferro-gusa lquido provoca um aumento do consumo de oxignio. A necessidade de realizar etapas de ressopro para correo de composio qumica ou temperatura do ao lquido tambm aumenta o consumo de oxignio.

A vazo mxima de oxignio que pode ser utilizada pela unidade de aciaria de uma usina s derrgica pode ser um dos critrios considerados no planejamento da capacidade de produo cesta unidade. Normalmente utiliza-se um volume de oxignio da ordem de 45 a 55 Nm3/t de ao lquido produzido, operando-se com vazes da ordem de 15.000 a 66.000 Nm3/h.


O consumo de oxignio varia de acordo com o tipo de equipamento e a prtica operac ora adotada na aciaria a oxignio. Fatores como tipo de lana, distncia banho-lana (padro de sopro), adies de minrios e carepa, composio qumica do ferro-gusa e da sucata, proporo de sucata na carga, etc.

Fundentes e/ou Refrigerantes

A utilizao de fundentes na aciaria necessria principalmente para a remoo de impurezas durante o refino dos aos, para o controle da basicidade da escria gerada durante o refino. Os fundentes tambm podem atuar no sentido de reduzir o ponto de fuso e a viscosidade da escria, o que dificulta, ou impede a formao da camada composta de silicato em torno dos gros de cal que impediria a sua dissoluo. Alm das aes discutidas, os fundentes devem ainda satisfazer outras condies como:

- No deteriorar as propriedades dessulfurante e desfosforante da cal. - No produzir vapores importantes no domnio de temperatura do convertedor. - No apresentar toxidade para o pessoal da aciaria. - No provocar corroso importante no revestimento refratrio do forno. - No contaminar o ao com elementos nocivos.

Os principais fundentes utilizados em uma aciaria a oxignio so listados a seguir: - Cal calctica - Cal dolomita - Calcrio (dolomita crua) - Fluorita - Dunito - Carbeto de silcio - Escria de corridas anteriores - Minrio de ferro - Snter - Minrio de Mangans

O consumo de fundentes em uma aciaria depende da composio qumica e temperatura da carga metlica utilizada, da composio desejada para o ao lquido, da prtica adotada para conservao do refratrio dos fornos, panelas de armazenamento e transporte do ao lquic: e dos distribuidores, tubos e vlvulas utilizados para controlar o fluxo de ao lquido. A ttulo de ilustrao, um valor tpico do consumo de cal calctica e dolomtica (somadas) no caso de um convertedor LD situa-se na faixa de 50 a 70 kg/t de ao lquido produzido. Se for utilizada fluorita. o seu consumo gira em torno de 2 a 5 kg/t de ao produzido. A adio de fluorita varia em funo de condies operacionais de cada usina, como qualidade da sucata, volume de escria, entre outros, podendo ser de 0 a 10% do peso de CaO adicionado. Ultimamente, a fluorita tem sido substituda pela nefelina, produto com grandes reservas nacionais e de custo inferior.

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3 - EQUIPAMENTOS Sero apresentados a seguir alguns dos principais equipamentos que fazem parte de uma

aciaria a oxignio. Ser dada nfase na descrio da funo destes equipamentos, sendo os detalhes de sua utilizao apresentados posteriormente neste texto. Outros componentes acessrios de uma aciaria a oxignio sero apresentados ao longo da discusso do processo de elaborao do ao utilizando os equipamentos descritos nesta seo. Os equipamentos de captao e tratamento de resduos gerados durante o processo de elaborao do ao na aciaria a oxignio sero apresentados em um outro captulo deste texto, pois, na opinio do autor, necessrio em primeiro lugar entender como estes resduos so gerados durante o processo.

A Figura 3.1 mostra uma representao esquemtica de uma aciaria a oxignio com destaque para alguns dos principais equipamentos empregados neste setor. A configurao interna e externa bsica do convertedor a oxignio apresentada nas imagens da Figura 3.2. Algumas usinas siderrgicas modificam a parte cilndrica, alterando o seu dimetro em determinadas posies com revestimento refratrio, baseando-se no seu perfil de desgaste.

Um aspecto importante do projeto do convertedor est relacionado com o formato da parte inferior do mesmo. Os primeiros convertedores e vrios convertedores ainda em operao aoresentam um formato conhecido como perfil garrafa (Figura 3.3a) em oposio ao perfil tronco cnico utilizado no convertedores mais recentes (Figura 3.3b). Uma vantagem do perfil tronco cnico evitar zonas mortas, ou seja, regies onde o ao fica estagnado no sofrendo o efeito de agitao, mesmo com a utilizao do sopro de gases pelo fundo do convertedor, prejudicando a homogeneidade de temperatura e de composio do banho metlico, alm de afetar na interao do banho metlico com a escria e as conseqentes reaes qumicas importantssimas para a desfosforao do banho metlico.

O convertedor apresenta o formato de um barril, sendo basculado para o carregamento e vazamento em torno de um eixo horizontal, acionado por um conjunto de motores, e redutores, que permitem a variao de velocidade e um sistema de frenagem (Figura 3.4). A velocidade mxima de rotao normalmente est na faixa de 1 a 2 rpm. A carcaa do forno feita de chapas soldadas e normalmente se apia no anel de sustentao de maneira a facilitar a sua troca, com o e xo de rotao do forno fixado no anel. Para o sistema de basculamento, podem ser utilizados mancais de rolamento bipartidos de forma que a troca do rolamento possa ser feita sem a necessidade da retirada da coroa dentada para o manuseio do conjunto, reduzindo o tempo de parada para manuteno.

Diferente do convertedor Bessemer, no processo LD emprega-se atualmente um perfil simtrico para o convertedor. A relao altura/dimetro, aps uma acentuada tendncia ao decrscimo com aumento da capacidade, mantida atualmente na faixa de 1,5 a 3,5 visando minimizar as projees e melhorar a estabilidade de sopro.

Uma das caractersticas mais importantes no projeto de um convertedor a relao entre o volume interno til do convertedor e a quantidade de ao lquido que pode ser elaborado. Esta relao deve ser tal que esteja disponvel um mximo espao para a acomodao da escria e dos gases gerados no processo, realizao das reaes qumicas e que ocorra a maior homogeneizao de composio qumica e temperatura sem a projeo de metal lquido ou escria para fora do convertedor ou sobre a lana de oxignio. Uma relao mais tradicional grava em torno de 1m3 de volume interno til para 1 tonelada de ao lquido. Esta relao vem decaindo para valores em torno de 0,7 a 0,8 m3/t em funo da busca por aumento de produtividade dos convertedores.


Figura 3.1 - Representao esquemtica dos principais equipamentos de uma aciaria a oxignio.


Figura 3.2 - Exemplo de uma aciaria com um convertedor a oxignio em pleno funcionamento e representao esquemtica do processo no interior do convertedor (crdito das imagens: a-Voest-alpine Indstria Ltda.; b-SMS-DEMAG Ltda.).

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Figura 3.3 - Representao esquemtica de duas opes para o formato da parte inferior do convertedor a oxignio.


Figura 3.5 - Principais componentes de um convertedor LD (crdito das imagens: a-SMS-DEMAG LTDA, b,c-Voest-alpine Indstria Ltda.).

A carcaa do forno ou vaso dimensionada de acordo com a capacidade do forno, sendo projetada para suportar esforos devido s tenses trmicas e mecnicas. As tenses trmicas so relacionadas com a dilatao do refratrio e da prpria carcaa, com a diiatao no uniforme devido ao aquecimento heterogneo da carcaa ou do refratrio e com as variaes no ciclo de aquecimento e resfriamento do forno. As tenses mecnicas so devido s cargas estticas e dinmicas relativas ao peso prprio da carcaa, ao peso dos refratrios, impactos durante o carregamento e limpeza do convertedor e durante o basculamento do vaso. Desta forma, um aspecto importante no projeto do forno possibilitar uma certa dilatao da carcaa e um sistema ie resfriamento eficiente das posies crticas. Os aos selecionados para confeco da carcaa do convertedor devem apresentar excelente resistncia falhas por fluncia (creep), ou seja, deformaes no-elsticas em temperaturas elevadas (acima de 350C) mesmo quando o material submetido a tenses abaixo do seu limite de escoamento.

A carcaa confeccionada utilizando-se chapas grossas laminadas e soldadas. Esta carcaa apoiada no anel de sustentao de maneira a facilitar a sua troca (Figura 3.6). Em algumas aciarias, este anel de sustentao refrigerado atravs da circulao de gua. letas so instaladas para acelerar o resfriamento de certos pontos da carcaa. Pode-se tambm empregar um sistema com vapor d'gua na parte externa da carcaa do forno.

28 Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio E.M.S..Rizzo

Figura 3.6 - Exemplo de um convertedor do tipo LD, com capacidade de produo de 315 toneladas de ao (crdito das imagens: Companhia Siderrgica de Tubaro-CST).

O fundo do convertedor pode ser fixo ou removvel. O fundo removvel facilita a troca do revestimento refratrio, exigindo a remoo de um menor nmero de equipamentos auxiliares do convertedor (tubulao de gua de refrigerao, sistema de exausto de gases, etc), permitindo inclusive a sua troca no caso de um desgaste prematuro. O fundo fixo de construo mais simples e confere ao forno uma maior rigidez, reduzindo os problemas associados COM a deformao da carcaa devido s tenses trmicas.

Um progresso importante rapidamente introduzido no perfil do forno LD foi a instalao do furo de corrida, o que permite que o vazamento do ao seja realizado sem a retirada prvia ca escria do forno, o que reduz apreciavelmente o tempo de corrida. O furo de corrida, mostrado na Figura 3.7a, tambm denominado de canal de vazamento, deve possuir um dimetro que no seja to pequeno que resulte em um elevado tempo de preenchimento da panela, ocasionando atrasos no processo e perda de temperatura do metal e ao mesmo tempo no pode ser muito grande para facilitar o controle da passagem de escria. O seu formato deve ser regular para que evita-turbulncias e espalhamento do jato de metal.

Durante o basculamento do ao lquido do convertedor para a panela pode ocorrer a passagem de escria para a panela em 3 estgios:

-no incio do vazamento, quando o ao lquido com uma camada de escria sobrenadando-o flui em direo ao furo de corrida devido ao basculamento;

- na etapa intermediria, devido ao arrastamento de escria pelo vrtice formado devido ao fluxo de lquido no furo de corrida;

- no fim do vazamento, quando inicia-se o esgotamento de ao lquido.

O furo de corrida pode ser combinado com dispositivos para reduzir a passagem de escria. Os dispositivos utilizados nas usinas siderrgicas so projetados para reter a escria no interior do convertedor nestes diferentes estgios. Se estes dispositivos no forem empregados cerca de 10 a 15 kg de escria podem fluir para a panela por tonelada de ao lquido vazado, Este


valor pode ser reduzido para aproximadamente 2 a 4 kg/t de ao utilizando os citados dispositivos sem a necessidade da interrupo do vazamento ainda no jato de ao lquido, para evitar a passagem de escria, aumentando o rendimento metlico do convertedor.

A rolha refratria consiste de uma pea com formato tronco-cnica (Figura 3.7b) confeccionada com material refratria e inserida no furo de corridas pelo operador de rea aps amostragem final de composio qumica e temperatura em todas as corridas, ou seja, imediatamente antes do incio do vazamento, quando o convertedor basculado. utilizada para

evitar que o primeiro jato de escria escoe pelo furo de corrida no incio do vazamento do ao lquido para a panela. Esta rolha ou tampo resiste presso exercida pela escria inicial,

evitando sua passagem para a panela. No entanto, aps um determinado ngulo de basculamento, a presso ferrosttica promove a expulso do tampo, iniciando-se o vazamento. Esta prtica geralmente utilizada em conjunto com outros processos de reteno, j que limitada somente reteno da primeira escria.

Para reter a escria no final de vazamento podem-se empregar esferas refratrias, dardo de reteno, dispositivos pneumticos, dentre outros mtodos. A introduo de esferas refratrias slidas (slagball) pode ser realizada de diferentes formas, como por exemplo, atravs de empilhadeiras adaptadas com calhas. Este mtodo apresenta uma boa reteno de escria, porm a sua limitao est associada ao seu ndice de acerto, uma vez que para que a obstruo seja feita com perfeio, a esfera refratria dever estar posicionada prximo ao furo de vazamento ao final do escoamento do ao, e este fato depende do correto lanamento da esfera

prximo ao furo de vazamento e do arraste da mesma pelo efeito vrtice. Como nem sempre estes fatos ocorrem, devido impreciso do lanamento das esferas,"da variao da viscosidade ca escria e da movimentao dos conversores aps lanamento, o ndice de acerto desta tcnica e comprometido.

O dardo de reteno fabricado utilizando-se um material refratrio com densidade (em torno de 5,0 g/cm3) maior do que a da escria e menor do que a do ao lquido, de modo a vedar o furo de corrida quando a escria comear a vazar no momento em que se aproximar o esgotamento do ao lquido do convertedor. Em algumas usinas recomenda-se que o dardo de reteno seja inserido no convertedor com 70% do ao j vazado com o convertedor posicionado em um ngulo de 90. A forma do dardo e a sua densidade permite que a medida que diminui o volume de ao lquido no convertedor, o dardo ocupe o furo e reduza o fluxo de ao, resultando desta forma que a escria fique retida no convertedor. Para realizar a insero do dardo utilizado o equipamento mecnico dotado de uma lana, denominado de retentor de escria, o qual refrigerado por nitrognio (Figuras 3.7c e d). Desta forma, a eficincia da reteno independe do arraste do corpo refratrio para o canal de vazamento, e um maior ndice de acertos

obtido. Este sistema apresentado na Figura 3.7e.

Pode-se tambm reter a escria pelo sopro de um gs inerte em alta presso, atravs de um bocal refratrio instalado na extremidade de um brao. Este bocal imediatamente introduzido no furo de corrida (pela parte externa do convertedor) antes que uma maior quantidade de escria escoe pelo mesmo (sistema slag sttoper).

Em um grande nmero de usinas a utilizao dos dispositivos citados acima para reduzir a passagem de escria para a panela depende diretamente da habilidade dos operadores responsveis pelo basculamento e vazamento do convertedor, no sentindo de indicar o momento adequado para interromper o vazamento do ao. Estes operadores observam o fluxo de ao cuido e procuram distinguir o incio da passagem de um grande volume de escria atravs da

mudana de colorao no jato ou na mudana do fluxo do jato no momento da sua queda na superfcie de metal lquido na panela (a escria por apresentar uma menor densidade do que o ao lquido espalha-se mais sobre esta superfcie). A eficincia desta operao tambm depende do tempo de resposta dos equipamentos de controle e acionamento. Procurando automatizar esta


operao foram desenvolvidos equipamentos para detectar a passagem de escria (slag detectors) que podem se basear em dois mtodos:

- Instalao de bobinas eletromagnticas no furo de corrida - o campo eletromagntico induzido pela passagem de uma corrente eltrica na bobina alterado quando ao invs de ao lquido fluindo pelo furo de corrida ocorrer a passagem de escria junto com o ao, permitindo distinguir a passagem de escria. - Utilizao de cmeras especiais (sensveis radiao infravermelha) que detectam a diferena de emissividade entre o metal e escria, resultado da diferena de temperatura entre ambos. Os sinais captados so transmitidos para computadores e/ou monitores que onde so processados gerando imagens com coloraes distintas para o metal e escria (tcnica de termografia - Figura 3.7e-f). Com o emprego destas tcnicas possvel se detectar o momento em que se inicia a

passagem de escria permitindo que o operador ou um sistema automatizado decida acionar dispositivos de fechamento do furo de corrida ou a interrupo do vazamento.

O revestimento refratrio do convertedor a oxignio apresentou uma espantosa evoluo no decorrer da histria deste equipamento. Por se tratar de uma varivel importante para o cuto operacional de uma aciaria a oxignio, fundamental que no sofra problemas de desgaste prematuro e quebras que evite disponibilizar o convertedor para a produo. A temperatura de elaborao dos aos, que tem aumentado por causa do desenvolvimento da metalurgia a secundria e da introduo do processo de lingotamento contnuo, um item de preocupao por aumentar a tendncia do desgaste do revestimento refratrio.

Incluindo-se o revestimento permanente, a massa de refratrio de um convertedor recm-revestido da ordem de duas a trs vezes a sua capacidade mssica (capacidade de produo). O consumo de refratrio depende do tipo de revestimento, da geometria do convertedor, da capacidade de produo do convertedor, do tipo de escria, da composio qumica doferro-gusa e do ao em elaborao, dos fundentes utilizados, da temperatura de trabalho, da durao do sopro, da poltica de proteo ao revestimento e do mix de produo. Este nmero, no comeo da produo de aos em convertedores a oxignio, chegou a ser de aproximadamente 25 kg/t de ao e hoje varia de 0,5 a 5 kg/t de ao.


Figura 3.7 - Detalhe do revestimento refratrio de um furo de corrida de um convertedor a oxignio (a). Tampo ou rolha refratria para reteno da escria inicial (b). Dardo de reteno de escria no final do vazamento do ao lquido do convertedor para a panela (c). Representao esquemtica do sistema de colocao do tampo flutuante ou dardo de reteno (d). Sistema de identifcao de passagem de escria por termografia (e-f) e de fechamento do furo de corrida externamente (g-h).


No interior do convertedor a solicitao do revestimento refratrio varia em funo da posio, visto que existem reas submetidas ao ataque mecnico do banho, como o fundo e a regio de carregamento de sucata, outras reas submetidas ao ataque qumico-mecnico, como por exemplo, a linha de escria. Para assegurar um desgaste balanceado, usam-se combinaes de tijolos, em conformidade com a zona de maior ou menor desgaste. Em zonas de alta solicitao podem ser utilizados tijolos especiais de diversos tipos, sendo muito utilizados tijolos mais caros nos pontos crticos, otimizando o custo de refratrio por tonelada de ao.

Desta forma, a durao do revestimento tem evoludo pela utilizao de diferentes tipos de refratrios de em diversas partes do convertedor, bem como pelo desenvolvimento da metalurgia do ao durante o sopro para evitar ataques qumicos da escria no revestimento. A prtica de proteo do refratrio com a prpria escria gerada no sopro (slag coating e slag splashing) outra evoluo que tem contribudo para que a vida do revestimento aumentasse para nveis satisfatrios. Estas tcnicas sero apresentadas mais adiante neste texto.

No projeto do revestimento refratrio de um convertedor a oxignio, realiza-se em primeiro lugar a diviso do revestimento em diversas zonas de acordo com o perfil de desgaste apresentado nas inspees, medies e reparos realizados durante a campanha do convertedor e aps o encerramento da campanha do mesmo. A intensidade e o tipo de desgaste fornecem dados que permitem estabelecer o tipo de solicitao presente em cada regio e a velocidade de desgaste, permitindo estabelecer a prior um padro de desgaste e a correspondente seleo dos materiais adequados para resistir a tais desgastes, evitando que ocorram paradas freqentes para reparos ou mesmo parada prematuras de campanha do convertedor devido ao desgaste acentuado de uma determinada regio ou, situao mais grave, acidentes na rea da aciaria devido ao surgimento de fendas na carcaa metlica do convertedor.

A diviso do convertedor em zonas do ponto de vista de revestimento refratrio recomendada pela Associao Tcnica de Refratrios do Japo1 ou similares realizadas pelas empresas brasileiras considera basicamente 4 regies que podem ser subdivididas em sub-regies em funo dos mecanismos de desgaste reinantes, conforme apresentado na Figura 3.8 e na Tabela 3.1. O conhecimento destes mecanismos de desgaste de fundamental importncia na seleo dos materiais refratrios mais adequados para cada regio, justificando a diversidade de regies apresentadas na Figura 3.9.

1 THE TECHNICAL ASSOCIATION OF REFRACTORIES, Refractories Handbook, Tokyo, 1998.

M.S. Rizzo Introduo aos Processos de Refino Primrio nos Convertedores a Oxignio 33

Figura 3.8 - Representao das diversas regies de revestimento refratrio do convertedor a oxignio em urna projeo do revestimento da camada de trabalho, com um detalhe de uma

ceramografia mostrando a complexidade da constituio da microestrutura de um material cermico refratrio.


Alm dos mecanismos de desgaste relacionados na Tabela 3.1, um outro fator de influncia so os choques trmicos provocados por paradas no previstas do convertedor.

Alm da diviso do convertedor em diversas regies, o revestimento refratrio ainda pode ser dividido em revestimento permanente ou de segurana, ou seja, o revestimento que no removido aps o encerramento da campanha e revestimento de trabalho, ou seja, o revestimento que se desgasta e que pode ser parcialmente reparado durante a campanha de um convertedor, sendo necessria a troca total do mesmo aps o encerramento da campanha. Na Figura 3.8 tambm apresentada esta diviso. Uma ordem de grandeza tpica da espessura do revestimento refratrio de cerca de 115 a 250 mm para o revestimento permanente e de cerca de 800 a 1250 mm para o revestimento de desgaste.

As faixas citadas dependem do tipo de refratrio empregado, da regio do convertedor em considerao, da capacidade de produo do convertedor, da geometria do convertedor, do tipo de escria objetivada, da composio qumica do ferro-gusa e do ao em elaborao, dos fundentes utilizados, da temperatura de trabalho, da durao do sopro, da poltica de protec ao revestimento e do mix de produo, para citar algumas das variveis que afetam o projeto do refratrio de um convertedor a oxignio.

necessria a diviso do refratrio do convertedor em revestimento permanente e revestimento de trabalho para permitir a seleo dos materiais mais adequados ao longo da parede de material refratrio, procurando atender simultaneamente s exigncias de segurana e performance. As camadas de revestimento permanente e de desgaste so constitudas por duas fileiras distintas de tijolos, reduzindo assim a possibilidade de juntas coincidentes, aumentando a estanqueidade do revestimento. A transferncia de calor do interior do convertedor para a carcaa formada por chapas de ao deve ser a menor possvel, exigindo uma menor condutividade trmica para os tijolos da camada de segurana. Esta condutividade deve ser maior na camada de desgaste para no provocar trincas no refratrio devido s deformaes muito heterogneas devido a um aquecimento no uniforme ao longo da espessura da parede. A camada de desgaste entra em contato com o metal lquido, com a escria, com os gases e materiais particulados (p), devendo apresentar caractersticas adequadas para resistir a ataques qumicos e esforos do tipo abraso, eroso e choques mecnicos, que no so exigidos da camada de segurana.

Um outro aperfeioamento introduzido no projeto de revestimentos refratrios de convertedores foi o corte e a pr-montagem de certas regies que exigem um reparo mais freqente como, por exemplo, furos de corrida e regio das ventaneiras que, desta forma, podem ser trocados rapidamente em uma parada do equipamento para manuteno ou reparo. Um furo de corrida normalmente trocado aps ser utilizado em uma faixa de 60 a 200 corridas, dependendo da usina.

O material refratrio utilizado nos convertedores LD pode ser fornecido na forma de material formado como tijolos, ventaneiras ou na forma de material no formado como massas refratrias e argamassas. As massas refratrias no formadas (ou no moldadas) apresentam um elevado teor de MgO (de 91 a 96%) so empregadas tanto na montagem de novos revestimentos (correo de empenos da carcaa, junes de revestimento de trabalho) quanto na manuteno atravs de reparos a quente. As argamassas refratrias possuem um menor teor1 de MgO (cerca de 80%) e so empregadas na montagem das junes de revestimento de segurana.

Os tijolos moldados utilizados no convertedor a oxignio podem ser fabricados a partir de diferentes materiais refratrios, dependendo das condies de custo e disponibilidade da regio onde se localiza a indstria siderrgica. Dolomita, magnsia fundida, o snter de magnsia de alta

1 O MgO possui uma condutividade trmica relativamente elevada em temperaturas mais baixas.


pureza e outros materiais magnesianos so as principais matrias-primas utilizadas na fabricao de tijolos refratrios. Todos so bsicos e contm uma srie de aditivos para aumentar a sua resistncia ao desgaste. Tijolos de MgO-Cr2O3 so empregados nos revestimentos dos convertedores voltados a produo de aos inoxidveis.

Os tijolos refratrios empregados na camada de segurana so a base de MgO (acima de 96,5%) e so pr-queimados de forma que todas as ligaes qumicas j esto desenvolvidas e estveis quanto variao de volume, reduzindo assim tenses termomecnicas sobre as camadas adjacentes de revestimento de trabalho e carcaa de ao, reduzindo a possibilidade de trinca no equipamento. Estes tijolos normalmente apresentam propriedades mecnicas inferiores quando comparadas com a camada de desgaste, devido a no utilizao de aditivos para no ocorrer um indesejvel aumento da sua condutividade trmica.

Em relao aos tijolos refratrios empregados nas camadas de desgaste, pode-se a princpio considerar que, se a capacidade instalada maior que a produo prevista, (as perdas de produo com as paradas necessrias para aplicar um novo revestimento ou realizar reparos no tm influncia na produo almejada) pode-se optar pelo revestimento com dolomita (MgO > 30% e CaO > 55%) devido ao seu menor custo. Caso contrrio, emprega-se o revestimento de MgO combinado ou no com outros aditivos, objetivando um aumento de vida til do refratrio. Dentre os principais aditivos destacam-se o carbono, ligantes e os aditivos antioxidantes. A magnsia pode ser eletrofundida ou sinterizada.

No caso da fabricao do tijolo pelo processo de sinterizao, o oxido de magnsio ou magnsia (MgO), sinterizado em temperaturas na faixa de 1.700 a 2.100C, com patamares de 5 a 12 horas, adquirindo as seguintes propriedades: aspecto de rocha ou material cermico denso, alta resistncia mecnica, elevado ponto de fuso, elevada massa especfica aparente, baixa porosidade aparente e compatibilidade com o FeO. Porm, este snter de magnsia apresenta deficincias como uma elevada expanso trmica, um elevado calor especfico e uma relativamente alta molhabilidade pelo ao lquido e/ou escria.

A combinao do MgO com o carbono adequada para aumentar a resistncia corroso e infiltrao pela escria, resultante da menor molhabilidade do carbono pelos xidos e pela formao de uma camada de oxido de magnsio na face quente do tijolo. Genericamente pode-se considerar que os refratrios de MgO-C so frutos de certa incompatibilidade qumica entre o oxido de magnsio e o carbono, que pode ser evidenciada pela inexistncia de formao de fase lquida (eutticos) e por ambos os constituintes no serem termoquimicamente estveis em elevadas temperaturas. Isto favorece a formao da magnsia em camadas densas na prpria estrutura retratria (face quente) originrias de reaes de reduo:

a) Reduo da magnsia pelo carbono MgO(s) + C(s) - Mg(g) + CO(g)

b) Reoxidao do magnsio metlico: formao da camada densa Mg(g) + 1/2O2(g) -> MgO(s)

c) Recombinao do magnsio e do monxido de carbono em fase gasosa Mg(g) + CO(g) -> MgO(s) + C(s)

O carbono tambm um material de elevada condutividade trmica, o que permite diminuir as tenses mecnicas geradas pelos gradientes de temperatura entre as faces fria e quente dos refratrios. Sua presena tambm reduz o mdulo de elasticidade do sistema, tornando-o menos rgido.

O carbono adicionado ao tijolo sob a forma de piche, resina, negro de fumo, ou grafita. A grafita utilizada quando necessrio um maior teor de carbono para provocar uma menor


resistncia compresso a frio do tijolo e um aumento da sua condutividade trmica. Uma menor rigidez do tijolo aumenta sua capacidade de absorver tenses, o que importante para as etapas de produo, transporte e manuseio dos produtos. O aumento da condutividade trmica reduz as tenses trmicas geradas pelo gradiente trmico ao longo do tijolo, aumentando a resistncia aos choques trmicos e reduzindo a expanso trmica. Um elevado teor de grafita elevaria em demasiado a condutividade trmica e a presena de impurezas contidas nas cinzas.

O carbono tambm proveniente dos aditivos denominados de ligantes como o piche e/ou resinas fenlicas. Como o piche contm misturas complexas de hidrocarbonetos, alguns dos quais se suspeita serem cancergenos, procurou-se desenv

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