Centro Federal de Educao Tecnologica - CEFET

FABRICAO DE AOS EM FORNOS ELTRICOS

INTRODUO

O calor produzido eletricamente tem certas caractersticas distintas, a saber:

a) A preciso da regulao eltrica se estende a transmisso de calor, fcil alcanar uma temperatura uniforme entre reduzidos limites.

b) Seu desenvolvimento no implica em combusto de nenhuma

espcie, portanto, no polui o ambiente.c) As temperaturas que podem ser alcanadas no tm outro limite

superior seno o das caractersticas dos materiais que deve suportar o calor.As vantagens derivadas destas caractersticas so inmeras, dentre elas podemos destacar:a) Aplicao no ponto exato onde se necessita

b) Resposta rpida

c) Segurana

d) Altos nveis de temperatura, se necessrio.Diversos so os tipos de fornos eltricos que podem ser utilizados na fabricao de aos comuns e especiais, destacando-se entre eles, os fornos eltricos a arco e os fornos de induo.

Descrio do EquipamentoOs fornos de induo so equipamentos de simples fuso constitudos essencialmente de uma fonte de potncia, uma bobina e um revestimento refratrio que forma o cadinho.

Do ponto de vista eltrico a sua configurao semelhante de um transformador, sendo a bobina o primrio e a carga metlica o secundrio, submetido a um campo eletromagntico alternado.

As operaes metalrgicas realizadas nesses fornos so apenas fuses, seguidas de adies corretivas de composio, desoxidao e ajuste de temperatura de vazamento.Forno a arco, neste o calor produzido por efeito Joule, pela passagem da corrente eltrica atravs do espao compreendido entre as extremidades do eletrodo ou entre eletrodos e a carga; e a transmisso do calor matria, a aquecer advm principalmente pela irradiao e s uma pequena parte por conveco ou conduo, com isto conseguimos a fuso da matria e a manuteno do banho lquido em temperaturas elevadas.

A fonte de suprimento de energia ao forno eltrico a arco a energia eltrica do secundrio de um transformador cujo controle exercido pela seleo de taps de voltagem no primrio do mesmo.

O tamanho de um forno eltrico definido em termos do dimetro de sua carcaa e da capacidade do seu transformador.

Atualmente os fornos eltricos a arco so classificados em funo da potncia especfica da sua fonte de energia em:Baixa Potncia.......................... 100 a 200 KVA/t

Media Potncia......................... 200 a 400 KVA/t

Alta Potncia............................ 400 a 700 KVA/t

Ultra Alta Potncia (UHP)....... Acima de 700 KVA/tAssim por exemplo um forno de 100 t munidos de um transformador de 25 MVA ser de mdia potncia, porque 25000 KVA / 100 t resultam em 250 KVA /t.

De acordo com a potncia do transformador, o tempo mdio de fuso pode ser estimado atravs da seguinte expresso:T = 60.K.W / P. cos . , ondeT.......... Tempo mdio de fuso em minutos

K......... Energia necessria para a fuso de 1,0 toneladas de ao em KW/t. Os valores variam de 400 a 450 KWh/t para fornos com cargas s de sucata e valores de 600 a 800 KWh/t para fornos com cargas mistas de sucata mais ferro esponja. Quanto maior o percentual de ferro esponja na mistura, maior o consumo especifico de energia.W.......... Peso da carga metlica slida em toneladas.P........... Potncia do transformador em KVAcos .... Fator de potncia mdio de fuso, para fornos eltricos os valores variam de 0,70 a 0,75.

.......... Eficincia energtica durante a fuso, valores entre 0,80 e 0,90.O tempo de corrida "tap to tap", ou seja, vazamento a vazamento constitudo pela soma do tempo em que o forno permanece ligado mais os tempos mortos devido a carregamentos, reparos no refratrio, etc. A relao entre o tempo do forno ligado e o tempo total de corrida denominada de fator de utilizao do forno.Na fig. 1 apresentado o circuito eltrico simplificado de um forno

Eltrico a arco onde se tem:

Barramento: Da subestao principal que distribui a tenso de

13.8 KV entre as subestaes da rea industrial.

Disjuntor: Que a chave interruptora do circuito. Ele acionado do painel do forno ou automaticamente, plos rels de proteo do circuito.

Reator: um enrolamento adicional (bobina de indutncia) introduzido no circuito com o objetivo de aumentar a reatncia deste, a fim de estabilizar o arco.

Comutador de taps (taps change): Possibilita variar a relao de transformao, alternando a tenso do secundrio.

Transformador: Abaixa a alta tenso de entrada (13.80 KV)

tenso de algumas centenas de Volts e nveis altos de corrente (dezenas de KA).

Baixa tenso...................... 30.000 A; 1OO / 300 V

Alta tenso.......................... 720 A; 13.800 V

Barramentos rgidos e cabos flexveis: Possibilita a conexo dos

conjuntos mveis dos eletrodos mais os suportes at o secundrio (baixa tenso) do transformador.

Eletrodos: So elementos de grafita capazes de conduzirem altas correntes eltricas, quando tocam a carga metlica, estabelecendo o arco eltrico e fechando o circuito eltrico.

Do ponto de vista construtivo, o forno eltrico a arco constitudo por uma carcaa fabricada com chapas de ao soldadas, com o seu interior revestido de material refratrio e dotado de uma porta de carregamento e retirada de escria na sua parte anterior e uma bica de vazamento na sua parte posterior.

O forno fechado na sua parte superior por uma abobada com trs orifcios para entrada dos eletrodos e, um quarto orifcio para extrao dos gases (fumos). Nos fornos eltricos que usa ferro esponja na carga metlica temos um orifcio adicional para permitir o carregamento contnuo de ferro esponja.O revestimento refratrio normalmente bsico. A soleira constituda na sua parte inferior junto carcaa por uma ou duas

fiadas de tijolos de magnsia queimada, que constituem a chamada sub-soleira. A superfcie de trabalho constituda por massa socada de magnsia ou dolomita sinterizada.

A linha de escria constituda com tijolos radiais de magnsia cromita eletro fundidos ou de magnsia queimados e impregnados com piche.A tendncia moderna que nos fornos de UHP, as paredes acima da linha de escria sejam constitudas por painis refrigerados e as abbadas sejam constitudas por refratrios apenas na regio da central e o restante da rea por painis refrigerados.Na fig. 2 temos o corte de um forno eltrico a arco mostrando o

revestimento refratrio

Figura 2.Os fornos eltricos a arco dispem ainda dos seguintes equipamentos:01 - Um sistema hidrulico ou mecnico de basculamento, permitindo ngulos mximos de basculamento de 45 na direo de vazamento da corrida e de 15 em sentido contrario para remoo de escria.

02 - Um sistema hidrulico ou eletromecnico de levantamento da abbada.03 - Um sistema automtico de regulagem de eletrodos que tem por objetivo o controle da voltagem e corrente do secundrio (e, portanto da potncia) em valores predeterminados, atravs dos eletrodos. Este sistema tem a finalidade de:

Intervir para suprimir um curto-circuito num tempo inferior quele fixado para o rel de intensidade do disjuntor principal.

Manter a potncia mxima durante a fuso.

Evitar que os eletrodos venham a tocar o banho ou a carga slida, para impedir a carburao do primeiro ou a quebra dos eletrodos pela presso excessiva contra a carga slida.Este sistema atua da seguinte forma: Se a corrente aumenta (ou se a voltagem do arco diminui) o sistema comanda a subida dos

eletrodos; se o contrario a corrente diminui (ou a voltagem aumenta), o sistema comanda a descida dos eletrodos.04 - Um sistema de refrigerao para porta, anel da abbada, cabos, braadeiras, etc.

Matrias Primas dos Fornos Eltricos a Arco

As matrias primas constituem fator importante, pois ela afeta a, produtividade do forno, bem como os custos e a qualidade dos produtos fabricados.

As matrias primas devem ser controladas, tanto pelas caractersticas fsicas (tamanho e densidade), como pelas suas caractersticas qumicas (grau de impurezas presentes).

01 - Sucata de Ao

Este o item que mais afeta a operao e o custo. Alm disso, o tamanho da sucata afeta o tempo da corrida e, portanto a produtividade do forno, e o consumo especfico de energia (kWh/t) As sucatas utilizadas tem densidade aparente variando entre 0,40 a 2,20 t / m3.Sucatas muito densas dificultam a penetrao dos eletrodos durante a fuso e com isso expem as paredes e abbadas a uma irradiao mais intensa.

Sucatas pouco densas sofrem maior oxidao durante a fuso, diminuindo o rendimento metlico da operao e temos que aumentar o numero de cestes, em prejuzo da produtividade.

Na pratica devemos fazer uma mistura de sucatas com diferentes densidades, buscando otimizar a operao atravs de:

Uso do menor nmero possvel de cestes

Fuso mais rpida

Menor consumo de energia

Menor consumo de eletrodosAo misturar sucatas devemos tomar cuidado para evitar misturas e

contaminaes que possam afetar a qualidade. Os elementos qumicos mais importantes associados a sucata so:

Elementos insolveis nos aos e nas escrias e que vaporizam em grande parte durante a fuso: Pb, Zn e Cd.

Elementos no oxidados e que permanecem no ao lquido Cu Sn

Mo, Co, As, Nb e W.

Elementos parcialmente oxidados para ar escrias: Mn, P e Cr.

Elementos quase completamente oxidados para a escria Al Si Zr e B.02 - Ferro Esponja ou Pr-reduzidos:

Esta matria prima usada em substituio sucata ou em mistura com a sucata.

Na sua maior parte os pr-reduzidos consumidos atualmente so produzidos nas prprias usinas plos processos Midrex e Hyl.

A composio qumica media dos pr-reduzidos a seguinte:

Fe total: 87 a 94; Fe metlico: 76 a 89; Metalizao: 86 a 93; C: 0,20 a 2,40; S: 0,010 a 0,030; P: 0,007 a 0,050; Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, As - traos.

Pela analise vemos que o ferro esponja uma matria prima de excelente qualidade.03 - Calcrio ou Cal: Agentes fluxantes

Tanto o calcrio como a cal, constitui a fonte de CaO necessrio como fluxante para formar uma escria com xidos de impurezas removidas do banho metlico tais como slica, xido de mangans, xidos de fsforo, etc.

Nas aciarias mais modernas se usa cal em lugar do calcrio, porque como a decomposio do calcrio endotrmica, acarreta um aumento no consumo de energia.

04 - Agentes FluidificantesOs agentes fluidificantes so usados para auxiliar a rpida formao da escria, mantendo-a liquida e com suficiente fluidez. O agente mais usado em aciarias eltricas a fluorita, que apresenta um teor de CaF2, em geral acima de 85 e a sua ao se deve a formao com outros xidos da escria de sistemas com ponto de fuso mais baixo. Uma das vantagens principais da fluorita que a sua ao no altera a capacidade de refino das escrias, isto , no afeta a basicidade e, portanto a capacidade de reteno de impurezas como enxofre e fsforo.05 - Agentes OxidantesSo utilizados para remoo de carbono e do fsforo. Esta remoo acompanhada por uma oxidao simultnea de silcio, ferro e mangans.

Entre os agentes oxidantes usados temos: Minrio de ferro, carepa de laminao e oxignio gasoso. Atualmente a maioria das aciarias usa o oxignio gasoso devido a maior rapidez na remoo das impurezas.06 - Agentes corretivos de composio, desoxidantes e agentes redutores:

6.1 - Agentes para correo de carbono

Normalmente o teor de carbono ajustado na carga inicial levando,em conta o carbono final desejado e o carbono que deve ser removido por oxidao. Este ajuste feito por seleo apropriada da carga metlica, ou pela adio de materiais portadores de carbono, tais como coque, grafita em p, moinha de carvo vegetal, carbureto de silcio ou coque modo.

E pratica normal em aciarias modernas objetivar, imediatamente antes do vazamento, um teor de carbono ligeiramente inferior ao teor desejado, de modo que o teor final possa ser alcanado com a introduo de ferro ligas com alto teor de carbono.

6.2 - Agentes redutoresOs elementos metlicos comumente utilizados na fabricao de aos ao carbono, aos de baixa liga e de alta liga, e aos inoxidveis so: Silcio, mangans, nquel, cromo e molibdnio.

Estes elementos so adicionados ao banho metlico na forma de ferro ligas, isto , ligas de ferro com outro elemento, ex. (Fe-Si), (Fe-Mn ) em alguns casos usamos metais puros, como o caso do Alumnio, Nquel, etc.

O mtodo e o instante da corrida em que a adio corretiva feita

dependem em grande parte da afinidade qumica do elemento de liga pelo oxignio e do teor de oxignio do banho no instante de adio.Propriedades dos agentes corretivos e desoxidantes mais importantes:

Silcio utilizado como:

a) Agente desoxidante

b) Agente redutor de escriasc) Elemento de liga para aumento da resistncia mecnica, temperabilidade e resistncia oxidao.Mangans utilizado:

a) Para contrabalanar o efeito fragilizante do enxofre

b) Para aumentar a temperabilidade dos aos.

c) Para aumentar a tenacidade dos aos

d) Como elemento austenitizante

e) Para aumentar a solubilidade do nitrognio Cromo utilizado:

a) Para aumento da temperabilidade

b) Para aumento da resistncia corroso e a oxidao.

c) Aumento da resistncia mecnica em temperaturas elevadas.

d) Aumento da resistncia ao desgaste.

Nquel utilizado para:

a) Aumento da tenacidade dos aos (presena vital para aos utilizados em vasos de presso)

b) Tornar austenticos aos inoxidveis de alto teor de cromo

c) Aumento da resistncia corroso

d) Melhoria de propriedades mecnicas em geral.

Alumnio utilizado para: a) Desoxidao do ao liquido, devido sua afinidade pelo oxignio

b) Como agente redutor de escrias, pela mesma razo anterior.

c) Refino do tamanho de gro.d) Elemento de liga em aos para nitretao, aos resistentes ao calor e ligas para resistncias eltricas.

07 - Operao de Fornos Eltricos a Arco (FEA)

O forno eltrico a arco uma unidade onde a fuso e todas as operaes de refino so realizadas com o objetivo de transformar o material no refinado num banho liquido dentro das condies especificadas de composio qumica e limpeza. Nestas condies o forno realiza uma serie de operaes metalrgicas, que podem ser assim definidas:

a) Ajuste de composio qumica do produto final, para atender s especificaes de elementos como carbono, silcio, mangans, cromo, etc.

b) Reduo de impurezas prejudiciais s propriedades do ao. Estas impurezas so fsforo, enxofre, oxignio, hidrognio e nitrognio.

c) Limpeza, mediante o controle de incluses no metlicas presentes no ao liquido.

d) Controle de elementos residuais tais como cobre, estanho, chumbo, cuja eliminao no possvel nas operaes convencionais de refino.

Com o advento da metalurgia de panela (refino secundrio), muitas das operaes dos fornos eltricos passaram a ser realizadas nos fornos panelas.

7.1-Carregamento

Uma corrida de ao se inicia imediatamente aps o vazamento da corrida anterior. Com o forno vazio, ele inspecionado visualmente e so iniciados os reparos do revestimento refratrio afetados por um desgaste maior durante a corrida anterior (soleira, rampa, paredes). Para se fazer o reparo o ao retido nas cavidades deve ser drenado ou soprado, procedendo-se ento aos reparos com dolomita ou magnesita. A operao de reparos realizada com maquinas apropriadas, como na figura abaixo.

O carregamento do forno feito por intermdio de cestes, que podem ser de dois tipos, conforme o sistema empregado para seu fechamento ou abertura: Casca de laranja e tipo concha. Ver figura

a) tipo casca de laranja

b) tipo concha Na colocao das cargas com cestes devemos tomar diversos cuidados, objetivando-se: a) Minimizar o impacto da carga sobre o revestimento

b) Otimizar o preenchimento do volume do forno

c) Evitar cargas altas que impeam o fechamento do forno

d) Facilitar a penetrao dos eletrodos no inicio da fuso sem riscos de quebra dos mesmos. 7.2 - Fuso Este perodo responsvel por cerca de 70 a 75 % da energia eltrica consumida durante a corrida. Os objetivos metalrgicos a serem alcanados neste perodo so:

a) Atingir um nvel predeterminado de carbono ao fim da fuso, isto conseguido pelo controle das propores de materiais metlicos carregados.b) Ajustar a basicidade da escria de fuso, de modo que ela seja fluida sem ser agressiva aos refratrios do forno. Isto conseguido carregando no primeiro cesto cal em quantidade que varia de 20 a 40 Kg/t. c) Controle do nvel de oxidao da escria de fuso, isto conseguido por adio de carbono ou de xidos (minrio de ferro ou carepa). No inicio da fuso os eletrodos so baixados at uma altura de cerca de uma polegada acima da carga. Neste perodo procura-se selecionar um tap de voltagem intermediria, afim de que se possa ter penetrao dos eletrodos ao longo da coluna de carga sem expor a abbada e paredes a uma irradiao excessiva. Assim que os eletrodos tenham penetrado na coluna de carga e os refratrios estejam adequadamente protegidos, a potncia aumentada pela seleo de um tap de maior voltagem, isto acelera a fuso, permitindo a formao de uma poa de metal liquido que protege a soleira de superaquecimento. Ao fim da fuso a potncia diminuda para que ela seja completada sem afetar as paredes, pois as mesmas estaro desprotegidas.

Para cada condio de fuso existe um comprimento de arco timo que determina a velocidade de fuso. Ele dependente do tipo de carga, da potncia empregada, do tamanho do forno, etc.

Inicio de fuso, tap de voltagem mdio a fim de diminuir as solicitaes trmicas na abbada e na parte superior das paredes.

No fim da penetrao dos eletrodos, escolhe-se um tap de alta voltagem para acelerar a fuso.

No fim de fuso seleciona-se um tap de voltagem baixo para estabelecer um arco curto.

7.3 - Refino em Fase OxidanteA fase oxidante de uma corrida se inicia a partir do instante em que se forma a primeira poa de metal liquido no interior do forno. Entretanto ao fim da fuso, a escria formada, via de regra, apresenta uma basicidade no muito elevada devido a formao de slica por oxidao do silcio da carga que normalmente o elemento mais oxidvel.

A basicidade expressa pela relao :B = (CaO) / (SiO2)CaO ........ teor de cal existente na escria em % em peso

SiO2........ teor de slica existente na escria em % em peso

Como a basicidade importante para o refino que se segue a escria de fuso removida e rapidamente formada, um nova escria atravs da adio de cal e agentes fluidificastes.Aps a fuso devemos tirar amostras para anlise qumica de C, P, Mn, Cr, Ni, etc. A fase oxidante se inicia com a insuflao de oxignio, atravs de uma lana mergulhada no banho, numa posio prxima da interface metal-escria. Os objetivos metalrgicos nesta fase de refino a eliminao de fsforo e de carbono.

7.3.1 Desfosforao

A reao de eliminao do fsforo pode ser assim representada:

2P+ 5 (FeO) + n CaO = ( nCao.P2O5) + 5Fe com n = 3 ou 4

Nesta equao P representa o fsforo dissolvido no banho metlico, enquanto (FeO) e (CaO) e (nCaOP2O5) representam compostos dissolvidos na escoria.

A reao de oxidao do fsforo ocorre da seguinte forma:Fe + O2(g) = 2FeO2P + 5FeO = (P2O5) + 5 Fe(nCaO) +(P2O5) = ( nCaO.P2O5)

A reao de eliminao do fsforo favorecida por escrias com alta basicidade, alto poder oxidante (alto teor de FeO) e por baixas temperaturas (reaes exotrmicas). Devido ao fsforo reverter rapidamente ao banho pratica durante a desfosforao trabalhar com o forno levemente basculado na direo da porta de escria, afim de que a mesma possa escoar pela porta. Esta pratica evita que a escoria se sature em fsforo impedindo a progresso da desfosforao. 7.3.2 - Descarburao

A reao de eliminao do Carbono representada pela seguinte reao:

2 C + O2(g) = 2 CO(g)

A liberao do CO conduz a formao de uma escria espumosa. O objetivo bsico da descarburao promover um contato intimo entre o metal e escria atravs da agitao decorrente da injeo de oxignio e formao de monxido de carbono, alm disso, deve homogeneizar trmica e quimicamente o banho e reduzir os teores de hidrognio e nitrognio dentro de certos limites.

7.3.3 - Eliminao do SilcioFe + O2(g) = 2FeOSi + 2FeO = 2Fe + (SiO2)A slica reage com o oxido de ferro, formando silicatos de composio variada:

SiO2 + 2FeO = (FeO)2. SiO2

Devido presena da cal os silicatos de ferro vo se transformando em silicatos de clcio que passa para a escria

(FeO)2 .SiO2 + 2CaO = (CaO)2.SiO2 + 2FeO 7.3.4 - Eliminao do Mangans O mangans se oxida durante a fuso e passa a escriaFe + O2(g) - 2FeOMn + FeO = Fe + (MnO)

2MnO + SiO2 = (MnO)2 . SiO2

7.4 - Refino em Fase Redutora

Esta etapa se inicia aps a retirada da escria oxidante. Neste ponto o banho metlico apresenta elevados teores de oxignio, tornando-se necessrio reduzi-los atravs de agentes desoxidantes. O desoxidante mais empregado o alumnio, em quantidades variveis de 0,20 a 0,50 K/t. Podemos usar tambm o Fe-Si 75.

Aps a desoxidao do banho introduzido no forno cal e fluorita para a formao de uma nova escoria. Neste ponto devemos conhecer a composio qumica do ao liquido. Os objetivos metalrgicos a serem alcanados na fase redutora de refino so: 01 - Assegurar que a composio qumica especificada seja alcanada

02 - Garantir um produto limpo, com baixos teores de incluses no metlicas.03 - Reduzir o teor de enxofre a nveis baixos sempre que se fizer necessrio. Os itens 01 e 02 so alcanados mantendo-se nveis baixo de oxignio no banho metlico permitindo, por exemplo, a incorporao dos elementos oxidveis como, silcio, cromo, vandio, etc. sejam feito com rendimentos elevados.

7.4.1 - Eliminao do enxofre

O enxofre o elemento mais difcil de ser removido, para as reaes ocorrem escria deve ser mantidas bem reduzidas, com basicidade elevada isto , rica em cal, a temperatura do banho a mais elevada possvel, e bem desoxidada.(CaO) + S = (CaS) + OFeS + (CaO) = (CaS) + (FeO)FeS + Mn = MnS + FeMnS + (CaO) = (MnO) + (CaS) No final da fase redutora tomada uma amostra para acerto final de composio qumica. Feitas as correes finais de composio, a desoxidao final feita atravs de ferro-silcio 75 e alumnio, a temperatura ajustada e depois de 10 a 15 minutos o ao vazado na panela, previamente pr-aquecida.

Aps o vazamento a panela transportada para ser lingotada ou por maquina de lingotamento continuo ou para lingotamento convencional.

Lingotar a operao usada para solidificar o ao produzido afim de que o mesmo possa ser trabalhado.

Bibliografia

01 - Aquecimento Eltrico Industrial Eletrotermia

Oficinas grficas da Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP

02 - Siderurgia Para No SiderurgistasCurso A.B.M Coordenado pelo Prof. Dr. Clovis Bradaschia e Prof. Eng. lvaro Manoel P. Garcia de . Capitulo sobre fornos eltricos Prof. Dr. Ferdinando L. Cavalcanti. 03 - Manual de Siderurgia, Lus Antnio de Arajo

Editora - F.T.D. - So Paulo - 1967.PAGE 1