Os Processos de Refino Primário dos Aços nos Conversores.pdf
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Sumário
1. Introdução 2
2. Conversor Bessemer 3
3. Conversor Thomas 4
4. Conversor LD (Linz Donawitz) 5
4.1 Ciclo de Operação de um Conversor LD 5
5. Vantagens e Desvantagens dos Conversores Bessemer, 10
Thomas & Linz Donawitz
6. Fornos Elétricos a Arco 10
6.1 Ciclo de Operação de um Forno Elétrico a Arco 10
7. Dados Gerais 14
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1. Introdução
A composição do ferro-gusa apresenta cerca de 4% de carbono e 0,4% de fósforo que
impossibilita sua conformação mecânica. Para converter ou transformar o ferro-gusa
em aço é necessário à redução dos teores de carbono, fosforo e silício. Assim se tornanecessário que ele passe por um processo de oxidação (combinação do ferro e das
impurezas com o oxigênio) até que a concentração de carbono e das impurezas se
reduza a valores desejados.
A ideia apresentada, simultaneamente, por um inglês, Henry Bessemer, e por um
americano, William Kelly, em 1847, foi injetar ar sob pressão em um forno a fim de que
ele atravessasse o gusa e favorecesse as reações de oxidação. Esse processo permitiu a
produção de aço em grandes quantidades.
Os fornos que usam esse princípio, ou seja, a injeção de ar ou oxigênio diretamente no
gusa líquido, são chamados “conversores” e são de vários tipos.
Os mais conhecidos são:
Conversor Bessemer
Conversor Thomas
Conversor LD (Linz Donawitz)
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2. Conversor Bessemer
É constituído por uma carcaça de chapas de aço, soldadas e rebitadas. Essa carcaça é
revestida, internamente, com uma grossa camada de material refratário, isto é, resiste
a altas temperaturas. Seu fundo é substituível e cheio de orifícios por onde entra o arsob pressão. O grande diferencial desse forno é seu formato semelhante a uma pera
que permite seu basculamento. Quer dizer, ele é montado sobre eixos que permitem
colocá-lo na posição horizontal, para a carga do gusa e descarga do aço, e na posição
vertical para a produção do aço.
Para o carregamento o forno é levado à posição quase horizontal. Carrega-se
imediatamente sucata, casca de óxido e até minério quando desejado ou necessário,
em seguida adiciona-se o gusa líquido.
Nesta posição se inicia o sopro de ar ou oxigênio pela parte inferior do forno enquanto
o conversor é lentamente reconduzido a posição vertical, na qual permanece até que a
reação de oxidação se complete.
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Este forno não precisa de combustível. A alta temperatura é alcançada e mantida,
devido às reações químicas que acontecem quando o oxigênio do ar injetado entra em
contato com o carbono do gusa líquido. Nesse processo, há a combinação do oxigênio
com o ferro, formando o óxido de ferro (FeO) que, por sua vez, se combina com osilício (Si), o manganês (Mn) e o carbono (C), eliminando as impurezas sob a forma de
escória e gás carbônico. Esse ciclo tem uma duração média de 20 minutos.
3. Conversor Thomas
Bastante semelhante ao Bessemer ele também é basculante, também processa gusa
líquido e também usa ar nesse processo. A diferença está no revestimento refratário
desse conversor, que é feito com um material chamado dolomita, que resiste ao
ataque da escória à base de cal e, por isso, esse material permite trabalhar com um
gusa com alto teor de fósforo.
As reações químicas que acontecem dentro desse conversor são as mesmas que
acontecem no conversor Bessemer, ou seja, oxidação das impurezas, combustão do
carbono e oxidação do ferro. Esse processo, porém, tem duas desvantagens: não
elimina o enxofre do gusa e o revestimento interno do forno é atacado pelo silício.
Assim, o gusa deve ter baixo teor de silício.
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4. Conversor LD (Linz Donawitz)
4.1 Ciclo de Operação de um Conversor LD
O ciclo de operações de refino no LD envolve seis etapas:
Carregamento de carga sólida;
Carregamento do gusa líquido;
Sopro;
Medição de temperatura e retirada de amostras;
Vazamento;
Vazamento de escória.
Para o carregamento, o conversor é basculado para uma posição inclinada de cerca de
60o em relação a vertical. O carregamento da carga sólida (sucatas de aço e ferro; gusa
solido) é geralmente realizado através de recipientes adequados (calhas de sucata),
que são manuseados por pontes rolantes.
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A disposição na calha não é feita de maneira aleatória, mas por meio de um arranjo
que permita a presença de sucatas mais finas na borda da calha e sucatas mais
pesadas no fundo. Este procedimento visa proteger o revestimento do conversor,
amortecendo o impacto pela queda inicial de sucata mais fina.
Após o carregamento de sucata, o conversor é retornado à posição vertical e oscilado
em torno dela, para perfeito assentamento de carga; é então basculado novamente a
posição de carregamento para receber o gusa liquido. Este é vazado dos misturadores
ou carros torpedos em panelas especiais, com acentuado bico onde é pesado.
Após a medição de temperatura e amostragem, o gusa líquido é carregado no
conversor, através da ponte rolante de carregamento principal. A panela de gusa tem
um dispositivo que permite o seu basculamento pelo gancho auxiliar da ponte,
durante a operação de carregamento.
Terminado o carregamento do gusa líquido, o conversor é trazido novamente á
posição vertical, a lança de oxigênio é baixada e o sopro iniciado já durante a descida
da lança. Após alguns segundos, produz-se uma chama que caracteriza o início das
reações de refino.
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A duração do sopro depende basicamente da vazão específica de oxigênio, e a sua
interrupção pode ser realizada com base na avaliação visual da temperatura e teor de
carbono pelo soprador (operador que comanda o sopro), através da observação da
chama. A parada do sopro pode, também, ser feita baseada na indicação do volume de
oxigênio soprado, velocidade de descarburação, sublança e outros.
As adições de cal e fundentes são realizadas totalmente no início do sopro, ou
parceladamente durante seu transcurso. A altura de lança e vazão de oxigênio podem
permanecer constantes ou sofrer modificações durante o sopro, de acordo com opadrão de sopragem previamente definido.
As adições de minério de ferro ou carepa para controle da temperatura devem ser
realizadas na etapa final do sopro.
Caso o conversor não tenha o recurso tecnológico da sublança, assim que o sopro é
interrompido, este é basculhado para uma posição aproximadamente horizontal, a fim
de se medir a temperatura e retirar amostras de aço e escória.
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Se a composição química e a temperatura corresponderem ao especificado, o
conversor é basculhado no sentido contrário para vazamento da corrida na panela de
aço.
Se a temperatura estiver abaixo do previsto e/ou o teor de carbono acima do
especificado, o conversor retorna á posição vertical, a lança é baixada e a corrida
ressoprada, fazendo-se as necessárias adições. No caso da temperatura estar acima do
previsto, à corrida pode ser resfriada no conversor, com adição de minério de ferro,
calcário, ou ainda aparas de sucata, neste caso, através de uma calha especial.
O processo LD é oxidante, portanto o aço a ser vazado precisa ser desoxidado. Isto é
feito durante o vazamento do conversor para a panela de aço, normalmente, por meio
de alumínio e/ou silício, que são jogados diretamente no jato de aço através de calhas
direcionais. Durante o vazamento são adicionadas, ainda, as ferro ligas, que irão
conferir ao aço certas características desejadas. Esse material, na granulometria
adequada, é adicionado através da mesma calha direcional mencionada. O tempo de
vazamento deve estar dentro de uma faixa adequada, para minimizar a passagem de
escória para panela, evitar uma oxidação excessiva do metal pelo ar, bem como perdas
elevadas de temperatura, de forma a permitir uma produtividade adequada. Para
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minimizara passagem de escória do conversor para a panela de aço, utilizam-se
dispositivos de retenção de escória que previnem eficazmente esta transferência de
escória indesejada para panela.
Após o vazamento, o conversor é basculhado completamente para o lado de
carregamento, e a escória é vazada no pote de escória, pela sua boca, e ele volta á
posição inicial de carregamento, reiniciando o ciclo.
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A panela de aço, após medição de temperatura, é encaminhada para as operações de
metalurgia secundária, ou diretamente para o lingotamento contínuo.
5. Vantagens e Desvantagens dos Conversores Bessemer,Thomas & Linz Donawitz
O uso de conversores tem uma série de vantagens: alta capacidade de produção,
dimensões relativamente pequenas, simplicidade de operação e o fato de as altas
temperaturas não serem geradas pela queima de combustível, mas pelo calor que se
desprende no processo de oxidação dos elementos que constituem a carga de gusa
líquido.
Por outro lado, as desvantagens são: impossibilidade de trabalhar com sucata, perda
de metal por queima, dificuldade de controlar o processo com respeito à quantidade
de carbono, presença de considerável quantidade de óxido de ferro e de gases, que
devem ser removidos durante o vazamento.
6. Fornos Elétricos a Arco
Os processos de elaboração que utilizam a eletricidade como principal fonte deenergia necessária para fundir e refinar o aço apresentam a vantagem de utilizarem
uma elevada quantidade de sucata, que em alguns casos pode chegar até 100% da
matéria-prima metálica, contribuindo assim decisivamente para a reciclagem desta
sucata, que do contrario exigiriam grandes depósitos para seu armazenamento. Além
disso, reduzem a exploração de minério de ferro, carvão mineral ou vegetal e outras
matérias-primas, bem como diminuem a necessidade de construção dos
equipamentos da área de redução que sem duvida são potenciais poluidores do meio-
ambiente.
6.1 Ciclo de Operação de um Forno Elétrico a Arco
A elaboração dos aços nos fornos a arco compreende normalmente as seguintes
etapas de processo:
Carregamento da carga metálica e dos fundentes;
Fusão;
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Refino;
Retirada da escória e amostragem;
Vazamento.
Antes de efetuar o carregamento da sucata, é necessário proceder-se uma inspeção do
estado das paredes, soleira e abóbada. Quando necessário, deve ser feita à reparação
com dolomita ou magnésia sinterizada.
Inicia-se então o carregamento dos fundentes: a cal, em seguida a “carepa” de
laminação ou minério quando necessário.
Em seguida deve ser feito o carregamento. A sucata leve fica por baixo para amortecer
a queda do restante do material, em seguida é colocada a sucata mais pesada efinalmente conclui-se o carregamento com sucata leve para facilitar a formação do
arco voltaico.
A sucata mais pesada deverá ficar diretamente debaixo dos eletrodos, para fundir mais
rapidamente e evitar que durante a fusão, caiam de encontro com os mesmos,
partindo-os.
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Efetuado o carregamento e recolocada a abóbada, fecham-se às portas do forno e
baixam-se os eletrodos, ligando-se o arco. Gradualmente, os eletrodos vão descendo
até quase tocar a soleira, onde, pouco a pouco, vai se formando uma poça do metal
líquido. É essencial que essa se forme antes dos eletrodos atingirem a soleira, a fim de
protegê-la contra perfuração.
Depois de completada a fusão retira-se uma amostra para análise, para verificar a
composição e ajustar a temperatura e o refino, fases que tem o objetivo de eliminar os
elementos indesejados e adicionar os elementos de liga necessários para a produçãodo aço desejado.
Após isso a escória é retirada.
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E em seguida é realizado o vazamento do aço.
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7. Dados Gerais
Tipo de Forno Combustivel Tipo de Carga Capacidade de carga Vantagens Desvantagens
Conversor Bessemer Injeção de arcomprimido.
Gusa liquido. 10 a 40 ton Ciclo curto deprocessamento (10 a20 minutos).
Impossibilidade decontrole do teor decarbono.
Elevado teor de oxidode ferro e nitrogeniono aço.
Gera poeiracomposta de oxido deferro, gases e escória.
Conversor Thomas Injeção de arcomprimido.
Gusa liquido, cal. Em torno de 50 ton Alta capacidade deprodução.
Permite usar gusacom alto teor defosforo.
O gusa deve ter baixoteor de silicio e
enxofre.
Elevado teor de oxidode ferroe nitrogenio no aço.
Gera poeiracomposta de oxido deferro, gases e escoria.
Conversor LD Injeção de oxigeniopuro sob alta pressão.
Gusa liquido, cal. 100 ton Minimacontaminação pornitrogenio.
Gera poeiracomposta de oxido deferro, gases e escoria.
Forno a arco elétrico Calor gerado por arcoeletrico.
Sucata de aço + gusa,minério de ferro, cal.
40 a 70 ton Temperaturas maisaltas.
Rigoroso controle dacomposição quimica.
Bom aproveitamentotermico.
Pequena capacidadedos fornos.
Custo operacional
Forno de indução Calor gerado porcorrente induzidadentro da propriacarga.
Sucata de aço. Em torno de 8 ton Fusao rápida.
Exclusao de gases.
Alta eficiencia
Pequena capacidadedos fornos.
Custo operacional.