FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PINDAMONHANGABA
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇO Conversores
Gilson Silva Santos Davi Ferreira Alves
Fabiano Barros da Silva
Trabalho apresentado ao Curso de Processos Metalúrgicos, disciplina Siderurgia, para obtenção da nota total ou parcial.
Pindamonhangaba – SP 2011
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PINDAMONHANGABA
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇO Conversores
Gilson Silva Santos Davi Ferreira Alves
Fabiano Barros da Silva
Trabalho apresentado ao Curso de Processos Metalúrgicos, disciplina Siderurgia, sob orientação do Prof. Dr. José André para obtenção da nota total ou parcial.
Pindamonhangaba – SP 2011
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1
2. MATÉRIA-PRIMA E INSUMOS UTILIZADOS PARA PRODUÇÃO DO AÇO ........... 2
2.1. Sucata ................................................................................................................................... 3
2.2. fundente ............................................................................................................................... 7
2.3. Cal ........................................................................................................................................ 7
2.4. Desoxidantes ........................................................................................................................ 8
3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE OBTENÇÃO DO AÇO ................................ 8
3.1. Processos de obtenção do aço através do refino da gusa .................................................... 9
3.2. Processo Bessemer ..............................................................................................................10
3.3. Processo Thomas ................................................................................................................10
3.4. Processo LD ........................................................................................................................11
3.5. Processos Siemens-Martin ..................................................................................................12
3.6. Forno elétrico ......................................................................................................................13
3.7. Conversor a Arco Elétrico ..................................................................................................14
3.8. Conversor de Indução ........................................................................................................16
3.9. Processo Duplex ..................................................................................................................16
4. CONCLUSÂO ....................................................................................................................17
5. REFERÊNCIAS .................................................................................................................19
1
1. INTRODUÇÃO
Como já foi estudado em outros capitulo, as matérias-primas para a produção do aço são o
carvão mineral (coque), minério de ferro (hematita) e o fundente (calcário). Esses
“ingredientes” são misturados num grande reator metalúrgico chamado de alto-forno. O
produto obtido do alto-forno é o gusa que além de possuir um teor considerável de carbono
aproximadamente 4,5%, possui também outros elementos residuais como fósforo, enxofre,
silício, etc.
Após a saída do alto-forno, o ferro gusa pode seguir dois caminhos: Ser transformado em
aço ou em ferro fundido. Quando destinado ao fabrico de aço, o gusa no estado liquida é
colocado em carros-torpedos que são enviados para aciaria. No estado solido o ferro-gusa é
matéria prima das fundições que fabricam ferro fundido.
Nesse trabalho nós nos limitaremos a tratar somente dos processos de fabricação do aço
nos variados tipos de conversores.
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PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DO AÇO
2. MATÉRIAS-PRIMAS E INSUMOS UTILIZADOS PARA PRODUÇÃO DO AÇO
As principais matérias-primas e insumos utilizados para produção do aço nos fornos
elétricos a arco ou nos convertedores ou nas unidades de refino secundário, de acordo com a
função no processo, podem ser subdivididos nas seguintes categorias:
Carga metálica
Gases industriais
Fundentes e/ou refrigerantes
Ferros-ligas e ligas nobres
Desoxidantes
A carga metálica para elaboração do aço nos fornos elétricos a arco ou nos convertedores
pode ser constituída de sucata de aço, sucata de ferro-gusa, produtos pré-produzidos (ferro
esponja) e ferro líquido. A proporção entre cada tipo de material varia nos dois processos, mas
não impede que as matérias-primas sejam analisadas em conjunto.
O ferro-gusa líquido constitui a parte predominante da carga metálica no caso de
convertedores e pode ser utilizado em aciarias elétricas com grandes vantagens em termos de
redução de tempo de elaboração do aço e redução de consumo de energia. A especificação da
composição do ferro-gusa liquido varia conforme as peculiaridades regionais e operação dos
alto-fornos, podendo gerar flutuações de composição em função do tipo de carvão utilizado,
do tipo de minério, da quantidade de oxigênio soprado nas ventaneiras, na vazão total de ar
insuflado, na injeção de finos de carvão, na temperatura do ferro-gusa na saída do cadinho e
outros.
Nas usinas siderúrgicas a proporção de ferro-gusa líquido na carga do conversor depende
de sua composição e temperatura (conteúdo térmico), da qualidade do aço a ser produzido, da
qualidade de carga sólida e da disponibilidade de sucata. Normalmente a carga liquida varia
entre 80% para convertedores produzindo aços baixo teor de carbono e 85 a 90% para aços
alto carbono; podendo chegar até a 100% da carga. Outro fator que determina o uso de ferro-
gusa líquido está relacionado a sua disponibilidade. Em algumas situações a sua taxa é
definida pelo tipo de aço que será fabricado e das dimensões do convertedor.
A utilização de ferro-gusa liquido pelas aciarias elétricas ocorre no caso da empresa contar
com um alto-forno na própria usina ou adquirir o ferro-gusa de empresas do tipo guseiras
3
instaladas relativamente próximas da unidade industrial onde o forno elétrico esta montado
(normalmente a uma distancia de no máximo 30km). Neste caso o ferro-gusa liquido é
transportado por ferrovias ou por rodovias em panelas de projetadas para reduzir a perda de
calor e oferecer uma maior segurança no caso de solavancos. Com a utilização do ferro-gusa
liquido tem-se a transferência do calor sensível e do calor latente para a carga metálica solida.
Os principais componentes químicos do ferro gusa são: Ferro (Fe), Carbono (c), Manganês
(Mn), Silício (Si), Fósforo (P), Enxofre (S). A oxidação destes elementos gera uma
quantidade de energia que somada ao conteúdo térmico do ferro-gusa no estado liquido,
superam normalmente a quantidade de energia necessária para elaborar o aço, permitindo
assim a utilização de carga metálica sólida (sucata de aço ou ferro, ferro esponja e briquete).
O silício é um elemento de grande importância na produção de calor na operação LD. Sua
queima produz grande parte do calor necessário ao processo. Além deste fator, quanto maior o
teor de silício do ferro-gusa maior será o volume de escória formada e será necessário utilizar
mais cal (CaO) para neutralizar a sílica formada. Este maior volume de escória pode acarretar
problemas de projeções de escória com suas conseqüentes paradas para limpeza das
instalações do convertedor (coifa), cascão na boca, aumento do risco de acidentes, perda de
rendimento metálico e maior risco e poluição.
Os teores de enxofre e fósforo no ferro-gusa liquido ou solido estão relacionados
diretamente com a qualidade do carvão ou coque usado no alto-forno e da prática operacional
adotada nesta unidade fabril. Devido ao fato da composição química final do aço exigir
normalmente baixíssimos teores de S e P, o ferro-gusa carregado no convertedor ou no forno
elétrico a arco deve ser previamente dessulfurado, uma vez que tanto no forno elétrico a arco
como convertedor LD a dessulfuração é deficiente devido à injeção de oxigênio nestes
equipamentos. Esta etapa da dessulfuração pode ser realizada no carro-torpedo que transporta
o ferro líquido do alto-forno para a aciaria ou em panelas de ferro-gusa que transportam o
ferro-gusa liquido do carro-torpedo para ser carregado na aciaria em instalações
especialmente construídas para tal fim.
A obtenção de teores de fósforo cada vez mais baixo torna-se um dos grandes desafios na
produção do aço na aciaria. Também pode ser realizada a desfosforação prévia do ferro-gusa
liquido no carro-torpedo ou na panela de ferro-gusa, embora esta seja uma prática menos
comum, uma vez que, ao contrário da dessulfuração, um alto grau de desfosforação é possível
nos fornos de fundentes a base de cal e separação da escória durante o vazamento do aço.
2.1. Sucata
Em relação à sucata, esta pode ser classificada de acordo com uma série de critérios:
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Composição química, dimensões, densidade aparente e grau de contaminação. Cada usina
siderúrgica adota uma classificação da sucata considerando ainda o seu processo produtivo
,tipos de equipamentos utilizados na aciaria e no restante da usina, tipos de aços produzidos,
critérios utilizados na programação da produção da aciaria, percentual de ferro-gusa na carga1,
disponibilidade e confiabilidade dos fornecedores, dentre outros parâmetros. Apresenta-se a
seguir um exemplo de uma classificação que pode ser adotada por uma usina siderúrgica para
a sucata quanto a sua qualidade:
Sucata de aço primeira categoria
Sucata de aço pesada
Sucata de aço de segunda categoria
Sucata recuperada
Sucata de ferro-gusa
Briquete
A sucata de aço primeira categoria (figura 1) e a sucata de aço pesada (figura 2) são
normalmente retorno da própria usina siderúrgica. A sucata de aço de segunda categoria é
obtida do sucateamento de bens de consumo (também denominada de sucata de
absolescencia). Na sucata de ferro-gusa enquadramos o ferro-gusa sólido produzido nos altos-
fornos de usinas siderúrgicas integradas, a sucata de lingoteiras, placas de base e moldes,
canais do alto forno, cascão de panela de ferro-gusa e carro torpedo. A sucata recuperada
(figura 3) contendo ferro-gusa ou aço como principal componente. Este tipo de sucata é
obtido através do britamento e do peneiramento de despejos das usinas siderúrgicas,
principalmente escória de aciaria e sucata de lingotamento. O briquete (figura 4) é uma
matéria-prima gerada a partir do briquetamento de uma mistura contendo além dos
aglomerantes, lama de aciaria, carepa de escafagem manual de placas e resíduos ferrosos
adquiridos no mercado.
Figura 1 – Exemplos de sucata de aço de primeira categoria
1 No caso de usinas que utilizam freqüentemente cargas com uma alta percentagem de ferro-gusa, pode ser possível o uso de sucatas mais contaminadas para diluir o efeito prejudicial dos mesmos.
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Figura 2 – Sucata pesada Figura 3 – Sucata de ferro-gusa e recuperada
Figura 4 – Exemplo de sucata de aço absolescência processada na forma de pacote de
estamparia e de briquete produzido a partir de reciclagem de lama de aciaria
Um item de grande importância no caso de sucata é o grau de contaminação, pois
determinados elementos não são eliminados durante a realização do refino primário ou
secundário d aço, comprometendo assim toda uma corrida. Por este motivo, a sucata deve ser
rigorosamente selecionada para evitar a presença de elementos normalmente considerados
contaminantes por prejudicar as propriedades dos aços (enxofre, cobre, estanho, fósforo, etc.),
por aumentarem de forma indesejada a resistência mecânica do aço (níquel, cromo,
molibdênio, vanádio, nióbio, cobalto, etc.) por provocarem problemas nos equipamentos
envolvidos direta ou indiretamente na produção do aço (zinco) ou por representarem riscos de
explosões ou poluição durante o processo (óleo, gases combustíveis, extintores de incêndio,
concreto, terra, etc. ) ou por serem radioativos (césio, urânio, etc.).
Na preparação da sucata para ser carregada nos fornos de refino primário envolve etapas
como inspeção, separação da sucata por tipo, corte e compactação da sucata e carregamento
da sucata na canaleta de adição no conversor LD (figura 5) ou nos cestões (tamborões) para
adição no forno elétrico a arco (Figura 6). No caso da utilização de briquete, este material
6
pode ser carregado no conversor através de silos, não necessitando estar presente na canaleta
de sucata.
No caso da preparação da sucata na caneleta para carregamento no convertedor deve ser
feita normalmente obedecendo a ordem de entrada no convertedor, ou seja: 1º - Sucata leve,
2º - Sucata pesada e 3º - Sucata de ferro gusa.
Esta ordem por finalidade evitar danos no refratário e para que a sucata de ferro-gusa não
fique no fundo do convertedor, evitar a variação do teor de carbono da corrida se a sucata
pesada não for fundida ou for fundida apenas na etapa de fim de sopro. Além disto, esta
ordem de carregamento ajuda a evitar o engaiolamento da sucata leve na boca do forno. No
caso da utilização de cestões para carregamento de sucata ou outras adições nos fornos
elétricos a arco, um aspecto de extrema importância é a estratificação (disposição em
camadas) da carga nos cestões. A correta realização desta etapa influencia diretamente na
produtividade dos fornos elétricos a arco e normalmente é de responsabilidade do Pátio de
sucata.
Fifura 5 – Carregamento da sucata de aço na canaleta de adição no convertedor
Figura 6 – Carregamento da sucata de aço no cestão no pátio ou galpão de preparação de
sucata e etapa adição da sucata no forno elétrico a arco.
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As reações exotérmicas entre o oxigênio e os elementos químicos que compõem a carga do
forno elétrico a arco ou covertedor LD, principalmente o silício e o carbono do ferro-gusa ou
o carbono injetado no caso do forno elétrico a arco, aliado a pós-combustão de uma parte do
monóxido de carbono gerado nos fornos, fornecem uma parcela considerável da energia
necessária para aquecer, fundir e superaquecer a carga metálica sólida adicionada. Parte do
oxigênio ficara dissolvida ou absorvida pelo aço liquido e pela escoria.
Nos processos de refino primário e secundário, utiliza-se oxigênio de elevada pureza, a fim
de manter os teores de nitrogênio do aço dentro dos limites exigidos para a adequada
qualidade do produto, maximinizar a produtividade do forno e a capacidade de fundir a
sucata. O valor mínimo de pureza aconselhável é 99,7 a 99, 8%, com o restante constituído de
argônio e cerca de 50 ppm de nitrogênio.
Normalmente o oxigênio é produzido na própria usina siderúrgica nas estações de
fracionamento de ar que são responsáveis pela captação do ar atmosférico e o seu
fracionamento (subdivisão) em oxigênio, nitrogênio e argônio.
2.2. fundente
A utilização de fundentes na aciaria é necessária principalmente para a remoção de
impurezas durante o refino dos aços e para o controle da basicidade da escoria gerada durante
o refino. Os fundentes tambem podem atuar no sentido de controlar o ponto de fusão e a
viscosidade da escoria. Além das ações discutidas, os fundentes devem ainda satisfazer outras
condições como:
Não produzir vapores prejudiciais no domínio de temperaturas dos fornos de refino
Não apresentar toxidade para o pessoal da aciaria
Não provocar corrosão significativa nos revestimento refratário do forno
Não contaminar o aço com elementos nocivos
Não deteriorar as propriedades dessulfurante e desfosforante da cal.
Os principais fundentes, que em certos casos exercem também a função de elementos
refrigerantes para controle da temperatura do banho, utilizados numa aciaria são listados a
seguir: cal calcinita, dolomita, calcário, fluorita, dunito, carbeto de silício, minério de ferro,
sinter e minério de manganês.
2.3. Cal
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O principal fundente utilizado na siderurgia é a cal. Este material é utilizado no processo
de elaboração de aços nos fornos de refino primário principalmente com os seguintes
objetivos:
Acelerar a formação da escória reduzindo assim a projeção de aço durante o sopro de
oxigênio e para absorção de impurezas oriundas do processo de refino do aço;
Proporcionar uma boa dessulfuração e desfosforação devido a presença do CaO na
escória.
Conversão da escória ácida em uma escória básico dos fornos de refino.
A cal é de tal importância para a siderurgia que muitas usinas mantêm instalações na
própria planta operadas e/ou controladas diretamente ou por terceiros para a transformação do
calcário em cal, com as características adequadas ao seu processo produtivo e garantia de um
estoque de segurança.
2.4. Desoxidantes
Os materiais desoxidantes são normalmente adicionados durante a etapa de vazamento nos
fornos de refino primário objetivando corrigir o grau de desoxidação do aço visando aumentar
o rendimento das ligas adicionadas para correção de composição química, evitar projeções
devido ao excesso de oxigênio no aço aumentar o rendimento em massa de aço na panela e
adequar o grau de desoxidação da escória também pode ser afetado pela adição destes
materiais. Os desoxidantes também são adicionados nas estações de refino secundário com o
objetivo de reduzir a oxidação do aço liquido e aumentar a temperatura do aço liquido,
parâmetros fundamentais para o correto o correto vazamento do aço nas máquinas de
lingotamento contínuo ou mesmo convencional.
Os principais desoxidantes utilizados numa aciaria são o alumínio e o silício na forma de
Ferro-Liga. O alumínio comercialmente puro, para evitar contaminação do aço, é fornecido na
forma de pequenas barras, ou granulado em pequenas ou grandes esferas (gotão ou gota)
conforme a necessidade de precisão de dosagem. O silício é três vezes menos desoxidante que
o alumínio. A sua utilização se dá normalmente em corridas com restrição do teor máximo de
Al ou com necessidade de um maior teor de Si.
Os ferros-ligas são materiais usados primordialmente para acerto da composição química
do aço sendo adicionados no forno elétrico a arco ou na panela durante o vazamento. É
necessário que seu rendimento seja o mais estável possível e que possuam menor
porcentagem de impurezas.
3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE OBTENÇÃO DO AÇO
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Os processos de fabricação do aço podem ser classificados em:
a) Quanto à matéria-prima, o aço pode ser obtido a partir de:
Gusa - através dos processos Bessemer, Thomás, LD e Siemens-Martin, Sucata de aço -
através dos processos Siemens-Martin e Forno elétrico a arco, Ferro-esponja - através de
forno elétrico a arco
b) Quanto a fonte de energia os processos podem ser:
Autógenos - conversores, em que o calor é gerado pelas reações de oxidação, não autógeno -
em que o calor é gerado por combustível (processo Siemens-Martin) ou energia elétrica (forno
a arco ou indução)
c) Quanto ao tipo de forno:
Conversores - Bessemer, Thomas e LD
Fornos com abóboda - Siemens-Martin, forno elétrico a arco
Forno a cadinho - Forno elétrico a indução
d) Quanto ao produto (tipo de aço)
Aços comuns - conversores, Siemens-Martin, forno elétrico
Aços especiais para construção mecânica - Siemens-Martin, forno elétrico a arco.
Aços de alta liga (aço ferramenta, aços inoxidáveis, aços refratários) - forno elétrico a arco e
forno a indução
Aços muito especiais - forno elétrico a arco, forno de indução a vácuo
3.1. Processos de obtenção do aço através do refino da gusa
O ferro de primeira fusão (ferro gusa), é bastante heterogêneo e impuro, e os elementos
químicos de sua composição, estão acima dos valores aceitáveis para ser considerado
aço, como pode ser visto na tabela 1.
Tabela 1 – Relação entre composição química do ferro e do aço
E.Q Composição aproximada do ferro-gusa Composição aproximada do aço
C 3,50 a 4,50 0,06 a 2,00
Mn 0,50 a 2,50 0,50
Si 0,50 a 4,00 0,25
P 0,05 a 2,00 < 0,05
S 0,20 < 0,05
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Para transformar o ferro gusa em aço é necessário fazer uma sensível redução de todos os
elementos de sua composição, entre os processos mais utilizados para produção De aço em
escala industrial, temos o processo Bessemer, o processo Thomas, o processo LD, que são
classificados também como processos pneumáticos, o processo Siemens- Martin e os fornos
elétricos.
3.2. Processo Bessemer
Este processo baseia-se em diminuir o C, Si e Mn do gusa líquido soprando ar através do
banho e assim convertendo-o em aço. Por ser um processo ácido não são eliminados o P e
S, por este motivo a presença desses elementos deve ser mínima. O oxigênio do ar que se
combina com o C e Si da gusa gera calor suficiente para manter fundido o metal e a escória. O
equipamento em que se efetua este processo é chamado de conversor (figura 7), suas
características de construção, compreendem de uma carcaça de chapa de aços em forma de
pêra, revestida internamente com tijolos refratários. Normalmente usam-se refratários de
sílica (ácido) para evitar a reação com a escória ácida, resultante do processo. O fundo do
conversor é perfurado, para injeção de ar, e de fácil troca, já que sua vida útil, devido à
severidade no uso é baixa.
Figura 7 - Seção transversal esquemática de um conversor Bessemer. A parte inferir da figura mostra
as três posições típicas do conversor no decorrer do processo
3.3. Processo Thomas
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Constitui-se de uma carcaça cilíndrica de aço resistente ao calor, e seu interior é revestido
por materiais refratários de magnesita ou de dolomita, que permite a esse interior resistir ao
ataque da escória à base de cal, possibilitando que se trabalhe com gusa com alto teor fósforo.
É semelhante ao Bessemer, pois as características físicas e de sopragem são iguais ao
Bessemer, e também, processa gusa líquido e usa ar nesse processo. As reações químicas que
acontecem dentro desse tipo de conversor são praticamente as mesmas que acontecem no
conversor Bessemer, ou seja, a oxidação de impurezas, a combustão de carbono e a oxidação
do ferro. Porém, no conversor Thomas, o fósforo é retirado com a pela utilização da cal e do
enxofre isto é possível devido ao revestimento do forno de natureza básica.
Neste processo há duas desvantagens: a não eliminação do enxofre do gusa e o ataque do
silício ao revestimento interno, daí a necessidade do gusa ter um baixo teor de silício. 3.4. Processo LD
O processo LD, tem como princípio injeção de oxigênio, pela parte superior do conversor.
A injeção do oxigênio é realizada através de uma lança, constituída de três tubos concêntricos
de aço, em que O 2 passa pelo tubo central, e os dois tubos adjacentes servem para
refrigeração com água. A forma do conversor é similar ao conversor
Bessemer e Thomas, conforme (figura 8).
Características técnicas do processo e conversor:
Carga minério de ferro (pequena quantidade, opcional) + sucata (pequena
quantidade) + ferro gusa (líquido)+ cal;
Tempo de cada corrida 40 a 50 minutos;
Distância da lança a superfície do banho 0,3 a 1,2 metros
Capacidade de carga do conversor 100 toneladas;
Temperatura máxima utilizada no processo 2500 ºC;
Possuem sistema de tratamento de resíduos gasosos e sólidos, resultantes do
processo.
Oxigênio injetado tem uma pureza que varia de 90 a 95%.
As principais reações ocorrem nesta ordem, oxidação do Si, oxidação do C.
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Figura. 8 – Representação da produção de aço num conversor LD.
3.5. Processos Siemens-Martin
Os fornos Siemens-Martin são fornos nos quais podem ser realizados o refino do gusa e
também, a elaboração de aço a partir de sucata, o que não é possível nos conversores, pois
nestes o calor consumido é proveniente das reações de oxidação dos elementos do banho
metálico (carga líquida) por meio da introdução de ar ou oxigênio. Esses fornos são
constituídos de um mufla de tijolos refratários para receber a carga que pode ser sólida ou
líquida, e de dois pares de câmaras recuperadoras, também de tijolos refratários.
O forno funciona pelo sistema de regeneração do calor os gases quentes que saem do forno
vão aquecendo o gás (combustível se for o caso) e o ar, respectivamente, dando entrada no
forno em alta temperatura (figura 9). A inversão da câmara é feita de hora em hora, por meio
de válvulas, com o aquecimento da coroa, as chamas de natureza oxidante vão reduzindo o
teor de carbono, silício e manganês do gusa. Os materiais refratários utilizados no
revestimento dos fornos dependem da natureza da carga, se for silicosa (ácida) reveste-se com
refratários ácidos, se for fosforosa (básica) reveste-se com refratários básicos.
Características técnicas do processo e do forno:
Carga » minério de ferro (pequena quantidade, opcional) + sucata + ferro gusa
(líquido) + calcário (CaCO3). A carga pode ser constituída somente de ferro gusa ou
sucata.
Tempo de cada corrida » 4 a 5 horas;
Capacidade de carga do conversor varia de 50 a 300 toneladas;
Temperatura máxima utilizada no processo » 2000 ºC;
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A desoxidação é realizada através da adição de Fe-Si, Fe-Mn ou cal dependendo da
natureza da carga e do refratário;
O combustível utilizado pode ser gás natural, gás de coqueria ou óleo combustível.
Figura 9 - Representação esquemática de um forno Siemens-Martin
3.6. Forno elétrico
A produção de aços liga de alta qualidade (grande refinamento), é realizada através da
utilização de fornos elétricos. A grande vantagem desses equipamentos é a pureza da fonte de
calor (energia elétrica), onde o material a ser processado, não interage com o combustível, o
que não ocorre com os outros processos já descritos. Outro fator que diferencia esses
equipamentos dos demais, é que se consegue temperaturas elevadas, com fácil regulagem dos
parâmetros de energia elétrica, o que não se consegue por meio de combustíveis.
O sistema de aquecimento dos fornos elétricos podem ser direto e indireto. O aquecimento
direto é quando a corrente elétrica atravessa a carga. E o aquecimento indireto, ocorre quando
a corrente não tem contato com a carga, o calor transmite-se por irradiação.
De acordo com a forma de aproveitamento da energia, os fornos elétricos são classificados
em três tipos:
Fornos de arco voltaico;
Fornos de indução;
Fornos de resistência.
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A utilização dos fornos elétricos, e o processamento do ferro gusa para obtenção do aço,
desenvolvem-se em três fases:
1. Oxidação – onde são adicionados pedaços de minério de ferro, rico em óxido de ferro
com a finalidade de oxidar o carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre.
2. Redução (desoxidação do aço) – feita com adições de ferro, silício, ferro manganês, e
alumínio.
3. Acerto da composição desejada – com adições de elementos químicos previamente
determinados como: cromo, níquel, vanádio, tungstênio, cobalto e outros. Obtendo-se
os aços finos especiais para ferramentas, e o aço liga para componentes mecânicos de
equipamentos de grande responsabilidade
3.7. Conversor a Arco Elétrico
È constituído de uma carcaça de aço feita de chapas espessas soldadas ou rebitado, de
modo a formar um recipiente com o fundo abaulado. No seu interior essa carcaça na sua parte
inferior (chamada de soleira) por materiais refratários, de natureza básica (dolomita ou
magnesita) ou ácida (sílica), dependendo do tipo de carga que o forno vai processar. O
restante do forno é revestido com tijolos refratários silicosos. Em geral, as empresas compram
o gusa sólido e, juntamente com sucata de aço, forma-se a carga para alimentar os fornos
elétricos de produção de aço. Nestes fornos, a fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa
ocorre devido ao calor gerado por um arco voltaico, que se forma entre dois ou
três elétrodos de grafite colocados na parte superior (chamada de abóbada) do forno e a carga
metálica. A carga de um forno a arco é constituída basicamente de sucata e fundente (cal), e
nos fornos de revestimento básico, a carga deve ter quantidades bem pequenas de silício.
Durante o processo, algumas reações químicas acontecem: a oxidação, na qual se oxidam as
impurezas e o carbono, a desoxidação, ou a retirada dos óxidos com a ajuda de agentes
desoxidantes e a dessulfuração, quando o enxofre é retirado. É um processo que permite o
controle preciso das quantidades de carbono presentes no aço.
Após a fusão da carga, Oxigênio é injetado por uma lança diretamente no banho líquido e a
redução dos teores dos elementos de liga ocorre por oxidação. A fabricação do aço (refino) do
aço incorpora duas etapas, o refino primário e o refino secundário.
No refino primário são reduzidos os teores Carbono, Manganês, Silício e Fósforo, e o
calor liberado pela oxidação destes elementos químicos reduz o consumo de energia elétrica
do forno. Durante o processo de oxidação, a composição química do banho líquido é
monitorada por coleta de amostras e análise por Espectrometria de emissão ótica. Quando o
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banho líquido atinge a composição química ideal, este é transportado para outro forno, a
composição química final do aço é acertada (refino secundário).
Neste segundo forno (forno panela), as “ferros-liga” (Fe-Mn ou Fe-Si) são adicionados. Estas
ligas funcionam como dessulfurantes e desoxidantes, isto é, reduzem os teores de Enxofre e
Oxigênio do aço.
O Enxofre é então reduzido pela formação do Sulfeto de Manganês (MnS) que vai para a
escória. Já quanto à desoxidação, é inevitável que parte do ferro, durante o refino primário,
sofra oxidação. Contudo, é interessante comentar que nem todo o Sulfeto de manganês
(MnS) e o Óxido de Manganês(MnO) vão para a escória. Parte destes compostos, bem como
o próprio Óxido Ferroso (FeO)permanecerão no aço como impurezas, chamadas de inclusões
não metálicas, as quais devem ser criteriosamente controladas pois afetam diretamente as
propriedades dos aços produzidos.
O Forno a Arco é o mais versátil para a produção de aço com as seguintes vantagens:
Permitem produzir praticamente todos os tipos de aços carbono, aços de baixa liga,
aços ferramenta, aços inoxidáveis, etc.
É um aparelho extremamente versátil, no que tange à carga, podendo ser operado com
100% de sucata.
Permite operações intermitentes e mudanças rápidas na produção dos fornos de aciaria, é o que permite obterem-se valores mais baixos de fósforo e enxofre.
É extremamente eficiente em termos energéticos (figura 10)
Figura 10 - Representação esquemática de um forno a arco elétrico
A tendência de instalação desses tipos de fornos é cada vez maior, com fornos de 200 a
250 toneladas. Os eletrodos são de grafite, ligados a um transformador de tensão de 100 a 300
16
v, estabelecendo-se arcos entre os eletrodos, através da carga e a radiação do arco que funde o
metal. O carregamento do forno é feito pela abertura da abóbada, que gira, deixando o forno
livre para a carga. Há ainda uma porta, por onde são adicionados materiais como ligas,
formadores de escória, etc.
Uma bica de vazamento, mediante o basculamento do forno, “vaza” o aço para a panela depois de concluída a corrida.
3.8. Conversor de Indução
Utiliza energia elétrica para a produção do aço e também processa sucata. O conjunto que
compõe esse forno é composto de um gerador com motor de acionamento, uma bateria de
condensadores e uma câmara de aquecimento. Essa câmara de aquecimento é basculante e
tem, na parte externa, a bobina de indução. O cadinho é feito de massa refratária compactada
dentro dessa câmara, onde a sucata se funde por meio de calor produzido dentro da própria
carga. Para a produção do aço, liga-se o forno, e os pedaços de sucata que devem ser de boa
qualidade vão sendo colocados dentro do forno, à medida que a carga vai sendo fundida. Após
a fusão se completar e a temperatura desejada são atingidos, adiciona-se cálcio, silício ou
alumínio, que são elementos desoxidantes e tem como função a retirada dos óxidos do metal.
3.9. Processo Duplex
Consiste na combinação de dois processos, como por exemplo, conversor Bessemer ácido
e Siemens-Martin básico. No forno Bessemer, o ferro gusa proveniente do alto-forno é
inteiramente oxidado, de modo a reduzir ao mínimo os teores de Si e Mn e oxidar grande
parte do carbono. A seguir, o material é transferido ao forno Siemens-Martin básico, onde o
restante do carbono e o fósforo são oxidados. O aço é, então, acabado, recarbonetado e recebe
as adições finais de ferros-ligas.
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Tabela 2 – Resumo dos processos
Tipo de forno
Combustível Tipo de carga
Capacidade de carga
Vantagens Desvantagens
Conversor Bessemer
Injeção de ar comprimido.
Gusa líquido.
10 a 40 ton.
Ciclo curto de processamento (10 a 20 minutos).
Impossibilidade de controle do teor de carbono. Elevado teor de óxido de ferro e nitrogênio no aço. Gera poeira composta de óxido de ferro, gases e escória.
Conversor Thomas
Injeção de ar comprimido.
Gusa líquido, cal.
Em torno de 50 ton.
Alta capacidade de produção. Permite usar gusa com alto teor de fósforo.
O gusa deve ter baixo teor de silício e enxofre. Elevado teor de óxido de ferro e nitrogênio no aço. Gera poeira composta de óxido de ferro, gases e escória.
Conversor LD
Injeção de oxigênio puro sob alta pressão.
Gusa líquido, cal.
100 ton. Mínima contami-nação por nitrogênio.
Gera poeira composta de óxido de ferro, gases e escória.
Forno a arco elétrico.
Calor gerado por arco elétrico.
Sucata de aço + gusa, minério de ferro, cal.
40 a 70 ton.
Temperaturas mais altas. Rigoroso controle da composição química. Bom aproveitamento térmico.
Pequena capacidade dos fornos. Custo operacional.
Forno de indução
Calor gerado por corrente induzida dentro da própria carga.
Sucata de aço.
Em torno de 8 ton.
Fusão rápida. Exclusão de gases. Alta eficiência.
Pequena capacidade dos fornos. Custo operacional.
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4. CONCLUSÃO
Podemos concluir a partir do que foi exposto que cada processo utilizado para fabricação
do aço apresenta suas particularidades: o gusa liquido pede fornos com injeção a ar enquanto
as sucatas pede fornos elétricos. O tipo de aço após a fabricação, também depende desses
processos: fornos a ar produzem aço-carbono comum; fornos elétricos produzem aço de
melhor qualidade, cuja composição química pode ser mais rigorosamente controlada.
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5. REFERÊNCIAS
RIZZO, Ernandes Marcos da Silva. Introdução aos processos siderúrgicos. São Paulo,
Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005. P. 72-78.
CHIAVERINE, Vicente. Tecnologia mecânica. 2. Ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986
FERNANDO, Fernandes José; MATINS, Marcelo. Tecnologia dos materiais I. Disponível
em: http://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki Acesso em: 29 out.2011.
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