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Gerência de Ensino Coordenadoria de Recursos Didáticos

ELABORAÇÃO, REFINO

E LINGOTAMENTO DO AÇO

Vitória - Outubro - 2007

COORDENADORIA DE CURSO SUPERIOR / ENGENHARIA METALÚRGICA

Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo 2

ELABORAÇÃO, REFINO

E LINGOTAMENTO DO AÇO

Autor:

Marcelo Lucas Pereira Machado Engenheiro Metalurgista – UFF – RJ

Doutor em Engenharia Elétrica/Automação – UFES Mestre em Engenharia Metalúrgica – PUC-RJ

Pós-Graduado em Educação / Aperfeiçoamento em Conteúdos Pedagógicos - UFES Professor dos Cursos de Engenharia Metalúrgica, Tecnologia em

Siderurgia/Metalurgia e Materiais e Técnico em Metalurgia e Materiaia do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado do Espírito Santo – CEFET-ES

Vitória -ES 2007


APRESENTAÇÃO Este curso de Elaboração, refino e lingotamento do aço, trata de processos de refino

primário e secundário do metal líquido, entre eles destaca-se o processo LD e o RH,

respectivamente.

Em todos estes processos procura-se utilizar os conceitos de termodinâmica e físico-

química para explicar as razões do funcionamento de muitos processos e confrontar

resultados teóricos com os práticos.


SUMÁRIO 01 - CONSIDERAÇÕES GERAIS..................................................................................05 01.1 -Histórico da Siderurgia..........................................................................................05 01.2 - Conceitos Básicos................................................................................................07 01.3 - Principais produtos siderúrgicos...........................................................................07 01.3.1 - Diagrama de equilíbrio Ferro – Carbono...........................................................08 01.4 - Classificação dos Aços.........................................................................................10 01.5 - Importância dos produtos siderúrgicos.................................................................11 01.6 - Fluxogramas de usinas siderúrgicas....................................................................12 01.6.1 - Fluxograma reduzido de usinas integradas.......................................................12 01.6.2 - Fluxograma da CBF..........................................................................................13 01.6.3 - Fluxograma da Siderúrgica Belgo Mineirade Jardim América..........................14 01.6.4 - Ciclo Operacional da CST.................................................................................14 01.7 - Fluxograma da CST.............................................................................................16 02 – PROCESSO DE DESSULFURAÇÃO................................................................... 17 02..1 – Reações na dessulfuração.................................................................................17 03 - PRODUÇÃO DO AÇO EM CONVERTEDOR (REFINO PRIMÁRIO) ....................19 03.1 - Processos de sopro pneumático: .......................................................................19 03.1.1 - Processos de sopro a oxigênio .......................................................................24 03.1.1.1 - Convertedor LD..................................................... ............. ...................... ...26 03.1.1.2 – Outros processos de refino a oxigênio...................... .................. .......... .....48 04 - REFINO SECUNDÁRIO .........................................................................................51 04.1 - Definição........................................................................................... ....... ...........51 04.2 - Classificação dos processos.......................................................................... .....52 05 – TERMODINÂMICA DE SOLUÇÕES. ....................................................................58 06 – DIAGRAMA DE FASES TERNÁRIOS. ..................................................................66 07 – POTENCIAL DE OXIGÊNIO/ DIAGRAMA DE ELLINGHAN. ................................80 07.1 – Potencial de oxigênio em um reator....................................................................86 08 – ANALISE TERMODINÂMICA DO PROCESSO DE REFINO DO AÇO. ...............87 08.1 – Análise termodinâmica das reaçoes de refino. ...................................................87 09 - LINGOTAMENTO CONTÍNUO................................................. ..............................93 09.1 - Características................................ ............................ ........................................94 09.2 - O processo de lingotamento contínuo............................ .....................................94 09.3 - Operação................................ ............................ ................................................96 09.4 - Importância do controle do processo nas propriedades metalúrgicas.................97 09.5 – Comparação entre os rendimentos no lingotamento convencional e contínuo...98 10 – Cálculo de carga no processo LD...........................................................................99 11 - BIBLIOGRAFIAS............................................. ......................... ...........................105


01 - CONSIDERAÇÕES GERAIS 01.1— HISTÓRICO DA SIDERURGIA Provavelmente, o cobre nativo foi o primeiro metal empregado pelo homem na fabricação de utensílios. A obtenção de ferro metálico, provavelmente, veio a ocorrer apenas no período neolítico, quando o carvão usado nas fogueiras protetoras das cavernas habitacionais reduziram o solo de minério de ferro a ferro primário, que, posteriormente, era elaborado e conformado. Certamente, o país que mais se destacou na história da siderurgia foi a Inglaterra. A extração de ferro metálico nesse país remota a 400 AC e a obtenção de ferro gusa em alto forno a coque ocorreu no século XVIII. Por ser abundante e suas ligas possuírem propriedades adaptáveis a quase todas as condições requeridas, logo o ferro se tornou o metal mais empregado. Desde então, a metalurgia passou a se dividir em siderurgia e metalurgia dos não ferrosos. A siderurgia se tornou tão importante que passou a servir de padrão medidor do desenvolvimento das nações. Desde então, são consideradas fortes as nações dotadas de elevadas capacidades de produzir e/ou comercializar produtos siderúrgicos e seus insumos. Logo após a descoberta do Brasil pelos portugueses, ocorreu por aqui enorme procura pelos metais. Em 1554 o Padre Anchieta relatou à Corte Portuguesa a existência de ferro e em 1587 Afonso Sardinha iniciou a produção de ferro na Freguesia de Santo Amaro, São Paulo. Mais tarde foram descobertas as grandes jazidas de ferro das Minas Gerais, pensando-se, na ocasião, que eram reservas inesgotáveis, a ponto de uma pessoa ilustre denominar Minas Gerais de peito de ferro das Américas. Apesar de tão grande potencial, Portugal impediu o desenvolvimento da siderurgia brasileira durante o período colonial. Durante o período do Brasil Império, ocorreram algumas iniciativas importantes relacionadas com a produção de metais, porém, não consolidaram. Um fato histórico notável foi a entrada do Brasil na Segunda grande guerra, no bloco dos Aliados, quando recebemos acessoria americana para a implantação da CSN, empresa que consolidou nosso país como produtor de aço. A consolidação do parque siderúrgico nacional foi liderado pela SIDERBRÁS durante o governo militar, que construiu e ampliou as grandes usinas siderúrgicas estatais para darem sustentação a todo o parque industrial brasileiro. Entre elas destaca-se a CSN, COSIPA, USIMINAS, Cia. Ferro e Aço de Vitória, CST e AÇOMINAS. A seguir mostraremos algumas figuras que ilustram esse período histórico.


Fig.1.1 – Tipo de forja Catalã usada por Fernando sardinha em 1587

Fig.1.2 – Perfil de um forno Catalão

Fig.1.3 – Forja Catalã acionada por foles manuais, da Idade Média.


Fig.1.4 – Alto forno de 1640, com acionamento hidráulico. Os fornos eram construídos

juntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos de mão.

Fig.1.5 – Foto de um alto forno americano do século XVII, com foles acionados por

roda d’água. 01.2 - CONCEITOS BÁSICOS METALURGIA: é a arte de extrair do(s) minério(s) o(s) metal(is),elaborá-lo(s) e conformá-lo(s) com o fim de produzir os objetos necessários à humanidade. DIVISÃO DA METALURGIA: A metalurgia pode ser dividida em siderurgia e metalurgia dos não ferrosos. SIDERURGIA: É a metalurgia do ferro e suas ligas. METALURGIA DOS NÃO FERROSOS: É a metalurgia dos outros metais, como do alumínio e suas ligas, do cobre e suas ligas, do ouro, etc. 01.3 - PRINCIPAIS PRODUTOS SIDERÚRGICOS Os produtos siderúrgicos se dividem em duas famílias principais, os aços e os ferros


fundidos. A melhor maneira de se entender a diferença entre aços e ferros fundios é fazermos uma rápida análise do diagrama ferro-carbono. 01.3.1 - DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO – CARBONO Esse diagrama é geralmente apresentado até 6,7% de carbono, porque este elemento forma com o ferro o composto Fe3C (cementita) que é extremamente duro e contém, aproximadamente, 6,7% de carbono.

Fig.1.6 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono

Como pode ser visto no diagrama Fe-C., o ferro puro (isento de carbono), apresenta-se até 912oC sob a forma alotrópica alfa (α) e acima de 912oC até 1354oC no estado alotrópico (γ). Essas formas alotrópicas se caracterizam por possuírem reticulados cristalinos diferentes para os átomos de ferro: o ferro α possui reticulado cúbico de corpo centrado (CCC) e o ferro γ possui reticulado cúbico de face centrada (CFC).


A fig.1.7 mostra os reticulados cristalinos dos átomos de ferro nas formas alotrópicas CCC e CFC. Observa-se que a estrutura CCC possui somente um átomo de ferro no centro do reticulado cristalino. Por outro lado, a estrutura CFC possui átomos de ferro no centro das faces do reticulado.

Fig.1.7 – Esquema mostrando as estruturas cristalinas cúbicas de corpo centrado CCC e de face centrada CFC.

Nota-se também no diagrama Fe-C que à medida o teor de carbono aumenta até o limite de 0,77%C obtêm-se a estrutura austenitica (Fe γ) a temperaturas cada vez mais baixas até o limite de 727oC. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,77%C é onde se situa praticamente todos os aços comercialmente utilizados no mundo. Os átomos de carbono ocupam os espaços vazios dos reticulados de átomos de ferro e como pode ser observado na fig.1.6, a fase austenítica (estrutura CFC) tem capacidade para absorver mais carbono do que a fase ferrítica (estrutura CCC). A estrutura CFC devido ao seu formato de empilhamento é muito mais fácil de ser deformado do que a estrutura CCC. Desta forma, para se laminar a quente um aço, deve-se primeiro alcançar a estrutura austenítica, ou seja: conforme o teor de carbono, aquecer o aço em torno de 800 a 880oC, para em seguida fazer a deformação no laminador. Desta forma, economiza-se energia, equipamentos, tempo, e viabiliza economicamente o produto além de poder conferir boas propriedades mecânicas e metalúrgicas ao aço posteriormente ou durante a laminação. Para se ter uma idéia da facilidade de deformação de um metal com estrutura cristalina CFC, o chumbo é um material que possui esta estrutura na temperatura ambiente e o ferro por outro lado, na temperatura ambiente possui estrutura CCC. Como o aço é um material produzido para ser deformado, ele deve no aquecimento produzir uma estrutura totalmente austenítica, ou seja, deve possuir teor de carbono inferior a 2%, como pode ser visto no diagrama Fe-C. Apesar de na prática, os aços comerciais não ultrapassam a 0,8%. Por outro lado, os ferros fundidos são produzidos já no formato da peça final, portanto não sofrerão deformações posteriores, o seu teor de carbono está acima de 2%. Então, por definição os aços são produtos siderúrgicos com menos de 2%C, usualmente, obtidos em convertedores pelo refino do ferro gusa. Existem centenas de tipos de aços, podendo-se destacar as seguintes famílias: Aços carbono comuns, Aços micro-ligados, Aços ligados de baixa liga, Aços de alta

Estrutura Estrutura CCC CFC


liga: Inoxidáveis ferríticos, inoxidáveis austeníticos, para ferramentas e matrizes, etc. Os ferros fundidos são produtos siderúrgicos primários, geralmente, produzidos em altos fomos. Teoricamente seu teor de carbono está acima de 2%; contudo, na prática a maioria dos ferros fundidos tem de 4 a 4,3%C. Exemplos de ferros fundidos: Ferros fundidos brancos, ferros fundidos cinzentos, ferros fundidos maleabilizados, ferros fundidos nodulares, etc. 01.4 - CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS Os aços podem ser classificados com base em diferentes parâmetros, tais como dureza, aplicações, normas técnicas, etc. De acordo com a dureza, os aços se dividem nos seguintes grupos:

• Aços extra-doces: Abaixo de 0,15%C, • Aços doces: 0,15 a 0,30%C, • Áços meio-doces: 0,30 a 0,40%C, • Aços meio-duros: 0,40 a 0,60%C, • Aços duros: 0,60 a 0,70%C, e • Aços extra-duros: Acima de 0,70%C.

Como se pode deduzir pelos dados acima, as durezas dos aços dependem dos seus respectivos teores de carbono. Há dezenas de normas técnicas sendo que são usadas na classificação dos aços, contudo, nesse trabalho, citaremos apenas alguns exemplos da classificação de aços pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Parte da Tabela da ABNT Tipo do Aço Classe Aço carbono comum I0XX Aço níquel (3,5%) 23XX Aço Níquel-cromo 3YXX Aço cromo(0,95%)-molibdênio(0,2%) 41XX Aço cromo 51XX Outros Pela ABNT, os dois primeiros dígitos indicam o(s) elemento(s) de liga existente(s) no aço, além do carbono. O número decimal expresso na posição do XX se refere à porcentagem de carbono contido pelo aço. Exemplos: Aço ABNT 1010: aço carbono comum com aprox. 0,1%C. Aço ABNT 1045: aço carbono comum com aprox. 0,45%C. Aço ABNT 4140: aço com aprox. 0,95%Cr-0,2%Mo-0,4%C. Como foi dito anteriormente, existem muitas normas usadas na classificação dos produtos siderúrgicos, portanto, é necessário tê-las em mão ao proceder a classificação, para evitar o registro de enganos.


01.5 – IMPORTÂNCIA DOS PRODUTOS SIDERÚRGICOS O êxito alcançado pelos produtos siderúrgicos se deve a vários fatores, dentre os quais citaremos alguns, sem desmerecer os demais. Baixo preço: O preço dos produtos siderúrgicos é insuperável pelos demais que tenham características semelhantes, o que lhes confere elevada competitividade. Exemplos:

Lingotes de ferro gusa: R$220,00It Placas de aço carbono: R$450,00It Chapas de aço carbono: R$1.200,00It Chapas de aço inox. Ferrítico: R$6.000,00It Chapas de aço inox. Austenítico: R$13.000,00It Chapas de alumínio: R$12.000,00/t Chapas de alumínio ligado: R$30.000,00It Chapas de cobre: R$15.000,00It

Propriedades Versáteis: É possível conferir ao produto siderúrgico as propriedades necessárias, sem onerar muito o custo de produção. Exemplos: Um aço ABNT 1080 pode adquirir diferentes durezas pela aplicação de tratamentos térmicos corretos:

- Esferoidizado: 100HB - Plenamente recozido: 200HB - Temperado: 65RC (acima de 650HB, por comparação)

O aço carbono comum possui os inconvenientes de oxidar-se e ser atacado por ácidos, contudo, pela adição de alto cromo pode se transformar no aço inoxidável ferrítico que não oxida e, ainda, pelas adições de cromo e níquel, forma os aços inoxidáveis austeníticos que são passivos à oxidação e a ação de ácidos. Matérias Primas Abundantes: O esgotamento das jazidas de ferro está previsto para quatro séculos. Domínio da Tecnologia Siderúrgica: Nenhum metal ainda é tão conhecido quanto o ferro. Política Administrativa: Toda nação que espera prosperar deve possuir, bem elaborada, uma política de produção e comercialização de produtos siderúrgicos, caso contrário, terá grandes dificuldades em seu desenvolvimento e, até mesmo sobrevivência como nação. Agregação de Valor ao Minério: Para que uma nação prospere, não basta que tenha grandes reservas minerais, as explore e venda seus minérios; pois, seus preços são muito baixos no mercado mundial. É preferível extrair os metais, produzir ligas, conformá-las e, então, vender os produtos obtidos. Os preços dos minérios de ferro e dos produtos siderúrgicos comprovam esse fato. A CST compra anualmente aproximadamente 7.000.000t de sinter feed pelo valor estimado de R$210.000.000.00 e pode arrecadar com a exportação de suas placas a


quantia de R$1.800.000.000,00. Como se pode deduzir, nesse caso, há uma ampliação de receita acima de R$1.500.000.000,00, além de solucionar parte do problema do desemprego. 01.6 - FLUXOGRAMAS DE USINAS SIDERÚRGICAS Fluxograma é uma representação gráfica que indica o caminho percorrido pelas matérias primas, suas transformações e, finalmente, a entrega dos produtos que se propõe produzir. As usinas siderúrgicas podem ser integradas, semi-integradas e não-integradas. As usinas siderúrgicas integradas adquirem as matérias primas no estado bruto, executam todas as fases do processo industrial e vendem os produtos acabados. Em princípio, quanto maior for o grau de integração de uma usina, mais competitivo se tomam seus produtos no mercado. Geralmente, são usinas de grande porte, que exigem investimento muito elevado antes de entrarem em operação. Quando não há capital suficiente, uma usina pode iniciar sua produção como usina não integrada e, à medida que vai aumentando seu capital, pode passar a semi-integrada e, finalmente, totalmente integrada. 01.6.1 - FLUXOGRAMA REDUZIDO DE USINAS INTEGRADAS Matérias Primas da Siderurgia: Minérios de ferro, carvão vegetal, carvões minerais, fundentes (calcário, dolomita, etc.), sucatas, Oxigênio, combustíveis, ferro-ligas e outros.

Operações de Preparação das Matérias Primas: Britagem, peneiramento, moagem, coqueria, sinterização, pelotização, calcinação, dessulfuração e outros.

Ling. contínuo, laminação, fundição

Matérias Primas

Preparação das matérias primas

Extração do metal

Elaboração

Conformação

Produto final acabado

Sinterização, pelotização, etc

Alto-forno, etc

Aciaria, refino secundário, etc

Perfiz, vergalhões, Tiras, chapas

Minérios, carvões, fundentes, etc


Extração: A extração do ferro geralmente é feita por fusão redutora em altos fomos a carvão vegetal ou a coque, sob temperaturas muito elevadas, quando os minérios de ferro são transformados em ferro gusa líquido e escória. A extração do ferro também pode ser feita em forno elétrico a arco e por um dos processos de redução direta.

Aciaria: A aciaria tem a finalidade de produzir aços, podendo usar como matérias primas principais ferro gusa e/ou sucata ferrosa, além da cal, oxigênio e outros.

Conformação: Os processos de conformação visam conferir ao metal ou liga as formas que os produtos devem Ter, podendo ser por fundição, forjamento, laminação, trefilação, extrusão, estampagem e outros.

Principais Produtos: Peças fundidas (blocos de motores, etc.), peças forjadas (ferramentas, machado, etc.), chapas, tiras, vergalhões, etc.

01.6.2 - FLUXOGRAMA DA CBF: Se trata de uma usina siderúrgica não integrada que reduz minério de ferro em alto fomo a carvão vegetal, produzindo ferro gusa, que é vendido para fundições e aciarias. 01.6.3 - FLUXOGRAMA DA SIDERÚRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMÉRICA Trata-se de uma usina siderúrgica não integrada que produz perfiz de aço, usando o aço obtido em aciaria a arco elétrico, que utiliza como matérias primas principais sucatas ferrosa, além de ferro gusa, cal, ferro-ligas e outros.

ALTO FORNO

Minério granulado Carvão vegetal Fundentes

Ar

Gusa sólido

Gusa líquido

vendas

Poeiras e gases

Escória


FLUXOGRAMA DA SIDERÚRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMÉRICA 01.6.4 - CICLO OPERACIONAL DA CST Normalmente, uma usina siderúrgica integrada como a CST, é constituída, além do Alto Forno para a produção de ferro gusa, de outras unidades beneficiam as matérias primas básicas utilizadas no processo, unidades que produzem insumos para consumo em outras unidades e unidades que completam o processo, dando como resultado final o aço, constituído elementos acabados ou semi-acabados, como é o caso da CST, que produz placas grossas de aço para utilização em outras usinas de beneficamento e laminados de tiras a quente. As principais unidades que compõem a CST são: • Pátio de estocagem e mistura de carvão para a produção de coque; • Pátio de estocagem de minério e fundentes onde ocorre a produção da mistura dos

materiais necessários à produção de sinter consumido no Alto Forno. Alternativamente à utilização do sinter, pode-se ter o consumo de pelotas capaz de substituir o sinter em parte ou integralmente;

• Coqueria que produz o coque para a composição de carga do Alto Forno

juntamente com minério de ferro, sinter e/ou pelotas; • A coqueria gera alguns efluentes sólidos, líquidos e gasosos, que são

reaproveitados em sua quase totalidade no próprio processo. Um desses efluentes

Sucata Oxigênio Fundentes Gusa Ferros-ligas

Aciaria Elétrica Escória

Poeiras e gases

Aço líquido

Lingotamento contínuo

Lingotes

Trefilação Perfiz e vergalhões

Laminação


é o COG - gás de coqueria, que é um rico a combustível utilizados em várias unidades da usina, principalmente no Alto Forno;

• O processo pode substituir, em parte, o coque por carvão pulverizado, que é

injetado na parte inferior do Alto Forno (na região das ventaneiras). Este será o caso do Alto Forno II, que consumirá grande parte de carvão pulverizado que será produzido na unidade de PCI;

• Sinterização, que é a unidade de produção do sinter consumido no Alto Forno como

é o caso atual da CST. O sinter é produzido na máquina de sinter utilizando minério de ferro bitolado, minério de manganês, fundente constituído de finos de calcário e combustível constituído de finos de coque e o COG, que tem também é utilizado.

• Utilidades: sob esta denominação são consideradas várias unidades que produzem

insumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Desta forma, tem-se a casa de força para a geração de eletricidade, vapor e ar soprado, onde é utilizado o gás do Alto Forno juntamente com o de coqueria (BFG+COG). Ainda sob denominação de utilidades, tem-se a unidade de fracionamento de ar, que produz oxigênio e nitrogênio utilizados em várias unidades do processo industrial (Alto Forno, Sinterização, Coqueria, Lingotamento, Dentre outras unidades). Estação de tratamento de água (ETA) e recirculação, que promove o reaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da água doce utilizada. Unidade de ar comprimido que alimenta várias unidades com ar, também é utilizado no processo de fracionamento de ar, também utilizado no resfriamento de vários elementos envolvidos no processo industrial;

• Calcinação, que utiliza o calcário para produção de cal, consumida na Aciaria e na

Sinterização; • Aciaria, que produz o aço a partir do ferro gusa (processo de oxidação em

convertedores LD); • Unidade de lingotamento ( contínuo ) que promove a moldagem do produto final

(placas) que podem ser enviadas para o cliente ou alimentar a laminação de tiras a quente.

• Unidade de Laminação de Tiras a Quente, onde a placa após reaquecimento em

forno de placa é encaminhada ao trem de laminação a quente onde sofre a devida conformação, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode ser utilizado como produto comercial, após passar pela laminação de acabamento ou destinado para o cliente para alimentar o trem de laminação a frio.

• Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujos

gases apresentam níveis de contaminação que necessitam ser minimizados antes de serem utilizados no próprio processo (COG e BFG).


01.7 – FLUXOGRAMA DA CST.

Laminação de tiras à quente

Sinter feed Carvão mineral

Sinterização Coqueria Matérias Voláteis

Sinter Coque Minério granulado

Pelotas

Escória Calcário

Alto-Forno

Oxigênio

Ar

Cal

Poeiras

Gases

Gusa líquido

Dessulfuração

Convertedor

Fundição

Peças

Ferro-ligas

Escória

Aço líquido

Poeiras

Gases

Sucatas

Refino secundário

Lingotamento contínuo

Placas

Tiras Expedição

Calcinação


02 – PROCESSO DE DESSULFURAÇÃO O ferro gusa gerado nos altos fornos possuem elevados teores de enxofre, elemento indesejável na maioria dos aços e de difícil eliminação nos convertedores. Para que ocorra condição ideal para a dessulfuração é necessária uma escória bastante básica (rica em CaO) e uma atmosfera redutora(rica em CO). O alto forno possui atmosfera redutora, mas a sua basicidade é limitada para se produzir uma escória líquida e fluida (CaO/SiO2 = 1,2). No caso da aciaria, temos excesso de cal, mas a atmosfera é oxidante. Portanto, nem o alto forno nem a aciaria possui condições ideais para a dessulfuração. Por essa razão, o ferro gusa deve ser dessulfurado, ainda nos carros torpedos, antes de seguir para a aciaria, numa estação de dessulfuração onde se cria as condições ideais. A mistura dessulfurante, na média, é composta por 50% de carbureto, 38% de calcário e 12% de coque. Esse último tem a função de garantir a atmosfera redutora necessária para que as reações ocorram. O calcário fornece cal para dar uma alta basicidade necessária à dessulfuração e o dióxido de carbono confere agitação ao banho, garantindo maior rendimento e o carbureto é a principal fonte de cálcio e também fornece carbono ao banho. 02..1 – REAÇÕES NA DESSULFURAÇÃO A seguir escreveremos as principais reações que ocorrem durante a dessulfuração do ferro gusa: Decomposição do calcário: CaCO3 → CaO + CO2 . Escorificação do enxofre: FeS + CaO + CO → CaS + Fe + CO2. A mistura dessulfurante é introduzida no carro torpedo por meio de uma lança que forma um ângulo de injeção de 70°, nas 3 primeiras dessulfurações e de 110° nas demais, para garantir um desgaste uniforme do refratário do torpedo e evitar a formação localizada de cascão.


Fig.2.1 – Esquema mostrando uma estação de dessulfuração de gusa no carro

torpedo.

Fig.2.2 – Esquema mostrando o percurso do gusa líquido até o convertedor

Fig.2.3 – Lay-out da estação de dessulfuração de gusa líquido da CST (ArcelorMital).


03 - PRODUÇÃO DO AÇO EM CONVERTEDOR (REFINO PRIMÁRIO): Os processos de fabricação de aço são designados pelo tipo de forno (Bessemer, Siemens-Martin, LD, Elétrico, etc.) e a natureza da escória (ácida ou básica). A transformação do gusa líquido em aço envolve: a) a diminuição dos teores de carbono, silício, fósforo, enxofre e nitrogênio a níveis bastante baixos: b) a adição de sucata ou minério de ferro para ajustar a temperatura do aço bruto; c) o ajuste dos teores de carbono, manganês, elementos de liga e da temperatura no forno ou na panela de vazamento. Nas duas últimas décadas, procurou-se pré-tratar o gusa líquido, pela dessulfuração e, até com um pré-refino, ( desiliciazação, desfosforação e dessulfuração ). 03.1 - PROCESSOS DE SOPRO PNEUMÁTICO: Até 1856, quando Henry Bessemer na Grã-Bretanha e William Kelly, nos Estados Unidos, quase simultaneamente, inventaram o processo de sopro pneumático, o aço era obtido apenas pela refusão de pequenas quantidades de sucata em fornos de cadinho ou pelo penoso processo de pudlagem em fornos de revérbero. Inicialmente o convertedor com sopro atmosférico utilizava revestimento ácido (pedra silicosa). Devido a necessidade de se baixar o teor de fósforo, foi-se necessário utilizar escórias básicas, desta forma, o revestimento ácido do convertedor Bessemer se consumia muito rapidamente, pois reagia com a escória. Graças aos trabalhos de Sidney Gilchrist Thomas, o convertedor recebeu o revestimento básico (dolomítico), em 1877. Tal descobrimento permitiu a remoção do fósforo dos minérios europeus com teor mais elevado deste elemento. No processo Bessemer ácido, o conversor é carregado com gusa líquido a uma temperatura de 1300 a 1400°C e o calor necessário para: a) elevar a temperatura do ar até a do metal líquido, b) fundir as adições, c) compensar as perdas térmicas de condução e convecção através do revestimento e pela radiação da camada superior do banho. Em princípio, a operação do conversor consiste na injeção de ar sob pressão pela parte inferior por meio de canais nos refratário chamados de ventaneiras, fazendo com que o ar atravesse o banho de gusa líquido. O oxigênio do ar combina-se com o ferro, formando o FeO que, por sua vez, combina-se com o silício, o manganês e o carbono; portanto, estas impurezas são eliminadas,


seja sob a forma de escória, (SiO2, MnO), ou de gás, (CO), que inflama-se na boca do convertedor. Um dos fatores mais importantes era a temperatura do gusa: tanto o seu calor sensível (temperatura física), como o seu calor latente, isto é, o teor de elementos que, ao queimar, geravam calor. Um gusa "fisicamente quente" permitia a adição de sucata no conversor. (aproveitando-se assim, pontas e recortes das operações laminação) e, também, sopragem rápida sem projeções. A temperatura do gusa, ao ser vertido no conversor, não deveria ser superior a 1250°C. Para a produção do aço Bessemer, preferia-se gusa com a seguinte composição: Si = 1,10 a 1,50%; Mn = 0,40 a 0,70%e P = 0,090% máximo. O silício, se mais baixo, teria a tendência de causar corridas frias. O manganês, acima de 0,70%, ocasionava uma escória muito fluida, resultando em projeções e mais difícil separação entre ela e o aço.

Fig.3.1 – Esquema de um convertedor Bessemer.

Fig.3.2 – Convertedor Bessemer no museu Kelham Island, Sheffield, Inglaterra (2002).


Reações:


Fig.3.3 – Representação da diversas etapas do convertedor Bessemer.


03.1.1 - PROCESSOS DE SOPRO A OXIGÊNIO A idéia original foi exposta pelo próprio Sir Henry Bessemer em 1856, porém, as dificuldades na obtenção do oxigênio puro, em quantidades industriais, não permitiram a sua utilização prática. Somente após do desenvolvimento das grandes instalações para produção de oxigênio, é que a idéia foi novamente retomada por vários metalurgistas. Em 1939, Otto Lellep em Oberhausen e em 1941, Carl Valerian Schwarz em Aachen na Alemanha; em 1947, Prof. Robert Durrer na Suíça e, em 1949, Heribert Trenkler na Áustria, experimentaram a utilização de oxigênio em convertedores. Finalmente, em novembro de 1952, iniciou-se a operação da Aciaria I da Voest, com dois convertedores de 30 ton., sendo que a primeira instalação no hemisfério sul foi a da Cia. Siderúrgica Belgo-Mineira em Monlevade-MG, inaugurada em outubro de 1957. As vantagens dos processos a oxigênio são: a) rapidez na transformação do gusa em aço; b) o reaproveitamento da sucata de recirculação, (gerada na própria usina) e que corresponde a 20% do aço bruto. Esta sucata é isenta das impurezas que a sucata externa externa (ferro velho ), contêm. MATERIAIS UTILIZADOS: 1- OXIGÊNIO Deve-se ter no mínimo 99,5% de pureza. Os restantes 0,2 a 0,3% consistem em: 0,2% de argônio e 0,005% máximo de nitrogênio, (importante para evitar fenômenos de envelhecimento sob tensão). A vazão de O2 deve ser a velocidades supersônicas para penetrar na camada de escória e, também, para evitar o entupimento dos bocais da lança. É, igualmente relevante para determinar a altura do bocal em relação ao banho, de importância para controlar o grau de oxidação da escória e de remoção do enxofre e do fósforo. 2- GUSA Contém: 4,0 a 4,5% de C, 0,5 a 1 ,5% de Si, 0,3 a 2,0% de Mn, 0,03 a 0,05% de Se 0,05 a 0,15% de P. O metal líquido, depois de vazado na panela, ao resfriar, atinge a saturação com o carbono. No vazamento do alto forno, a temperatura do gusa é de 1480 a 1510°C, pois até o carro torpedo chegar ao convertedor haverá uma perda de temperatura do gusa de cerca de 135o C, e o processo de refino necessita de uma temperatura do gusa acima de 1400o C. Com a queda da temperatura, o excesso de carbono deixa o banho sob a forma de grafite, poluindo o ambiente.


Entre 80 a 75% da carga do convertedor é constituída de gusa líquido, sendo o restante, de sucata. A dessulfuração do gusa pode ser feita no carro torpedo ou na panela de carga. Neste último caso, o grau de tratamento pode ser ajustado individualmente para cada corrida. Os agentes dessulfurantes utilizados são: Magnésio, Carboneto de Cálcio e o Carbonato de Cálcio. O uso deste último tem dois inconvenientes: alto consumo específico e baixo poder dessulfurante. A injeção de magnésio tem como base a elevada afinidade deste com o enxofre. Como o magnésio tem baixo poder de ebulição (1100oC) e vaporiza facilmente, deve ser misturado com cal ou coque (formando briquetes). A geração de escória varia de 5 a 16 kg/t de gusa, dependendo da taxa de injeção e da escumagem efetuada. 3- SUCATA São usadas: tanto a sucata interna, (pontas de lingotes, de placas ou blocos, de tarugos ou de corte de chapas), como a externa, (sucata de operações industriais: de estamparia ou prensagem, ou de obsolescência: ferro-velho). Com a sucata externa, há o risco de contaminação, (metais não ferrosos, tintas, etc.). 4- ESCORIFICANTES Usa-se cal, dolomito calcinado e fluorita. Na cal, procura-se alta porosidade e elevada reatividade. Cal dolomítica pode ser usada para proteger o revestimento de magnésia ou de dolomita do conversor, procurando-se operar com 4 a 6% de MgO na escória. O consumo de cal dolomítica é da ordem de 30 a 35 kg por t de aço. A fluorita promove a dissolução da cal e baixa o ponto de fusão, alem de estimular a fluidificação da escória. 5- FERRO-LIGAS Fe-Cr e maiores quantidades de Fe-Mn podem ser adicionados no estado líquido durante o vazamento. Pode-se empregar um forno de indução para este fim, evitando-se ter que superaquecer o banho para dissolver as ferro- ligas. 6- REFRATÁRIOS A duração do revestimento tem evoluído pela utilização de refratários de melhor qualidade e pelo emprego de revestimentos diferenciados, embora, por outro lado, as temperaturas do aço líquido tenham aumentado por causa do lingotamento contínuo e do desenvolvimento da metalurgia secundária. Um amplo leque de materiais está à disposição, como tijolos de dolomito ligado com alcatrão; dolomito enriquecido com carbono, ligado com alcatrão; dolomito-grafite enriquecido com carbono, ligado com alcatrão; dolomito enriquecido com magnésia, ligado com alcatrão; magnésia, ligada com alcatrão; magnésia, ligada com alcatrão e


impregnada com piche; magnésia-grafite, ligada com alcatrão ou resina, magnésia, queimada, impregnada de alcatrão. Aditivos metálicos, como alumínio, magnésio e silício, ou combinações destes elementos, são usados para evitar a oxidação do carbono. Estes metais não só aumentam a resistência à oxidação, como também, reduzem a porosidade e evitam a penetração da escória, pela formação de óxidos e carbonetos; outrossim, melhoram a resistência a quente, tanto à corrosão com à erosão. O consumo de refratário depende do tipo de revestimento, da geometria do conversor e do programa de produção, variando entre 1 ,5 a 8 kg/t de aço. 03.1.1.1 - CONVERTEDOR LD. O convertedor tem a forma de um barril sendo basculado para carga ou vazamento, em torno de um eixo horizontal, acionado por conjuntos de motores e redutores. Para a chaparia, é utilizado um aço baixa liga ao cromo-molibdênio. Logo junto à carcaça metálica, em aço resistente ao envelhecimento, com 35 a 75 mm de espessura, é colocada uma camada de tijolos de magnésia calcinada, como revestimento permanente, seguindo-se uma camada de magnésia apisoada, como separação e uma camada de desgaste, em blocos de dolomita calcinada impregnada com alcatrão. O fundo é de chapa metálica reforçada, seguindo-se várias fieiras de tijolos de magnésia, até a camada de desgaste, em blocos de magnésia calcinada e impregnada. A lança consiste de 3 tubos concêntricos, de aço sem costura, terminando num bocal de cobre eletrolítico; no interno, flue o oxigênio; o intermediário, é para a alimentação da água de resfriamento e o esterno, para o retomo da água aquecida. A ponta da lança contém 3 a 5 dutos em forma de venturi, para obter a velocidade supersônica do gás. Um sistema de talha elétrica, comandado da plataforma do conversor, suspende ou abaixa a lança. Dispositivo de segurança impede a sua queda, no caso de ruptura do cabo de sustentação; a duração média de uma lança é de algumas centenas de corridas.


Fig.3.4 – Esquema mostrando a operação de um convertedor LD.


Fig.3.5 – Diagrama das posições de carregamento, sopro e vazamento do convertedor LD.


Fig.3.6 – Esquema de um convertedor a oxigênio.

Fig.3.7 – Seção de um convertedor a oxigênio LD, mostrando a posição da lança,

refratários, carcaça metálica, furo de corrida e do anel-suporte.


Fig.3.8 – Configuração básica de um convertedor LD. OPERAÇÃO Com o convertedor inclinado, a sucata é carregada por uma calha ou por um vagão basculador, seguindo-se o gusa líquido. Colocado na posição vertical, introduz-se a lança de oxigênio até a altura pré-determinada (1,0 a 1,5m distante do banho). A pressão de oxigênio varia de 10,5 a 12,6 atmosferas. Após a ignição, que ocorre depois de alguns segundos, faz-se o carregamento da cal por meio do silo montado sobre o forno. O tempo de sopro varia entre 17 a 18 minutos e o tempo total da corrida é de aproximadamente 35 minutos. O rendimento em aço produzido, em relação aos materiais carregados, é da ordem de 90%. O consumo de oxigênio a 99,5% de pureza é, aproximadamente, de 57 Nm3 por tonelada de aço. Completado o sopro, a lança é retirada e o conversor basculado para a horizontal. Mede-se a temperatura do banho com um pirômetro de imersão e colhe-se uma amostra para análise, que é feita entre 3 a 5 minutos. No final do vazamento, retém-se a escória no conversor com o "tampão flutuante" de modo a vedar o furo de corrida quando a escória começar a vazar. Para vazar a escória, bascula-se completamente o conversor para o lado oposto sobre o pote de escória e prepara-se o conversor para a corrida seguinte. As adições de liga são feitas no jato, durante o vazamento na panela.


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Fig.3.10 – Esquema de um Layout básico da área de refino de uma aciaria LD, vista em

corte mostrando convertedor, panela de gusa coleta de gases e sala de controle.


Fig.3.11 – Sistema de limpeza dos gases de um convertedor LD


REAÇÕES: A primeira reação que ocorre no convertedor é o oxigênio que sai da lança e encontra o ferro metálico no banho líquido. Este contato ocorre não pela afinidade do oxigênio pelo ferro, pois outros elementos como silício, carbono e manganês, possuem mais afinidade pelo oxigênio, mas pela grande quantidade de ferro no banho (mais de 97%). A reação então é: 2Fe + O2 → 2FeO Em seguida devido à maior afinidade do silício pelo oxigênio, este reage com o FeO, retornando o ferro para o banho.

2FeO + Si → SiO2 + 2Fe Em seguida o manganês se oxida da mesma forma. FeO + Mn → MnO + Fe A silica formada combina-se com o FeO, MnO e cal do fundente para formar a escória FeO + SiO2 → 2FeO.SiO2 CaO + SiO2 → CaO.SiO2 MnO + SiO2 → MnO.SiO22 Em seguida a oxidação do carbono FeO + CO → Fe + CO2

FeO + C → Fe + CO 2C + O2 → 2CO C + O2 → CO2 A partir dos convertedores LD desenvolveram-se outros processos de refino a oxigênio procurando-se fazer uma melhor distribuição dos gases no interior do convertedor de modo a facilitar as reações de oxidação das impurezas e com isto melhorar a qualidade do aço produzido.


Fig.3.12 – Operação de sopro de um convertedor LD


Fig.3.13 – Lança de oxigênio de três furos para uso no convertedor LD


03.1.1.2 – OUTROS PROCESSOS DE REFINO À OXIGÊNIO CONVERTEDOR LD-KGC. Este convertedor é o utilizado pela CST. Pela lança é feita a injeção de oxigênio pela boca do convertedor, e pelo fundo sopra-se argônio com a finalidade de promover melhor homogeneidade do banho e facilitar as reações de oxidação. O argônio é injetado pelo fundo do convertedor por meio de canais no refratário chamados de ventaneiras. Após terminado o sopro, reduz-se a vazão do argônio ao mínimo para evitar o entupimento das ventaneiras pela escória que ficou retida no convertedor. Somente neste último caso pode-se substituir o argônio pelo nitrogênio.

Fig.3.14 – Esquema de um convertedor LD-KGC.


CONVERTEDOR K-BOP E Q-BOP. Com a melhoria dos materiais refratários, pode-se desenvolver o convertedor K-BOP que utiliza a injeção de oxigênio por cima com lança e também por baixo, substituindo o argônio. Com isto obteve-se melhorias significativas na qualidade do aço. O processo Q-BOP (Quick ou Quiet-Basic-Oxygen Process) inicialmente chamado de processo OBM (Oxygen-Botton-blowing-Max-hutte) foi desenvolvido na Alemanha, a partir de 1967,pela Eisenwerk- Gesellschaft Maximilliams-hutte, em colaboração com a Air Liquide (Canadá). Estudos semelhantes foram realizados ao mesmo tempo pelo CRM e pelas Forges de Thy-Marcinelle et Monceau, na Bélgica. O processo se constituía pela injeção de oxigênio somente pelo fundo, como o utilizado por Bessemer. Porém, devido às altas temperaturas geradas nas ventaneiras, era necessário a utilização de fluidos refrigerantes. Utilizou-se hidrocarbonetos gasosos(propano, butano, gás natural, etc...) como fluído re frigerante. O processo Q-BOP é, hoje o maior desafio ao processo LD. Os defensores do processo (Q-BOP) alinham, como vantagens sobre o LD um menor investimento, menores custos operacionais e maior produtividade, e como desvantagens o consumo de gás natural ou outro hidrocarboneto, e de nitrogênio, durante o basculamento e parada do forno. Essas informações. Entretanto, devem ser objeto de certas considerações.

Fig.3.15 – Esquema de um convertedor Q-BOP.


Fig.3.16 – Esquema de um forno Kaldo.


Fig.3.17 – Esquema de um forno Rotor.

04 - REFINO SECUNDÁRIO: 04.1 - DEFINIÇÃO Os processos de fabricação do aço são processos oxidantes, portanto, a quantidade de oxigênio no mesmo supera em muito teores admissíveis para alguns produtos. Durante o vazamento ocorre também a absorção de alguns gases como nitrogênio e hidrogênio. Depois do vazamento, com a perda de temperatura a solubilidade desses gases no aço diminui drasticamente, formando bolhas e inclusões. Desta forma, foram desenvolvidas técnicas de desoxidação onde se obtem os valores desejados. Alem da desoxidação, o refino secundário permite o ajuste de temperatura, da composição química, adição de elementos especiais, dessulfuração para teores abaixo de 0,005%, desfosforação e descarburação para teores abaixo de 0,002%. Refino secundário é definido como o trabalho metalúrgico de refino ou ajuste da composição química e da temperatura, realizado fora do forno primário de fusão, fazendo-se uma ou mais das seguintes operações unitárias: a) Tratamento sob vácuo, para remoção de gases, b) Agitação por borbulhamento de gás, para homogenizar o banho, c) Mistura completa de adições, d) Refino de aço pelo uso de escória sintética, e) Manutenção de uma atmosfera de gás inerte na panela, f) Aquecimento do aço líquido. Alguns dos motivos seriam: 1. Aumento da produtividade no conversor a oxigênio, ao descarburar a nível baixo, (0,03 a 0,06% de C), seguindo-se uma recarburação e o ajuste da temperatura, na panela.


2. Aumento da produtividade do forno elétrico, ao produzir aços especiais, transferindo-se as operações antes realizadas com uma Segunda escória, para o forno de tratamento. 3. Melhor controle da temperatura para o Lingotamento Contínuo. 4. Maior facilidade em atingir limites estreitos de composição e de propriedades mecânicas. 5. Obtenção de níveis de hidrogênio inferiores a 1,5 ppm e alcançar reduzidos teores de enxofre. 6. Fabricação de aços para esmaltação ou inoxidáveis ferríticos de baixo teor de Carbono. 7. Produção de aços ao cromo contendo carbono, em conversor a oxigênio. 8. Obtenção de níveis bastante baixos de enxofre, (normalmente inferiores 0,010%). Em resumo as vantagens econômicas seriam: a) redução nos gastos com materiais, tais como os elementos de liga, b) menor consumo de energia, c) aumento de produção, pois a unidade primária é aliviada de todo o trabalho metalúrgico, como: descarbonetação, dessulfuração, ajustes de composição, etc.

Fig.4.1 – Esquema mostrando percurso do aço na aciaria.

04.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS Pode-se agrupa-los em duas categorias:


1. SISTEMAS COM INJEÇÃO. Sua simplicidade de operação e baixo custo operacional e de capital, os recomendam para aços comuns, em grande volume e exigências limitadas de qualidade, podemos citar: 1.1. agitação com gás inerte 1.2. introdução de arame ou fita 1.3. Balas de alumínio 1.4. Injeção de pó 1.5. Escória sintética

Fig.4.2 – Esquema do sistema de injeção de gás inerte na panela por tijolo poroso.

Fig.4.3 – Esquema de um processo de injeção de finos na panela.

2. SISTEMAS COM TRATAMENTO DO AÇO SOB VÁCUO. 2.1. desgaseificação no jato Para grandes peças forjadas, onde se objetiva a remoção do hidrogênio


2.2. desgaseificação com recirculação Seu custo de capital já é mais elevado. São usados, não para remover o hidrogênio e diminuir as inclusões não metálicas, mas também, na descarbonetação, para produzir aços de bem baixo teor de carbono e para controlar rigidamente a composição e a temperatura de lingotamento. Este processo consiste em se posicionar uma câmara de vácuo sobre a panela de aço, comunicando-se com ela por meio de tubos revestidos de refratários (pernas). Estabelece uma pressão negativa (vácuo) em relação à panela de modo a fazer o metal líquido circular da panela para uma câmara de vácuo, por uma das pernas e retornar ao banho pela outra perna continuamente até máxima desgaseificação. Para que esta circulação ocorra, é necessário injetar em uma das pernas um gás neutro, normalmente argônio, de modo a provocar uma diminuição da densidade do aço em uma das pernas, fazendo com que o aço suba para o interior da câmara. O aço junto com as bolhas de gás chega ao interior da câmara a alta velocidade, se dispersando em pequenas gotículas, liberando assim os gases dissolvidos. O aço desgaseificado retorna para a panela pelo outro tubo. Deste modo, é criada uma diferença de densidade no aço entre as duas pernas, fazendo como que ocorra a circulação do aço. Este processo é denominado de RH. 2.3. refino na panela São mais caros para instalar e operar. Por isso, são usados para o refino de aços de elevada qualidade, com propriedades mecânicas superiores. Em qualquer tipo de tratamento secundário, a distância entre o nível do metal e a borda livre da panela deve ser suficiente para: 1. conter quaisquer respingos causados pelo sopro com oxigênio e a injeção com gás inerte, 2. evitar o extravazamento de metal em agitação, 3. manter o calor confinado à panela, no caso de usar arco voltaico. A construção de uma panela à prova de vácuo exige alguns cuidados: 1. não pode ter furos de ventilação, (usados para a secagem do revestimento da panela normal). 2. As soldas devem ser à prova de vácuo; 3. A flange na borda da panela deve suportar o peso da tampa de vácuo, com todos os seus acessórios; 4. Os tampões porosos e as válvulas de gaveta devem, também, ser instalados à prova de vácuo. A unidade de Refino Secundário de aço na CST, localiza-se entre o Convertedor e o Lingotamento Contínuo, processo este chamado de Metalurgia da Panela, ou seja, tratamento físico e químico do aço na panela. Funciona ainda como um "pulmão" para as unidades de lingotamento, sendo responsável pelo sincronismo entre os convertedores e as máquinas de lingotamento.


Existem atualmente na CST, dois equipamentos nesta unidade, que são o IR-UT (Injection Refining-up Temperature) e o RH-KTB (Ruhstall Heraeus -Kawasaki Top Blowing).

Fig.4.4 – Esquema do processo de injeção IR-UT utilizado pela CST.

As principais atividades do IR-UT são: Reaquecimento de corridas através da adição de alumínio (aluminotermia); Ajuste fino de composição química; Homogeneização do aço líquido (composição química e temperatura); Remoção de inclusões não metálicas através do borbulhamento do argônio; Controle da morfologia de inclusões através da injeção de pó Ca-Si; Resfriamento de corridas através de adição de sucata; Dessulfuração do aço para produção de materiais com enxofre muito baixo. As principais atividades do RH-KTB são: Remoção de hidrogênio; Ajuste fino de composição química; Homogeneização do aço líquido { composição química e temperatura); Descarburação (natural ou forçada); Ajuste de temperatura {aquecimento químico ou resfriamento com sucata). O processo RH-KTB, diferencia-se do RH pela adição de uma lança de oxigênio na câmara de vácuo com a finalidade de descarburação máxima e aquecimento do banho pela reação do gás CO com o oxigenio gerando CO2 e liberando grande quantidade de calor.


Estes dois equipamentos são de fundamental importância no processo produtivo da CST, atualmente, na medida que permitem a fabricação de aços para aplicações mais nobres e de maior valor agregado {TIN PLATE, API, IF, etc).

Fig.4.5 – Esquema do processo de desgaseificação à vácuo RH.


Fig.4.6 – Esquema do processo de desgaseificação à vácuo RH-KTB, utilizado na CST.


05 – TERMODINÂMICA DE SOLUÇÕES

Fig.5.1 – Esquema mostrando o trabalho de dissolução numa liga.


06 – DIAGRAMA DE FASES TERNÁRIOS


07 – POTENCIAL DE OXIGÊNIO/ DIAGRAMA DE ELLINGHAN


07.1 – POTENCIA DE OXIGÊNIO EM UM REATOR


08 – ANALISE TERMODINÂMICA DO PROCESSO DE REFINO DO AÇO 08.1 – ANÁLISE TERMODINÂMICA DAS REAÇOES DE REFINO


Fig. 8.2 – Curva de isoatividade raultiana do FeO contido numa escória. O estado padrão é o FeO líquido puro.


09 - LINGOTAMENTO CONTÍNUO É bastante antigo o desejo de lingotar diretamente o tarugo destinado à laminação de barras, eliminando-se o pesado e custoso laminador desbastador, bem como aumentar o rendimento total em produtos de aço. Em 1840, G. E. Sellers nos Estados Unidos patenteava um processo de lingotamento contínuo de tubos de chumbo. Em 1843, J. Laing e em 1865, o próprio Sir Henry Bessemer, haviam solicitado patentes para o lingotamento contínuo de ferro maleável, destinado à fabricação de chapas. Em 1886, B. Atha obteve a patente para o lingotamento contínuo de tarugos de aço carbono de 100 x 100 mm. Durante muitos anos, grande número de pesquisadores dedicou-se a desenvolver a técnica de vazamento e, entre 1930 a 1940, Siegfried Jungnhans, na Alemanha, conseguiu lingotar continuamente, de início latão e alumínio, e depois, o próprio aço. O lingotamento contínuo de aço que produz placa de aço diretamente do aço líquido em um único equipamento foi o mais importante avanço tecnológico nos processos metalúrgicos desde os anos sessenta, pois permitiu a substituição do lingotamento convencional feito através de lingoteiras, que é um processo bastante oneroso porque envolve equipamentos adicionais como forno-poço, laminador desbastator, estripadores, manutenção de lingoteiras, transportes internos(pontes rolantes, etc.), para obter a placa de aço. O lingotamento contínuo eliminou os gastos com os equipamentos citados resultando além de redução de tempo e custo em melhoria da qualidade do aço. A importância da solidificação nos processos metalúrgicos do lingotamento contínuo, tais como, estrutura cristalográfica, distribuição de inclusões não metálicas, micro e macro segregações e as propriedades mecânicas, estão intimamente ligadas aos fenômenos de solidificação do aço. Desta forma, a transferência de calor durante a solidificação no processo de lingotamento contínuo influencia fortemente na qualidade do produto e na produtividade


do processo, por isto, grande atenção é dedicada a automação deste item. Entretanto, existem outros fatores operacionais que também influenciam na qualidade e produtividade como nível do molde e do distribuidor, velocidade da máquina e são também controlados automaticamente. 09.1 - CARACTERÍSTICAS O lingotamento continuo compreende a seguinte seqüência de operação: a) Fluxo do metal líquido através de um distribuidos para alimentar o molde, b) Formação de uma casca solidificada, no molde em cobre, resfriado a água, c) Extração contínua da peça, d) Remoção de calor do núcleo ainda líquido, por meio de sprays de água de resfriamento, e) Corte no comprimento desejado e remoção das peças Basicamente, uma instalação de Lingotamento Contínuo é constituída de: a) uma calha de distribuição; b) o molde de cobre eletrolítico, resfriado a água, para formação da pele de solidificação inicial; c) a zona de resfriamento secundário, por meio de jatos de água para complementar a solidificação; d) rolos extratores, com velocidade regulável, para movimentação da barra produzida; e) dispositivos para o corte das barras e o transporte das peças cortadas. 09.2 - O PROCESSO DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO Basicamente existem três tipos de máquinas de lingotamento contínuo, que são a máquina vertical, a de dobramento de tarugo e a de molde curvo. A máquina vertical que está mostrada na fig.6.1 foi a primeira que surgiu, mas possuia um inconveniente de estas instalações serem muito altas, em torno de 30 metros. O aço líquido é transferido para uma calha de distribuição(distribuidor) pelo fundo em panelas convencionais. O distribuidor serve para manter um certo volume de aço líquido, de modo a alimentar o molde com uma pressão ferrostática constante e controlar a vazão do aço para o molde. O molde(lingoteira) é fabricado de cobre ou grafite, e tem um movimento oscilatório para reduzir a aderência do aço em suas paredes, além disto, utiliza-se lubrificantes à base de óleo ou grafite. Durante a solidificação do aço no molde, o metal líquido forma um cone bastante alongado devido à fraca condutibilidade térmica do mesmo, como pode ser visto na fig.6.2. O aço sai do molde na forma de barra ou placa e está sólida somente na sua


extremidade com cerca de 12 cm de casca solidificada(pele). O núcleo líquido é então solidificado logo abaixo na zona de resfriamento secundário(3 a 12 metros), onde recebe jatos de água (sprays) diretamente contra o veio. Isto tem como finalidade solidificar completamente a peça sem haver tensões ou deformações sucessivas. O molde possui comprimento de 50 a 80 cm, de modo a proporcionar que a pele solidificada tenha resistência própria, para não romper ou inchar em demasia. Após deixar o resfriamento secundário, o resfriamento da peça se faz por irradiação, e finalmente a peça é então cortada geralmente por maçaricos. Com o intuito de se reduzir a altura das instalações, foi desenvolvido um sistema de encurvar o metal no veio depois de a placa estiver toda solidificada. As máquinas mais modernas são as de molde curvo, como visto nas fig.6.4 e 6.5. Nestas máquinas a placa ainda não totalmente solidificada é encurvada na zona de resfriamento secundário, por roletes guia à temperatura de aproximadamente 12000C. Com isto a altura desta instalação fica um terço da altura da máquina vertical. Deste modo, estas máquinas podem agora serem instaladas no interior das alas de vazamento das aciarias. As máquinas de lingotamento contínuo normalmente possuem mais de um veio de vazamento ao mesmo tempo, para maior produção.

Fig.9.1 – Esquema de uma máquina vertical de lingotamento contínuo.


Fig.9.2 – Esquema mostrando o cone de solidificação do aço no molde e os sensores

para controle de nível. 09.3 - OPERAÇÃO Inicia-se o lingotamento contínuo colocando-se a barra falsa no fundo do molde. A barra falsa deve ter um comprimento de modo que esta possa ser puxada também pelos rolos extratores. Inicia-se o vazamento do aço enchendo o molde até cerca de 100 mm da borda superior. Como o aço se solidifica rapidamente nas paredes do molde, então, logo que o aço atinja a altura normal de lingotamento no molde, começa-se a puxar a barra falsa. Quando a ponta da placa solidificada já estiver em contato com os rolos extratores, pode-se retirar a barra falsa.

Fig.9.3 – Esquema mostrando a colocação da barra falsa e início do lingotamento


Fig.6.4 – Esquema mostrando uma máquina de molde curvo

Fig.9.5 – Esquema mostrando a Máquina de lingotamento contínuo 1 da CST

09.4 - IMPORTÂNCIA DO CONTROLE DO PROCESSO NAS PROPRIEDADES METALÚRGICAS a) CONTROLE DO NÍVEL DO DISTRIBUIDOR E MOLDE As variações de nível e as oscilações do molde favorecem o aparecimento de inclusões de escória e porosidades, também regiões com depressões que são preenchidas com pó lubrificante, causam defeitos superficiais como trincas longitudinais e transversais no produto.


b) TAXA DE RESFRIAMENTO DO MOLDE E RESFRIAMENTO SECUNDÁRIO O resfriamento do veio tem a finalidade de acelerar a solidificação do aço, fortalecer a pele solidificada e refrigerar a máquina. A taxa de resfriamento do aço influencia nas propriedades metalúrgicas, pois afeta a distribuição de temperatura interna, uniformidade química e qualidade superficial. Um resfriamento inadequado contribui para a formação de trincas internas. O resfriamento secundário também é influenciado pelo tamanho do produto, velocidade de lingotamento e projeto da máquina. Hoje, o lingotamento contínuo representa mais de 90% da produção japonesa e já passa de 50% da produção brasileira. O desenvolvimento prossegue com o vazamento de placas finas, (entre 10 e 55mm de espessura), ou mesmo de tiras, entre 1 e 10 mm. 09.5 – COMPARAÇÃO ENTRE OS RENDIMENTOS NO LINGOTAMENTO CONVENCIONAL E CONTÍNUO. a – Em peso: No lingotamento convencional, de 100 t de metal líquido obtém-se 84 a 86 t de placas, sendo o restante: 2 t de restos de panela e carepa e 14 t de pontas, oxidação e perdas na escarfagem .No lingotamento contínuo, as mesmas 100 t de aço líquido dariam 97 t de placas, sendo as 3 t restantes, perdas de fundo de panela, carepa, pontas e borra de escarfagem. b - Em energia: No lingotamento convencional, 45% da energia do aço líquido é aproveitada, sendo necessário o fornecimento do complemento de 55% pela eletricidade, combustível, oxigênio ou vapor. Dos 100% de energia presentes, apenas 21% ficam na placa ou tarugo, sendo o restante disperso na água de resfriamento, ar ambiente, condução através dos equipamentos, etc. No lingotamento contínuo, 80% da energia necessária é fornecida pelo próprio aço líquido e apenas 20% são supridos externamente, sob a forma de eletricidade, combustível, etc. Dos 100% de energia disponíveis, 46% são utilizados no tarugo ou placa e 54% são levados na água de resfriamento, vapor, etc.


10 – CÁLCULO DE CARGA NO PROCESSO LD


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