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Gerncia de Ensino Coordenadoria de Recursos Didticos

ELABORAO, REFINO E LINGOTAMENTO DO AO

Vitria - Outubro - 2007

COORDENADORIA DE CURSO SUPERIOR / ENGENHARIA METALRGICA

ELABORAO, REFINO E LINGOTAMENTO DO AOAutor: Marcelo Lucas Pereira MachadoEngenheiro Metalurgista UFF RJ Doutor em Engenharia Eltrica/Automao UFES Mestre em Engenharia Metalrgica PUC-RJPs-Graduado em Educao / Aperfeioamento em Contedos Pedaggicos - UFES

Professor dos Cursos de Engenharia Metalrgica, Tecnologia em Siderurgia/Metalurgia e Materiais e Tcnico em Metalurgia e Materiaia do Centro Federal de Educao Tecnolgica do Estado do Esprito Santo CEFET-ES

Vitria -ES 2007Centro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 2

APRESENTAO

Este curso de Elaborao, refino e lingotamento do ao, trata de processos de refino primrio e secundrio do metal lquido, entre eles destaca-se o processo LD e o RH, respectivamente. Em todos estes processos procura-se utilizar os conceitos de termodinmica e fsicoqumica para explicar as razes do funcionamento de muitos processos e confrontar resultados tericos com os prticos.

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SUMRIO 01 - CONSIDERAES GERAIS..................................................................................05 01.1 -Histrico da Siderurgia..........................................................................................05 01.2 - Conceitos Bsicos................................................................................................07 01.3 - Principais produtos siderrgicos...........................................................................07 01.3.1 - Diagrama de equilbrio Ferro Carbono...........................................................08 01.4 - Classificao dos Aos.........................................................................................10 01.5 - Importncia dos produtos siderrgicos.................................................................11 01.6 - Fluxogramas de usinas siderrgicas....................................................................12 01.6.1 - Fluxograma reduzido de usinas integradas.......................................................12 01.6.2 - Fluxograma da CBF..........................................................................................13 01.6.3 - Fluxograma da Siderrgica Belgo Mineirade Jardim Amrica..........................14 01.6.4 - Ciclo Operacional da CST.................................................................................14 01.7 - Fluxograma da CST.............................................................................................16 02 PROCESSO DE DESSULFURAO................................................................... 17 02..1 Reaes na dessulfurao.................................................................................17 03 - PRODUO DO AO EM CONVERTEDOR (REFINO PRIMRIO) ....................19 03.1 - Processos de sopro pneumtico: .......................................................................19 03.1.1 - Processos de sopro a oxignio .......................................................................24 03.1.1.1 - Convertedor LD..................................................... ............. ...................... ...26 03.1.1.2 Outros processos de refino a oxignio...................... .................. .......... .....48 04 - REFINO SECUNDRIO .........................................................................................51 04.1 - Definio........................................................................................... ....... ...........51 04.2 - Classificao dos processos.......................................................................... .....52 05 TERMODINMICA DE SOLUES. ....................................................................58 06 DIAGRAMA DE FASES TERNRIOS. ..................................................................66 07 POTENCIAL DE OXIGNIO/ DIAGRAMA DE ELLINGHAN. ................................80 07.1 Potencial de oxignio em um reator....................................................................86 08 ANALISE TERMODINMICA DO PROCESSO DE REFINO DO AO. ...............87 08.1 Anlise termodinmica das reaoes de refino. ...................................................87 09 - LINGOTAMENTO CONTNUO................................................. ..............................93 09.1 - Caractersticas................................ ............................ ........................................94 09.2 - O processo de lingotamento contnuo............................ .....................................94 09.3 - Operao................................ ............................ ................................................96 09.4 - Importncia do controle do processo nas propriedades metalrgicas.................97 09.5 Comparao entre os rendimentos no lingotamento convencional e contnuo...98 10 Clculo de carga no processo LD...........................................................................99 11 - BIBLIOGRAFIAS............................................. ......................... ...........................105

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01 - CONSIDERAES GERAIS 01.1 HISTRICO DA SIDERURGIA Provavelmente, o cobre nativo foi o primeiro metal empregado pelo homem na fabricao de utenslios. A obteno de ferro metlico, provavelmente, veio a ocorrer apenas no perodo neoltico, quando o carvo usado nas fogueiras protetoras das cavernas habitacionais reduziram o solo de minrio de ferro a ferro primrio, que, posteriormente, era elaborado e conformado. Certamente, o pas que mais se destacou na histria da siderurgia foi a Inglaterra. A extrao de ferro metlico nesse pas remota a 400 AC e a obteno de ferro gusa em alto forno a coque ocorreu no sculo XVIII. Por ser abundante e suas ligas possurem propriedades adaptveis a quase todas as condies requeridas, logo o ferro se tornou o metal mais empregado. Desde ento, a metalurgia passou a se dividir em siderurgia e metalurgia dos no ferrosos. A siderurgia se tornou to importante que passou a servir de padro medidor do desenvolvimento das naes. Desde ento, so consideradas fortes as naes dotadas de elevadas capacidades de produzir e/ou comercializar produtos siderrgicos e seus insumos. Logo aps a descoberta do Brasil pelos portugueses, ocorreu por aqui enorme procura pelos metais. Em 1554 o Padre Anchieta relatou Corte Portuguesa a existncia de ferro e em 1587 Afonso Sardinha iniciou a produo de ferro na Freguesia de Santo Amaro, So Paulo. Mais tarde foram descobertas as grandes jazidas de ferro das Minas Gerais, pensandose, na ocasio, que eram reservas inesgotveis, a ponto de uma pessoa ilustre denominar Minas Gerais de peito de ferro das Amricas. Apesar de to grande potencial, Portugal impediu o desenvolvimento da siderurgia brasileira durante o perodo colonial. Durante o perodo do Brasil Imprio, ocorreram algumas iniciativas importantes relacionadas com a produo de metais, porm, no consolidaram. Um fato histrico notvel foi a entrada do Brasil na Segunda grande guerra, no bloco dos Aliados, quando recebemos acessoria americana para a implantao da CSN, empresa que consolidou nosso pas como produtor de ao. A consolidao do parque siderrgico nacional foi liderado pela SIDERBRS durante o governo militar, que construiu e ampliou as grandes usinas siderrgicas estatais para darem sustentao a todo o parque industrial brasileiro. Entre elas destaca-se a CSN, COSIPA, USIMINAS, Cia. Ferro e Ao de Vitria, CST e AOMINAS. A seguir mostraremos algumas figuras que ilustram esse perodo histrico.

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

Fig.1.2 Perfil de um forno Catalo

Fig.1.3 Forja Catal acionada por foles manuais, da Idade Mdia.

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Fig.1.4 Alto forno de 1640, com acionamento hidrulico. Os fornos eram construdos juntos de barrancos para permitir o carregamento pelo topo por carrinhos de mo.

Fig.1.5 Foto de um alto forno americano do sculo XVII, com foles acionados por roda dgua. 01.2 - CONCEITOS BSICOS METALURGIA: a arte de extrair do(s) minrio(s) o(s) metal(is),elabor-lo(s) e conform-lo(s) com o fim de produzir os objetos necessrios humanidade. DIVISO DA METALURGIA: A metalurgia pode ser dividida em siderurgia e metalurgia dos no ferrosos. SIDERURGIA: a metalurgia do ferro e suas ligas. METALURGIA DOS NO FERROSOS: a metalurgia dos outros metais, como do alumnio e suas ligas, do cobre e suas ligas, do ouro, etc. 01.3 - PRINCIPAIS PRODUTOS SIDERRGICOS Os produtos siderrgicos se dividem em duas famlias principais, os aos e os ferrosCentro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 7

fundidos. A melhor maneira de se entender a diferena entre aos e ferros fundios fazermos uma rpida anlise do diagrama ferro-carbono.

01.3.1 - DIAGRAMA DE EQUILBRIO FERRO CARBONO Esse diagrama geralmente apresentado at 6,7% de carbono, porque este elemento forma com o ferro o composto Fe3C (cementita) que extremamente duro e contm, aproximadamente, 6,7% de carbono.

Fig.1.6 Diagrama de Equilbrio Ferro-Carbono Como pode ser visto no diagrama Fe-C., o ferro puro (isento de carbono), apresenta-se at 912oC sob a forma alotrpica alfa () e acima de 912oC at 1354oC no estado alotrpico (). Essas formas alotrpicas se caracterizam por possurem reticulados cristalinos diferentes para os tomos de ferro: o ferro possui reticulado cbico de corpo centrado (CCC) e o ferro possui reticulado cbico de face centrada (CFC).

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

Fig.1.7 Esquema mostrando as estruturas cristalinas cbicas de corpo centrado CCC e de face centrada CFC. Nota-se tambm no diagrama Fe-C que medida o teor de carbono aumenta at o limite de 0,77%C obtm-se a estrutura austenitica (Fe ) a temperaturas cada vez mais baixas at o limite de 727oC. Esta faixa de teor de carbono de 0 a 0,77%C onde se situa praticamente todos os aos comercialmente utilizados no mundo. Os tomos de carbono ocupam os espaos vazios dos reticulados de tomos de ferro e como pode ser observado na fig.1.6, a fase austentica (estrutura CFC) tem capacidade para absorver mais carbono do que a fase ferrtica (estrutura CCC). A estrutura CFC devido ao seu formato de empilhamento muito mais fcil de ser deformado do que a estrutura CCC. Desta forma, para se laminar a quente um ao, deve-se primeiro alcanar a estrutura austentica, ou seja: conforme o teor de carbono, aquecer o ao em torno de 800 a 880oC, para em seguida fazer a deformao no laminador. Desta forma, economiza-se energia, equipamentos, tempo, e viabiliza economicamente o produto alm de poder conferir boas propriedades mecnicas e metalrgicas ao ao posteriormente ou durante a laminao. Para se ter uma idia da facilidade de deformao de um metal com estrutura cristalina CFC, o chumbo um material que possui esta estrutura na temperatura ambiente e o ferro por outro lado, na temperatura ambiente possui estrutura CCC. Como o ao um material produzido para ser deformado, ele deve no aquecimento produzir uma estrutura totalmente austentica, ou seja, deve possuir teor de carbono inferior a 2%, como pode ser visto no diagrama Fe-C. Apesar de na prtica, os aos comerciais no ultrapassam a 0,8%. Por outro lado, os ferros fundidos so produzidos j no formato da pea final, portanto no sofrero deformaes posteriores, o seu teor de carbono est acima de 2%. Ento, por definio os aos so produtos siderrgicos com menos de 2%C, usualmente, obtidos em convertedores pelo refino do ferro gusa. Existem centenas de tipos de aos, podendo-se destacar as seguintes famlias: Aos carbono comuns, Aos micro-ligados, Aos ligados de baixa liga, Aos de altaCentro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 9

liga: Inoxidveis ferrticos, inoxidveis austenticos, para ferramentas e matrizes, etc. Os ferros fundidos so produtos siderrgicos primrios, geralmente, produzidos em altos fomos. Teoricamente seu teor de carbono est acima de 2%; contudo, na prtica 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 - CLASSIFICAO DOS AOS Os aos podem ser classificados com base em diferentes parmetros, tais como dureza, aplicaes, normas tcnicas, etc. De acordo com a dureza, os aos se dividem nos seguintes grupos: Aos extra-doces: Abaixo de 0,15%C, Aos doces: 0,15 a 0,30%C, os meio-doces: 0,30 a 0,40%C, Aos meio-duros: 0,40 a 0,60%C, Aos duros: 0,60 a 0,70%C, e Aos extra-duros: Acima de 0,70%C. Como se pode deduzir pelos dados acima, as durezas dos aos dependem dos seus respectivos teores de carbono. H dezenas de normas tcnicas sendo que so usadas na classificao dos aos, contudo, nesse trabalho, citaremos apenas alguns exemplos da classificao de aos pela ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas). Parte da Tabela da ABNT Tipo do Ao Ao carbono comum Ao nquel (3,5%) Ao Nquel-cromo Ao cromo(0,95%)-molibdnio(0,2%) Ao cromo Outros

Classe I0XX 23XX 3YXX 41XX 51XX

Pela ABNT, os dois primeiros dgitos indicam o(s) elemento(s) de liga existente(s) no ao, alm do carbono. O nmero decimal expresso na posio do XX se refere porcentagem de carbono contido pelo ao. Exemplos: Ao ABNT 1010: ao carbono comum com aprox. 0,1%C. Ao ABNT 1045: ao carbono comum com aprox. 0,45%C. Ao ABNT 4140: ao com aprox. 0,95%Cr-0,2%Mo-0,4%C. Como foi dito anteriormente, existem muitas normas usadas na classificao dos produtos siderrgicos, portanto, necessrio t-las em mo ao proceder a classificao, para evitar o registro de enganos.

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01.5 IMPORTNCIA DOS PRODUTOS SIDERRGICOS O xito alcanado pelos produtos siderrgicos se deve a vrios fatores, dentre os quais citaremos alguns, sem desmerecer os demais. Baixo preo: O preo dos produtos siderrgicos insupervel pelos demais que tenham caractersticas semelhantes, o que lhes confere elevada competitividade. Exemplos: Lingotes de ferro gusa: R$220,00It Placas de ao carbono: R$450,00It Chapas de ao carbono: R$1.200,00It Chapas de ao inox. Ferrtico: R$6.000,00It Chapas de ao inox. Austentico: R$13.000,00It Chapas de alumnio: R$12.000,00/t Chapas de alumnio ligado: R$30.000,00It Chapas de cobre: R$15.000,00It Propriedades Versteis: possvel conferir ao produto siderrgico as propriedades necessrias, sem onerar muito o custo de produo. Exemplos: Um ao ABNT 1080 pode adquirir diferentes durezas pela aplicao de tratamentos trmicos corretos: - Esferoidizado: 100HB - Plenamente recozido: 200HB - Temperado: 65RC (acima de 650HB, por comparao) O ao carbono comum possui os inconvenientes de oxidar-se e ser atacado por cidos, contudo, pela adio de alto cromo pode se transformar no ao inoxidvel ferrtico que no oxida e, ainda, pelas adies de cromo e nquel, forma os aos inoxidveis austenticos que so passivos oxidao e a ao de cidos. Matrias Primas Abundantes: O esgotamento das jazidas de ferro est previsto para quatro sculos. Domnio da Tecnologia Siderrgica: Nenhum metal ainda to conhecido quanto o ferro. Poltica Administrativa: Toda nao que espera prosperar deve possuir, bem elaborada, uma poltica de produo e comercializao de produtos siderrgicos, caso contrrio, ter grandes dificuldades em seu desenvolvimento e, at mesmo sobrevivncia como nao. Agregao de Valor ao Minrio: Para que uma nao prospere, no basta que tenha grandes reservas minerais, as explore e venda seus minrios; pois, seus preos so muito baixos no mercado mundial. prefervel extrair os metais, produzir ligas, conform-las e, ento, vender os produtos obtidos. Os preos dos minrios de ferro e dos produtos siderrgicos 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 exportao de suas placas a

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quantia de R$1.800.000.000,00. Como se pode deduzir, nesse caso, h uma ampliao de receita acima de R$1.500.000.000,00, alm de solucionar parte do problema do desemprego.

01.6 - FLUXOGRAMAS DE USINAS SIDERRGICAS Fluxograma uma representao grfica que indica o caminho percorrido pelas matrias primas, suas transformaes e, finalmente, a entrega dos produtos que se prope produzir. As usinas siderrgicas podem ser integradas, semi-integradas e no-integradas. As usinas siderrgicas integradas adquirem as matrias primas no estado bruto, executam todas as fases do processo industrial e vendem os produtos acabados. Em princpio, quanto maior for o grau de integrao de uma usina, mais competitivo se tomam seus produtos no mercado. Geralmente, so usinas de grande porte, que exigem investimento muito elevado antes de entrarem em operao. Quando no h capital suficiente, uma usina pode iniciar sua produo como usina no integrada e, medida que vai aumentando seu capital, pode passar a semi-integrada e, finalmente, totalmente integrada. 01.6.1 - FLUXOGRAMA REDUZIDO DE USINAS INTEGRADASMatrias Primas Minrios, carves, fundentes, etc

Preparao das matrias primas

Sinterizao, pelotizao, etc

Extrao do metal

Alto-forno, etc

Elaborao

Aciaria, refino secundrio, etc

Conformao

Ling. contnuo, laminao, fundio

Produto final acabado

Perfiz, vergalhes, Tiras, chapas

Matrias Primas da Siderurgia: Minrios de ferro, carvo vegetal, carves minerais, fundentes (calcrio, dolomita, etc.), sucatas, Oxignio, combustveis, ferro-ligas e outros. Operaes de Preparao das Matrias Primas: Britagem, peneiramento, moagem, coqueria, sinterizao, pelotizao, calcinao, dessulfurao e outros.Centro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 12

Extrao: A extrao do ferro geralmente feita por fuso redutora em altos fomos a carvo vegetal ou a coque, sob temperaturas muito elevadas, quando os minrios de ferro so transformados em ferro gusa lquido e escria. A extrao do ferro tambm pode ser feita em forno eltrico a arco e por um dos processos de reduo direta. Aciaria: A aciaria tem a finalidade de produzir aos, podendo usar como matrias primas principais ferro gusa e/ou sucata ferrosa, alm da cal, oxignio e outros. Conformao: Os processos de conformao visam conferir ao metal ou liga as formas que os produtos devem Ter, podendo ser por fundio, forjamento, laminao, trefilao, extruso, estampagem e outros. Principais Produtos: Peas fundidas (blocos de motores, etc.), peas forjadas (ferramentas, machado, etc.), chapas, tiras, vergalhes, etc. 01.6.2 - FLUXOGRAMA DA CBF: Se trata de uma usina siderrgica no integrada que reduz minrio de ferro em alto fomo a carvo vegetal, produzindo ferro gusa, que vendido para fundies e aciarias.Carvo vegetal Minrio granulado Fundentes

Ar

ALTO FORNO

Poeiras e gases

Escria Gusa lquido

Gusa slido

vendas

01.6.3 - FLUXOGRAMA DA SIDERRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMRICA Trata-se de uma usina siderrgica no integrada que produz perfiz de ao, usando o ao obtido em aciaria a arco eltrico, que utiliza como matrias primas principais sucatas ferrosa, alm de ferro gusa, cal, ferro-ligas e outros.

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FLUXOGRAMA DA SIDERRGICA BELGO MINEIRA DE JARDIM AMRICASucata Ferros-ligas Gusa Fundentes Oxignio

Aciaria Eltrica

Escria Poeiras e gases

Ao lquido

Lingotamento contnuo

Lingotes

Laminao Perfiz e vergalhes

Trefilao

01.6.4 - CICLO OPERACIONAL DA CST Normalmente, uma usina siderrgica integrada como a CST, constituda, alm do Alto Forno para a produo de ferro gusa, de outras unidades beneficiam as matrias primas bsicas utilizadas no processo, unidades que produzem insumos para consumo em outras unidades e unidades que completam o processo, dando como resultado final o ao, constitudo elementos acabados ou semi-acabados, como o caso da CST, que produz placas grossas de ao para utilizao em outras usinas de beneficamento e laminados de tiras a quente. As principais unidades que compem a CST so: Ptio de estocagem e mistura de carvo para a produo de coque; Ptio de estocagem de minrio e fundentes onde ocorre a produo da mistura dos materiais necessrios produo de sinter consumido no Alto Forno. Alternativamente utilizao 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 composio de carga do Alto Forno juntamente com minrio de ferro, sinter e/ou pelotas; A coqueria gera alguns efluentes slidos, lquidos e gasosos, que so reaproveitados em sua quase totalidade no prprio processo. Um desses efluentesCentro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 14

o COG - gs de coqueria, que um rico a combustvel utilizados em vrias unidades da usina, principalmente no Alto Forno; O processo pode substituir, em parte, o coque por carvo pulverizado, que injetado na parte inferior do Alto Forno (na regio das ventaneiras). Este ser o caso do Alto Forno II, que consumir grande parte de carvo pulverizado que ser produzido na unidade de PCI; Sinterizao, que a unidade de produo do sinter consumido no Alto Forno como o caso atual da CST. O sinter produzido na mquina de sinter utilizando minrio de ferro bitolado, minrio de mangans, fundente constitudo de finos de calcrio e combustvel constitudo de finos de coque e o COG, que tem tambm utilizado. Utilidades: sob esta denominao so consideradas vrias unidades que produzem insumos complementares para o consumo em outros unidades da usina. Desta forma, tem-se a casa de fora para a gerao de eletricidade, vapor e ar soprado, onde utilizado o gs do Alto Forno juntamente com o de coqueria (BFG+COG). Ainda sob denominao de utilidades, tem-se a unidade de fracionamento de ar, que produz oxignio e nitrognio utilizados em vrias unidades do processo industrial (Alto Forno, Sinterizao, Coqueria, Lingotamento, Dentre outras unidades). Estao de tratamento de gua (ETA) e recirculao, que promove o reaproveitamento, em circuito fechado, da maior parte da gua doce utilizada. Unidade de ar comprimido que alimenta vrias unidades com ar, tambm utilizado no processo de fracionamento de ar, tambm utilizado no resfriamento de vrios elementos envolvidos no processo industrial; Calcinao, que utiliza o calcrio para produo de cal, consumida na Aciaria e na Sinterizao; Aciaria, que produz o ao a partir do ferro gusa (processo de oxidao em convertedores LD); Unidade de lingotamento ( contnuo ) que promove a moldagem do produto final (placas) que podem ser enviadas para o cliente ou alimentar a laminao de tiras a quente. Unidade de Laminao de Tiras a Quente, onde a placa aps reaquecimento em forno de placa encaminhada ao trem de laminao a quente onde sofre a devida conformao, tendo como produto final a bobina de tira a quente, que pode ser utilizado como produto comercial, aps passar pela laminao de acabamento ou destinado para o cliente para alimentar o trem de laminao a frio. Sistema de lavagem e limpeza de gases utilizados nas demais unidades, cujos gases apresentam nveis de contaminao que necessitam ser minimizados antes de serem utilizados no prprio processo (COG e BFG).

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01.7 FLUXOGRAMA DA CST.Sinter feed Carvo mineral

Sinterizao

Coqueria

Matrias Volteis

Sinter

Coque

Minrio granulado

Pelotas Calcrio Escria Ar

Alto-FornoPoeiras Gases Gusa lquido

Calcinao

Fundio DessulfuraoOxignio Peas

Cal

Ferro-ligas

Sucatas

Convertedor

Escria Poeiras

Refino secundrio

Ao lquido

Gases

Lingotamento contnuo

Laminao de tiras quente

Placas

Tiras

Expedio

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02 PROCESSO DE DESSULFURAO O ferro gusa gerado nos altos fornos possuem elevados teores de enxofre, elemento indesejvel na maioria dos aos e de difcil eliminao nos convertedores. Para que ocorra condio ideal para a dessulfurao necessria uma escria bastante bsica (rica em CaO) e uma atmosfera redutora(rica em CO). O alto forno possui atmosfera redutora, mas a sua basicidade limitada para se produzir uma escria lquida e fluida (CaO/SiO2 = 1,2). No caso da aciaria, temos excesso de cal, mas a atmosfera oxidante. Portanto, nem o alto forno nem a aciaria possui condies ideais para a dessulfurao. Por essa razo, o ferro gusa deve ser dessulfurado, ainda nos carros torpedos, antes de seguir para a aciaria, numa estao de dessulfurao onde se cria as condies ideais. A mistura dessulfurante, na mdia, composta por 50% de carbureto, 38% de calcrio e 12% de coque. Esse ltimo tem a funo de garantir a atmosfera redutora necessria para que as reaes ocorram. O calcrio fornece cal para dar uma alta basicidade necessria dessulfurao e o dixido de carbono confere agitao ao banho, garantindo maior rendimento e o carbureto a principal fonte de clcio e tambm fornece carbono ao banho. 02..1 REAES NA DESSULFURAO A seguir escreveremos as principais reaes que ocorrem durante a dessulfurao do ferro gusa: Decomposio do calcrio: CaCO3 CaO + CO2 . Escorificao do enxofre: FeS + CaO + CO CaS + Fe + CO2. A mistura dessulfurante introduzida no carro torpedo por meio de uma lana que forma um ngulo de injeo de 70, nas 3 primeiras dessulfuraes e de 110 nas demais, para garantir um desgaste uniforme do refratrio do torpedo e evitar a formao localizada de casco.

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Fig.2.1 Esquema mostrando uma estao de dessulfurao de gusa no carro torpedo.

Fig.2.2 Esquema mostrando o percurso do gusa lquido at o convertedor

Fig.2.3 Lay-out da estao de dessulfurao de gusa lquido da CST (ArcelorMital).

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03 - PRODUO DO AO EM CONVERTEDOR (REFINO PRIMRIO): Os processos de fabricao de ao so designados pelo tipo de forno (Bessemer, Siemens-Martin, LD, Eltrico, etc.) e a natureza da escria (cida ou bsica). A transformao do gusa lquido em ao envolve: a) a diminuio dos teores de carbono, silcio, fsforo, enxofre e nitrognio a nveis bastante baixos: b) a adio de sucata ou minrio de ferro para ajustar a temperatura do ao bruto; c) o ajuste dos teores de carbono, mangans, elementos de liga e da temperatura no forno ou na panela de vazamento. Nas duas ltimas dcadas, procurou-se pr-tratar o gusa lquido, pela dessulfurao e, at com um pr-refino, ( desiliciazao, desfosforao e dessulfurao ).

03.1 - PROCESSOS DE SOPRO PNEUMTICO: At 1856, quando Henry Bessemer na Gr-Bretanha e William Kelly, nos Estados Unidos, quase simultaneamente, inventaram o processo de sopro pneumtico, o ao era obtido apenas pela refuso de pequenas quantidades de sucata em fornos de cadinho ou pelo penoso processo de pudlagem em fornos de revrbero. Inicialmente o convertedor com sopro atmosfrico utilizava revestimento cido (pedra silicosa). Devido a necessidade de se baixar o teor de fsforo, foi-se necessrio utilizar escrias bsicas, desta forma, o revestimento cido do convertedor Bessemer se consumia muito rapidamente, pois reagia com a escria. Graas aos trabalhos de Sidney Gilchrist Thomas, o convertedor recebeu o revestimento bsico (dolomtico), em 1877. Tal descobrimento permitiu a remoo do fsforo dos minrios europeus com teor mais elevado deste elemento. No processo Bessemer cido, o conversor carregado com gusa lquido a uma temperatura de 1300 a 1400C e o calor necessrio para: a) elevar a temperatura do ar at a do metal lquido, b) fundir as adies, c) compensar as perdas trmicas de conduo e conveco atravs do revestimento e pela radiao da camada superior do banho. Em princpio, a operao do conversor consiste na injeo de ar sob presso pela parte inferior por meio de canais nos refratrio chamados de ventaneiras, fazendo com que o ar atravesse o banho de gusa lquido. O oxignio do ar combina-se com o ferro, formando o FeO que, por sua vez, combinase com o silcio, o mangans e o carbono; portanto, estas impurezas so eliminadas,

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seja sob a forma de escria, (SiO2, MnO), ou de gs, (CO), que inflama-se na boca do convertedor. Um dos fatores mais importantes era a temperatura do gusa: tanto o seu calor sensvel (temperatura fsica), como o seu calor latente, isto , o teor de elementos que, ao queimar, geravam calor. Um gusa "fisicamente quente" permitia a adio de sucata no conversor. (aproveitando-se assim, pontas e recortes das operaes laminao) e, tambm, sopragem rpida sem projees. A temperatura do gusa, ao ser vertido no conversor, no deveria ser superior a 1250C. Para a produo do ao Bessemer, preferia-se gusa com a seguinte composio: Si = 1,10 a 1,50%; Mn = 0,40 a 0,70%e P = 0,090% mximo. O silcio, se mais baixo, teria a tendncia de causar corridas frias. O mangans, acima de 0,70%, ocasionava uma escria muito fluida, resultando em projees e mais difcil separao entre ela e o ao.

Fig.3.1 Esquema de um convertedor Bessemer.

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

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Reaes:

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Fig.3.3 Representao da diversas etapas do convertedor Bessemer.

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03.1.1 - PROCESSOS DE SOPRO A OXIGNIO A idia original foi exposta pelo prprio Sir Henry Bessemer em 1856, porm, as dificuldades na obteno do oxignio puro, em quantidades industriais, no permitiram a sua utilizao prtica. Somente aps do desenvolvimento das grandes instalaes para produo de oxignio, que a idia foi novamente retomada por vrios metalurgistas. Em 1939, Otto Lellep em Oberhausen e em 1941, Carl Valerian Schwarz em Aachen na Alemanha; em 1947, Prof. Robert Durrer na Sua e, em 1949, Heribert Trenkler na ustria, experimentaram a utilizao de oxignio em convertedores. Finalmente, em novembro de 1952, iniciou-se a operao da Aciaria I da Voest, com dois convertedores de 30 ton., sendo que a primeira instalao no hemisfrio sul foi a da Cia. Siderrgica Belgo-Mineira em Monlevade-MG, inaugurada em outubro de 1957. As vantagens dos processos a oxignio so: a) rapidez na transformao do gusa em ao; b) o reaproveitamento da sucata de recirculao, (gerada na prpria usina) e que corresponde a 20% do ao bruto. Esta sucata isenta das impurezas que a sucata externa externa (ferro velho ), contm.

MATERIAIS UTILIZADOS: 1- OXIGNIO Deve-se ter no mnimo 99,5% de pureza. Os restantes 0,2 a 0,3% consistem em: 0,2% de argnio e 0,005% mximo de nitrognio, (importante para evitar fenmenos de envelhecimento sob tenso). A vazo de O2 deve ser a velocidades supersnicas para penetrar na camada de escria e, tambm, para evitar o entupimento dos bocais da lana. , igualmente relevante para determinar a altura do bocal em relao ao banho, de importncia para controlar o grau de oxidao da escria e de remoo do enxofre e do fsforo. 2- GUSA Contm: 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 lquido, depois de vazado na panela, ao resfriar, atinge a saturao com o carbono. No vazamento do alto forno, a temperatura do gusa de 1480 a 1510C, pois at o carro torpedo chegar ao convertedor haver 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.

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Entre 80 a 75% da carga do convertedor constituda de gusa lquido, sendo o restante, de sucata. A dessulfurao do gusa pode ser feita no carro torpedo ou na panela de carga. Neste ltimo caso, o grau de tratamento pode ser ajustado individualmente para cada corrida. Os agentes dessulfurantes utilizados so: Magnsio, Carboneto de Clcio e o Carbonato de Clcio. O uso deste ltimo tem dois inconvenientes: alto consumo especfico e baixo poder dessulfurante. A injeo de magnsio tem como base a elevada afinidade deste com o enxofre. Como o magnsio tem baixo poder de ebulio (1100oC) e vaporiza facilmente, deve ser misturado com cal ou coque (formando briquetes). A gerao de escria varia de 5 a 16 kg/t de gusa, dependendo da taxa de injeo e da escumagem efetuada. 3- SUCATA So usadas: tanto a sucata interna, (pontas de lingotes, de placas ou blocos, de tarugos ou de corte de chapas), como a externa, (sucata de operaes industriais: de estamparia ou prensagem, ou de obsolescncia: ferro-velho). Com a sucata externa, h o risco de contaminao, (metais no ferrosos, tintas, etc.).

4- ESCORIFICANTES Usa-se cal, dolomito calcinado e fluorita. Na cal, procura-se alta porosidade e elevada reatividade. Cal dolomtica pode ser usada para proteger o revestimento de magnsia ou de dolomita do conversor, procurando-se operar com 4 a 6% de MgO na escria. O consumo de cal dolomtica da ordem de 30 a 35 kg por t de ao. A fluorita promove a dissoluo da cal e baixa o ponto de fuso, alem de estimular a fluidificao da escria. 5- FERRO-LIGAS Fe-Cr e maiores quantidades de Fe-Mn podem ser adicionados no estado lquido durante o vazamento. Pode-se empregar um forno de induo para este fim, evitandose ter que superaquecer o banho para dissolver as ferro- ligas. 6- REFRATRIOS A durao do revestimento tem evoludo pela utilizao de refratrios de melhor qualidade e pelo emprego de revestimentos diferenciados, embora, por outro lado, as temperaturas do ao lquido tenham aumentado por causa do lingotamento contnuo e do desenvolvimento da metalurgia secundria. Um amplo leque de materiais est disposio, como tijolos de dolomito ligado com alcatro; dolomito enriquecido com carbono, ligado com alcatro; dolomito-grafite enriquecido com carbono, ligado com alcatro; dolomito enriquecido com magnsia, ligado com alcatro; magnsia, ligada com alcatro; magnsia, ligada com alcatro eCentro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 25

impregnada com piche; magnsia-grafite, ligada com alcatro ou resina, magnsia, queimada, impregnada de alcatro. Aditivos metlicos, como alumnio, magnsio e silcio, ou combinaes destes elementos, so usados para evitar a oxidao do carbono. Estes metais no s aumentam a resistncia oxidao, como tambm, reduzem a porosidade e evitam a penetrao da escria, pela formao de xidos e carbonetos; outrossim, melhoram a resistncia a quente, tanto corroso com eroso. O consumo de refratrio depende do tipo de revestimento, da geometria do conversor e do programa de produo, variando entre 1 ,5 a 8 kg/t de ao.

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, utilizado um ao baixa liga ao cromo-molibdnio. Logo junto carcaa metlica, em ao resistente ao envelhecimento, com 35 a 75 mm de espessura, colocada uma camada de tijolos de magnsia calcinada, como revestimento permanente, seguindo-se uma camada de magnsia apisoada, como separao e uma camada de desgaste, em blocos de dolomita calcinada impregnada com alcatro. O fundo de chapa metlica reforada, seguindo-se vrias fieiras de tijolos de magnsia, at a camada de desgaste, em blocos de magnsia calcinada e impregnada. A lana consiste de 3 tubos concntricos, de ao sem costura, terminando num bocal de cobre eletroltico; no interno, flue o oxignio; o intermedirio, para a alimentao da gua de resfriamento e o esterno, para o retomo da gua aquecida. A ponta da lana contm 3 a 5 dutos em forma de venturi, para obter a velocidade supersnica do gs. Um sistema de talha eltrica, comandado da plataforma do conversor, suspende ou abaixa a lana. Dispositivo de segurana impede a sua queda, no caso de ruptura do cabo de sustentao; a durao mdia de uma lana de algumas centenas de corridas.

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Fig.3.4 Esquema mostrando a operao de um convertedor LD.

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

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Fig.3.6 Esquema de um convertedor a oxignio.

Fig.3.7 Seo de um convertedor a oxignio LD, mostrando a posio da lana, refratrios, carcaa metlica, furo de corrida e do anel-suporte.Centro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 29

Fig.3.8 Configurao bsica de um convertedor LD.

OPERAO Com o convertedor inclinado, a sucata carregada por uma calha ou por um vago basculador, seguindo-se o gusa lquido. Colocado na posio vertical, introduz-se a lana de oxignio at a altura prdeterminada (1,0 a 1,5m distante do banho). A presso de oxignio varia de 10,5 a 12,6 atmosferas. Aps a ignio, 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 de aproximadamente 35 minutos. O rendimento em ao produzido, em relao aos materiais carregados, da ordem de 90%. O consumo de oxignio a 99,5% de pureza , aproximadamente, de 57 Nm3 por tonelada de ao. Completado o sopro, a lana retirada e o conversor basculado para a horizontal. Mede-se a temperatura do banho com um pirmetro de imerso e colhe-se uma amostra para anlise, que feita entre 3 a 5 minutos. No final do vazamento, retm-se a escria no conversor com o "tampo flutuante" de modo a vedar o furo de corrida quando a escria comear a vazar. Para vazar a escria, bascula-se completamente o conversor para o lado oposto sobre o pote de escria e prepara-se o conversor para a corrida seguinte. As adies de liga so feitas no jato, durante o vazamento na panela.

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Fig.3.9 Esquema de um Layout bsico da rea de refino de uma aciaria LD, vista area mostrando rea de sucata, convertedores e virada do carro torpedo.

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Fig.3.10 Esquema de um Layout bsico da rea de refino de uma aciaria LD, vista em corte mostrando convertedor, panela de gusa coleta de gases e sala de controle.

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

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REAES: A primeira reao que ocorre no convertedor o oxignio que sai da lana e encontra o ferro metlico no banho lquido. Este contato ocorre no pela afinidade do oxignio pelo ferro, pois outros elementos como silcio, carbono e mangans, possuem mais afinidade pelo oxignio, mas pela grande quantidade de ferro no banho (mais de 97%). A reao ento : 2Fe + O2 2FeO Em seguida devido maior afinidade do silcio pelo oxignio, este reage com o FeO, retornando o ferro para o banho. 2FeO + Si SiO2 + 2Fe Em seguida o mangans 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 escria FeO + SiO2 2FeO.SiO2 CaO + SiO2 CaO.SiO2 MnO + SiO2 MnO.SiO22 Em seguida a oxidao 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 oxignio procurando-se fazer uma melhor distribuio dos gases no interior do convertedor de modo a facilitar as reaes de oxidao das impurezas e com isto melhorar a qualidade do ao produzido.

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Fig.3.12 Operao de sopro de um convertedor LD

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Fig.3.13 Lana de oxignio de trs furos para uso no convertedor LD

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03.1.1.2 OUTROS PROCESSOS DE REFINO OXIGNIO CONVERTEDOR LD-KGC. Este convertedor o utilizado pela CST. Pela lana feita a injeo de oxignio pela boca do convertedor, e pelo fundo sopra-se argnio com a finalidade de promover melhor homogeneidade do banho e facilitar as reaes de oxidao. O argnio injetado pelo fundo do convertedor por meio de canais no refratrio chamados de ventaneiras. Aps terminado o sopro, reduz-se a vazo do argnio ao mnimo para evitar o entupimento das ventaneiras pela escria que ficou retida no convertedor. Somente neste ltimo caso pode-se substituir o argnio pelo nitrognio.

Fig.3.14 Esquema de um convertedor LD-KGC.Centro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 48

CONVERTEDOR K-BOP E Q-BOP. Com a melhoria dos materiais refratrios, pode-se desenvolver o convertedor K-BOP que utiliza a injeo de oxignio por cima com lana e tambm por baixo, substituindo o argnio. Com isto obteve-se melhorias significativas na qualidade do ao. 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 colaborao com a Air Liquide (Canad). Estudos semelhantes foram realizados ao mesmo tempo pelo CRM e pelas Forges de Thy-Marcinelle et Monceau, na Blgica. O processo se constitua pela injeo de oxignio somente pelo fundo, como o utilizado por Bessemer. Porm, devido s altas temperaturas geradas nas ventaneiras, era necessrio a utilizao de fluidos refrigerantes. Utilizou-se hidrocarbonetos gasosos(propano, butano, gs natural, etc...) como fludo re frigerante. O processo Q-BOP , 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 gs natural ou outro hidrocarboneto, e de nitrognio, durante o basculamento e parada do forno. Essas informaes. Entretanto, devem ser objeto de certas consideraes.

Fig.3.15 Esquema de um convertedor Q-BOP.

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Fig.3.16 Esquema de um forno Kaldo.

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Fig.3.17 Esquema de um forno Rotor.

04 - REFINO SECUNDRIO: 04.1 - DEFINIO Os processos de fabricao do ao so processos oxidantes, portanto, a quantidade de oxignio no mesmo supera em muito teores admissveis para alguns produtos. Durante o vazamento ocorre tambm a absoro de alguns gases como nitrognio e hidrognio. Depois do vazamento, com a perda de temperatura a solubilidade desses gases no ao diminui drasticamente, formando bolhas e incluses. Desta forma, foram desenvolvidas tcnicas de desoxidao onde se obtem os valores desejados. Alem da desoxidao, o refino secundrio permite o ajuste de temperatura, da composio qumica, adio de elementos especiais, dessulfurao para teores abaixo de 0,005%, desfosforao e descarburao para teores abaixo de 0,002%. Refino secundrio definido como o trabalho metalrgico de refino ou ajuste da composio qumica e da temperatura, realizado fora do forno primrio de fuso, fazendo-se uma ou mais das seguintes operaes unitrias: a) Tratamento sob vcuo, para remoo de gases, b) Agitao por borbulhamento de gs, para homogenizar o banho, c) Mistura completa de adies, d) Refino de ao pelo uso de escria sinttica, e) Manuteno de uma atmosfera de gs inerte na panela, f) Aquecimento do ao lquido. Alguns dos motivos seriam: 1. Aumento da produtividade no conversor a oxignio, ao descarburar a nvel baixo, (0,03 a 0,06% de C), seguindo-se uma recarburao e o ajuste da temperatura, na panela.Centro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 51

2. Aumento da produtividade do forno eltrico, ao produzir aos especiais, transferindose as operaes antes realizadas com uma Segunda escria, para o forno de tratamento. 3. Melhor controle da temperatura para o Lingotamento Contnuo. 4. Maior facilidade em atingir limites estreitos de composio e de propriedades mecnicas. 5. Obteno de nveis de hidrognio inferiores a 1,5 ppm e alcanar reduzidos teores de enxofre. 6. Fabricao de aos para esmaltao ou inoxidveis ferrticos de baixo teor de Carbono. 7. Produo de aos ao cromo contendo carbono, em conversor a oxignio. 8. Obteno de nveis bastante baixos de enxofre, (normalmente inferiores 0,010%). Em resumo as vantagens econmicas seriam: a) reduo nos gastos com materiais, tais como os elementos de liga, b) menor consumo de energia, c) aumento de produo, pois a unidade primria aliviada de todo o trabalho metalrgico, como: descarbonetao, dessulfurao, ajustes de composio, etc.

Fig.4.1 Esquema mostrando percurso do ao na aciaria.

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

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1. SISTEMAS COM INJEO. Sua simplicidade de operao e baixo custo operacional e de capital, os recomendam para aos comuns, em grande volume e exigncias limitadas de qualidade, podemos citar: 1.1. agitao com gs inerte 1.2. introduo de arame ou fita 1.3. Balas de alumnio 1.4. Injeo de p 1.5. Escria sinttica

Fig.4.2 Esquema do sistema de injeo de gs inerte na panela por tijolo poroso.

Fig.4.3 Esquema de um processo de injeo de finos na panela.

2. SISTEMAS COM TRATAMENTO DO AO SOB VCUO. 2.1. desgaseificao no jato Para grandes peas forjadas, onde se objetiva a remoo do hidrognio

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2.2. desgaseificao com recirculao Seu custo de capital j mais elevado. So usados, no para remover o hidrognio e diminuir as incluses no metlicas, mas tambm, na descarbonetao, para produzir aos de bem baixo teor de carbono e para controlar rigidamente a composio e a temperatura de lingotamento. Este processo consiste em se posicionar uma cmara de vcuo sobre a panela de ao, comunicando-se com ela por meio de tubos revestidos de refratrios (pernas). Estabelece uma presso negativa (vcuo) em relao panela de modo a fazer o metal lquido circular da panela para uma cmara de vcuo, por uma das pernas e retornar ao banho pela outra perna continuamente at mxima desgaseificao. Para que esta circulao ocorra, necessrio injetar em uma das pernas um gs neutro, normalmente argnio, de modo a provocar uma diminuio da densidade do ao em uma das pernas, fazendo com que o ao suba para o interior da cmara. O ao junto com as bolhas de gs chega ao interior da cmara a alta velocidade, se dispersando em pequenas gotculas, liberando assim os gases dissolvidos. O ao desgaseificado retorna para a panela pelo outro tubo. Deste modo, criada uma diferena de densidade no ao entre as duas pernas, fazendo como que ocorra a circulao do ao. Este processo denominado de RH. 2.3. refino na panela So mais caros para instalar e operar. Por isso, so usados para o refino de aos de elevada qualidade, com propriedades mecnicas superiores. Em qualquer tipo de tratamento secundrio, a distncia entre o nvel do metal e a borda livre da panela deve ser suficiente para: 1. conter quaisquer respingos causados pelo sopro com oxignio e a injeo com gs inerte, 2. evitar o extravazamento de metal em agitao, 3. manter o calor confinado panela, no caso de usar arco voltaico. A construo de uma panela prova de vcuo exige alguns cuidados: 1. no pode ter furos de ventilao, (usados para a secagem do revestimento da panela normal). 2. As soldas devem ser prova de vcuo; 3. A flange na borda da panela deve suportar o peso da tampa de vcuo, com todos os seus acessrios; 4. Os tampes porosos e as vlvulas de gaveta devem, tambm, ser instalados prova de vcuo. A unidade de Refino Secundrio de ao na CST, localiza-se entre o Convertedor e o Lingotamento Contnuo, processo este chamado de Metalurgia da Panela, ou seja, tratamento fsico e qumico do ao na panela. Funciona ainda como um "pulmo" para as unidades de lingotamento, sendo responsvel pelo sincronismo entre os convertedores e as mquinas de lingotamento.Centro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 54

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

Fig.4.4 Esquema do processo de injeo IR-UT utilizado pela CST. As principais atividades do IR-UT so: Reaquecimento de corridas atravs da adio de alumnio (aluminotermia); Ajuste fino de composio qumica; Homogeneizao do ao lquido (composio qumica e temperatura); Remoo de incluses no metlicas atravs do borbulhamento do argnio; Controle da morfologia de incluses atravs da injeo de p Ca-Si; Resfriamento de corridas atravs de adio de sucata; Dessulfurao do ao para produo de materiais com enxofre muito baixo. As principais atividades do RH-KTB so: Remoo de hidrognio; Ajuste fino de composio qumica; Homogeneizao do ao lquido { composio qumica e temperatura); Descarburao (natural ou forada); Ajuste de temperatura {aquecimento qumico ou resfriamento com sucata). O processo RH-KTB, diferencia-se do RH pela adio de uma lana de oxignio na cmara de vcuo com a finalidade de descarburao mxima e aquecimento do banho pela reao do gs CO com o oxigenio gerando CO2 e liberando grande quantidade de calor.

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Estes dois equipamentos so de fundamental importncia no processo produtivo da CST, atualmente, na medida que permitem a fabricao de aos para aplicaes mais nobres e de maior valor agregado {TIN PLATE, API, IF, etc).

Fig.4.5 Esquema do processo de desgaseificao vcuo RH.

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Fig.4.6 Esquema do processo de desgaseificao vcuo RH-KTB, utilizado na CST.

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05 TERMODINMICA DE SOLUES

Fig.5.1 Esquema mostrando o trabalho de dissoluo numa liga.

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06 DIAGRAMA DE FASES TERNRIOS

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07 POTENCIAL DE OXIGNIO/ DIAGRAMA DE ELLINGHAN

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07.1 POTENCIA DE OXIGNIO EM UM REATOR

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08 ANALISE TERMODINMICA DO PROCESSO DE REFINO DO AO 08.1 ANLISE TERMODINMICA DAS REAOES DE REFINO

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Fig. 8.2 Curva de isoatividade raultiana do FeO contido numa escria. O estado padro o FeO lquido puro.

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09 - LINGOTAMENTO CONTNUO bastante antigo o desejo de lingotar diretamente o tarugo destinado laminao de barras, eliminando-se o pesado e custoso laminador desbastador, bem como aumentar o rendimento total em produtos de ao. Em 1840, G. E. Sellers nos Estados Unidos patenteava um processo de lingotamento contnuo de tubos de chumbo. Em 1843, J. Laing e em 1865, o prprio Sir Henry Bessemer, haviam solicitado patentes para o lingotamento contnuo de ferro malevel, destinado fabricao de chapas. Em 1886, B. Atha obteve a patente para o lingotamento contnuo de tarugos de ao carbono de 100 x 100 mm. Durante muitos anos, grande nmero de pesquisadores dedicou-se a desenvolver a tcnica de vazamento e, entre 1930 a 1940, Siegfried Jungnhans, na Alemanha, conseguiu lingotar continuamente, de incio lato e alumnio, e depois, o prprio ao. O lingotamento contnuo de ao que produz placa de ao diretamente do ao lquido em um nico equipamento foi o mais importante avano tecnolgico nos processos metalrgicos desde os anos sessenta, pois permitiu a substituio do lingotamento convencional feito atravs de lingoteiras, que um processo bastante oneroso porque envolve equipamentos adicionais como forno-poo, laminador desbastator, estripadores, manuteno de lingoteiras, transportes internos(pontes rolantes, etc.), para obter a placa de ao. O lingotamento contnuo eliminou os gastos com os equipamentos citados resultando alm de reduo de tempo e custo em melhoria da qualidade do ao. A importncia da solidificao nos processos metalrgicos do lingotamento contnuo, tais como, estrutura cristalogrfica, distribuio de incluses no metlicas, micro e macro segregaes e as propriedades mecnicas, esto intimamente ligadas aos fenmenos de solidificao do ao. Desta forma, a transferncia de calor durante a solidificao no processo de lingotamento contnuo influencia fortemente na qualidade do produto e na produtividade

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do processo, por isto, grande ateno dedicada a automao deste item. Entretanto, existem outros fatores operacionais que tambm influenciam na qualidade e produtividade como nvel do molde e do distribuidor, velocidade da mquina e so tambm controlados automaticamente. 09.1 - CARACTERSTICAS O lingotamento continuo compreende a seguinte seqncia de operao: a) Fluxo do metal lquido atravs de um distribuidos para alimentar o molde, b) Formao de uma casca solidificada, no molde em cobre, resfriado a gua, c) Extrao contnua da pea, d) Remoo de calor do ncleo ainda lquido, por meio de sprays de gua de resfriamento, e) Corte no comprimento desejado e remoo das peas

Basicamente, uma instalao de Lingotamento Contnuo constituda de: a) uma calha de distribuio; b) o molde de cobre eletroltico, resfriado a gua, para formao da pele de solidificao inicial; c) a zona de resfriamento secundrio, por meio de jatos de gua para complementar a solidificao; d) rolos extratores, com velocidade regulvel, para movimentao da barra produzida; e) dispositivos para o corte das barras e o transporte das peas cortadas.

09.2 - O PROCESSO DE LINGOTAMENTO CONTNUO Basicamente existem trs tipos de mquinas de lingotamento contnuo, que so a mquina vertical, a de dobramento de tarugo e a de molde curvo. A mquina vertical que est mostrada na fig.6.1 foi a primeira que surgiu, mas possuia um inconveniente de estas instalaes serem muito altas, em torno de 30 metros. O ao lquido transferido para uma calha de distribuio(distribuidor) pelo fundo em panelas convencionais. O distribuidor serve para manter um certo volume de ao lquido, de modo a alimentar o molde com uma presso ferrosttica constante e controlar a vazo do ao para o molde. O molde(lingoteira) fabricado de cobre ou grafite, e tem um movimento oscilatrio para reduzir a aderncia do ao em suas paredes, alm disto, utiliza-se lubrificantes base de leo ou grafite. Durante a solidificao do ao no molde, o metal lquido forma um cone bastante alongado devido fraca condutibilidade trmica do mesmo, como pode ser visto na fig.6.2. O ao sai do molde na forma de barra ou placa e est slida somente na suaCentro Federal de Educao Tecnolgica do Esprito Santo 94

extremidade com cerca de 12 cm de casca solidificada(pele). O ncleo lquido ento solidificado logo abaixo na zona de resfriamento secundrio(3 a 12 metros), onde recebe jatos de gua (sprays) diretamente contra o veio. Isto tem como finalidade solidificar completamente a pea sem haver tenses ou deformaes sucessivas. O molde possui comprimento de 50 a 80 cm, de modo a proporcionar que a pele solidificada tenha resistncia prpria, para no romper ou inchar em demasia. Aps deixar o resfriamento secundrio, o resfriamento da pea se faz por irradiao, e finalmente a pea ento cortada geralmente por maaricos. Com o intuito de se reduzir a altura das instalaes, foi desenvolvido um sistema de encurvar o metal no veio depois de a placa estiver toda solidificada. As mquinas mais modernas so as de molde curvo, como visto nas fig.6.4 e 6.5. Nestas mquinas a placa ainda no totalmente solidificada encurvada na zona de resfriamento secundrio, por roletes guia temperatura de aproximadamente 12000C. Com isto a altura desta instalao fica um tero da altura da mquina vertical. Deste modo, estas mquinas podem agora serem instaladas no interior das alas de vazamento das aciarias. As mquinas de lingotamento contnuo normalmente possuem mais de um veio de vazamento ao mesmo tempo, para maior produo.

Fig.9.1 Esquema de uma mquina vertical de lingotamento contnuo.

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Fig.9.2 Esquema mostrando o cone de solidificao do ao no molde e os sensores para controle de nvel.

09.3 - OPERAO Inicia-se o lingotamento contnuo colocando-se a barra falsa no fundo do molde. A barra falsa deve ter um comprimento de modo que esta possa ser puxada tambm pelos rolos extratores. Inicia-se o vazamento do ao enchendo o molde at cerca de 100 mm da borda superior. Como o ao se solidifica rapidamente nas paredes do molde, ento, logo que o ao atinja a altura normal de lingotamento no molde, comea-se a puxar a barra falsa. Quando a ponta da placa solidificada j estiver em contato com os rolos extratores, pode-se retirar a barra falsa.

Fig.9.3 Esquema mostrando a colocao da barra falsa e incio do lingotamento

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Fig.6.4 Esquema mostrando uma mquina de molde curvo

Fig.9.5 Esquema mostrando a Mquina de lingotamento contnuo 1 da CST

09.4 - IMPORTNCIA DO CONTROLE DO PROCESSO NAS PROPRIEDADES METALRGICAS a) CONTROLE DO NVEL DO DISTRIBUIDOR E MOLDE As variaes de nvel e as oscilaes do molde favorecem o aparecimento de incluses de escria e porosidades, tambm regies com depresses que so preenchidas com p lubrificante, causam defeitos superficiais como trincas longitudinais e transversais no produto.

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b) TAXA DE RESFRIAMENTO DO MOLDE E RESFRIAMENTO SECUNDRIO O resfriamento do veio tem a finalidade de acelerar a solidificao do ao, fortalecer a pele solidificada e refrigerar a mquina. A taxa de resfriamento do ao influencia nas propriedades metalrgicas, pois afeta a distribuio de temperatura interna, uniformidade qumica e qualidade superficial. Um resfriamento inadequado contribui para a formao de trincas internas. O resfriamento secundrio tambm influenciado pelo tamanho do produto, velocidade de lingotamento e projeto da mquina. Hoje, o lingotamento contnuo representa mais de 90% da produo japonesa e j passa de 50% da produo 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 COMPARAO ENTRE CONVENCIONAL E CONTNUO. a Em peso:

OS

RENDIMENTOS

NO

LINGOTAMENTO

No lingotamento convencional, de 100 t de metal lquido obtm-se 84 a 86 t de placas, sendo o restante: 2 t de restos de panela e carepa e 14 t de pontas, oxidao e perdas na escarfagem .No lingotamento contnuo, as mesmas 100 t de ao lquido 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 ao lquido aproveitada, sendo necessrio o fornecimento do complemento de 55% pela eletricidade, combustvel, oxignio ou vapor. Dos 100% de energia presentes, apenas 21% ficam na placa ou tarugo, sendo o restante disperso na gua de resfriamento, ar ambiente, conduo atravs dos equipamentos, etc. No lingotamento contnuo, 80% da energia necessria fornecida pelo prprio ao lquido e apenas 20% so supridos externamente, sob a forma de eletricidade, combustvel, etc. Dos 100% de energia disponveis, 46% so utilizados no tarugo ou placa e 54% so levados na gua de resfriamento, vapor, etc.

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10 CLCULO DE CARGA NO PROCESSO LD

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