EMT 053 – Processos Metalúrgicos

Assunto: Aciaria Elétrica

Prof. Renato Minelli Figueira

Produção mundial de aço:

Fundentes

Minério

Carvão

Coqueria

Sinterização

Alto-Forno

LD

Forno Elétrico a

Arco

Forno Panela

Sucata Reciclada

Forno Elétrico a Arco (EAF)• Objetivo: fundir sucata metálica,

convertendo-a em aço líquido, utilizando energia elétrica, convertida em calor através pela radiação de arcos elétricos criados entre o(s) eletrodo(s) e peças de sucata sólida (Metalurgia Primária).

• Após a fusão, a composição do aço é ajustada no processo subseqüente de “Metalurgia Secundária” ou “Metalurgia de Panela” .

Desenvolvimento do Processo

• Século 19: primeiros desenvolvimentos do uso de arcos voltáicos

– 1810: Sir Humphry Davy demonstrou uso do arco elétrico para fundir ferro

– 1815: Pepys usa o arco elétrico para solda

– 1853: primeira tentativa de desenvolvimento de um forno de fusão elétrico

– 1978/9: patente para um forno elétrico a arco por Sir William Siemens

• 1907: é instalado nos EUA o primeiro forno elétrico a arco comercial por Paul Héroult

• Após II Guerra:

– Investimento em uma usina integrada: 1.000 US$/t capacidade

– Investimento em uma mini-steel (EAF): 140 – 200 US$/t cap.

– Alta demanda de aço e grande disponibilidade de sucata no após guerra

– Surgem empresas siderúrgicas na Europa a base de EAF para concorrer com as grandes usinas integradas americanas(Bethlehem Steel, US Steel) para produção de produtos longos a menor custo

Capacidade 80 toneladas/corrida

Potência 60 MVA

Voltagem 400 - 900 volts

Tap-to-tap 50 - 60 minutos

Forno Elétrico Médio Porte

Potencia Específica (KVA/t)

Classificação

<200 Baixa Potencia

200 - 400 Média Potencia

400 - 700 Alta Potencia

>700 Ultra Alta Potencia (UHP)

Classificação dos FEA quanto à potencia:

Circuito elétrico

Sub Estação Primário Secundário

Transformador

Disjuntor

Linha de alta tensão

bica/canalde vazamento

vazamento EBT

Carregamento Fusão Refino Vazamento Aço Vazamento Escória

GrupoComportamento Termodinâmico

Elemento

IElementos que são incorporados à escória

Ca, Mg, Si, Al, Zr, Ti, B

IIElementos que se dividem entre aço e escória

Mn, P, S, Cr, Nb, V

IIIElementos que são incorporados ao aço

Cu, Ni, Sn, Sb, Mo, Co, As, W

IVElementos que são vaporizados

Zn, Cd, Pb

• Fator custo:• nível de limpeza• presença de contaminantes

Densidade da Sucata

• Fator custo: impacto no desempenho do forno

R2 = 0,7515

0

50

100

150

200

250

300

350

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

Densidade (t/m3)

Pre

ço

(U

S$

/t)

Pesada

Média

Leve

Série4

Linear(Série4)

número de carregamentos

Efeito da densidade da sucata:• Carregamento com 2 cestões:

• custo mais elevado (sucata de maior densidade)

• menor tap-to-tap (~ 5 minutos)

• menor perda térmica (~ 10 kWh/t)

• menor oxidação (maior rendimento metálico)

• Carregamento com 2 cestões ou 3 cestões:

• Mercado com alta demanda: produtividade é mais importante

• Mercado sem demanda: custo é mais importante

Sucata de chapa leve para amortecer o

impacto da sucata pesada e facilitar a rápida formação do

banho

Preparação dos cestões de sucata

Adição de carburante (coque ou restos de

eletrodos)

Sucata pesada colocada abaixo do nível dos eletrodos

Preparação dos cestões de sucata

Sucata média/pesada com tamanho limitado para evitar a quebra

dos eletrodos

Preparação dos cestões de sucata

Sucata leve/média que permita a penetração

da chama dos maçaricos + cal

Preparação dos cestões de sucata

Sucata leve para permitir uma rápida

penetração dos eletrodos

Preparação dos cestões de sucata

Restrições no carregamento:

Sucata leve no topo da carga:

• evitar radiação sobre a abóbada

• operação com baixa potência (aumenta tap-to-tap)

• rápida penetração dos eletrodos de modo que a sucata sirva

de barreira à radiação

Restrições no carregamento

Sucata em frente dos queimadores:

• evitar rebote da chama sobre os painéis

• permitir uso de chamas longas

Peças de grande peso(lingotes, restos de distribuidor):

• baixa relação área para transferência de calor/massa

• baixa velocidade de fusão

• conseqüências

• aumentam o tempo de fusão

• aumentam o consumo de energia e eletrodos

• obstrução do vazamento

• limite: 2 a 3% do peso da carga

Restrições no carregamento

Sucata contendo materiais isolantes:

• pneus, borracha

• propiciam a quebra de eletrodos

Sucata contendo elementos não-oxidáveis:

• Cu, Ni, Sn, Sb, Mo, Co, As, W

Pré-reduzidoCaracterística DRI HDRI HBI

Fe Total (%) 90-94 90-94 90-94

Fe Metálico 83-89 83-89 83-89

Metalização (%) 92-95 92-95 92-95

Carbono (%) 1,0-3,5 1,0-3,5 0,5-2,5

P (%)* 0,005-0,09 0,005-0,09 0,005-0,09

S (%)* 0,001-0,003 0,001-0,003 0,001-0,003

Ganga (%) 2,8 - 6,0 2,8 - 6,0 2,8 - 6,0

Densidade (Kg/m3) 1600 -1900 1600 -1900 2400 - 2800

Densidade Aparente (g/cm3) 3,4 - 3,6 3,4 - 3,6 5,0 - 5,5

Temperatura de Descarga (ºC) 40 700 min. 80

* Dependendo do minério

DRI - Direct Reducted Iron - DRI frio é geralmente estocado na usina para posterior uso no FEA.

HDRI - Hot Direct Reducted Iron - é descarregado a quente do processo de redução e carregado no FEA a 650 C.

HBI - Hot Briquetted Iron - é briquetado a quente para transporte a longa distancia.

Gusa

4,2 %C

0,2 -0,6 %Si

0,3 – 0,6% Mn

1280 – 1400 ºC

Economia de Energia

sólido: 1,0 kWh/t gusa carregado

líquido: 3,5 a 4,5 kWh/t gusa carregado

antecipa a oxidação do carbono

maior consumo de oxigênio e cal

maior volume de escória (perda metálica)

O Arco Elétrico

Arco elétrico como condutor flexível movimenta-se de acordo com as forças

eletromagnéticas a posição do eixo do arco e seu

comprimento determinam a direção do fluxo de calor

volume do arco depende: tensão (comprimento) corrente (diâmetro)

condições de transferência de calor dependem da tensão e corrente

força

eletromagnética

O Arco Elétrico

Tensão constante

correntecorrente

O Arco Elétrico

Tensão constante

correntecorrente

direção do fluxo de calor

baixa corrente:fluxo horizontal

alta corrente:fluxo vertical

ignição do arco

arco curto

baixa tensão

alta corrente

penetração eletrodos

arco longo

alta tensão

baixa corrente

formação do banho líquido

arco longo

alta tensão

baixa corrente

Queimadores

Zonas

Quentes

Zonas

Quentes

EletrodoEletrodo

Queimador 1

Queimador 2

Queimador 3

Radiação nas paredes

fusão

arco longo

alta tensão

alta corrente

formação escória espumante

arco longo

alta tensão

alta corrente

sem formação de escória espumante

arco longo

alta tensão

alta corrente

Injetores de carbono/oxigênio

Sistema de refrigeração

Injetor supersônico de

oxigênio

Injetor de carbono

Linha de escória

Linha de metal

• Refino e Vazamento.

• Objetivo do refino (ou oxidação)1. Atingir o nível de carbono especificado para o aço a ser

produzido

2. Reduzir o teor de fósforo no aço líquido abaixo da especificação (usualmente abaixo de 0,015%)

3. Homogeneizar a composição e temperatura do aço

4. Aquecer o aço líquido até a temperatura necessária para o vazamento.

Injeção de oxigênio: jatos supersônicos & jatos coerentes

Vazamento

Vazamento com EBT

(Eccentric Bottom Taping)Vazamento com Bica

1.1. Reduzir a passagem de escória para a panelaReduzir a passagem de escória para a panela escória com altos teores de FeO e P2O5

eleva consumo de desoxidantes

provoca o retorno do fósforo

camada mínima de escória para evitar absorção de gases

reduzir a queda de temperatura

excesso escória perda de tempo para remoção antes do forno panela

perda metálica durante a remoção

Restrições no VazamentoRestrições no Vazamento

2.2. Reduzir a absorção de gasesReduzir a absorção de gases forma do jato durante vazamento: aberto/fechado

absorção de nitrogênio durante vazamento é menor

quando o teor de oxigênio alto

aços com alto teor de enxofre

Absorção de hidrogênio é função da pressão parcial do vapor d’água no

ar:

depende umidade do ar (dias úmidos, maior absorção)

depende temperatura ambiente (dias quentes, maior absorção)

varia ao longo do dia

3. Reduzir a temperatura do aço3. Reduzir a temperatura do aço queda de temperatura durante vazamento depende das

condições prévias da panela

jato aberto e jato fechado (condições do furo)

Esquema de potencia no FEA

Injeção de C

Injeção de O2

Queimadores

!00%

75%

50%

25%

Vaz

amen

to

Tempo (min)

Po

ten

cia

do

tra

nsf

orm

ado

r

Fusão Cesta 1 Fusão Cesta 2

Refino

Car

reg

amen

to C

esta

2

Car

reg

amen

to C

esta

1

60 65 70 75 8040 45 50 5520 25 30 355 10 15

Cestas para carregamento

Aquecedores de panela

Sistema de limpeza de gases

Sistema de limpeza de gases

Pré-aquecimento de sucata

Pré-aquecedor de

sucata

Cesta de carga de sucata

Sistema de injeção de ar

de combustão

Lanças de carvão e oxigênio

Eletrodos

Queimadores

EBT

Forno de carcaça dupla

Injeção de gases pelo fundo

Forno elétrico de corrente contínua

Eletrodo

(catodo)

Eletrodo

(anodo)

Sistema de basculamento

Aço

53%

10% Escória

20% Gases

17% Resfriamento

Energia

Elétrica

60 – 65%

Energia

Química

35 – 40%