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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PINDAMONHANGABA PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇO Conversores Gilson Silva Santos Davi Ferreira Alves Fabiano Barros da Silva Trabalho apresentado ao Curso de Processos Metalúrgicos, disciplina Siderurgia, para obtenção da nota total ou parcial. Pindamonhangaba – SP 2011

Processos de Fabricação do aço

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Page 1: Processos de Fabricação do aço

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PINDAMONHANGABA

PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇO Conversores

Gilson Silva Santos Davi Ferreira Alves

Fabiano Barros da Silva

Trabalho apresentado ao Curso de Processos Metalúrgicos, disciplina Siderurgia, para obtenção da nota total ou parcial.

Pindamonhangaba – SP 2011

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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE PINDAMONHANGABA

PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇO Conversores

Gilson Silva Santos Davi Ferreira Alves

Fabiano Barros da Silva

Trabalho apresentado ao Curso de Processos Metalúrgicos, disciplina Siderurgia, sob orientação do Prof. Dr. José André para obtenção da nota total ou parcial.

Pindamonhangaba – SP 2011

Page 3: Processos de Fabricação do aço

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1

2. MATÉRIA-PRIMA E INSUMOS UTILIZADOS PARA PRODUÇÃO DO AÇO ........... 2

2.1. Sucata ................................................................................................................................... 3

2.2. fundente ............................................................................................................................... 7

2.3. Cal ........................................................................................................................................ 7

2.4. Desoxidantes ........................................................................................................................ 8

3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE OBTENÇÃO DO AÇO ................................ 8

3.1. Processos de obtenção do aço através do refino da gusa .................................................... 9

3.2. Processo Bessemer ..............................................................................................................10

3.3. Processo Thomas ................................................................................................................10

3.4. Processo LD ........................................................................................................................11

3.5. Processos Siemens-Martin ..................................................................................................12

3.6. Forno elétrico ......................................................................................................................13

3.7. Conversor a Arco Elétrico ..................................................................................................14

3.8. Conversor de Indução ........................................................................................................16

3.9. Processo Duplex ..................................................................................................................16

4. CONCLUSÂO ....................................................................................................................17

5. REFERÊNCIAS .................................................................................................................19

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1. INTRODUÇÃO

Como já foi estudado em outros capitulo, as matérias-primas para a produção do aço são o

carvão mineral (coque), minério de ferro (hematita) e o fundente (calcário). Esses

“ingredientes” são misturados num grande reator metalúrgico chamado de alto-forno. O

produto obtido do alto-forno é o gusa que além de possuir um teor considerável de carbono

aproximadamente 4,5%, possui também outros elementos residuais como fósforo, enxofre,

silício, etc.

Após a saída do alto-forno, o ferro gusa pode seguir dois caminhos: Ser transformado em

aço ou em ferro fundido. Quando destinado ao fabrico de aço, o gusa no estado liquida é

colocado em carros-torpedos que são enviados para aciaria. No estado solido o ferro-gusa é

matéria prima das fundições que fabricam ferro fundido.

Nesse trabalho nós nos limitaremos a tratar somente dos processos de fabricação do aço

nos variados tipos de conversores.

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PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DO AÇO

2. MATÉRIAS-PRIMAS E INSUMOS UTILIZADOS PARA PRODUÇÃO DO AÇO

As principais matérias-primas e insumos utilizados para produção do aço nos fornos

elétricos a arco ou nos convertedores ou nas unidades de refino secundário, de acordo com a

função no processo, podem ser subdivididos nas seguintes categorias:

Carga metálica

Gases industriais

Fundentes e/ou refrigerantes

Ferros-ligas e ligas nobres

Desoxidantes

A carga metálica para elaboração do aço nos fornos elétricos a arco ou nos convertedores

pode ser constituída de sucata de aço, sucata de ferro-gusa, produtos pré-produzidos (ferro

esponja) e ferro líquido. A proporção entre cada tipo de material varia nos dois processos, mas

não impede que as matérias-primas sejam analisadas em conjunto.

O ferro-gusa líquido constitui a parte predominante da carga metálica no caso de

convertedores e pode ser utilizado em aciarias elétricas com grandes vantagens em termos de

redução de tempo de elaboração do aço e redução de consumo de energia. A especificação da

composição do ferro-gusa liquido varia conforme as peculiaridades regionais e operação dos

alto-fornos, podendo gerar flutuações de composição em função do tipo de carvão utilizado,

do tipo de minério, da quantidade de oxigênio soprado nas ventaneiras, na vazão total de ar

insuflado, na injeção de finos de carvão, na temperatura do ferro-gusa na saída do cadinho e

outros.

Nas usinas siderúrgicas a proporção de ferro-gusa líquido na carga do conversor depende

de sua composição e temperatura (conteúdo térmico), da qualidade do aço a ser produzido, da

qualidade de carga sólida e da disponibilidade de sucata. Normalmente a carga liquida varia

entre 80% para convertedores produzindo aços baixo teor de carbono e 85 a 90% para aços

alto carbono; podendo chegar até a 100% da carga. Outro fator que determina o uso de ferro-

gusa líquido está relacionado a sua disponibilidade. Em algumas situações a sua taxa é

definida pelo tipo de aço que será fabricado e das dimensões do convertedor.

A utilização de ferro-gusa liquido pelas aciarias elétricas ocorre no caso da empresa contar

com um alto-forno na própria usina ou adquirir o ferro-gusa de empresas do tipo guseiras

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instaladas relativamente próximas da unidade industrial onde o forno elétrico esta montado

(normalmente a uma distancia de no máximo 30km). Neste caso o ferro-gusa liquido é

transportado por ferrovias ou por rodovias em panelas de projetadas para reduzir a perda de

calor e oferecer uma maior segurança no caso de solavancos. Com a utilização do ferro-gusa

liquido tem-se a transferência do calor sensível e do calor latente para a carga metálica solida.

Os principais componentes químicos do ferro gusa são: Ferro (Fe), Carbono (c), Manganês

(Mn), Silício (Si), Fósforo (P), Enxofre (S). A oxidação destes elementos gera uma

quantidade de energia que somada ao conteúdo térmico do ferro-gusa no estado liquido,

superam normalmente a quantidade de energia necessária para elaborar o aço, permitindo

assim a utilização de carga metálica sólida (sucata de aço ou ferro, ferro esponja e briquete).

O silício é um elemento de grande importância na produção de calor na operação LD. Sua

queima produz grande parte do calor necessário ao processo. Além deste fator, quanto maior o

teor de silício do ferro-gusa maior será o volume de escória formada e será necessário utilizar

mais cal (CaO) para neutralizar a sílica formada. Este maior volume de escória pode acarretar

problemas de projeções de escória com suas conseqüentes paradas para limpeza das

instalações do convertedor (coifa), cascão na boca, aumento do risco de acidentes, perda de

rendimento metálico e maior risco e poluição.

Os teores de enxofre e fósforo no ferro-gusa liquido ou solido estão relacionados

diretamente com a qualidade do carvão ou coque usado no alto-forno e da prática operacional

adotada nesta unidade fabril. Devido ao fato da composição química final do aço exigir

normalmente baixíssimos teores de S e P, o ferro-gusa carregado no convertedor ou no forno

elétrico a arco deve ser previamente dessulfurado, uma vez que tanto no forno elétrico a arco

como convertedor LD a dessulfuração é deficiente devido à injeção de oxigênio nestes

equipamentos. Esta etapa da dessulfuração pode ser realizada no carro-torpedo que transporta

o ferro líquido do alto-forno para a aciaria ou em panelas de ferro-gusa que transportam o

ferro-gusa liquido do carro-torpedo para ser carregado na aciaria em instalações

especialmente construídas para tal fim.

A obtenção de teores de fósforo cada vez mais baixo torna-se um dos grandes desafios na

produção do aço na aciaria. Também pode ser realizada a desfosforação prévia do ferro-gusa

liquido no carro-torpedo ou na panela de ferro-gusa, embora esta seja uma prática menos

comum, uma vez que, ao contrário da dessulfuração, um alto grau de desfosforação é possível

nos fornos de fundentes a base de cal e separação da escória durante o vazamento do aço.

2.1. Sucata

Em relação à sucata, esta pode ser classificada de acordo com uma série de critérios:

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Composição química, dimensões, densidade aparente e grau de contaminação. Cada usina

siderúrgica adota uma classificação da sucata considerando ainda o seu processo produtivo

,tipos de equipamentos utilizados na aciaria e no restante da usina, tipos de aços produzidos,

critérios utilizados na programação da produção da aciaria, percentual de ferro-gusa na carga1,

disponibilidade e confiabilidade dos fornecedores, dentre outros parâmetros. Apresenta-se a

seguir um exemplo de uma classificação que pode ser adotada por uma usina siderúrgica para

a sucata quanto a sua qualidade:

Sucata de aço primeira categoria

Sucata de aço pesada

Sucata de aço de segunda categoria

Sucata recuperada

Sucata de ferro-gusa

Briquete

A sucata de aço primeira categoria (figura 1) e a sucata de aço pesada (figura 2) são

normalmente retorno da própria usina siderúrgica. A sucata de aço de segunda categoria é

obtida do sucateamento de bens de consumo (também denominada de sucata de

absolescencia). Na sucata de ferro-gusa enquadramos o ferro-gusa sólido produzido nos altos-

fornos de usinas siderúrgicas integradas, a sucata de lingoteiras, placas de base e moldes,

canais do alto forno, cascão de panela de ferro-gusa e carro torpedo. A sucata recuperada

(figura 3) contendo ferro-gusa ou aço como principal componente. Este tipo de sucata é

obtido através do britamento e do peneiramento de despejos das usinas siderúrgicas,

principalmente escória de aciaria e sucata de lingotamento. O briquete (figura 4) é uma

matéria-prima gerada a partir do briquetamento de uma mistura contendo além dos

aglomerantes, lama de aciaria, carepa de escafagem manual de placas e resíduos ferrosos

adquiridos no mercado.

Figura 1 – Exemplos de sucata de aço de primeira categoria

1 No caso de usinas que utilizam freqüentemente cargas com uma alta percentagem de ferro-gusa, pode ser possível o uso de sucatas mais contaminadas para diluir o efeito prejudicial dos mesmos.

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Figura 2 – Sucata pesada Figura 3 – Sucata de ferro-gusa e recuperada

Figura 4 – Exemplo de sucata de aço absolescência processada na forma de pacote de

estamparia e de briquete produzido a partir de reciclagem de lama de aciaria

Um item de grande importância no caso de sucata é o grau de contaminação, pois

determinados elementos não são eliminados durante a realização do refino primário ou

secundário d aço, comprometendo assim toda uma corrida. Por este motivo, a sucata deve ser

rigorosamente selecionada para evitar a presença de elementos normalmente considerados

contaminantes por prejudicar as propriedades dos aços (enxofre, cobre, estanho, fósforo, etc.),

por aumentarem de forma indesejada a resistência mecânica do aço (níquel, cromo,

molibdênio, vanádio, nióbio, cobalto, etc.) por provocarem problemas nos equipamentos

envolvidos direta ou indiretamente na produção do aço (zinco) ou por representarem riscos de

explosões ou poluição durante o processo (óleo, gases combustíveis, extintores de incêndio,

concreto, terra, etc. ) ou por serem radioativos (césio, urânio, etc.).

Na preparação da sucata para ser carregada nos fornos de refino primário envolve etapas

como inspeção, separação da sucata por tipo, corte e compactação da sucata e carregamento

da sucata na canaleta de adição no conversor LD (figura 5) ou nos cestões (tamborões) para

adição no forno elétrico a arco (Figura 6). No caso da utilização de briquete, este material

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6

pode ser carregado no conversor através de silos, não necessitando estar presente na canaleta

de sucata.

No caso da preparação da sucata na caneleta para carregamento no convertedor deve ser

feita normalmente obedecendo a ordem de entrada no convertedor, ou seja: 1º - Sucata leve,

2º - Sucata pesada e 3º - Sucata de ferro gusa.

Esta ordem por finalidade evitar danos no refratário e para que a sucata de ferro-gusa não

fique no fundo do convertedor, evitar a variação do teor de carbono da corrida se a sucata

pesada não for fundida ou for fundida apenas na etapa de fim de sopro. Além disto, esta

ordem de carregamento ajuda a evitar o engaiolamento da sucata leve na boca do forno. No

caso da utilização de cestões para carregamento de sucata ou outras adições nos fornos

elétricos a arco, um aspecto de extrema importância é a estratificação (disposição em

camadas) da carga nos cestões. A correta realização desta etapa influencia diretamente na

produtividade dos fornos elétricos a arco e normalmente é de responsabilidade do Pátio de

sucata.

Fifura 5 – Carregamento da sucata de aço na canaleta de adição no convertedor

Figura 6 – Carregamento da sucata de aço no cestão no pátio ou galpão de preparação de

sucata e etapa adição da sucata no forno elétrico a arco.

Page 10: Processos de Fabricação do aço

7

As reações exotérmicas entre o oxigênio e os elementos químicos que compõem a carga do

forno elétrico a arco ou covertedor LD, principalmente o silício e o carbono do ferro-gusa ou

o carbono injetado no caso do forno elétrico a arco, aliado a pós-combustão de uma parte do

monóxido de carbono gerado nos fornos, fornecem uma parcela considerável da energia

necessária para aquecer, fundir e superaquecer a carga metálica sólida adicionada. Parte do

oxigênio ficara dissolvida ou absorvida pelo aço liquido e pela escoria.

Nos processos de refino primário e secundário, utiliza-se oxigênio de elevada pureza, a fim

de manter os teores de nitrogênio do aço dentro dos limites exigidos para a adequada

qualidade do produto, maximinizar a produtividade do forno e a capacidade de fundir a

sucata. O valor mínimo de pureza aconselhável é 99,7 a 99, 8%, com o restante constituído de

argônio e cerca de 50 ppm de nitrogênio.

Normalmente o oxigênio é produzido na própria usina siderúrgica nas estações de

fracionamento de ar que são responsáveis pela captação do ar atmosférico e o seu

fracionamento (subdivisão) em oxigênio, nitrogênio e argônio.

2.2. fundente

A utilização de fundentes na aciaria é necessária principalmente para a remoção de

impurezas durante o refino dos aços e para o controle da basicidade da escoria gerada durante

o refino. Os fundentes tambem podem atuar no sentido de controlar o ponto de fusão e a

viscosidade da escoria. Além das ações discutidas, os fundentes devem ainda satisfazer outras

condições como:

Não produzir vapores prejudiciais no domínio de temperaturas dos fornos de refino

Não apresentar toxidade para o pessoal da aciaria

Não provocar corrosão significativa nos revestimento refratário do forno

Não contaminar o aço com elementos nocivos

Não deteriorar as propriedades dessulfurante e desfosforante da cal.

Os principais fundentes, que em certos casos exercem também a função de elementos

refrigerantes para controle da temperatura do banho, utilizados numa aciaria são listados a

seguir: cal calcinita, dolomita, calcário, fluorita, dunito, carbeto de silício, minério de ferro,

sinter e minério de manganês.

2.3. Cal

Page 11: Processos de Fabricação do aço

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O principal fundente utilizado na siderurgia é a cal. Este material é utilizado no processo

de elaboração de aços nos fornos de refino primário principalmente com os seguintes

objetivos:

Acelerar a formação da escória reduzindo assim a projeção de aço durante o sopro de

oxigênio e para absorção de impurezas oriundas do processo de refino do aço;

Proporcionar uma boa dessulfuração e desfosforação devido a presença do CaO na

escória.

Conversão da escória ácida em uma escória básico dos fornos de refino.

A cal é de tal importância para a siderurgia que muitas usinas mantêm instalações na

própria planta operadas e/ou controladas diretamente ou por terceiros para a transformação do

calcário em cal, com as características adequadas ao seu processo produtivo e garantia de um

estoque de segurança.

2.4. Desoxidantes

Os materiais desoxidantes são normalmente adicionados durante a etapa de vazamento nos

fornos de refino primário objetivando corrigir o grau de desoxidação do aço visando aumentar

o rendimento das ligas adicionadas para correção de composição química, evitar projeções

devido ao excesso de oxigênio no aço aumentar o rendimento em massa de aço na panela e

adequar o grau de desoxidação da escória também pode ser afetado pela adição destes

materiais. Os desoxidantes também são adicionados nas estações de refino secundário com o

objetivo de reduzir a oxidação do aço liquido e aumentar a temperatura do aço liquido,

parâmetros fundamentais para o correto o correto vazamento do aço nas máquinas de

lingotamento contínuo ou mesmo convencional.

Os principais desoxidantes utilizados numa aciaria são o alumínio e o silício na forma de

Ferro-Liga. O alumínio comercialmente puro, para evitar contaminação do aço, é fornecido na

forma de pequenas barras, ou granulado em pequenas ou grandes esferas (gotão ou gota)

conforme a necessidade de precisão de dosagem. O silício é três vezes menos desoxidante que

o alumínio. A sua utilização se dá normalmente em corridas com restrição do teor máximo de

Al ou com necessidade de um maior teor de Si.

Os ferros-ligas são materiais usados primordialmente para acerto da composição química

do aço sendo adicionados no forno elétrico a arco ou na panela durante o vazamento. É

necessário que seu rendimento seja o mais estável possível e que possuam menor

porcentagem de impurezas.

3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE OBTENÇÃO DO AÇO

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Os processos de fabricação do aço podem ser classificados em:

a) Quanto à matéria-prima, o aço pode ser obtido a partir de:

Gusa - através dos processos Bessemer, Thomás, LD e Siemens-Martin, Sucata de aço -

através dos processos Siemens-Martin e Forno elétrico a arco, Ferro-esponja - através de

forno elétrico a arco

b) Quanto a fonte de energia os processos podem ser:

Autógenos - conversores, em que o calor é gerado pelas reações de oxidação, não autógeno -

em que o calor é gerado por combustível (processo Siemens-Martin) ou energia elétrica (forno

a arco ou indução)

c) Quanto ao tipo de forno:

Conversores - Bessemer, Thomas e LD

Fornos com abóboda - Siemens-Martin, forno elétrico a arco

Forno a cadinho - Forno elétrico a indução

d) Quanto ao produto (tipo de aço)

Aços comuns - conversores, Siemens-Martin, forno elétrico

Aços especiais para construção mecânica - Siemens-Martin, forno elétrico a arco.

Aços de alta liga (aço ferramenta, aços inoxidáveis, aços refratários) - forno elétrico a arco e

forno a indução

Aços muito especiais - forno elétrico a arco, forno de indução a vácuo

3.1. Processos de obtenção do aço através do refino da gusa

O ferro de primeira fusão (ferro gusa), é bastante heterogêneo e impuro, e os elementos

químicos de sua composição, estão acima dos valores aceitáveis para ser considerado

aço, como pode ser visto na tabela 1.

Tabela 1 – Relação entre composição química do ferro e do aço

E.Q Composição aproximada do ferro-gusa Composição aproximada do aço

C 3,50 a 4,50 0,06 a 2,00

Mn 0,50 a 2,50 0,50

Si 0,50 a 4,00 0,25

P 0,05 a 2,00 < 0,05

S 0,20 < 0,05

Page 13: Processos de Fabricação do aço

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Para transformar o ferro gusa em aço é necessário fazer uma sensível redução de todos os

elementos de sua composição, entre os processos mais utilizados para produção De aço em

escala industrial, temos o processo Bessemer, o processo Thomas, o processo LD, que são

classificados também como processos pneumáticos, o processo Siemens- Martin e os fornos

elétricos.

3.2. Processo Bessemer

Este processo baseia-se em diminuir o C, Si e Mn do gusa líquido soprando ar através do

banho e assim convertendo-o em aço. Por ser um processo ácido não são eliminados o P e

S, por este motivo a presença desses elementos deve ser mínima. O oxigênio do ar que se

combina com o C e Si da gusa gera calor suficiente para manter fundido o metal e a escória. O

equipamento em que se efetua este processo é chamado de conversor (figura 7), suas

características de construção, compreendem de uma carcaça de chapa de aços em forma de

pêra, revestida internamente com tijolos refratários. Normalmente usam-se refratários de

sílica (ácido) para evitar a reação com a escória ácida, resultante do processo. O fundo do

conversor é perfurado, para injeção de ar, e de fácil troca, já que sua vida útil, devido à

severidade no uso é baixa.

Figura 7 - Seção transversal esquemática de um conversor Bessemer. A parte inferir da figura mostra

as três posições típicas do conversor no decorrer do processo

3.3. Processo Thomas

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Constitui-se de uma carcaça cilíndrica de aço resistente ao calor, e seu interior é revestido

por materiais refratários de magnesita ou de dolomita, que permite a esse interior resistir ao

ataque da escória à base de cal, possibilitando que se trabalhe com gusa com alto teor fósforo.

É semelhante ao Bessemer, pois as características físicas e de sopragem são iguais ao

Bessemer, e também, processa gusa líquido e usa ar nesse processo. As reações químicas que

acontecem dentro desse tipo de conversor são praticamente as mesmas que acontecem no

conversor Bessemer, ou seja, a oxidação de impurezas, a combustão de carbono e a oxidação

do ferro. Porém, no conversor Thomas, o fósforo é retirado com a pela utilização da cal e do

enxofre isto é possível devido ao revestimento do forno de natureza básica.

Neste processo há duas desvantagens: a não eliminação do enxofre do gusa e o ataque do

silício ao revestimento interno, daí a necessidade do gusa ter um baixo teor de silício. 3.4. Processo LD

O processo LD, tem como princípio injeção de oxigênio, pela parte superior do conversor.

A injeção do oxigênio é realizada através de uma lança, constituída de três tubos concêntricos

de aço, em que O 2 passa pelo tubo central, e os dois tubos adjacentes servem para

refrigeração com água. A forma do conversor é similar ao conversor

Bessemer e Thomas, conforme (figura 8).

Características técnicas do processo e conversor:

Carga minério de ferro (pequena quantidade, opcional) + sucata (pequena

quantidade) + ferro gusa (líquido)+ cal;

Tempo de cada corrida 40 a 50 minutos;

Distância da lança a superfície do banho 0,3 a 1,2 metros

Capacidade de carga do conversor 100 toneladas;

Temperatura máxima utilizada no processo 2500 ºC;

Possuem sistema de tratamento de resíduos gasosos e sólidos, resultantes do

processo.

Oxigênio injetado tem uma pureza que varia de 90 a 95%.

As principais reações ocorrem nesta ordem, oxidação do Si, oxidação do C.

Page 15: Processos de Fabricação do aço

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Figura. 8 – Representação da produção de aço num conversor LD.

3.5. Processos Siemens-Martin

Os fornos Siemens-Martin são fornos nos quais podem ser realizados o refino do gusa e

também, a elaboração de aço a partir de sucata, o que não é possível nos conversores, pois

nestes o calor consumido é proveniente das reações de oxidação dos elementos do banho

metálico (carga líquida) por meio da introdução de ar ou oxigênio. Esses fornos são

constituídos de um mufla de tijolos refratários para receber a carga que pode ser sólida ou

líquida, e de dois pares de câmaras recuperadoras, também de tijolos refratários.

O forno funciona pelo sistema de regeneração do calor os gases quentes que saem do forno

vão aquecendo o gás (combustível se for o caso) e o ar, respectivamente, dando entrada no

forno em alta temperatura (figura 9). A inversão da câmara é feita de hora em hora, por meio

de válvulas, com o aquecimento da coroa, as chamas de natureza oxidante vão reduzindo o

teor de carbono, silício e manganês do gusa. Os materiais refratários utilizados no

revestimento dos fornos dependem da natureza da carga, se for silicosa (ácida) reveste-se com

refratários ácidos, se for fosforosa (básica) reveste-se com refratários básicos.

Características técnicas do processo e do forno:

Carga » minério de ferro (pequena quantidade, opcional) + sucata + ferro gusa

(líquido) + calcário (CaCO3). A carga pode ser constituída somente de ferro gusa ou

sucata.

Tempo de cada corrida » 4 a 5 horas;

Capacidade de carga do conversor varia de 50 a 300 toneladas;

Temperatura máxima utilizada no processo » 2000 ºC;

Page 16: Processos de Fabricação do aço

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A desoxidação é realizada através da adição de Fe-Si, Fe-Mn ou cal dependendo da

natureza da carga e do refratário;

O combustível utilizado pode ser gás natural, gás de coqueria ou óleo combustível.

Figura 9 - Representação esquemática de um forno Siemens-Martin

3.6. Forno elétrico

A produção de aços liga de alta qualidade (grande refinamento), é realizada através da

utilização de fornos elétricos. A grande vantagem desses equipamentos é a pureza da fonte de

calor (energia elétrica), onde o material a ser processado, não interage com o combustível, o

que não ocorre com os outros processos já descritos. Outro fator que diferencia esses

equipamentos dos demais, é que se consegue temperaturas elevadas, com fácil regulagem dos

parâmetros de energia elétrica, o que não se consegue por meio de combustíveis.

O sistema de aquecimento dos fornos elétricos podem ser direto e indireto. O aquecimento

direto é quando a corrente elétrica atravessa a carga. E o aquecimento indireto, ocorre quando

a corrente não tem contato com a carga, o calor transmite-se por irradiação.

De acordo com a forma de aproveitamento da energia, os fornos elétricos são classificados

em três tipos:

Fornos de arco voltaico;

Fornos de indução;

Fornos de resistência.

Page 17: Processos de Fabricação do aço

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A utilização dos fornos elétricos, e o processamento do ferro gusa para obtenção do aço,

desenvolvem-se em três fases:

1. Oxidação – onde são adicionados pedaços de minério de ferro, rico em óxido de ferro

com a finalidade de oxidar o carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre.

2. Redução (desoxidação do aço) – feita com adições de ferro, silício, ferro manganês, e

alumínio.

3. Acerto da composição desejada – com adições de elementos químicos previamente

determinados como: cromo, níquel, vanádio, tungstênio, cobalto e outros. Obtendo-se

os aços finos especiais para ferramentas, e o aço liga para componentes mecânicos de

equipamentos de grande responsabilidade

3.7. Conversor a Arco Elétrico

È constituído de uma carcaça de aço feita de chapas espessas soldadas ou rebitado, de

modo a formar um recipiente com o fundo abaulado. No seu interior essa carcaça na sua parte

inferior (chamada de soleira) por materiais refratários, de natureza básica (dolomita ou

magnesita) ou ácida (sílica), dependendo do tipo de carga que o forno vai processar. O

restante do forno é revestido com tijolos refratários silicosos. Em geral, as empresas compram

o gusa sólido e, juntamente com sucata de aço, forma-se a carga para alimentar os fornos

elétricos de produção de aço. Nestes fornos, a fusão da mistura de sucata de aço e ferro gusa

ocorre devido ao calor gerado por um arco voltaico, que se forma entre dois ou

três elétrodos de grafite colocados na parte superior (chamada de abóbada) do forno e a carga

metálica. A carga de um forno a arco é constituída basicamente de sucata e fundente (cal), e

nos fornos de revestimento básico, a carga deve ter quantidades bem pequenas de silício.

Durante o processo, algumas reações químicas acontecem: a oxidação, na qual se oxidam as

impurezas e o carbono, a desoxidação, ou a retirada dos óxidos com a ajuda de agentes

desoxidantes e a dessulfuração, quando o enxofre é retirado. É um processo que permite o

controle preciso das quantidades de carbono presentes no aço.

Após a fusão da carga, Oxigênio é injetado por uma lança diretamente no banho líquido e a

redução dos teores dos elementos de liga ocorre por oxidação. A fabricação do aço (refino) do

aço incorpora duas etapas, o refino primário e o refino secundário.

No refino primário são reduzidos os teores Carbono, Manganês, Silício e Fósforo, e o

calor liberado pela oxidação destes elementos químicos reduz o consumo de energia elétrica

do forno. Durante o processo de oxidação, a composição química do banho líquido é

monitorada por coleta de amostras e análise por Espectrometria de emissão ótica. Quando o

Page 18: Processos de Fabricação do aço

15

banho líquido atinge a composição química ideal, este é transportado para outro forno, a

composição química final do aço é acertada (refino secundário).

Neste segundo forno (forno panela), as “ferros-liga” (Fe-Mn ou Fe-Si) são adicionados. Estas

ligas funcionam como dessulfurantes e desoxidantes, isto é, reduzem os teores de Enxofre e

Oxigênio do aço.

O Enxofre é então reduzido pela formação do Sulfeto de Manganês (MnS) que vai para a

escória. Já quanto à desoxidação, é inevitável que parte do ferro, durante o refino primário,

sofra oxidação. Contudo, é interessante comentar que nem todo o Sulfeto de manganês

(MnS) e o Óxido de Manganês(MnO) vão para a escória. Parte destes compostos, bem como

o próprio Óxido Ferroso (FeO)permanecerão no aço como impurezas, chamadas de inclusões

não metálicas, as quais devem ser criteriosamente controladas pois afetam diretamente as

propriedades dos aços produzidos.

O Forno a Arco é o mais versátil para a produção de aço com as seguintes vantagens:

Permitem produzir praticamente todos os tipos de aços carbono, aços de baixa liga,

aços ferramenta, aços inoxidáveis, etc.

É um aparelho extremamente versátil, no que tange à carga, podendo ser operado com

100% de sucata.

Permite operações intermitentes e mudanças rápidas na produção dos fornos de aciaria, é o que permite obterem-se valores mais baixos de fósforo e enxofre.

É extremamente eficiente em termos energéticos (figura 10)

Figura 10 - Representação esquemática de um forno a arco elétrico

A tendência de instalação desses tipos de fornos é cada vez maior, com fornos de 200 a

250 toneladas. Os eletrodos são de grafite, ligados a um transformador de tensão de 100 a 300

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v, estabelecendo-se arcos entre os eletrodos, através da carga e a radiação do arco que funde o

metal. O carregamento do forno é feito pela abertura da abóbada, que gira, deixando o forno

livre para a carga. Há ainda uma porta, por onde são adicionados materiais como ligas,

formadores de escória, etc.

Uma bica de vazamento, mediante o basculamento do forno, “vaza” o aço para a panela depois de concluída a corrida.

3.8. Conversor de Indução

Utiliza energia elétrica para a produção do aço e também processa sucata. O conjunto que

compõe esse forno é composto de um gerador com motor de acionamento, uma bateria de

condensadores e uma câmara de aquecimento. Essa câmara de aquecimento é basculante e

tem, na parte externa, a bobina de indução. O cadinho é feito de massa refratária compactada

dentro dessa câmara, onde a sucata se funde por meio de calor produzido dentro da própria

carga. Para a produção do aço, liga-se o forno, e os pedaços de sucata que devem ser de boa

qualidade vão sendo colocados dentro do forno, à medida que a carga vai sendo fundida. Após

a fusão se completar e a temperatura desejada são atingidos, adiciona-se cálcio, silício ou

alumínio, que são elementos desoxidantes e tem como função a retirada dos óxidos do metal.

3.9. Processo Duplex

Consiste na combinação de dois processos, como por exemplo, conversor Bessemer ácido

e Siemens-Martin básico. No forno Bessemer, o ferro gusa proveniente do alto-forno é

inteiramente oxidado, de modo a reduzir ao mínimo os teores de Si e Mn e oxidar grande

parte do carbono. A seguir, o material é transferido ao forno Siemens-Martin básico, onde o

restante do carbono e o fósforo são oxidados. O aço é, então, acabado, recarbonetado e recebe

as adições finais de ferros-ligas.

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Tabela 2 – Resumo dos processos

Tipo de forno

Combustível Tipo de carga

Capacidade de carga

Vantagens Desvantagens

Conversor Bessemer

Injeção de ar comprimido.

Gusa líquido.

10 a 40 ton.

Ciclo curto de processamento (10 a 20 minutos).

Impossibilidade de controle do teor de carbono. Elevado teor de óxido de ferro e nitrogênio no aço. Gera poeira composta de óxido de ferro, gases e escória.

Conversor Thomas

Injeção de ar comprimido.

Gusa líquido, cal.

Em torno de 50 ton.

Alta capacidade de produção. Permite usar gusa com alto teor de fósforo.

O gusa deve ter baixo teor de silício e enxofre. Elevado teor de óxido de ferro e nitrogênio no aço. Gera poeira composta de óxido de ferro, gases e escória.

Conversor LD

Injeção de oxigênio puro sob alta pressão.

Gusa líquido, cal.

100 ton. Mínima contami-nação por nitrogênio.

Gera poeira composta de óxido de ferro, gases e escória.

Forno a arco elétrico.

Calor gerado por arco elétrico.

Sucata de aço + gusa, minério de ferro, cal.

40 a 70 ton.

Temperaturas mais altas. Rigoroso controle da composição química. Bom aproveitamento térmico.

Pequena capacidade dos fornos. Custo operacional.

Forno de indução

Calor gerado por corrente induzida dentro da própria carga.

Sucata de aço.

Em torno de 8 ton.

Fusão rápida. Exclusão de gases. Alta eficiência.

Pequena capacidade dos fornos. Custo operacional.

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4. CONCLUSÃO

Podemos concluir a partir do que foi exposto que cada processo utilizado para fabricação

do aço apresenta suas particularidades: o gusa liquido pede fornos com injeção a ar enquanto

as sucatas pede fornos elétricos. O tipo de aço após a fabricação, também depende desses

processos: fornos a ar produzem aço-carbono comum; fornos elétricos produzem aço de

melhor qualidade, cuja composição química pode ser mais rigorosamente controlada.

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5. REFERÊNCIAS

RIZZO, Ernandes Marcos da Silva. Introdução aos processos siderúrgicos. São Paulo,

Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005. P. 72-78.

CHIAVERINE, Vicente. Tecnologia mecânica. 2. Ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986

FERNANDO, Fernandes José; MATINS, Marcelo. Tecnologia dos materiais I. Disponível

em: http://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki Acesso em: 29 out.2011.