AJUSTE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO AÇO CA-50 EM USINA SIDERÚRGICA SEMI-INTEGRADA

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1 AJUSTE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO AÇO CA-50 EM USINA SIDERÚRGICA SEMI-INTEGRADA Raul Rodrigues Pereira Rio de Janeiro 2009

2 Raul Rodrigues Pereira Aluno do curso de Tecnologia em Processos Metalúrgicos Matrícula AJUSTE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO AÇO CA-50 EM USINA SIDERÚRGICA SEMI-INTEGRADA Trabalho de Conclusão de Curso, TCC, apresentado ao Curso de Graduação em Tecnologia em Processos Metalúrgicos, da UEZO como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Tecnólogo em Tecnologia em Processos Metalúrgicos, sob a orientação do Prof. Mauro Carlos Lopes Souza. RIO DE JANEIRO DEZEMBRO DE 2009

3 Ajuste da composição química do aço CA-50 em usina siderúrgica semi-integrada. Elaborado por Raul Rodrigues Pereira Aluno do curso de Tecnologia em Processos Metalúrgicos da UEZO Este trabalho de Graduação foi analisado e aprovado com Grau:... Rio de Janeiro, de de 2009 Prof. Mauro Carlos Lopes Souza, DSc. (Orientador) Prof. José Roberto Moreira Ribeiro Gonçalves, Esp. Prof. Helton Luiz Alves Costa, MSc. Dedico este trabalho aos meus pais Gilberto e Jacqueline, pelo amor e confiança que depositaram em mim e que me impulsionaram para mais essa vitória. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL DEZEMBRO DE 2009

4 O momento mais importante desse relatório é agradecer às pessoas que contribuíram com seu tempo, dedicação e presença marcante nos períodos mais difíceis. Começo agradecendo a Jesus Cristo que esteve presente não só agora, mas em todos os momentos da minha vida, quando eu estava desanimado sua presença sempre me fortaleceu e me encorajou a continuar, Se te mostras fraco no dia da angústia, a tua força é pequena.(provérbios 24.10). Ao meu orientador, Mauro Carlos Lopes Souza agradeço pela grande ajuda e atenção.

5 Resumo O presente trabalho apresenta o processo geral de produção de aço em uma usina siderúrgica semi-integrada, enfatizando o refino secundário de aço. Neste trabalho são descritos os processos de refino secundário para o ajuste da composição química de aços CA-50 no Forno Panela. Palavras-chave: Refino secundário, aciaria, aço CA-50, Forno Panela.

6 Sumário 1 - Introdução O estado da arte Aço Usinas siderúrgicas Aciaria Lingotamento contínuo Laminação Processo geral de produção em uma usina siderúrgica semi-integrada Processo, produção e equipamentos Pátrio de sucata Classificação de materiais metálicos Características gerais das sucatas Sucata com elementos de ligas Sucata de aço carbono Necessidade de preparação da sucata para a produção de aço Metodologia O processo de fabricação do aço Matérias primas usadas no Forno Elétrico a Arco (FEA) Principais etapas envolvidas no FEA O Forno Panela Objetivos do Forno Panela As principais vantagens econômicas podem ser resumida em Ajuste da composição química dos aços CA-50 em usina siderúrgica semi-integrada Vazamento do aço líquido na panela Na temperatura pré-estabelecida Pouca escória no vazamento do aço líquido Quantidade de aço líquido na panela Adequação da composição química do aço Operação vazamento do aço líquido na panela Etapas para remoção de impurezas do aço Desoxidação Rinsagem Dessulfuração Resultados Operação de amostragem de temperatura e composição química Retirada de amostra e ajuste da composição química Informações técnicas do processo no Forno Panela Conclusão Referências Bibliográficas 33 Apêndice I 36

7 2 - O estado da arte Aço Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variáveis entre 0,008 e 2,11%. Distingue-se do ferro fundido, que também é uma liga de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%. A diferença fundamental entre ambos é que o aço, pela sua ductibilidade, é facilmente deformável por forja, laminação e extrusão, enquanto que uma peça em ferro fundido é fabricada pelo processo de fundição, em moldes que produzem as peças em suas formas definitivas. [1] No aço comum o teor de impurezas (elementos além do ferro e do carbono) estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de outros elementos já pode ser considerado aço de baixa-liga, acima de 5% é considerado de alta-liga. O enxofre e o fósforo são elementos prejudiciais ao aço, pois acabam por intervir nas suas propriedades físicas, deixando-o quebradiço. Por isso seus teores devem sempre ser inferiores a 0,005% e estar presente no aço em nível de traços. [2] Os principais insumos empregados na fabricação do aço são o minério de ferro, o carvão, a sucata e a energia elétrica. A importância desses insumos varia de acordo com a tecnologia adotada em cada usina siderúrgica. [1] Usinas siderúrgicas Existem dois tipos de usinas siderúrgicas: 1) Usinas siderúrgicas integradas: São usinas que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação. Nas usinas integradas o combustível mais utilizado é o carvão mineral. 2) Usinas siderúrgicas Semi-integradas: São usinas que operam duas fases básicas: refino e laminação. Estas usinas partem do ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridos

8 de terceiros para transformá-los em aço nas aciarias elétricas e sua posterior laminação. O insumo mais utilizado são as sucatas de aço. [5] A redução é o processo em que o ferro se liquefaz e é chamado de ferro gusa ou ferro de primeira fusão. Impurezas como calcário, sílica, etc. formam a escória, que é matériaprima para a fabricação de cimento. Os equipamentos empregados nesta etapa são a coqueria, que transforma o carvão mineral em coque e o alto-forno, cujo produto final é o ferro-gusa. A segunda é denominada refino. Nesta fase o ferro gusa é levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser transformado em aço, mediante queima de impurezas e adições de elementos de liga. O refino do aço se faz em conversores a oxigênio que é um equipamento altamente eficiente para converter ferro gusa em aço por meio da injeção de oxigênio. [4] Finalmente, a terceira fase do processo de fabricação do aço é a laminação. O aço, em processo de solidificação, é deformado mecanicamente e transformado em produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de transformação, como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras etc. [2] O processo produtivo das usinas semi-integradas compreende apenas as duas últimas etapas, quais sejam o refino e a laminação e utiliza a sucata ferrosa como insumo básico. Nestas usinas, a depuração química da carga metálica é realizada em fornos elétricos, tendo a eletricidade como fonte de energia preponderante Aciaria A aciaria é um setor dentro de uma usina siderúrgica onde o ferro gusa a ser transferido da unidade do alto-forno, ainda se encontra em estado líquido (ainda não é aço devido ao alto teor de carbono em torno de 4%), para ser obter aço o ferro gusa necessita ser refinado. Na aciaria de uma usina semi-integrada é utilizado um Forno Elétrico a Arco (FEA) para fundir o material metálico (sucata) diferente da aciaria de uma usina integrada. O insumo da aciaria de uma usina siderúrgica integrada é o gusa líquido (possui em torno de 4% de

9 carbono). Na aciaria ocorre o ajuste da composição química do aço e controle da temperatura de saída para o lingotamento contínuo. [5] Lingotamento Contínuo Ao chegar no Lingotamento Contínuo (LC), o aço se encontra em altas temperaturas (cerca de 1520 C). O objetivo do LC é transformar aço líquido em produtos semi-acabados (barras) para serem enviados à laminação (ou vendidos). É capaz de garantir melhor rendimento na aciaria e na laminação, redução de passes na laminação, melhorar a qualidade superficial e produzir um aço de melhor qualidade. O Lingotamento Contínuo se inicia após o processo de refino executado no Forno Panela. O aço é então, transferido para a panela do distribuidor e, em seguida, para o molde, onde se inicia a solidificação, que é finalizada na zona de resfriamento secundário. Na zona de corte (tesouras ou maçaricos) o aço deve estar totalmente solidificado, permitindo o corte das barras nos comprimentos desejados. [5] Os LCs também podem produzir outros formatos e secções nos aços lingotados, podendo ser produzidos blocos e placas que possuem maiores dimensões de secção que as barras redondas. Para produzir blocos e placas necessita-se de máquinas com projetos específicos Laminação Consiste na redução da área da seção transversal, com consequente alongamento, do produto recebido do lingotamento, para conformá-lo na apresentação desejada (chapas grossas, finas,barras redondas, perfis...). Dependendo da espessura, as chapas podem ser fornecidas sob a forma de bobinas, mas este acondicionamento pode não ser adequado ao uso em perfis soldados, pois as chapas têm a tendência de retornar a sua posição deformada na bobina, por ocasião da soldagem dos perfis. [4]

10 2.6 - Processo geral de produção em uma usina siderúrgica semi-integrada A figura seguir apresenta o fluxograma do Processo de Produção em uma Usina Semi- Integrada. Figura 1) Fluxograma do Processo de Produção na Aciaria semi-integrada (CMC Steel Alabama 2009) [9] Processo, Produção e Equipamentos. O processo de produção de uma Aciaria é constituído essencialmente pelo Pátio de Sucata, FEA, Forno Panela e Lingotamento Contínuo Pátio de Sucata O Pátio de Sucatas é o setor que prepara a carga metálica a ser utilizada na aciaria para o processo de produção do aço. Neste setor, ocorre o recebimento de sucatas, por meio de caminhões previamente pesados. As sucatas são classificadas, separadas e processadas por

11 meio de máquinas operatrizes. As principais máquinas são: pontes rolantes, guindastes, prensas e tesoura móvel. Figura 2) Prensa móvel (Sinobras, 2009) [10] Classificação de materiais metálicos O objetivo de classificar materiais metálicos está no fato de agrupá-los por suas características, tais como: tamanho, comprimento, densidade e composição química. Para classificar os materiais metálicos, podem ser usados os seguintes métodos: análise química, teste com imã e inspeção na descarga, conforme mostrado na tabela 1. Tabela 1) Explicação dos métodos utilizados para a classificação de materiais metálicos. Método Utilização Tempo de Custo Indicados para uso execução Análise Analisa todos os Lento Alto Metálicos com residuais química elementos químicos Teste com imã Somente informa se a sucata é magnética Rápido Baixo Metálicos inox 300 e aços alto manganês não imantam Inspeção na Inspeções visuais podem Imediato Baixo Qualquer caso descarga ocorrer erros. Pessoas treinadas erram menos Fonte: NBR 8747 (Terminologia), Norma que define as formas utilizadas nos diversos tipos de sucata, em função de sua classificação (NBR 8746). Utilizando estes métodos, os materiais metálicos são classificados, conforme suas características, sendo, então, encaminhados para uso imediato ou para os equipamentos de

12 industrialização. Os insumos mais utilizados na aciaria elétrica são sucatas de aço e ferro gusa Características gerais das sucatas - Composição química: sucata com elementos de liga, sucata de aço carbono. - Necessidade de preparação: sucatas prontas para uso e sucatas a serem beneficiadas. - Formato: sucata solta, sucata cortada, sucata prensada e sucata triturada Sucata com elementos de ligas É a que contém elementos de liga em sua composição química. Os elementos de liga mais comumente encontrados são: o cromo (Cr), o níquel (Ni), vanádio (Va), molibdênio (Mo) e cobre (Cu). Não há valores exatos para definir quando uma sucata deve-se enquadrar no grupo de sucatas com elementos de liga. Para efeito de especificação e controle, os teores dos elementos anteriormente mencionados devem estar acima de 1,5% para que se enquadrem como sucatas ligadas, tendo em vista que o ferro deve ser predominante no aço. [5] Sucata de aço carbono Nesta sucata, também chamada sucata ferrosa, o ferro como na maioria dos aços é o elemento predominante (em torno de 98% de Fe), seguido do carbono com teores abaixo de 2,11%, podem ser encontrados os seguintes elementos na tabela a seguir: Tabela 2) Elementos encontrados em sucatas de aço carbono Metálicos Cromo (Cr) Níquel (Ni) Molibdênio (Mo) Cobre (Cu) Estanho (Sn) Chumbo (Pb) Não metálicos Fósforo (P) Enxofre (S) Silício (Si) Silício (Si) Arsênio (As) Fonte: Introdução à Siderurgia, Edição: 2007.

13 Os elementos chamados de residuais podem prejudicar a qualidade do aço produzido, quando seus teores forem superiores aos valores especificados na composição química dos aços. [4] Tabela 3) Resumos dos elementos residuais Elemento químico Cu, Sn, Pb Cr, Ni, Mo, Va Ação São residuais metálicos em quaisquer aços. São residuais metálicos em aços ao carbono. Em aços especiais, podem ser usados. P, S São residuais não metálicos em quaisquer aços Fonte: CHIAVERINI, Vicente, 1914 Tecnologia mecânica / tratamento, 2 a edição, São Paulo: Mc Graw-Hill, Necessidade de preparação da sucata para a produção de aço As sucatas que necessitam ser preparadas são aquelas que são beneficiadas para aumentar a densidade, reduzir impurezas (óxidos, silicatos, etc) e diminuir os elementos residuais (P, S, etc). Os principais equipamentos utilizados para o beneficiamento de sucatas são: Tabela 4) Processo de beneficiamento e o produto de sucata obtido. PROCESSO PRODUTO Maçaricos de Oxi-corte Maçaricada (Baixa Produção) Prensa Pacote Pacotes (Média Produção) Prensa Tesoura Tesourada (Alta Produção) Shredder Shredded (Alta Produção) Sucatas prontas para a utilização são aquelas que possuem materiais de constituição bem definidos e conhecida e, como o próprio nome diz, não precisam de nenhum beneficiamento para ser utilizada no processo de produção de aço. Após a classificação das sucatas, o mesmo é alojado no pátio de sucatas e são separados conforme as especificações de tamanho, composição química, formato e densidade. Para a produção de um aço utiliza-se a sucata mais apropriada para o processo. 3 - Metodologia

14 3.1 - O processo de produção de aço O processo de fabricação do aço inicia-se na aciaria e tem como principal matéria-prima o ferro, que pode estar em forma de: sucata, gusa (sólido e/ou líquido) e ferro-esponja. A fabricação do aço requer muita atenção, pois sua composição química muda conforme o produto final. Para cada tipo de aço a ser fabricado utiliza-se uma sucata apropriada. Muitas aciarias utilizam o Forno Elétrico a Arco (FEA) para fundir a carga metálica. O FEA é considerado o elemento principal de toda a aciaria; todo processo pode ser comprometido se o forno parar por um tempo considerável. Esta fusão é realizada por meio da introdução no forno de três eletrodos de grafita, os quais originarão arcos voltaicos, promovendo a fusão por efeito Joule. A temperatura média obtida é de cerca 3500ºC. Devido a sua alta temperatura de trabalho, estes eletrodos feitos de carbono tendem a se oxidar e consumidos quando aquecidos. Por isso, existe um contínuo fluxo de água escoando pela superfície dos eletrodos promovendo uma isolação química e refrigeração dos mesmos. O forno tem uma capacidade de alimentação de 100 toneladas. Figura 3) Forno Elétrico a Arco (Siemens VAI,2009) [11] Durante os dois carregamentos para o preparo do aço, os cestões levam 30% da massa total em ferro gusa sólido e o restante em sucata já processada. O primeiro carregamento tem o maior peso, pois acomodam, além da sucata, o ferro gusa sólido. Durante a fusão, são introduzidas no forno duas lanças. Uma delas injetando oxigênio gasoso e outra, coque. Os óxidos serão os compositores da escória. Esta será composta por

15 substâncias surgidas por afinidade de reação com o oxigênio, e suas componentes metálicas são: alumínio, manganês, magnésio, silício, tungstênio, cromo e enxofre. Alguns óxidos, os mais pesados, demoram a reagir e acabam não se precipitando em escória, os óxidos possuem densidade menor que os correspondentes metais. Por isso, ficam sobrenadantes. [3] Após toda fusão, a escória flota e sai naturalmente por meio de uma porta. Neste momento, no final de toda corrida, quase toda escória é expulsa e o conteúdo do forno atinge a sua maior temperatura. A temperatura é medida por meio de um termopar descartável (que funde rápido) que o robô imerge no banho por meio de uma lança. Termômetros medidores de radiação infravermelho não são aplicáveis, pois não são capazes de medir a temperatura do banho. A todo este processo, ocorrido no FEA, dá-se o nome de Refino Primário Matérias Primas usadas no Forno Elétrico a Arco (FEA): a) Sucata: Material reciclado proveniente de produtos feitos de aço (veículos, máquinas, estruturas metálicas, etc). b) Gusa: Material produzido em Altos Fornos. Adicionado até 10% da carga fria, capaz de elevar o percentual de carbono no banho e é isento de elementos químicos residuais (Cu, Sn, Cr, Ni, Mo, etc). c) O Ferro-Esponja: É produzido no processo de redução. Adicionado até 10% da carga fria. Possui composição química conhecida e não introduz elementos químicos residuais normalmente encontrados na sucata. d) Cal: Provém de uma rocha constituída de cálcio chamada calcário. É a mesma usada na construção civil para pintar, fazer argamassa etc. É o formador de escória, captando impurezas do banho (cal calcítica) e protegendo o revestimento refratário do ataque químico (cal dolomítica) além de remover o P, S, Si, etc.

16 e) Energia: Elétrica (a mesma utilizada nas residências) e química através do uso moderado de oxigênio e gás natural. Principal fonte de energia para a fusão é o calor do arco elétrico estabelecido entre os eletrodos e a sucata. Os principais objetivos do Forno Elétrico a Arco são: - Fusão da carga metálica; - Descarburação (queima do carbono); - Elevação da temperatura do banho metálico; - Desfosforação (em alguns casos) Principais etapas envolvidas no FEA: I. Carregamento: Sucata adicionada no Forno, através de cestões preparados no Pátio de Sucata. Normalmente utilizam-se de 3 a 4 cestões por corrida de aço. [5] Figura 4) Cestão de carregamento de sucata (Konus Icesa S/A,2009) [12] II. Fusão: Após o primeiro carregamento inicia-se a fusão da carga. Quando a sucata estiver suficientemente fundida, adiciona-se o segundo cestão. Realiza-se nova fusão e o terceiro cestão é adicionado. Depois ocorre nova fusão da carga. A principal fonte de energia para a fusão é o calor do arco elétrico estabelecido entre os eletrodos e a sucata.

17 Figura 5) Fusão em Forno Elétrico. (Introdução a siderurgia, 2007) [13] III. Refino: Inicia-se após a última etapa de fusão. Possui a função de diminuir o teor de carbono (descarburação) e de fósforo (desfosforação) do banho líquido. Para isto são adicionados oxigênio e carbono através de lança manual ou por sistema automatizado, em operação chamada de refino oxidante. O oxigênio reage com diversos elementos, formando a escória do Forno. Oxigênio é injetado com carvão para formar CO na escória, formando uma espuma. A espuma formada favorece a fusão, podendo aumentar a eficiência em mais de 20%. A espuma protege o refratário do Forno do desgaste excessivo, reduz consideravelmente o ruído provocado pelo arco elétrico e diminui a perda de calor para as paredes do Forno. A desvantagem é o aumento da geração de gás CO. Figura 6) Refino oxidante. (Gallatin Steels, 2009) [14] IV. Vazamento: Após atingir o percentual de carbono (C) e a temperatura desejados, ocorre o vazamento do aço na panela, juntamente com a adição de ferros ligas dando início à desoxidação.

18 Figura 7) Carregamento do forno e formação do primeiro arco (UCAR CARBON COMPANY, 2001) [15] Figura 8) Fusão total da carga e vazamento do forno elétrico a arco (UCAR CARBON COMPANY, 2001) [15] A partir deste instante, o conteúdo do forno, agora aço, é vazado em uma panela, a qual já está posicionada e previamente aquecida para minimizar os choques térmicos cuja função é receber o aço fundido. O Trolley, porta panela, será o meio responsável pelo transporte da panela entre a primeira e a segunda fase. A segunda fase em que ocorrerá o refino do aço é chamado de Forno-Panela, Forno LF ou FP, pois é neste que ocorrerá todo procedimento de reaquecimento e homogeneização de substâncias. Nessa etapa do processo, o aço fundido receberá uma mistura de outros elementos a fim de atingir a especificação do produto solicitado. Um exemplo típico é a adição de ligas ferrosílicio (FeSi), ferro silício manganês (FeSiMn) e vanádio (V), podendo-se ainda mais carburante para atingir a composição correta. Após a adição, de um gás inerte para rinsagem, jateado a partir do fundo da panela, ocorre a homogeneização do aço. Pode-se utilizar como gás inerte o nitrogênio ou argônio. Todo este procedimento, ocorrido no Forno Panela por cerca de 30 minutos, recebe o nome de Refino Secundário. Todo e qualquer controle, seja elétrico, hidráulico ou pneumático, é feito por operadores, localizados em cabines protetoras, as quais possibilitam a visão de toda a corrida ou

19 vazamento de aço. No Forno-Panela, existem também outros três eletrodos de grafita, a fim de manter a temperatura da mistura por efeito Joule. Uma amostra deve ser coletada e analisada por um operador para verificação da composição do tipo de aço. As amostras coletadas são resfriadas, esmerilizadas a fim minimizar rugosidades, colocada em um queimador e então analisadas por meio de um espectrômetro. Caso o aço ainda não esteja no padrão determinado, uma correção deve ser realizada no banho ainda no Forno-Panela; as taxas de correção dos componentes variam de acordo com o produto final. Neste instante, no final de todo o processo de fornos, deve ocorrer o vazamento de aço a uma temperatura média de 1560ºC O Forno Panela No Forno Panela, ocorre o ajuste da composição química e dado um sobreaquecimento para compensar as perdas térmicas (ambiente), o oxigênio controla a química do processo, estando ele tanto na forma de óxidos quanto livre. É preciso ajustá-lo e, para isso, são usadas escórias. As escórias no Forno Panela absorvem os óxidos, controlam o ataque aos refratários, reduzem as perdas térmicas e fazem parte de todo processo onde exista aço líquido. O Forno Panela tem a função de aumentar a produtividade dos Fornos Elétricos de Fusão acertar a composição química específica para cada tipo de aço, e a temperatura de vazamento, conferir homogeneidade química à corrida (banho) e conferir a homogeneidade térmica do aço. O Forno Panela é capaz de aumentar a produtividade dos FEAs uma vez que permite : - A adição de carvão e ferro-liga, liberando o FEA desta etapa; - Acertar a composição química específica para cada tipo de aço por meio do acerto do teor de carbono com o carvão e acerto dos outros elementos (Mn/Si) com ferro-liga (FeSiMn/FeSi); - Estabelecer a temperatura de vazamento durante o processo de acerto da composição química, até atingir a temperatura ideal para o lingotamento;

20 - Conferir homogeneidade química à corrida (banho) e conferir homogeneidade térmica ao aço. [8] Para garantir a homogeneidade do banho durante toda a corrida, o aço é borbulhado com argônio ou nitrogênio (gases inertes) através de plug poroso no fundo da panela, para garantir uniformidade térmica e química do banho e auxiliar a flotação de inclusões e escória. A este procedimento dá-se o nome de rinsagem. Com a composição química e a temperatura acertada, libera-se a panela para o lingotamento contínuo. A checagem da composição é feita por meio da coleta de amostra e análise no espectrômetro de emissão ótica para análise química das amostras e de escórias. [5] Figura 9) Forno Panela (As Minas Gerais, 2009) [16] Objetivos do Forno Panela 1- Aumentar a produtividade do forno elétrico, ao produzir aços especiais, transferindo-se as operações antes realizadas com uma segunda escória, para o forno de tratamento. 2- Melhor controle da temperatura para o Lingotamento Contínuo. 3- Maior facilidade em atingir limites estreitos de composição e de propriedades mecânicas. 4- Obtenção de níveis de hidrogênio inferiores a 1,5 ppm e alcançar reduzidos teores de enxofre.

21 5- Fabricação de aços para esmaltação ou inoxidáveis ferríticos de baixo teor de Carbono. 6- Produção de aços ao cromo contendo carbono, em conversor a oxigênio. 7- Obtenção de níveis bastante baixos de enxofre, (normalmente inferiores 0,010%) As principais vantagens econômicas podem ser resumidas em: a) Redução nos gastos com materiais, tais como os elementos de liga, b) Menor consumo de energia, c) Aumento de produção, pois a unidade primária é aliviada de todo o trabalho metalúrgico, como: descarbonetação, dessulfuração, ajustes de composição, etc Ajuste da composição química dos aços CA-50 em usinas siderúrgicas semi-integradas. O termo CA é uma abreviatura de Concreto Armado. Os Vergalhões CA-50 são barras de aço com superfície nervurada, obtidas por laminação a quente de barrass de lingotamento contínuo e utilizados em armaduras para concreto armado. Produzidos de acordo com as especificações da norma NBR 7480/96. O sucesso do concreto armado se deve, basicamente, a três fatores: Aderência entre o concreto e a armadura; Valores próximos dos coeficientes de dilatação térmica do concreto e da armadura; e Proteção das armaduras feita pelo concreto envolvente. Tabela 5) Composição química das barras de aço CA-50 Elementos determinados % Aço CA-50 Ferro (Fe) 98,77 Carbono (C) 0,26 Manganês (Mn) 0,91

22 Fósforo (P) 0,03 Enxofre (S) 0,026 O ajuste da composição química dos aços CA-50 utilizando sucatas de procedências diferentes são apresentadas a seguir: Vazamento do aço líquido na panela Na temperatura pré-estabelecida; Com o mínimo de escória do forno; Quantidade correta de aço; Composição química adequada No momento do vazamento a panela, deve estar, segundo a gíria siderúrgica quase branca, ou seja, deve estar muito bem aquecida. Panelas aquecidas apresentam menores perdas de temperatura do aço liquido. Pois não haverá muita troca de calor entre o aço e a panela. [6] A panela deve ficar pouco tempo na frente do forno, aguardando o vazamento, para minimizar as perdas de temperatura para o ambiente. Caso contrário a panela perderá temperatura prejudicando o ciclo. [7] Panelas fora do ciclo de operação consomem mais energia e consequentemente roubam mais calor do aço líquido. Panelas sujas com escórias agregadas ao refratário também consomem mais energia e sujam o aço já processado. Normalmente, as perdas de temperatura apresentam pequena variação, do vazamento até a chegada da panela, na estação do Forno Panela. Quantos menos ocorrerem anomalias que alterem estas condições, melhores serão os resultados (custo e qualidade) do Forno Panela Pouca escória no vazamento do aço líquido

23 Em geral os fornos das aciarias possuem um moderno sistema de retenção de escória chamado EBT (Excentric Botton Tapping ou vazamento excêntrico pelo fundo) ou similares. Tal sistema possibilita o vazamento do aço quase livre de escória Quantidade de aço líquido na panela Muitas aciarias possuem balança na panela de vazamento, que permite exatamente a quantidade de aço. Quando não existe o registrador de peso, o controle é feito visualmente pelo operador, pelo nível de aço dentro da panela, em comparação com a borda livre da mesma ou tijolos refratários da panela. Este controle é necessário para que as ligas adicionadas no vazamento atinjam as concentrações esperadas Adequação da composição química do aço. A composição química somente estará adequada após o refino secundário do aço que ocorre no Forno Panela Operação de vazamento do aço líquido na panela A operação do Forno Panela começa no vazamento, sendo de responsabilidade do mesmo a adição de ligas durante o vazamento. A seguir são mostrados os elementos químicos e a especificação de cada um: Carbono (C) - O aço é vazado com o carbono compreendido entre 0,03% e 0,12 %. Este carbono deve estar abaixo do mínimo de composição química (0,42% como será visto mais a adiante), para permitir o trabalho metalúrgico (adição de ligas, ligar o Forno Panela, trabalho com escórias etc). Este aumento de carbono ocorre devido às ligas e fluxantes conterem carbono. Além disso, como os eletrodos são de grafita (carbono), estes também cedem carbono ao banho metálico. Silício (Si) e manganês (Mn) - Ocorre no Forno Panela o atingimento da composição química destes elementos. Os teores adequados desses elementos no aço são atingidos pela utilização de compostos de ferro, tais como FeSi, FeSiMn, etc.

24 Fósforo (P) - Já deve chegar na panela conforme os teores especificados. O FP não tem recurso metalúrgico para baixar o teor deste elemento. É aconselhado que o forno vaze o aço com um pouco menos de fósforo que o máximo permitido, pois podem ocorrer pequenos aumentos de fósforos (0,003%) nas operações do Forno Panela. Enxofre (S) - O enxofre já deve ser vazado do FEA com teores abaixo da faixa máxima. Cromo (Cr), cobre (Cu) e estanho (Sn) - O aço vazado já deve conter estes elementos abaixo da faixa máxima permitida. Nitrogênio (N) - O nitrogênio começa a ser introduzido na fusão no Forno Elétrico a Arco, onde seu teor, em qual já é atingido as especificações químicas. Após o vazamento seus teores tendem sempre a aumentar. Hidrogênio (H) - Em geral, não consta nas especificações, porém, ele influi em muito, na qualidade dos produtos lingotados. O hidrogênio sempre vai estar presente, pois, chega ao aço através de produtos metálicos. Nos aços especiais, provoca um defeito chamado de flocos (pequenas trincas internas nas barras) e Pin Holes nos aços comuns (pequenos furinhos na superfície das barras). O hidrogênio é um elemento fragilizante para os aços, pois, é muito pequeno e pode penetrar facilmente pela rede cristalina dos metais. Oxigênio (O2) - O oxigênio que está dissolvido no ferro reage com o mesmo, formando um óxido chamado de óxido de ferro (FeO). A tabela 6 exibe os teores médios dos elementos residuais no aço em 100 t de aço vazado. Tabela 6) Valores de concentração de elementos químicos em 100 t de aço vazado. Elemento Concentração Em 100 t de aço vazado Si 0,04% 40 kg Mn e C 0,05% 50 kg O 700ppm 70 kg FéFe 98% kg

25 O carbono combina mais com o oxigênio do que com o ferro. Este elemento, então passa a ser o responsável pela quantidade de oxigênio dissolvido no banho. O carbono se combina com o oxigênio dissolvido formando o monóxido de carbono (CO). C% é a concentração de carbono analisada em espectrômetro e o ppm é a concentração de oxigênio. A tabela 7 abaixo indica que, quanto maior for o teor de carbono do aço vazado, menor será o teor de oxigênio dissolvido. Tabela 7) Teores de C e ppm de O2 %C O2 ppm 0, , , Etapas para a remoção de impurezas do aço Desoxidação - Remoção do oxigênio residual do aço para criar condições termodinâmicas para a adição de elementos de liga. Os elementos químicos, normalmente utilizados nas aciarias, e chamados de desoxidantes, são: manganês (Mn), carbono (C), silício (Si), Alumínio (Al) e cálcio (Ca). Esses elementos são adicionados na forma de ferro ligas, ou compostos: manganês FeMn (ferro manganês), FeSiMn (Ferro silício manganês), carbono carvão, grafite e coque, silício FeSi (ferro silício), SiC (carbureto de silício), alumínio - (Al), Cálcio CaSi (cálcio silício). Na ordem dos elementos, na escala de afinidade de combinação com o oxigênio, os últimos têm mais facilidade de combinação que os primeiros Rinsagem - Rinsagem é o procedimento de injetar gás inerte na panela com aço líquido, via uma peça refratária, situada no fundo da panela, chamada de plug poroso. O objetivo é criar uma corrente ascendente no meio metal líquido que tem várias funções descritas a seguir

26 Figura 10) Borbulhamento de gás inerte pelo fundo da panela. (Introdução a siderurgia, 2007) [17] O gás inerte utilizado no ajuste da composição química do aço é geralmente o argônio. Esta injeção de gás inerte promove: homogeneização da temperatura do aço líquido contido na panela; homogeneização da composição química do aço e aceleração da subida dos óxidos formados na desoxidação para a escória. A utilização de gás inerte minimiza a formação de Pin Holes nas barras Dessulfuração - Operação é feita durante a rinsagem, com a panela na estação de tratamento, e o aço está sendo aquecido. Esta operação metalúrgica é executada com o objetivo de reduzir o enxofre (S) contido no aço. É importante que o aço já chegue no FP com teores de enxofre abaixo da especificação do aço, pois a operação de reduzir o enxofre aumenta os custos aos aços fabricados. [3] A dessulfuraçao é efetuada pela remoção do enxofre contido no aço pela escória, ficando nela fixado, sob a forma de sulfeto de cálcio. Porém, as condições para que isto ocorra devem ser: 1 Quanto maior for o CaO (cal) livre da escória, mais sulfeto se forma, Isto é obtido controlando-se a relação de óxidos da escória (CaO/SiO2) no mínimo 2, chamada de basicidade. A basicidade aumenta a possibilidade de formação de sulfetos ou obtenção de baixo teor de enxofre no aço.

27 2- Quanto menor for o oxigênio dissolvido no aço, melhor será a transferência de enxofre do aço para a escória. 3- Quanto menor a quantidade de oxigênio na escória, menor será o enxofre do aço. Por isso é que também não deve passar escória do forno que tem alto oxigênio. O nível de oxigênio da escória é controlado pelos teores de FeO + MnO, sendo estes óxidos componentes da escória. Para reduzir o enxofre do aço, é preciso que a soma dos dois esteja em cerca de 2%. 4- Para que a dessulfuração seja eficiente, é preciso que o aço esteja, no mínimo, na temperatura especificada; não se consegue obter boa dessulfuração com temperatura baixa.

28 4 - Resultados Operação de amostragem de temperatura e composição química A primeira tomada de temperatura e retirada de amostra é efetuada após o banho estar homogêneo térmica e quimicamente. Para se atingir a composição química desejada, são executadas a retirada de amostras e tomadas de temperatura sempre no mesmo local do aço na panela, e de preferência, as amostras de composição química devem ser feitas sempre na mesma temperatura. As tomadas de temperatura são realizadas por um equipamento chamado termopar, a lança com o termopar é colocada dentro da panela por um operador. Para realizar a medição de temperatura no banho, a lâmpada verde do pirômetro deve estar acesa. O termopar deve ficar fora do olho de rinsagem durante a medição da temperatura para garantir que a turbulência do aço não interfira na leitura. A luz amarela do pirômetro indica que a leitura da temperatura está sendo efetuada, a luz vermelha indica término da leitura da temperatura a lança deve ser retirada do banho no momento que a luz vermelha do sinalizador acender. Figura 11) Imagem do display de um pirômetro. (MSI, 2009) [18] Retirada de amostra e ajuste da composição química. A amostra de aço é retirada através de uma lança, formando-se uma espécie de bolacha que é retirada da lança ainda incandescente, com uma tenaz o operador pega a amostra e em seguida coloca-se a bolacha numa pia com água para se solidificar. A bolacha é colocada numa ferramenta chamada tesoura que serve para cortar a ponta da amostra. Em seguida

29 serão apresentados os procedimentos realizados para a retirada de amostra até o ajuste da composição química do aço: 1º Retirada de amostra de aço do forno panela, através de uma lança; 2º Utiliza-se uma tenaz, a amostra é transferida para um reservatório de água para ser resfriada. A amostra deve ser movimentada dentro do reservatório, para provocar um resfriamento homogêneo. 3º A amostra é retirada do reservatório e seca com ar comprimido; 4º O cabinho da amostra é cortado utilizando-se tesoura de bancada; 5º A amostra é lixada com lixa número 36 (lixa grossa). Em seguida utiliza-se uma lixa número 80 (mais fina), após a lixagem a amostra é esfriada num reservatório de água e secada com ar comprimido. A parte que foi lixada não deve ter contato com nada que possa transferir gorduras, graxas, sais, umidade, etc. 6º Após lixar as amostras na lixadeira rotativa, a amostra é preparada para análise no espectrômetro de emissão óptica (preparar a amostra); 7º A checagem da composição é feita por meio da coleta de amostra e análise no espectrômetro de emissão óptica para análise química das amostras e de escórias. Figura 12 ) Espectrômetro de emissão óptica (Universidade de Aveiro, 2009) [19]

30 Após a análise da composição química executado pelo espectrômetro é feito a comparação com a composição ideal do aço a ser fabricado. Assim pode-se saber quais elementos químicos devem ser adicionados na panela para o melhor ajuste da composição química do aço. Caso a composição química do aço não esteja dentro dos padrões, ocorre a adição de elementos para alcançar a composição do aço, via de regra toma-se outra retirada de amostra e novamente tem-se que comparar as análises feitas no espectrômetro com a composição química ideal do aço. Quando o aço esta dentro dos padrões pré-determinados, não é necessário adicionar mais elementos químicos, todavia a temperatura também deve estar dentro padrões, assim a panela contendo aço líquido pode ser liberada para a próxima etapa da produção de aço Informações técnicas do processo no Forno Panela Antes da panela de aço líquido ir para o LC, o Forno Panela tem que obter informações sobre a corrida do aço realizado. A tabela abaixo exemplifica valores médios do FP obtidos durante o refino secundário do aço. Tabela 8) Informações técnicas do processo no Forno Panela Si de chegada % 10 Temperatura de chegada ºC 1530 Temperatura de saída ºC 1551 TAP TO TAP min 32 Power ON min 11 Nitrogênio não Argônio - sim 502 l/min Energia consumida 1400 MW Tempo de permanência de uma corrida no Forno Panela min

31 5 - Conclusão A utilização de sucatas de qualidade no Forno elétrico a arco aumenta o rendimento e a qualidade do processo da produção de aço. Ocorrendo a redução do custo com a utilização de elementos de liga, consumo de energia elétrica e tempo. A utilização de panelas limpas e bem aquecidas no momento do vazamento do aço também é um fator importante. No refino secundário o objetivo de alcançar a composição química é beneficiado, pois o aço já chega próximo da composição ideal. Tendo-se uma boa rinsagem no aço, os elementos de liga adicionados na panela terão melhor homogeneização facilitando a obtenção do aço com a especificação desejada. O tempo de permanência do aço no Forno Panela é reduzido e o processo torna-se mais rentável. Portanto quanto mais próximo a sucata estar da composição química do aço em questão melhor será o rendimento no refino primário e no refino secundário. Também é importante ressaltar a experiência do operador no controle do processo tanto no FEA e no FP para que a produção tenha o objetivo alcançado. O produto final estará dentro das especificações técnicas e atenderá as necessidades do cliente final.

32 6 - Referências Bibliográficas [1] CHIAVERINI, Vicente, 1914 Tecnologia mecânica / tratamento, 2 a edição, São Paulo: Mc Graw-Hill, [2] ARAUJO, L. A. Manual de Siderurgia Produção. Editora Arte & Cultura, São Paulo: vol [3] CAMPOS, V.F. Tecnologia de Fabricação do Aço, UFMG, Vol.1, Belo Horizonte, 1983 [4] Siderurgia da matéria prima ao aço laminado, Vitória ES 2006 Autor: Marcelo Lucas Pereira Machado; Engenheiro Metalurgista UFF RJ [5] Introdução à Siderurgia, Autor: Marcelo Breda Mourão, São Paulo, ABM, ISBN: , Edição: [6] Bandeira, Raul C. Losada, José Carlos H. Queimadores Horizontais Oxi-óleo para aquecimentos de panelas de aciaria. Contribuição técnica à ABM para ser apresentada no seminário sobre Aciaria COAÇO COREF, dezembro de [7] Vatavuk, Paulo, Influência dos tempos de espera de uma panela sobre as perdas térmicas do aço liquido. Contribuição Técnica a ser apresentada no Seminário de Aciaria, Refratários e Fornos Elétricos em dezembro de 1989, Rio de Janeiro. [8] Introdução aos Processos de Refino Secundário dos Aços, 2006; Rizzo, Ernandes Marcos da Silveira; Assunto: SIDERURGIA; Páginas: 102; Editora/fornecedor: ABM ISBN X.

33 [9] CMC Steel Alabama, Commercial Metals Company. Disponível em < Acessado em 22 de outubro de 2009 [10] Sinobras, Siderúrgica Norte Brasil S.A Disponível em < Acessado em 14 de setembro de 2009 [11] Siemens VAI, Processes in the metals and mining industry Disponível em < Acessado em 20 de outubro de setembro de 2009 [12] Konus Icesa S/A, Soluções térmicas e siderúrgicas Disponível em < Acessado em 22 de outubro de 2009 [13] Introdução à Siderurgia, Autor: Marcelo Breda Mourão, São Paulo, ABM, ISBN: , Edição: [14] Gallatin Steels. Ladle Metallurgy Facility- Disponível em < Acessado em 05 de outubro de [15] UCAR CARBON COMPANY, The evolution of arc furnace, highligts of new Technologies, Columbia, [16] As Minas Gerais - Biblioteca Interativa. Disponível em < %20Mata/TeCer/Industria/bmp/grande011.htm> Acessado em 27 de outubro de [17] Introdução à Siderurgia, Autor: Marcelo Breda Mourão, São Paulo, ABM, ISBN: , Edição: 2007.

34 [18] MSI, pirômetro digital Disponível em < Acessado em 10 de outubro de [19] Universidade de Aveiro : Departamento de Geociências - Disponível em < > Acessado em 02 de outubro de [20] Bernauer, tecnologia do ar e meio ambiente, Catálogo geral de produtos e serviços.

35 Apêndice I A grande preocupação para minimizar os impactos ambientais na produção de aço, está no fato da utilização de sistemas de despoeiramento nos fornos de fusão e o aproveitamento dos pós e das escórias resultantes do processo da fabricação do aço. Assim o que seria prejuízo torna-se lucro e consequentemente a natureza não é tão agredida. Os pós e as escórias do processo siderúrgico são tratados para que possam se tornar produtos adequados para aplicação em pavimentos, lastro ferroviário e na fabricação do cimento portland muito utilizado na construção civil. Em algumas siderúrgicas os gases gerados no processo são reaproveitados para fornecer calor ao processo de fusão do aço e também na geração de energia elétrica em uma termelétrica acoplada a siderúrgica, fazendo com o que uma usina siderúrgica possa ser auto-suficiente na questão do consumo de energia elétrica. Em relação a utilização da água no processo de produção do aço, é feito um tratamento que visa a recuperação e a posterior reutilização no processo. A água é um bem muito caro e escasso então se deve ter uma atenção especial para a utilização racional deste recurso.

36 Figura 13 ) Sistema de despoeiramento (Bernauer, 2009) [20]