Condicionamento de escorias em siderurgia

Condicionamento de escorias em siderurgia

O aço no mundo é produzido através de dois processos fundamentais: por meio de forno de arco elétrico e convertedor a oxigênio, que é chamado de metalurgia primária. Das subsequentes etapas do seu processo de produção surgem, portanto, as escórias, uma combinação de óxidos provindos, por exemplo, da oxidação do ferro e dos elementos de liga (Si, Al, Cr, Mn) presentes nas fontes de metálico utilizados no processo (sucata, gusa, DRI, HBI); de óxidos já presentes na própria sucata (FeO) ou nas fontes de metálico pré-reduzidas (CaO, MgO, SiO2 & Al2O3) e do desgaste do próprio refratário do forno elétrico, convertedor ou panela onde é processado o aço.

À primeira vista, a escória pode ser considerada um desperdício. Porém, ele é fundamental para a produção de aço, já que desempenha uma série de funções na siderurgia, tais como: remoção de impurezas (P&S); inclusão do aço líquido; proteção do refratário do forno elétrico e do forno panela dos efeitos do arco elétrico; isolamento do aço tratado termicamente dos efeitos da oxidação com o ar.

No processo de feitura do aço, os principais óxidos que participam da formação da escória são mostrados na Tabela 1. Como pode ser observado, existe um grupo de óxidos cujo ponto de fusão é superior às temperaturas sob as quais o aço é normalmente fabricado (1550-1750°C). As exceções são poucas: SiO2, FeO e CaF<SUB>2</SUB>. Felizmente os óxidos com ponto de fusão elevado em sua forma pura se apresentam em combinações complexas com outros, o que diminui o ponto de fusão da mistura e possibilita o processamento do aço/escória a temperaturas siderúrgicas.

Um desses exemplos é o Diagrama de Fases Binário CaO-MgO, onde se observa que a adição de MgO, por mínima que seja, ao CaO puro, diminui seu ponto de fusão paulatinamente até 2300°C, seguindo a linha conhecida como ‘liquidus’ – a partir da qual se precipitam os primeiros sólidos, quando uma mistura determinada é esfriada, sem que haja variação da composição química. Este tipo de interação ocorre entre vários óxidos, o que possibilita a formação de escórias fluidas às temperaturas siderúrgicas.

Para que a escória possa atender a essas funções, é necessário que seu condicionamento seja feito com a adição deliberada de outros óxidos e agentes redutores. Como mencionado, existem dois cenários principais no condicionamento de escórias: o tratamento primário, a partir de forno elétrico e/ou convertedor a oxigênio, e o secundário, mais conhecido pelo forno-panela, além de outros processos, que podem envolver ou não o tratamento em vácuo.

Para a abordagem do condicionamento, estabelecemos que existam dois grandes grupos de óxidos. Refratários, que têm o ponto de fusão mais elevado, como o MgO (2800°C) e CaO (2600°C), e fluidificantes, cujo ponto de fusão mais baixo serve para levar os óxidos anteriores em solução às temperaturas siderúrgicas (1550-1750°C). Tais óxidos são o SiO2, Al2O3 e compostos como o CaF2.

Além disso, o condicionamento de escórias é baseado no entendimento das relações que podem existir entre os diferentes óxidos. Para isso, são utilizadas ferramentas da termodinâmica, como os diagramas de Ellingham e os diagramas de fase, já conhecidos e publicados. Um exemplo do primeiro é mostrado na Fig. 1.

Este tipo de diagrama, também conhecido como de energia livre de formação de óxidos, combina a primeira e segunda lei da termodinâmica e permite visualizar o tipo de óxido mais estável a diferentes temperaturas, a factibilidade de formação dos óxidos sob condições diferentes de pressões parciais de O2 e relações CO/CO2 e H2/H2O, a factibilidade de redução de um óxido por um determinado metal e a ordem de oxidação preferencial de diferentes metais.

A abordagem do condicionamento no forno elétrico e na panela, mesmo que tenham os mesmos objetivos, deve ser diferente, já que o mecanismo de formação de escoria em ambos os cenários muda bastante.

No forno elétrico, o fluidificante principal é o FeO, formado pela injeção de O2 e pela ferrugem proveniente da sucata. Além disso, é almejado neste processo um tipo de escória viscosa, com a máxima quantidade de partículas de segunda fase presentes (basicamente precipitados de magnésio-wustita e silicato dicálcico). O objetivo é alcançar as melhores condições para formação de espuma, decorrente da reação de carbono injetado com o oxigênio dissolvido no metal líquido ou o FeO da própria escória, segundo as seguintes reações:

(FeO) + C -> Fe + CO

C+O -> CO

No caso da panela, a escória é formada pelas reações de oxidação das ligas que são adicionadas durante o vazamento, assim como pela própria escória que passa do forno elétrico, a mistura de vedação do EBT e as adições de fundentes e fluidificantes. Neste caso, a escória deve ser a mais fluida possível, com o objetivo de remover enxofre e formar uma camada de proteção nas paredes da panela.

Atualmente, existem modelos de termodinâmica computacional que permitem fazer simulações do condicionamento de escórias no forno e na panela, para os diferentes cenários de carga metálica, tipos de aço e condições operacionais. Estes utilizam o enfoque de balanço de massa para predizer a composição aproximada das escórias e os ajustes que devem ser feitos para atingir a condição desejada em cada situação. No entanto, é importante a validação prática das sugestões, por meio de observação direta dos efeitos das adições sugeridas, visto que, como todo programa, o computador oferece um modelo simplificado da realidade.

 

Francisco López
Francisco López
Formado em Engenharia de Materiais pela Universidad Simón Bolívar, Venezuela. É especialista em processos siderúrgicos da Magnesita desde Janeiro de 2012, onde trabalha no Departamento de Assistência Técnica. Na Magnesita, desenvolveu o treinamento de Fundamentos da Saturação de Escória de Forno Elétrico e Forno Panela, voltado especificamente para colaboradores do Forno Panela da Aciaria

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