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

Forno Elétrico Médio Porte Capacidade 80 toneladas/corrida Potência 60 MVA Voltagem 400 - 900 volts Tap-to-tap 50 - 60 minutos

Classificação dos FEA quanto à potencia:

Circuito elétrico Linha de alta tensão Transformador Disjuntor Sub Estação Primário Secundário

bica/canal de vazamento vazamento EBT

Carregamento Fusão Refino Vazamento Aço Vazamento Escória

Fator custo: nível de limpeza presença de contaminantes

Fator custo: impacto no desempenho do forno Densidade da Sucata Fator custo: impacto no desempenho do forno 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

Preparação dos cestões de sucata Adição de carburante (coque ou restos de eletrodos) Sucata de chapa leve para amortecer o impacto da sucata pesada e facilitar a rápida formação do banho

Preparação dos cestões de sucata 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

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-reduzido

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 eletromagnética força

O Arco Elétrico Tensão constante corrente

direção do fluxo de calor O Arco Elétrico baixa corrente: fluxo horizontal alta corrente: fluxo vertical Tensão constante direção do fluxo de calor corrente

formação do banho líquido 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 Queimador 3 Eletrodo Eletrodo

Radiação nas paredes

sem formação de escória espumante arco longo alta tensão alta corrente formação escória espumante arco longo alta tensão alta corrente fusão arco longo alta tensão alta corrente

Injetores de carbono/oxigênio

Injetor supersônico de oxigênio Injetor de carbono Sistema de refrigeração Linha de escória Linha de metal

Objetivo do refino (ou oxidação) Refino e Vazamento. Objetivo do refino (ou oxidação) Atingir o nível de carbono especificado para o aço a ser produzido Reduzir o teor de fósforo no aço líquido abaixo da especificação (usualmente abaixo de 0,015%) Homogeneizar a composição e temperatura do aço Aquecer o aço líquido até a temperatura necessária para o vazamento.

Injeção de oxigênio: jatos supersônicos & jatos coerentes

(Eccentric Bottom Taping) Vazamento Vazamento com EBT (Eccentric Bottom Taping) Vazamento com Bica

Restrições no Vazamento Reduzir 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

Reduzir 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 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

Cestas para carregamento

Aquecedores de panela

Sistema de limpeza de gases

Sistema de limpeza de gases

Pré-aquecimento de sucata Cesta de carga de sucata Eletrodos Pré-aquecedor de sucata Lanças de carvão e oxigênio Sistema de injeção de ar de combustão Queimadores EBT

Forno de carcaça dupla

Injeção de gases pelo fundo

Forno elétrico de corrente contínua Eletrodo (catodo) (anodo)

Sistema de basculamento

Aço 53% 10% Escória 20% Gases 17% Resfriamento Energia Elétrica 60 – 65% Química 35 – 40%