Panorama do Setor Siderúrgico
0
Estudo Prospectivo
do Setor Siderúrgico
NT Fundentes e escorificantes –
situação atual com tendências
2025
Katsujiro Susaki
1
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
Presidenta
Lucia Carvalho Pinto de Melo
Diretor Executivo
Marcio de Miranda Santos
Diretores
Antonio Carlos Figueira Galvão
Fernando Cosme Rizzo Assunção
Projeto Gráfico
Equipe Design CGEE
Estudo Prospectivo do Setor Siderúrgico: 2008. Brasília: Centro de Gestão
e
Prospectivo
para Energia Fotovoltaica: 2008. Brasília: Centro de Gestão e Estudos
EstudosEstudo
Estratégicos,
2008
Estratégicos, Ano
200 p : il. ; 21 cm.
1. Fundentes – Brasil. 2. Escorificantes – Brasil. I. Centro de Gestão e
1.
EnergiaEstratégicos.
– Brasil. 2. Energia
Solar - Brasil. I. Título. II. Centro de Gestão e
Estudos
II. Título.
Estudos Estratégicos.
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
SCN Qd 2, Bl. A, Ed. Corporate Financial Center sala 1102
70712-900, Brasília, DF
Telefone: (61) 3424.9600
Http://www.cgee.org.br
Este documento é parte integrante do Estudo Prospectivo do Setor Siderúrgico com amparo na Ação 51.4 (Tecnologias
Críticas em Setores Econômicos Estratégicos) e Subação 51.4.1 (Tecnologias Críticas em Setores Econômicos
Estratégicos) pelo Contrato de Gestão do CGEE/MCT/2008.
Todos os direitos reservados pelo Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE). Os textos contidos nesta publicação
poderão ser reproduzidos, armazenados ou transmitidos, desde que citada a fonte.
2
Estudo Prospectivo do
Setor Siderúrgico
Supervisão
Fernando Cosme Rizzo Assunção (Diretor CGEE)
Horacídio Leal Barbosa Filho, (Diretor Executivo da ABM)
Equipe, CGEE
Elyas Ferreira de Medeiros, Coordenador
Bernardo Godoy de Castro, Assistente
Consultor, CGEE
Marcelo de Matos, De Matos Consultoria
Equipe, ABM
Gilberto Luz Pereira, Coordenador
Ana Cristina de Assis, Assistente
Comitê de Coordenação do Estudo
ABDI, ABM, Aços Villares, Arcelor Mittal
BNDES
CGEE, CSN
FINEP, Gerdau
IBRAM, IBS
MDIC, MME
Samarco
Usiminas
Valourec-Mannesmann, Villares Metals, Votorantim
Comitê Executivo do Estudo
Elyas Ferreira de Medeiros, CGEE
Gilberto Luz Pereira, ABM
Horacídio Leal Barbosa Filho, ABM
Lélio Fellows Filho, CGEE
Revisão
Elyas Ferreira de Medeiros, CGEE
Bernardo Godoy de Castro, CGEE
Endereços
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70712-900 - Brasília, DF
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E-mail: [email protected]
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3
SUMÁRIO
Resumo Executivo
6
Conclusão
7
8
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
Capítulo 2
DESCRIÇÃO SUCINTA DO PROCESSO SIDERÚRGICO –
8
UTILIZAÇÃO DE ESCORIFICANTES
Capítulo 3
PRINCIPAIS
ESCORIFICANTES
UTILIZADOS
NA
10
SIDERURGIA
Capítulo 4
FUNÇÕES
E
CONSUMO
DE
ESCORIFICANTES
NOS
PROCESSOS SIDERÚRGICOS
(4.1)
Na Carga dos Altos-Fornos
(4.2)
No Pré-Tratamento de Gusa
(4.3)
No Processo LD
(4.4)
No Processo do Forno Elétrico a Arco (FEA)
(4.5)
No Refino Secundário de Aços
Capítulo 5
11
11
13
14
15
15
Qualidade e Disponibilidade de Escorificantes Utilizados
na Siderurgia
Capítulo 6
Vetores Econômicos, Tecnológicos e Sociais
(6.1)
Evolução da Qualidade dos Aços: teores de P e S
(6.2)
Desfosforação e Dessiliciação do Gusa
(6.3)
Dessulfuração do Gusa e do Aço
(6.4)
Evolução da Qualidade dos Aços: “clean steels”
(6.5)
Carregamento de Gusa nos Fornos Elétricos a Arco (FEA)
16
17
17
18
19
20
21
4
(6.6)
Falta de Minério de Ferro Granulado e a Abundância de Pellet
Feed
(6.7)
Siderúrgicas e Mineradoras
(6.8)
Utilização Plena da Capacidade Metalúrgica das Escórias
(6.9)
Sucedâneo da Fluorita
(6.10)
Pesquisa e Desenvolvimento
Referências
21
22
22
23
23
25
5
Resumo Executivo
O objetivo desta Nota Técnica é o de apresentar o estado da arte da tecnologia
siderúrgica com relação aos fundentes e fluxantes, e analisar de que maneira os
diversos vetores econômicos, tecnológicos e sociais afetarão a forma como os
escorificantes serão utilizados na atividade siderúrgica no horizonte de 2025. Os
escorificantes são insumos de baixo valor e os problemas a eles associados são
basicamente a logística de transporte e suprimento de gás natural para calcinação.
Mas o que merece atenção para que o país se torne realmente um grande player
siderúrgico mundial é o domínio dos processos de refino de aço, para ficar apenas
na área relativa aos escorificantes. O interesse nacional deve se sobrepor aos
conflitos de interesse das usinas siderúrgicas com capital de diferentes origens.
Neste aspecto, é necessário um envolvimento muito maior das universidades e
instituições de pesquisa.
6
Conclusão
Os escorificantes (fundentes e fluxantes) são insumos siderúrgicos baratos e bem
distribuídos por todo o território nacional. Excetuando o caso da fluorita, que
merece
mais
pesquisa
para
desenvolver
um
sucedâneo,
as
preocupações
associadas aos escorificantes são a logística de transporte e o suprimento de gás
natural para a calcinação. Tal preocupação é justificável, uma vez que, em valores
aproximados, o consumo de escorificantes é da ordem de 300 kg por tonelada de
aço bruto mais gusa produzido pelas guserias independentes. No horizonte de 2025
isto equivale à demanda de cerca de 30 milhões de toneladas.
Dentre as ameaças ao desenvolvimento do setor siderúrgico brasileiro deve ser
ressaltada a dependência total de carvão mineral e coque siderúrgico importados,
que determinarão modificações nos processos, principalmente de redução de
minério de ferro nos altos-fornos, mas cujo efeito especificamente sobre os
escorificantes é pequeno.
Muito mais importante e crítico é a insuficiência de domínio tecnológico dos
processos siderúrgicos, particularmente a redução e refino, e as áreas relacionados
com este estudo — os escorificantes. Em essência, o escorificante é apenas um
insumo. Importante de fato é a metalurgia das reações metal-gás-escória, cujo
domínio é fundamental para se produzir aços mais nobres e diminuir custos. O
número de especialistas é insuficiente, a troca de experiências e informações entre
usinas também é insuficiente e, examinando outros grandes players siderúrgicos, a
qualidade da parceria indústria-academia no Brasil está muito aquém daquela
praticada naqueles países. É importante ressaltar este aspecto porque, salvo
exceções, não existe mais P&D nas empresas siderúrgicas e não há perspectivas de
serem recriadas. Assim, é urgentemente necessário fazer melhor uso da estrutura
existente que é o das universidades e institutos de pesquisa.
7
Capítulo 1. INTRODUÇÃO
A produção mundial e brasileira de aço bruto em 2007 foi de 1.344,3 e 33,8
milhões de toneladas, respectivamente. Neste mesmo ano, o consumo per capita
mundial(1) correspondeu a cerca de 200 kg e, nos países de economia madura, este
valor foi de aproximadamente 450 kg. A ONU — Organização das Nações Unidas —
prevê que em 2025 a população mundial chegará a 8 bilhões de habitantes(2).
Considerando-se, hipoteticamente, consumo per capita de 300 kg neste ano, a
produção mundial de aço bruto atingiria valores em torno de 2,4 bilhões de
toneladas. No Brasil, se o consumo per capita de 120 kg, em 2007, passar para 240
kg, em 2025, para a população de 230 milhões, prevista para aquele ano, o
consumo de aço atingiria 55 milhões de toneladas. Assim, considerando-se também
a exportação, é razoável supor que a produção brasileira de aço bruto chegue a
valores em torno de 80 milhões de toneladas para aquele ano. Dentre os inúmeros
desafios que tal número apresenta, está a questão dos escorificantes, ou seja,
fluxantes e fundentes, insumos imprescindíveis na fabricação do aço e que são
utilizados na “fase quente” do processo de fabricação do aço. O consumo brasileiro
estimado de escorificantes brutos para 2008 é de 12,8 milhões de toneladas, cujo
crescimento se dá proporcionalmente ao da produção de aço.
O objetivo desta Nota Técnica é retratar o estado da arte da tecnologia siderúrgica
no tocante aos escorificantes e analisar de que forma os diversos vetores
econômicos, tecnológicos e sociais afetarão a forma como os escorificantes serão
utilizados na produção siderúrgica no horizonte de 2025.
Capítulo
2.
DESCRIÇÃO
SUCINTA
DO
PROCESSO
SIDERÚRGICO
–
UTILIZAÇÃO DE ESCORIFICANTES
A Tabela 1 apresenta as etapas típicas de fabricação de produtos na siderurgia
brasileira. Excetuando-se a Usina de Ouro Branco, da Gerdau Açominas, todas as
usinas integradas produzem produtos planos. Nas semi-integradas, todas as usinas
brasileiras produzem produtos não-planos.
Os escorificantes são utilizados nas etapas de preparação da carga, redução, prétratamento de gusa, refino primário e refino secundário. As matérias-primas e os
combustíveis contêm gangas e elementos indesejáveis, cuja remoção é feita ao
longo de diversas etapas de processamento siderúrgico, via fase gasosa, caso do
CO, ou, na maioria dos casos, por meio da escória. É impossível produzir aço
8
totalmente isento de impurezas. Estas, na verdade, tendem a se distribuir entre o
metal líquido e a escória, também líquida. Assim, é necessário formar a escória com
características tais que apresentem máxima capacidade de absorção de impurezas
e, posteriormente, separá-la do metal líquido. Os escorificantes são utilizados
justamente para a formação destas escórias.
Tabela 1 – Etapas de fabricação de produtos siderúrgicos
ETAPAS DO
PROCESSO
1) Preparação da
carga
USINA INTEGRADA
USINA SEMI-INTEGRADA
- Sinterização
- Seleção e
- Pelotização
2) Redução
Condicionamento de Sucata
- Alto-Forno
3) Pré-tratamento
de gusa
4) Refino Primário
5) Refino
Secundário
- Dessulfuração
- Conversor LD
- Forno Elétrico a Arco
- Diversos Processos
- Diversos Processos
6) Conformação do
- Lingotamento
Metal Líquido
Contínuo
7) Conformação a
Quente
- Lingotamento Contínuo
- Laminação a Quente
- Laminação a Quente
- Forjamento
8) Conformação a
Frio
- Laminação a Frio
- Laminação a Frio
- Zincagem
9)
Processos
Revestimento
de
- Estanhamento
- Pintura
9
Nas usinas integradas, ou seja, naquelas onde se produz aço a partir de minério de
ferro, utilizam-se, nas fases de preparação de carga e redução, basicamente
fundentes brutos, calcário e dolomito e, nas etapas de refino, fundentes
beneficiados, as cales.
Nas semi-integradas, que produzem aço em fornos elétricos a arco utilizando
sucata como matéria-prima principal, os fundentes utilizados são essencialmente a
cal calcítica e a cal dolomítica.
Nos processos de refino secundário utilizam-se as cales e diversos tipos de
fluxantes, em particular a fluorita, com o objetivo de acelerar a formação da escória
e diminuir a sua viscosidade.
Capítulo 3. PRINCIPAIS ESCORIFICANTES UTILIZADOS NA SIDERURGIA
As
substâncias
com
propriedades
fundentes
utilizados
na
siderurgia
são
essencialmente CaO, MgO e SiO2. A principal substância fluxante é o CaF2. Os
portadores
destas
substâncias
e
algumas
das
suas
características
estão
apresentados na Tabela 2. O calcário é o principal portador de CaO e pode ser
utilizado bruto ou calcinado.
Quando se objetiva determinado teor de MgO na
escória, utiliza-se dolomito e ou seu equivalente calcinado, a cal dolomítica.
A principal fonte de SiO2 é o quartzito mas podem ser utilizados o dunito e o
serpentinito, que contêm também MgO, o que permite balancear a carga de
dolomito.
A fluorita é o principal minério portador de CaF2. É um material com excelentes
características fluxantes e para o qual ainda não se encontrou sucedâneo à altura.
Tabela 2 – Principais fluxantes utilizados na siderurgia
FLUXANTE
Calcário
Calcítico
Cal
Calcítica
Calcário
FUNÇÃO
Fundente
SUBSTÂNCIA
FLUXANTE
CaO
OBTENÇÃO/
CARACTERÍSTICA
BENEFICIMENTO
Carbonato
de
Cálcio
Separação
Ganga
da
e
Britagem
Fundente
CaO
Óxido de Cálcio
Fundente
CaO
Carbonato
de
Calcinação
do
Calcário Calcítico
Separação
da
10
Dolomítico
MgO
Cálcio
e
Magnésio
Cal
Dolomítica
Fundente
CaO
MgO
Ganga
Britagem
Óxidos de Cálcio
e Magnésio
Calcinação
Fundente
SiO2
do
Calcário
Dolomítico
Separação
Quartzito
e
Óxido de Silício
Ganga
da
e
Britagem
Fluorita
Fluxante
CaF2
Fluoreto
Cálcio
de
Separação
Ganga
da
e
Britagem
Capítulo 4. FUNÇÕES E CONSUMO DE ESCORIFICANTES NOS PROCESSOS
SIDERÚRGICOS
4.1 Na Carga dos Altos-Fornos
Na siderurgia brasileira operam duas classes de altos-fornos. A primeira é a dos
altos-fornos a carvão vegetal, de menor porte, destinados à produção de “pães de
gusa” e/ou fornecimento de gusa líquido aos fornos elétricos a arco. A segunda
classe é a dos altos-fornos a coque, de grande porte, das usinas integradas. Existe
outra diferença fundamental: enquanto nos altos-fornos a carvão vegetal a carga
ferrosa é constituída tipicamente por minério de ferro granulado, nos altos-fornos a
coque a carga ferrosa principal é o sínter, na faixa de 65 a 85%. O restante é
composto por minério de ferro granulado e ou pelotas.
a) Fundentes nos altos fornos a carvão vegetal
A Tabela 3 apresenta o consumo típico de fundentes nos altos-fornos a carvão
vegetal. A função principal destes fundentes é absorver os compostos não
redutíveis presentes no minério, particularmente Al2O3 e SiO2, e impurezas
presentes no carvão vegetal. Ao contrário do que ocorre nos altos-fornos a coque,
nos altos-fornos a carvão vegetal carregam-se fundentes britados, classificados
granulometricamente e sem outro beneficiamento adicional.
11
Tabela 3 - Consumo típico de fundentes nos altos fornos a carvão vegetal
FUNDENTE
CALCÁRIO
DOLOMITO
QUARTZITO
kg/t gusa
60
30
30
b) Fundentes nos altos fornos a coque
Nestes fornos, a prática comum é a de se carregar os fundentes já incorporados
aos aglomerados de minério de ferro (sínter e/ou pelota), com pequenas adições
isoladas no próprio alto-forno quando ajustes se fizerem necessários. A otimização
da marcha do alto-forno está associada fundamentalmente à permeabilidade dos
gases redutores e à resistência mecânica da carga. A produtividade de um altoforno é diretamente proporcional à vazão de ar quente que passa através da coluna
de carga. Neste sentido, é essencial que a permeabilidade seja maximizada. Por
outro lado, a coluna de carga num alto-forno de grande porte chega a mais de 25
m, o que impõe forte tensão de compressão sobre a carga, reduzindo a
permeabilidade. Entre outras variáveis, a composição química da escória gerada no
processo do alto-forno afeta profundamente aqueles dois parâmetros e os
fundentes são adicionados justamente para o seu controle, além da função de
absorção das impurezas contidas na carga.
c) Fundentes na fabricação do sínter
A Tabela 4 apresenta os fundentes e os consumos típicos na fabricação do sínter na
siderurgia brasileira. Obviamente, valores específicos em cada usina dependem não
só da própria composição química dos fundentes, mas também das características
do minério de ferro, carvão e coque utilizados. Também é fundamental considerar a
composição da carga do alto-forno, ou seja, as porcentagens de sínter, hematita
granulada e pelota. Muitas empresas adicionam todas as necessidades de
escorificantes por meio do sínter, mas, é evidente que, alterando-se a composição
da carga, se deve ajustar também as adições específicas dos escorificantes na
fabricação do sínter.
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Tabela 4 – Consumo típico de fundentes na fabricação de sínter
ESCORIFICANTE
kg/t sínter
CAL
CALCÁRIO
CALCÁRIO
CALCÍTICA
CALCÍTICO
DOLOMÍTICO
22 - 30
80 - 100
40 - 50
QUARTZITO
1,5 - 3,5
d) Fundentes na fabricação das pelotas
Apenas uma fração menor das pelotas fabricadas no Brasil é consumida no mercado
interno, sendo a maior parte exportada. Assim, o consumo de fundentes depende
da especificação definida pelo cliente. Existem pelotas tipo redução direta, pelotas
tipo alto-forno, pelotas com adições de dolomito, etc.
Assim, como no caso do sínter, a determinação da proporção das matérias-primas
da mistura para a pelotização envolve um cálculo matricial que considera a
composição química de cada um dos constituintes da mistura e a composição
objetivada da pelota, levando-se em conta algumas premissas básicas relativas ao
desempenho da fusão no alto-forno, por exemplo a %MgO e a basicidade
%CaO/%SiO2.
Uma característica relevante na fabricação das pelotas de minério de ferro é que a
granulometria dos constituintes da carga, inclusive fundentes, deve ser muito fina,
tipicamente mais de 80% menor do que 45
m. Em função do custo envolvido na
moagem, o consumo dos principais fundentes — calcário e dolomito — é em geral
menor do que na fabricação do sínter. As pelotas tipo redução direta são fabricadas
utilizando apenas aglomerantes, sem adição de fundentes. Entretanto, na fase
posterior de fabricação do aço, no forno elétrico a arco, consome-se uma
quantidade substancial de escorificantes.
4.2 No Pré-Tratamento de Gusa
No Brasil, a composição química do gusa líquido produzido nos altos-fornos a coque
apresenta tipicamente 4,5%C, 0,4%Si, 0,08%P e 0,03%S. Em alguns países,
particularmente Japão, Coréia do Sul e Taiwan, o gusa líquido é submetido ao prétratamento para reduzir os teores de Si, P e S. No Brasil é usual efetuar apenas a
dessulfuração do gusa, diminuindo o teor de S para valores em torno de 0,02 a
0,001%, conforme a aplicação do aço.
Existem em uso várias misturas dessulfurantes neste processo: barrilha (carbonato
de sódio), cal+Mg, cal+carbureto de cálcio, cal+fluorita, etc. No Brasil, e também
em escala mundial, o processo KR de dessulfuração de gusa é o que vem
13
apresentando maior crescimento. Aquele processo utiliza uma mistura constituída
tipicamente por 95% de cal calcítica e 5% de fluorita e seu consumo é da ordem de
8
kg/t
de
gusa.
Porém,
mesmo
como
complementar
às
outras
misturas
dessulfurantes e em outros processos, o consumo de cal calcítica é substancial e da
ordem de 2 a 5 kg/t de gusa.
Devido ao crescente aumento do custo da energia elétrica, a taxa de aumento dos
preços do Mg e do Carbureto de Cálcio é mais elevada que a da cal. Aliado à
melhoria de desempenho dos processos que utilizam cal + fluorita e seus
congêneres, a cal será cada vez mais utilizada como principal insumo de
dessulfuração do gusa. A cal é produzida a partir da calcinação do calcário e, nas
usinas integradas, o processo LD é o principal consumidor. Entretanto, este
processo utiliza cal de granulometria restrita, usualmente na faixa de 20 a 50 mm.
Assim, as frações mais finas geradas na fábrica de cal são utilizadas na sinterização
(muito finas) e na dessulfuração do gusa (finas), diluindo o custo da cal bitolada
destinada aos conversores LD.
O enxofre presente no gusa provém essencialmente dos redutores, coque e carvão
mineral, carregados no alto-forno. O gusa produzido nos altos-fornos a carvão
vegetal não é dessulfurado porque o teor de S contido neste redutor é muito baixo.
4.3 No Processo LD
No conversor LD, aproximadamente 15% de sucata e 85% de gusa dessulfurado,
este com cerca de 4,5%C, sofre refino oxidante, ao final do qual o teor de C é
diminuído para valores em torno de 0,05%. Este processo é acompanhado pela
oxidação de outros elementos, sendo especialmente importante a formação de FeO,
SiO2 e P2O5. A cal é adicionada no processo LD com a finalidade de absorver estes
produtos da oxidação e outras impurezas de origem exógena, dando origem à
escória que é separada do aço refinado durante o vazamento. A Tabela 5 apresenta
uma composição típica da escória de LD.
Tabela 5 – Composição típica de escória de conversor LD
COMPONENTE
CaO
SiO2
Fe,tot
MgO
MnO
P2O5
Outros
% em peso
46
13
21
9
4
2
5
14
Utilizam-se dois tipos de cales: a calcítica e a dolomítica. A dolomítica contém cerca
de 35% de MgO e sua adição visa saturar a escória em MgO e, com isto, minimizar
o desgaste do revestimento refratário do conversor LD.
O consumo específico de cales é determinado fundamentalmente pelo teor de Si do
gusa. Como este sofre oxidação praticamente total, é necessário adicionar cales
suficiente para que a basicidade binária (relação %CaO/%SiO2) da escória atinja o
valor ótimo para o refino, em torno de 3,5 a 4,0, e a referida saturação em MgO.
Nas usinas integradas brasileiras este consumo equivale aproximadamente 35 kg
de cal calcítica e 23 kg de cal dolomítica, por tonelada de aço líquido.
4.4 No Processo do Forno Elétrico a Arco (FEA)
Em torno de 20% da produção brasileira de aço é realizada em FEA, cuja matériaprima principal é a sucata de aço. Além desta, a carga é composta, nos casos mais
freqüentes, por cerca de 30% de gusa líquido ou sólido. O gusa não só atua como
um
diluidor
das
impurezas
não
removíveis
presentes
na
sucata,
mas,
principalmente, como fonte de calor, devido à oxidação de Si e C. Tal como no
processo LD, adicionam-se fundentes para escorificar os óxidos formados bem
como impurezas exógenas que acompanham a carga metálica. O consumo de
escorificantes no FEA é fortemente dependente do tipo de aço produzido. Assim, na
produção de aços comuns, a quantidade típica de cales consumida no FEA é 25 a 30
kg de cal calcítica e 7 a 12 kg de cal dolomítica por tonelada de aço líquido. Na
produção de aços especiais o consumo é substancialmente maior. Da mesma
forma, a composição química da escória depende do tipo de aço. A Tabela 6
apresenta a composição química típica da escória de refino de um aço comum.
Tabela 6 – Composição típica de escória de FEA (aços comuns)
COMPONENTE
CaO
SiO2
Fe,tot
MgO
MnO
Al2O3
Outros
% em peso
35
14
25
7
5
5
9
4.5 No Refino Secundário de Aços
Após o refino primário (LD ou FEA), o aço bruto vazado na panela é enviado a uma
ou mais unidades de refino secundário para controle mais preciso da temperatura e
composição química. As variedades de processos bem como suas características
são muito diferentes entre si e não há espaço para detalhamento neste estudo.
15
Entretanto, é importante ressaltar que boa parte do consumo de fluxantes, senão a
maior, se dá nesta etapa de refino de aço. E, invariavelmente, o fluxante utilizado é
a fluorita. Este material acelera a fusão dos fundentes e diminui a viscosidade, duas
características muito importantes para melhorar a limpidez do aço, ou seja, é um
material essencial para a obtenção de aços mais nobres.
Capítulo 5. Qualidade e Disponibilidade de Escorificantes Utilizados na
Siderurgia
A Tabela 7 apresenta a especificação química típica de escorificantes. Nos calcários
e nos dolomitos o teor de SiO2 é crítico, pois esses fundentes são adicionados
principalmente para conferir um certo valor de basicidade (%CaO/%SiO2) à escória.
Se, por exemplo, a basicidade objetivada for 3, para cada ponto percentual de SiO2
consumir-se-ia 3 % de CaO da própria cal para neutraliza-lo, e não o SiO2 de
origem exógena, resultando em aumento de consumo de cales.
Tabela 7 – Especificação química típica de fundentes e fluxantes
siderúrgicos
Cal
Cal
Calcítica
Dolomítica
< 1,5
> 90
55-65
-
15-20
<1
<6
32-37
-
<2
<2
> 95
<3
<3
<7
-
-
-
-
-
>70
<5
<5
ITEM
Calcário
Dolomito
Quartzito
CaO
> 52
30-40
MgO
<3
SiO2
CaF2
PPC
Fluorita
Nas cales, além do teor de SiO2, o teor de S é fundamental porque este fundente é
também utilizado como dessulfurante. Portanto, é mandatário que no processo de
calcinação se utilize combustível de baixo teor de S.
Os calcários e dolomitos são recursos minerais abundantes e distribuídos por todo o
território nacional, como mostra o trabalho de Chaves e Chieregati(3). A região
sudeste, onde se concentra a produção siderúrgica brasileira, está bem servida
16
quanto a esses recursos. Além disso, mesmo nos novos e potenciais pólos
siderúrgicos, como Ceará, Maranhão e Pará, não há problemas de disponibilidade.
Capítulo 6. Vetores Econômicos, Tecnológicos e Sociais
Os fundentes e fluxantes são insumos siderúrgicos de baixo valor, não apresentam
problemas de preço e nem de suprimento. Assim, a análise que se aplica não é
sobre eles e sim sobre a influência das duas pontas do processo produtivo, ou seja,
matérias- primas (metálicos e combustíveis) e dos produtos (aço) sobre a sua
utilização, especialmente na forma de escórias siderúrgicas. Essencialmente, a
forma ideal de utilização dos escorificantes consiste em se gerar a menor massa
específica possível de escórias, compatível com a qualidade do aço produzido.
6.1 Evolução da Qualidade dos Aços: teores de P e S
Para ilustrar esta evolução, bastaria comparar a especificação dos aços utilizados
na fabricação do casco do Titanic com o dos navios atuais. Sem entrar em maiores
detalhes, dois elementos químicos merecem destaque: S e P, devido aos seus
efeitos deletérios sobre as propriedades mecânicas e sua relação com os
escorificantes.
Por exemplo, o aço HT780 (limite de resistência 780 MPa). utilizado na ponte
japonesa Akashi, construída em 1998, apresenta teores típicos de S e P iguais a
0,001% e 0,007%, respectivamente (Tabela 8)(4). Estes teores residuais são
conseguidos mediante tratamentos de dessulfuração e desfosforação do gusa e do
aço, no qual o principal agente refinador é a cal calcítica.
Os aços baixo carbono comuns não apresentam dificuldades quanto à obtenção de
valores especificados de P e S, inclusive porque são valores não muito baixos. Os
que apresentam dificuldades são os aços estruturais, nem sempre porque os
valores especificados são muito baixos, mas por apresentarem composição química
tal que requerem adições de ferro-ligas em grande quantidade e diversidade. Os
ferro-ligas frequentemente apresentam concentrações relativamente elevadas de
impurezas, especialmente P. Esta classe de aços exige também condições de refino
secundário fortemente redutor, o que favorece a reversão do P, isto é, a
transformação do (PO43-) presente na escória de conversor LD em P solúvel no aço.
17
Tabela 8 – Evolução dos aços HT780
ANO
C
Si
Mn
P
S
Cu
Ni
Cr
Mo
V
B
Nb
1958
A
0,14
0,22
0,84
0,019
0,017
0,25
0,75
0,55
0,44
0,05
0,004
-
1971
B
0,12
0,26
0,82
0,12
0,007
0,21
0,93
0,53
0,47
0,06
-
-
1998
C
0,08
0,20
0,91
0,007
0,001
0,25
0,98
0,40
0,40
-
0,0004
0,02
A - Desenvolvido nos Estados Unidos
B - Utilizado na construção da ponte Minato Oobashi - Japão
C - Utilizado na construção da ponte Akashi - Japão
Uma das medidas para a obtenção de aços com baixo P é a tecnologia da retenção
mecânica de escória por ocasião do vazamento do aço líquido para a panela. Tratase de uma solução que envolve essencialmente engenharia de processo de aciaria e
engenharia de equipamento. Embora seja de baixa complexidade, as soluções são
do tipo “tailor made”, de acordo com o lay-out de cada usina. Seria desejável que
houvesse
condições
de
criação
e
crescimento
de
empresas
brasileiras
de
engenharia de projeto e construções de equipamentos siderúrgicos periféricos como
estes.
6.2 Desfosforação e Dessiliciação do Gusa
O suprimento de minério de ferro das siderúrgicas do Japão, Taiwan, Coréia do Sul
e parcialmente a China, é preponderantemente feito pela Austrália, devido à
questão do frete. Em função da menor disponibilidade e encarecimento dos
minérios mais nobres, estes países têm se abastecido de minérios com teores mais
elevados de P e de água de constituição. Como consequência, o teor de P no gusa
produzido nestes países é mais alto, da ordem de 0,09 – 0,13%P, quando
comparado com 0,08%P do gusa brasileiro. Esses teores mais elevados levariam
aos dois problemas: (i) dificuldade de obtenção de aços com baixo P e; (ii) maior
consumo de cales no processo LD.
Atualmente, praticamente todas as usinas japonesas, e algumas dos países
mencionados, praticam a dessiliciação e desfosforação do gusa antes de carregá-lo
no conversor. No Brasil, somente a Arcelor Mittal-Inox adota essa prática, tratando,
no entanto, de um caso parrticular, uma vez que o seu produto é o aço inoxidável.
Com esta tecnologia consegue-se produzir aço com baixos teores de P e obter
18
sensível diminuição na geração de escórias siderúrgicas em comparação ao
processo tradicional. Tal diminuição de geração de escória obviamente significa
menor consumo de fundentes, de fluxantes, de energia e menos agressão ao meio
ambiente.
Do ponto de vista econômico, esta alternativa não se aplica à siderurgia brasileira
no momento atual em que ainda se dispõe de minério de ferro de baixo P. A
situação poderá mudar quando as demandas por aços de P mais baixo forem
crescentes e quando o sinter feed passar a apresentar teores mais altos de P. A
tecnologia de dessiliciação e desfosforação de gusa já tem cerca de 25 anos no
Japão, período durante o qual passou por mudanças e está em vias de chegar ao
ponto de equilíbrio(5). A sugestão é que se inicie já uma troca de idéias entre as
usinas brasileiras, capitaneado por uma instituição acadêmica ou entidade de
classe, de modo a ganhar tempo e chegar a soluções otimizadas.
6.3 Dessulfuração do Gusa e do Aço
Como mencionado em 4.3, dois vetores forçarão a convergência no sentido de se
dessulfurar gusa utilizando cal calcítica: aumento do preço da energia elétrica, com
consequências sobre os preços de magnésio e carbureto de cálcio, e o aumento do
preço do carvão e coque, este por sua vez implicando a compra de redutores com
teores mais elevados de S. A isto, acrescenta-se um novo vetor que é o recente
status do país como futuro grande produtor de petróleo. Os aços destinados à
indústria do petróleo — extração, transporte, refino e navios petroleiros — são
especiais e em grande volume. Uma característica comum a todos estes aços é o
baixíssimo teor de S.
A tecnologia de dessulfuração do gusa e refino secundário para abaixar mais ainda
o teor de enxofre existe e é dominada para teores de até 0,005%S. Para valores
inferiores, cujos aços certamente terão sua demanda aumentada, os processos de
refino ainda não estão otimizados. As equações nas quais se baseiam os
“softwares” de dessulfuração são essencialmente empíricos, baseados na análise
estatística de resultados. Para se chegar ao patamar de aços ultra baixo S é
desejável
aprofundar
o
conhecimento
sobre
o
assunto,
especialmente
os
mecanismos cinéticos. Em se tratando de mecanismos, por isto mesmo fortemente
dependente da escala e dos tipos de equipamento, é imprescindível que os
desenvolvimentos sejam feitos com estreita colaboração entre academia e
indústria.
Aços com S ultra baixo geralmente requerem dessulfuração complementar no seu
refino secundário, frequentemente com tratamento de modificação de morfologia
de inclusões, utilizando-se ligas de cálcio. O processo de dessulfuração envolvendo
19
as etapas que compreendem, desde o vazamento do aço até o término do refino
secundário, também
são assuntos para
os quais ainda há
margem
para
desenvolvimento.
Uma grande preocupação é o suprimento de gás natural para a calcinação do
calcário, pois teores baixos de S nas cales são determinantes. Uma alternativa seria
a calcinação utilizando lenha. De fato, atualmente existe um sem número de
pequenos fornos de barranco para a produção de cales, mas que apresentam sérios
problemas sociais e ambientais. A manipulação de cal virgem é uma operação
extremamente agressiva, cuja criticidade só é comparável à utilização parcial de
lenha nativa nestes fornos. Trata-se de problemas que devem ser solucionados.
6.4 Evolução da Qualidade dos Aços: “clean steels”
O “steel cord” é um outro tipo de aço que ilustra a importância das escórias de
refino e, por conseguinte, os escorificantes. Os “steel cord” são fios de aço de
altíssima resistência (classe 3000 a 4000 MPa), utilizados na fabricação de
pneumáticos, cujos aspectos críticos são: o controle da morfologia, a composição
química e o baixíssimo teor de inclusões não-metálicas. São poucas as usinas
produtoras deste material no mundo, dentre os quais se inclui a brasileira
ArcelorMittal -João Monlevade.
A evolução dos aços para obter a máxima relação “resistência mecânica/peso”, uma
imposição ditada pelo menor consumo de materiais e combustíveis e tornar
possíveis obras e equipamentos antes impossíveis, é o que faz dele a liga a mais
bem sucedida dentre as ligas metálicas. Nos processos de fabricação dos aços
extra-limpos (clean steels), o papel do escorificante é fundamental, mas seu valor
intrínseco é insignificante. Nem mesmo os equipamentos de refino são decisivos, já
que se encontram à disposição para compra no mercado. Assim, no que tange aos
escorificantes, para que o Brasil produza não só aços do tipo commodity,
mas
também os especiais, o desafio que se apresenta é dominar o seu processo de
refino.
A área dos clean steels é uma das que mais sofre falta de atenção por parte da
academia, menos na caracterização e mais no desenvolvimento de processos,
principalmente por envolver altas temperaturas e, novamente, haver necessidade
de estreito relacionamento com a indústria. Não é por outro motivo que mais de
50% da demanda mundial dos steel-cord e aços para molas de válvulas de motores
são atendidos pelas siderúrgicas japonesas, que apresentam grande dispêndio em
P&D. No Brasil, considerando-se que o dispêndio das empresas siderúrgicas em
P&D é pífio, seria desejável que se fizesse melhor uso das universidades e institutos
de pesquisa.
20
6.5 Carregamento de Gusa nos Fornos Elétricos a Arco (FEA)
Tradicionalmente, aproximadamente 35% da carga de ferrosos dos FEA são
constituídos por gusa, em geral sólido. A vantagem do gusa é seu efeito diluidor
das impurezas contidas nas sucatas de aço e seu conteúdo térmico, na forma de C
e Si, ou seja, permite economizar energia elétrica. Esta economia é ainda maior
quando se carrega gusa líquido, o que já é feito em algumas usinas semiintegradas que recebem gusa líquido em panelas transportadas por caminhões.
Devido ao aumento de preço dos “pães de gusa”, supridos por guserias
independentes, a tendência que se vislumbra é a instalação de mini altos-fornos
junto às aciarias elétricas, o que já é realidade na usina da ArcelorMittal - Juiz de
Fora.
O aspecto mais crítico é o do carvão vegetal consumido nestes altos-fornos, mas
também sobram alguns efeitos sobre os escorificantes. Enquanto nas usinas semiintegradas os escorificantes são essencialmente as cales, especialmente calcítica e
dolomítica, com a implantação dos mini-altos fornos, estes passarão a consumir
calcário, dolomito e quartzito. Isto se a carga do mini alto-forno for constituída de
minério de ferro granulado, caso da maioria absoluta. Como a escala de produção é
da ordem de 150 mil toneladas anuais de gusa nestes altos-fornos, ainda é mais
econômico pagar um preço maior pelo material granulado do que instalar planta de
sinterização para consumir sinter-feed. Dada a pequena escala de produção, o
transporte dos escorificantes brutos deverá ser rodoviário. O consumo típico de
escorificantes nos mini altos-fornos é 60 kg de calcário, 30 kg de dolomito e 30 kg
de quartzito por tonelada de gusa, não havendo problemas tecnológicos relevantes.
6.6 Falta de Minério de Ferro Granulado e a Abundância de Pellet Feed
Recentemente, devido à alta do preço do minério de ferro, a atenção tem se
voltado para os finos da classe pellet feed, gerado e estocado às centenas de
milhões de toneladas ao longo dos anos.
Devido aos custos dos tratamentos de concentração e de pelotização, as pelotas
são caras quando comparados ao sínter e ao minério granulado. Entretanto, devido
à sua maior pureza e à melhoria proporcionada na permeabilidade da carga, a
utilização das pelotas promove aumento de produtividade do alto-forno. De
qualquer forma, a sua participação na carga dos altos-fornos é pequena, da ordem
de 5 a 15%, no Brasil. As pelotas utilizadas são do tipo ácido, sendo a necessidade
de escorificantes adicionada na forma de sínter, de modo que a alteração do
consumo total de escorificantes na carga do alto-forno é mínima.
Para
pedidos
específicos,
em
que
se
deseja
produzir
pelotas
contendo
escorificantes, o aspecto não exatamente crítico, mas econômico, é a necessidade
21
de moagem de calcário e/ou dolomito para granulometrias muito finas (< 0,10
mm), compatíveis com o processo de pelotização(6).
A possibilidade é pequena, mas é possível que, no longo prazo, aumente tanto a
escassez de minério de ferro granulado quanto a oferta de pelotas, de tal modo que
os mini altos-fornos venham a ser carregados, ao menos parcialmente, com
pelotas. Mas o efeito disto sobre a questão escorificantes é mínima.
6.7 Siderúrgicas e Mineradoras
A concentração do suprimento brasileiro de minério de ferro em praticamente um
só fornecedor, a Vale, tem levado as usinas brasileiras a se proteger tornando-se
elas
próprias
mineradoras
para
atender
às
suas
necessidades,
ao
menos
parcialmente. Como a geração de finos é inevitável e é característica própria do
minério, surge a questão do que fazer dos finos da classe pellet feed. Uma planta
de pelotização envolve custos elevadíssimos que só se pagam com grande escala
de produção.
Uma possível rota de produção seria a utilização destes finos para fabricar o HPS
(Hybrid Pelletized Sinter) que se poderia definir como “micro pelotas sinterizadas”.
A carga deste aglomerado nos altos-fornos apresentaria diversas vantagens,
principalmente maior produtividade, menor geração de escória e possibilidade de
aumentar a taxa de PCI(7), certamente a tecnologia mais importante para se
diminuir o custo de fabricação do gusa no alto-forno. A rota HPS seria uma
possibilidade de se usar finos de minério de ferro sem passar pela instalação de
uma planta de pelotização e ao mesmo tempo fazendo uso mais racional das
diversas frações granulométricas geradas na mineração. A utilização extensiva do
HPS
teria
como
consequência
a
diminuição
substancial
no
consumo
de
escorificantes e menor geração de escória de alto-forno.
6.8 Utilização Plena da Capacidade Metalúrgica das Escórias
Não foram poucas as tentativas, algumas delas com relativo sucesso, de
reutilização das escórias de aciaria LD, isto é, a escória gerada numa corrida ser
utilizada numa outra, com o mesmo propósito. Só isto mostra que a escória de
aciaria LD está longe de ser utilizada na sua plenitude.
Desde a invenção do processo LD, a aciaria vem sofrendo segmentação dos
processos de refino para atender as necessidades de produção de aços cada vez
mais
nobres,
aumentar
a
produtividade
e
reduzir
custos.
Dentro
desta
segmentação, que se encontra mais avançado no Japão, está incluído o prétratamento de gusa, referido em 4.2. O processo MURC(8), em aplicação na Nippon
Steel, divide o processo de refino no conversor LD em duas etapas: desfosforação,
22
na primeira, e de descarburação, na segunda, separado pelo vazamento e descarte
da escória gerada na primeira etapa. Já a escória gerada na segunda etapa é a
mesma que será usada na primeira etapa da corrida subsequente. Com este
processo, a redução do consumo de cales no conversor seria de até 40%.
Considerando-se que na calcinação do calcário para a produção de cal gera-se
quase a mesma massa de CO2, o impacto é enorme no que diz respeito à
sustentabilidade. Isto sem contar outros benefícios como diminuição do próprio
consumo de cales, de energia, etc.. Em números redondos, gera-se de escória de
LD o equivalente a 10% da massa de aço bruto produzido. Assim, mesmo
entendendo a complexidade das ações envolvidas, é necessário que tecnologias
deste tipo sejam analisadas para possível adaptação às condições brasileiras.
6.9 Sucedâneo da Fluorita
Os problemas da fluorita — preço alto, dificuldade de suprimento, importação,
agressão ao meio ambiente, etc. — são de todos conhecido e há muito tempo. Mas
o fato é que não existe sucedâneo à altura. Nos processos primários de refino — LD
e FEA —, seu consumo tem diminuído substancialmente e existem muitas usinas
que não a consomem. Entretanto, para o refino secundário, ela continua a ser
utilizada e materiais como a sodalita tem se mostrado de baixa eficiência. Este é
novamente um problema que merece mais atenção por parte das universidades e
institutos de pesquisa. Os processos de refino de aço, se comparados há décadas
atrás,
sofreram
desenvolvimento
extraordinária
diminuição
de
eficientes
fluxantes
no
é
tempo
um
dos
de
tratamento
gargalos
para
e
o
maior
desenvolvimento.
6.10 Pesquisa e Desenvolvimento
O título desta Nota Técnica deveria ser "Escórias Siderúrgicas e sua Relação com a
Competitividade e Sustentabilidade", porque é o que as escórias são, nada mais
que fundentes e fluxantes transformados.
A maior ameaça para a sustentabilidade e a competitividade no horizonte de 2025 é
a insuficiência de domínio tecnológico dos processos siderúrgicos, particularmente
das fases de redução e refino, nas quais o custo do aço é definido. Desde a
privatização do setor, o foco das empresas siderúrgicas tem sido quase que
exclusivamente o lucro, o que é justo e inclusive era necessário, no período
imediatamente pós-privatização. Passados mais de dez anos, o foco continua o
mesmo e ainda mais intenso sem mudança para "lucro contínuo e por longo tempo,
com fundamentos sólidos", o que, evidentemente, implica investimentos em
educação e P&D. Antigos Departamentos de Pesquisa de usinas siderúrgicas se
23
transformaram em apêndices de Diretorias Comerciais com nomes equivalentes a
"Gerência de Desenvolvimento de Produtos e Assistência Técnica aos Clientes".
Não havendo mais pesquisa nas grandes siderúrgicas, salvo exceções pontuais,
seria necessário que houvesse maior aproximação indústria-academia que, se
ocorreu, está longe de atingir o patamar necessário. O nível de conhecimento e
interesse da realidade siderúrgica por parte de muitos acadêmicos é sofrível,
bastando para tanto examinar os títulos das teses defendidas nos últimos anos bem
como dos trabalhos publicados na literatura especializada. Ao mesmo tempo, a
fundamentação científica e tecnológica de trabalhos realizados nas usinas e
apresentados em seminários e congressos siderúrgicos deixam a desejar.
As soluções para o que se apresenta são complexas, mas certamente devem se
iniciar com o aumento de fluxo nas duas vias, indústria e academia, para que
realmente haja foco na competitividade e sustentabilidade.
24
Referências
1)
International
Iron
and
Steel
Institute.
Disponível
em
<http://www.worldsteel.org.> Acesso em: 25 maio 2008
2)
Organização
das
Nações
Unidas.
Disponível
em
<http://esa.un.org/unpp/p2k0data.asp.> Acesso em: 25 maio 2008
3) CHAVES, A.P. e CHIEREGATI, A.C. Estado-da-arte em tecnologia mineral no
Brasil em 2002.
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos. Disponível em
<http://www.cgee.org.br/prospeccao/doc_arq/prod/registro/pdf/regdoc1009.pdf >
Acesso em 23 junho 2008
4) AMANO, K. Engenharia Siderúrgica - cap.4 Chapas grossas. JFE 21st Century
Foundation. Disponível em <http://www.jfe-21st-cf.or.jp/> Acesso em 25 maio
2008
5) NAITO, K.; WAKOH, M.
Recent change in refining process in Nippon Steel
Corporation and metallurgical phenomena in the new process. Scandinavian Journal
of Metallurgy, n.34, p.326-333, 2005
6) BISWAS, A.K. Principles of blast furnace ironmaking. Brisbane: Cootha
Publishing House, 1981
7) SAKAI, A. e outros. Technological improvements to attain high productivity at
Fukuyama N.5 sintering machine (HPS). NKK Giho, n.174, p.34-38, aug. 2001
8) ICHIKAWA, K. Development of Japan´s refining technologies in the past and
future.
Em
www.manganese.org/documents/05-
NewandFutureSteeTechnologiesingMn > Acesso em 24 junho 2008
25