EMT 053 – Processos
Metalúrgicos
Assunto: Aciaria Elétrica
Prof. Renato Minelli Figueira
Produção mundial de aço:
Fundentes
Forno
Panela
Sinterização
Minério
LD
Carvão
Alto-Forno
Forno
Elétrico a
Arco
Coqueria
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:
Potencia Específica
(KVA/t)
Classificação
<200
Baixa Potencia
200 - 400
Média Potencia
400 - 700
Alta Potencia
>700
Ultra Alta Potencia (UHP)
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
Grupo
Comportamento
Termodinâmico
Elemento
I
Elementos que são
incorporados à escória
Ca, Mg, Si, Al, Zr,
Ti, B
II
Elementos que se
dividem entre aço e
escória
Mn, P, S, Cr, Nb, V
III
Elementos que são
incorporados ao aço
Cu, Ni, Sn, Sb, Mo,
Co, As, W
IV
Elementos que são
vaporizados
Zn, Cd, Pb
• Fator custo:
• nível de limpeza
• presença de contaminantes
Densidade da Sucata
• Fator custo: impacto no desempenho do forno
350
300
número de
carregamentos
R2 = 0,7515
Preço (US$/t)
250
200
150
100
Pesada
Média
50
Leve
0
0,00
Série4
0,50
1,00
1,50
2,00
Densidade (t/m3)
2,50
3,00
Linear
(Série4)
3,50
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
Característica
DRI
HDRI
HBI
Fe Total (%)
90-94
90-94
90-94
Fe Metálico
83-89
83-89
83-89
Metalização (%)
92-95
92-95
92-95
1,0-3,5
1,0-3,5
0,5-2,5
0,005-0,09
0,005-0,09
0,005-0,09
0,001-0,003
0,001-0,003
0,001-0,003
2,8 - 6,0
2,8 - 6,0
2,8 - 6,0
1600 -1900
1600 -1900
2400 - 2800
3,4 - 3,6
3,4 - 3,6
5,0 - 5,5
40
700 min.
80
Carbono (%)
P (%)
*
S (%)*
Ganga (%)
Densidade (Kg/m3)
Densidade Aparente (g/cm3)
Temperatura de Descarga (ºC)
*
Dependendo do minério
DRI - Direct Reducted Iron - DRI frio é geralmente estocado na usina para posterior
uso no FEA.
HDRI - Hot Direct Reducted Iron - é descarregado a quente do processo de
redução e carregado no FEA a 650 C.
HBI - Hot Briquetted Iron - é briquetado a quente para transporte a longa distancia.
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
O Arco Elétrico
Tensão constante
corrente
O Arco Elétrico
baixa corrente:
fluxo horizontal
Tensão constante
direção do fluxo de calor
corrente
alta corrente:
fluxo vertical
ignição do arco
penetração eletrodos
formação do banho líquido
arco curto
arco longo
arco longo
baixa tensão
alta tensão
alta tensão
alta corrente
baixa corrente
baixa corrente
Queimadores
Zonas
Zonas
Quentes
Quentes
Eletrodo
Queimador 3
Eletrodo
Queimador 1
Queimador 2
Radiação nas paredes
fusão
arco longo
alta tensão
alta corrente
sem formação de escória
espumante
formação escória
espumante
arco longo
arco longo
alta tensão
alta tensão
alta corrente
alta corrente
Injetores de carbono/oxigênio
Injetor
supersônico de
oxigênio
Sistema de
refrigeração
Injetor de
carbono
Linha de escória
Linha de metal
• Refino e Vazamento.
• Objetivo do refino (ou oxidação)
1. Atingir o nível de carbono especificado para o aço a ser
produzido
2. Reduzir o teor de fósforo no aço líquido abaixo da
especificação (usualmente abaixo de 0,015%)
3. Homogeneizar a composição e temperatura do aço
4. Aquecer o aço líquido até a temperatura necessária para o
vazamento.
Injeção de oxigênio: jatos supersônicos & jatos coerentes
Vazamento
Vazamento com EBT
(Eccentric Bottom Taping)
Vazamento com Bica
Restrições no Vazamento
1.
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
2. 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
Injeção de C
Injeção de O2
Queimadores
25%
Fusão Cesta 1
Vazamento
50%
Carregamento Cesta 2
75%
Carregamento Cesta 1
Potencia do transformador
!00%
Fusão Cesta 2
Refino
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tempo (min)
50
55
60
65
70
75
80
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
Préaquecedor 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)
Eletrodo
(anodo)
Sistema de basculamento
Energia
Química
Energia
35 – 40%
Elétrica
60 – 65%
17% Resfriamento
Aço
53%
20% Gases
10% Escória