Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
Ciência, Tecnologia e Inovação
Fase I – Panorama Setorial
TR 25
Tema: ACIARIA LD
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André Luiz V. da Costa e Silva
TR 25 Aciaria LD
Aciaria LD
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André Luiz V. da Costa e Silva
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Rio de Janeiro
Agosto, 2008
André Luiz V. da Costa e Silva
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André Luiz V. da Costa e Silva
TR 25 Aciaria LD
SUMÁRIO
1. ESCOPO
O roteiro de produção industrial dos aços é pouco usual, dentre os metais.
Envolve dois processos complementares, um de redução, tipicamente realizado
em alto-forno, produzindo gusa e um de refino, envolvendo oxidação controlada,
seguida de desoxidação. O refino, em geral, emprega o gusa e, em maior ou
menor escala, outras cargas metálicas tais como sucata e pré-reduzidos. Após o
refino, uma etapa essencial é a solidificação (ou lingotamento). Em geral, as
aciarias no mundo inteiro incluem os processos de refino e de lingotamento. Em
muitas aciarias, o eventual “pré-tratamento” do gusa líquido, é incluído, também,
na aciaria. O escopo deste estudo, portanto, inclui todas as atividades de refino
após o vazamento do gusa do alto-forno: o refino propriamente dito, no conversor
LD1, eventuais atividades de refino secundário fora do conversor e o lingotamento.
2. O ROTEIRO DE ELABORAÇÃO – COMPETIÇÃO ENTRE USINAS
INTEGRADAS E NÃO-INTEGRADAS
A produção de aço segue, basicamente, dois roteiros: a produção em usinas
integradas “clássicas” que usam alto-forno para a produção de gusa e depois,
processos de refino e as usinas não-integradas ou “mini-mills” que iniciam o
processo com metálicos tais como sucata ou pré-reduzidos. Historicamente as
usinas integradas utilizavam aciarias com conversores2 e os “mini-mills”, fornos
elétricos a arco. Embora a tendência para os “mini-mills” continue inalterada (não
é possível partir de carga 100% sólida com conversores) há usinas integradas
optando por modernos fornos elétricos a arco ao invés de conversores.
1
Linz Donawitz, duas cidades da Austria onde a Vöest-Alpine desenvolveu, em meados do século
XX o conversor com sopro de oxigênio sobre o banho, chamado LD ou, em inglês, Basic Oxygen
Furnace- BOF.
2
Conversores diferem de fornos por não terem fontes externas de energia. A única fonte de
energia são as reações exotérmicas associadas ao processo de refino por oxidação. Em alguns
lugares do Brasil são chamados “convertedores”.
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5
Analisando o cenário mundial e a situação brasileira, pode-se afirmar, entretanto,
que a participação da aciaria LD (ou com conversores, de uma forma geral)
continuará muito importante até 2025, como mostram os gráficos a seguir.
Figura 1 Participação estimada (share) da produção de aço por usinas integradas
e por mini-mills3.
3
I. Hidalgo, L. Szabo, J. C. Ciscar, A. Soria, Technological prospects and CO2 emission trading
analyses in the iron and steel industry: A global model, Energy 30 (2005) 583–610.
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André Luiz V. da Costa e Silva
TR 25 Aciaria LD
Participação por processo em
2007 (fonte: IISI)
Região
LD-BOF
FEA
Mundo
65%
32%
Brasil
73,9%
24,4%
Figura 2 Participação dos principais processos de refino na produção mundial (e
do Brasil) de aço. Fonte IISI, 2007.
Assim, é efetivamente importante avaliar os desafios e oportunidades para a
aciaria LD no período objeto do estudo. Não se antecipa que este processo
venha a perder importância no período do estudo, embora diferentes
oportunidades e desafios se apresentem nestas duas décadas que se aproximam.
3. MEIO AMBIENTE
3.1. Geração e Emissão de CO2
A produção de aço através do roteiro da siderurgia integrada, empregando
carbono (do coque ou do carvão vegetal) como redutor é otimizada sob o aspecto
econômico. Como a geração de gases de efeito estufa (principalmente CO2) não
faz parte direta da avaliação econômica do processo (exceto sob o ponto de vista
de aproveitamento energético do carbono empregado) é natural que o processo
André Luiz V. da Costa e Silva
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não seja otimizado sob o ponto de vista de emissão deste gás. A evolução dos
processos de redução e refino dos aços, inclusive da aciaria LD, levou a redução
significativa das emissões deste gás, historicamente, como mostram os dados a
seguir.
Estequiometria da redução pelo C 0,6 t/t
Figura 3 Evolução da geração de gases de efeito estufa (GGE, notadamente CO2)
com os processos de produção de aço.
Incluída a estimativa limite da
4
estequiometria da redução pelo carbono .
4
8
SCAIFE, P., J. NUNN, A. COTTRELL, and L. WIBBERLEY, Towards Sustainable Steelmaking an LCA perspective. ISIJ International, 2002. 42(Supplement): p. S5-S9.
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Figura 4 Geração de gases do efeito estufa por processo. A usina integrada é a
opção BF-BOS 4.
3.1.1. A Situação atual
Uma usina integrada, com conversor LD gera cerca de 2,1 t CO2/ tonelada de aço
produzido.
Na área de redução (alto-forno) vem ocorrendo redução da emissão como
conseqüência da busca da redução do consumo de redutor (coque, gás redutor,
etc.) causada por pressões econômicas associadas ao custo do redutor e não,
necessariamente, com objetivo de redução de emissões.
Na aciaria LD, o gás gerado, (gás de aciaria) é rico em CO. Duas alternativas
econômicas são usadas: o uso de pós-combustão (maior queima do CO para CO2
no interior do conversor) para melhorar o balanço térmico do conversor, ou uso do
gás de aciaria para geração de energia elétrica ou como combustivel em fornos,
na própria usina. O uso do gás na geração de energia elétrica na usina pode
estar associado a créditos de carbono. A força motriz das decisões é econômica.
3.1.2. Tendências
Há várias opções para a alteração deste quadro, do ponto de vista de geração de
dióxido de carbono. A opção por elas depende, diretamente, do “enforcement” de
André Luiz V. da Costa e Silva
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alguma a limitação formal a emissão de gases ou a alguma penalidade ou bônus
econômico.
3.1.3. Oportunidades e Desafios
Há
uma
importante
oportunidade
para
a
siderurgia
brasileira
com
o
aproveitamento integral dos mecanismos de crédito e compensação de créditos
de carbono.
Dentro de um cenário que assuma que, efetivamente, haverá a busca por redução
das emissões de CO2 na aciaria LD, após todos os aproveitamentos dos possíveis
créditos de carbono associados a geração, aquecimento, etc., a questão básica
depende de quanto carbono será oxidado, no conversor, por tonelada de aço
produzido5.
Um desafio, portanto, é o desenvolvimento do uso de maiores quantidades de
metálicos de baixo carbono (sucata e pré-reduzidos) no conversor. Isto implica na
alteração do balanço térmico, com, por exemplo, o aumento da pós-combustão
e/ou o uso de outros “combustíveis” através, por exemplo, do aumento do teor de
silício carregado ou da aceitação de níveis de oxidação mais alto nas escórias
vazadas (para os aços de baixo carbono (0,05%), hoje, as escórias têm cerca 2627% de óxido de ferro, considerado uma perda do processo. Os fornos elétricos a
arco trabalham com este nível de oxidação com teores de carbono mais elevados
(0,1%))
3.1.4. Desafios
Desenvolver o uso de novos metálicos no conversor LD (inclusive com alterações
no balanço térmico).
Manter as aciarias LD competitivas com os modernos Fornos Elétricos a Arco.
5
Uma observação paralela importante é que os fornos elétricos a arco vêm aumentando a
quantidade de carbono queimado por tonelada de aço produzida, como forma de melhorar seu
balanço econômico, reduzindo o uso de energia elétrica.
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As ações que se alinham com as alterações de balanço térmico no conversor
estão ligadas, principalmente a (a) estudos sobre a viabilidade de aumento da
pós-combustão (CO -> CO2) no interior do forno e a adição de outros
combustíveis tais como silício e materiais contendo silício.
Estas ações poderiam viabilizar um “mix” com maior fração de carga sólida (de
mais baixo carbono, tais como sucata, ferro esponja, etc.) no interior do
conversor, o que reduziria a geração de gás carbônico por tonelada de aço
produzido.
Esta análise deve ser realizada considerando o balanço energético global da
Usina integrada assim como a geração total de gás carbônico da usina e não
centrado, apenas, na aciaria LD.
3.2. Escória e outros efluentes sólidos da Aciaria LD
A escória de aciaria LD não tem uso comercial significativo: atualmente é
“estabilizada” ao tempo e já é possível utilizá-la como lastro em ferrovias ou
rodovias, após esta estabilização.
A “lama” de aciaria, os efluentes em pó coletados sob forma úmida no sistema de
filtragem de gases representa um problema de reciclagem. Não pode ser usada
de forma satisfatória na sinterização, pois pode agregar zinco a carga do altoforno.
O principal desafio relevante consiste em desenvolver uso da lama como metálico
em aciaria ou recuperar o zinco, simplificando seu re-processamento e mitigando
seu impacto ambiental.
4. MATÉRIAS PRIMAS
4.1. Situação Atual
Com as demandas associadas ao desenvolvimento e industrialização da China e
da Índia, principalmente, todos os minérios e ferro ligas sofreram aumento
significativo nos últimos anos. Não há expectativa de volta aos patamares
anteriores, no horizonte estudado6.
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A nota técnica foi escrita em agosto de 2008, antes, portanto, dos eventos de outubro de 2008.
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Associado a isto, há uma tendência, inclusive, da cobrança de “prêmio” em
minério de ferro em função da qualidade, vinculado a economia que esta
qualidade possa resultar para o usuário. Como minérios de baixo fósforo, por
exemplo, permitem produzir gusa de baixo fósforo, que reduz o custo da aciaria
LD, é prática usual, especialmente no oriente, diluir minérios de mais baixa
qualidade com minérios de baixo fósforo, área em que o Brasil tem vantagem
competitiva.
No Brasil, em geral, não são usados minérios de mais baixa
qualidade, em função da disponibilidade do minério de baixo fósforo.
Com o aumento de preço das ferro ligas, há um movimento importante no sentido
de melhorar a recuperação dos elementos oxidáveis presentes na sucata.
Enquanto, tradicionalmente, cromo e manganês contidos em sucatas carregadas
em conversor LD eram completa ou quase completamente perdidos, pela
oxidação do processo, há uma busca por melhor controle de processo ou de
condições de processo alteradas que possam levar a um aproveitamento destes
elementos contidos na sucata.
4.2. Oportunidades e Desafios
Fora da área da aciaria LD, há uma evidente oportunidade de mercado para que o
Brasil passe a considerar preços diferenciados em seus produtos de pureza mais
elevada, em função da economia que podem propiciar a seus usuários.
Diretamente na aciaria LD, as medidas de controle do teor de fósforo podem se
tornar cada vez mais críticas: com o mercado globalizado estima-se que os
prêmios cobrados no exterior se reflitam nos custos brasileiros, também de modo
que desenvolvimentos em controle do fósforo no aço, envolvendo pré-tatamento
de gusa, diluição com outros metálicos e controle de processo, principalmente,
devem se tornar mais importantes..
A área de modelamento e controle de processo enfrenta um importante desafio
relacionado principalmente a recuperação de elementos de liga (Cr, Mn, etc.) em
meio oxidante (no conversor) e, ainda, ao controle do rendimento das adições de
12
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cálcio: este elemento é cada vez mais empregado como adição, na faixa de ppm7,
mas, em função de suas características, tem rendimento bastante oscilante,
resultando em baixo rendimento da adição e incertezas quanto a resultado sobre
a qualidade do produto final.
5. EFICIÊNCIA
5.1. Situação Atual
5.1.1. Conversão
No conversor, o tempo tap-to-tap está “estagnado” entre 38 e 45 minutos há mais
de 10 anos. O índice de vazamento direto e de acerto de fósforo e carbono,
situa-se entre 75 e 90% também há mais de 10 anos. Estes dois indicadores são
diretamente ligados à produtividade do conversor LD.
Isto indica que esta
produtividade vem se mantendo mais ou menos estável na última década, pelo
menos, enquanto o forno elétrico a arco, maior competidor da Aciaria LD, vem
fazendo progressos de produtividade notáveis.
5.1.2. Lingotamento Contínuo
A
tecnologia
de
lingotamento,
principalmente
de
produtos
de
seções
relativamente grandes (placas de 200-250mm de espessura, billlets de 100mm de
lado e maiores) está praticamente estabilizada.
A lingotabilidade e o
seqüenciamento de corridas estão relativamente bem controlados, e o número de
corridas produzidos em seqüências (indicador importante para o rendimento e
eficiência do lingotamento contínuo) hoje é, praticamente, limitado pela
quantidade de determinado grau de aço a ser produzido e não pela tecnologia de
lingotamento.
5.2. Desafios e oportunidades:
5.2.1. Melhoria do índice de acerto e vazamento direto.
O aproveitamento de técnicas em desenvolvimento para análise contínua (LIBS8,
medidas contínuas de EMF9, etc) tanto para controle de conversor como para
7
Partes por milhão, em massa, equivalente a 0,0001%.
8
Laser Induced Breakdown Spectroscopy
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acompanhamento de lingotamento contínuo é, possivelmente, o caminho
tecnológico para a melhoria deste índices e, até, para a melhoria do controle da
qualidade dos aços produzidos no lingotamento convencional.
Paralelamente, melhorias de controle e qualidade no processo podem ser obtidas
através de esforços ligados a modelamento dos processos acoplando
fluidodinâmica e termodinâmica. Estas ações podem ser muito importante na
compreensão e controle de: Pós combustão, reações no conversor (substituição
dos modelos “empíricos”), obstruções de válvula, limpeza interna dos produtos e
na busca por roteiros de elaboração mais eficientes.
6. ENERGIA
6.1. Situação Atual
Mais de 90% do aço brasileiro é lingotado continuamente (em lingotamento
contínuo “clássico”). Isto representa notável economia de energia em relação ao
lingotamento convencional, hoje restrito, praticamente, àquelas aplicações onde é
a única solução econômica.
Por outro lado, os gases de aciaria são bem
aproveitados nas aciarias LD, como discutido acima.
Em vários paises, entretanto, nota-se a tendência, especialmente na área de aços
planos, que concentra o maior volume de aços produzidos em aciaria LD, para a
produção de produtos de lingotamento continuo de espessura cada vez menor e a
busca do enfornamento direto ou da produção contínua; isto é, ao invés de
produzir placas que são esfriadas para inspeção ou estoque e, posteriormente,
reaquecidas para a laminação, com significante perda de energia, há uma busca
por processos em que o calor presente na placa, após lingotamento, seja
aproveitado para o trabalho a quente, na laminação.
6.2. Oportunidades e Desafios
Embora as máquinas de lingotamento contínuo de espessura elevada (250mm)
sejam, de per se, mais eficientes, o lingotamento de espessuras menores
conjugado a laminação direta permite um ganho significativo de energia.
9
Força Eletromotriz
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Esquema de instalação de laminação direta de produto de lingotamento
contínuo10.
Para tanto, além dos desafios de gerenciamento da produção (os processos
contínuos, na siderurgia, nunca são acoplados, permitindo interrupções,
reprogramações, etc. com relativa flexibilidade, resultanto, entretanto, em menor
eficiência energética e de produtividade) há que se considerar alguns aspectos
metalúrgicos: No caso de placas de menor espessura, não há necessidade de
desenvolvimento tecnológico para o lingotamento.
Em alguns casos, é
necessário avaliar o efeito da diminuição do grau de redução total dos produtos,
na laminação, sobre as propriedades finais, notadamente, textura.
O ganho
energético associado, entretanto, mais do que justifica tais estudos.
No caso do lingotamento de tiras, há necessidades de desenvolvimento
tecnológico tanto no processo de lingotamento em si, ainda não dominado para
todos os aços (já há um protótipo de escala semi-industrial produzindo aços
inoxidáveis) como no controle da estrutura do produto quando não é possível se
introduzir deformações significativas (as tiras lingotadas tem menos de 10mm de
10
Birat, J.P., Sustainable steelmaking paradigms for growth and development in the early 21st
century. Revue de Metallurgie, 2001(January): p. 19-40.
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espessura). A deformação a frio é, hoje, essencial para a obtenção da textura
cristalográfica necessária nos aços de elevada conformabilidade, demandados
pela indústria automobilística, por exemplo.
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2.1.2. Cabeçalho págs. pares (logomarca do CGEE)
exibir/ cabeçalho
2.1.2. Cabeçalho págs. impares (título do documento)
exibir/ cabeçalho
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2.2. INSERIR Nº PÁGINAS
7. Número de páginas (externas, sem mostrar na 1ª página)
Exibir/cabeçalho- rodapé/ nº de páginas
2.3 NOTA DE RODAPÉ (Arial, 8, sem justificar)
Inserir/Referências/Notas
Obs: Quando se tratar de nota de referência alinhar a esquerda (não justificar)
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
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15. 2.4. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA (Espaçamento simples, alinhamento a
esquerda)
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