Na produção de aço em forno elétrico a arco, a etapa de oxidação desempenha um papel vital na determinação da limpeza do aço, da eficiência de refino e da qualidade metalúrgica geral. Durante essa etapa, a descarbonetação, a desfosforização e a dessulfurização são realizadas por meio de reações de oxidação controladas, formação de escória e agitação do banho, permitindo a remoção eficaz de gases, a flotação de inclusões e o ajuste da composição química.
O controle adequado da etapa de oxidação é essencial não apenas para atingir a qualidade de aço exigida, mas também para limitar o tempo de fusão, reduzir o desgaste do refratário e evitar o consumo desnecessário de energia.
Como deve ser determinada a quantidade de descarbonetação durante a etapa de oxidação?
A quantidade de descarbonetação necessária durante a etapa de oxidação em forno elétrico a arco depende de diversos fatores, incluindo os requisitos de qualidade do aço, as práticas de refino e a qualidade da sucata. Em geral, matérias-primas de qualidade inferior ou requisitos de qualidade do aço mais rigorosos exigem um grau de descarbonetação maior.
A prática de produção demonstra que a descarbonetação insuficiente não resulta em remoção eficaz de gases e eliminação de inclusões. Por outro lado, a descarbonetação excessiva não melhora significativamente a qualidade do aço, mas, ao contrário, prolonga o tempo de refino, aumenta a erosão do refratário e leva ao consumo desnecessário de energia e mão de obra. Portanto, a descarbonetação excessiva não é economicamente nem tecnicamente justificável.
Para a prática de refino por oxidação, a quantidade de descarbonetação durante a etapa de oxidação é geralmente considerada adequada na faixa de 0,20% a 0,50%.
Como deve ser controlada a taxa de descarbonetação?
A taxa de descarbonetação afeta diretamente o comportamento do banho e a eficácia do refino. Se a taxa for muito lenta, a ebulição do banho será fraca, resultando em desgaseificação insuficiente e remoção deficiente de inclusões. Se a taxa for muito rápida, a descarbonetação pode ser concluída em pouco tempo, causando agitação violenta do banho, exposição do aço, reoxidação severa e erosão intensificada do refratário. Em casos extremos, podem ocorrer acidentes com respingos ou perda de metal.
Portanto, a descarbonetação em forno elétrico a arco requer uma taxa de reação controlada e moderada. Uma taxa de descarbonetação adequada deve garantir que a taxa de desgaseificação do aço fundido exceda a taxa de absorção de gás, permitindo, ao mesmo tempo, que as inclusões flutuem e sejam removidas de forma eficiente. Em condições normais de sopro de oxigênio, a taxa de descarbonetação é geralmente controlada entre 0,005% e 0,05% por minuto.
Semelhanças e diferenças entre as condições de desfosforização e dessulfurização
A desfosforização e a dessulfurização durante a etapa de oxidação compartilham vários requisitos comuns em relação à escória:
- Volume de escória suficiente
- Alta basicidade da escória
- Boa fluidez da escória
No entanto, suas condições de reação ideais diferem significativamente:
- A desfosforização favorece temperaturas mais baixas, enquanto a dessulfurização requer temperaturas mais altas.
- A desfosforização requer um teor relativamente alto de FeO na escória (aproximadamente 14%–20%), enquanto a dessulfurização requer um baixo potencial oxidante da escória.
Consequentemente, o controle simultâneo da descarbonetação, da desfosforização e da dessulfurização durante a etapa de oxidação exige um equilíbrio cuidadoso entre a temperatura, a composição da escória e a capacidade oxidante da escória.
Como a eficiência da descarbonetação e da desfosforização pode ser melhorada?
Medidas práticas para melhorar a eficiência da descarbonetação e da desfosforização durante a etapa de oxidação incluem:
- Quando as condições de temperatura permitirem, adicione uma quantidade adequada de agentes oxidantes (como minério de ferro ou carepa de laminação) para promover a desfosforização em um estágio inicial.
- A combinação da injeção de oxigênio com a adição de oxidante intensifica as reações de oxidação.
- Manter uma basicidade da escória relativamente alta e estável, tipicamente entre 0 e 3,0.
- Fornecer energia suficiente para manter o banho fundido a uma temperatura de reação ativa.
Cenários operacionais típicos durante a fase de oxidação
Baixo teor de carbono e baixa temperatura
Quando o teor de carbono e a temperatura são baixos durante a etapa de oxidação, um pequeno fluxo de oxigênio pode ser aplicado à superfície da escória enquanto pó de carbono é adicionado ao forno para promover a formação de espuma. Ao mesmo tempo, a potência elétrica máxima deve ser fornecida para elevar a temperatura do banho. Se necessário, pó de ferrossilício descartado ou materiais similares podem ser adicionados para aproveitar o calor químico na recuperação da temperatura.
Alto teor de carbono e alto teor de fósforo
Essa condição normalmente ocorre no estágio inicial de oxidação. A operação adequada envolve a adição de cal e a injeção de escória para promover a desfosforização, enquanto se fornece energia para aumentar a temperatura, mantendo a basicidade da escória acima de 2,0. À medida que a temperatura aumenta e a ebulição do banho melhora, a adição de cal deve continuar juntamente com uma quantidade adequada de minério de ferro ou carepa de laminação, permitindo que a descarbonetação e a desfosforização ocorram simultaneamente.
Quando a formação de espuma na escória se estabiliza e o escoamento automático da escória se torna possível, parte dela pode ser drenada. Com base na análise química, a cal e os oxidantes podem então ser repostos para intensificar ainda mais a descarbonetação e a desfosforização, preparando o processo para a etapa de remoção da escória. Comparada à abordagem tradicional de “desfosforização primeiro, descarbonetação depois”, essa operação combinada ajuda a reduzir o tempo de refino.
Alto teor de carbono e baixo teor de fósforo
Nesse caso, a temperatura do banho deve ser controlada entre 1550 e 1580 °C, e a basicidade da escória deve ser mantida entre 2,0 e 2,8. Uma basicidade excessivamente alta aumenta a viscosidade da escória e dificulta a descarbonetação, enquanto uma basicidade insuficiente enfraquece a reação e aumenta o risco de ebulição violenta.
Durante a descarbonetação, se a temperatura do banho ficar muito alta, minério de ferro ou carepa de laminação podem ser adicionados juntamente com a injeção de oxigênio para controlar a temperatura e realizar a descarbonetação, removendo simultaneamente o fósforo residual.
Baixo teor de carbono e alto teor de fósforo, e transição para o estágio de redução.
Quando o teor de carbono é baixo, mas o de fósforo permanece alto, a capacidade oxidante da escória geralmente é forte e sua fluidez é boa. Nessa situação, deve-se adicionar cal misturada com pó de carbono para manter a basicidade da escória acima de 2,0, suplementando-se intermitentemente a cal com pó de carbono para reduzir o teor de FeO e promover a formação de espuma na escória. Isso aumenta a cobertura do arco e fortalece a desfosforização na interface aço-escória.
A agitação do banho deve ser aplicada para melhorar a transferência de calor. Se a fluidez da escória e a temperatura permitirem, pode-se utilizar um pequeno fluxo de oxigênio para facilitar o escoamento da escória. Após a conclusão da desfosforização e quando a temperatura estiver adequada, a escória deve ser removida. Recarburantes carbonáceos podem então ser adicionados à superfície exposta do aço fundido, seguidos pela formação de escória para iniciar a etapa de redução.
Se a descarbonetação durante a etapa de oxidação for insuficiente, a qualidade do aço pode deteriorar-se. Nesses casos, a agitação com argônio na panela após o vazamento é frequentemente necessária para melhorar a limpeza do aço. É fundamental garantir uma temperatura adequada durante a separação da escória; caso contrário, pode ocorrer reversão do fósforo devido à fusão da sucata da zona fria.
Nota sobre o Escopo e Aplicabilidade do Processo
A discussão acima se concentra na etapa de oxidação da prática tradicional de fabricação de aço em forno elétrico a arco de três estágios.
Cabe destacar que, na produção de aço para fins civis e comerciais, os modernos fornos elétricos a arco são cada vez mais caracterizados por grande capacidade, alta eficiência e controle inteligente, tornando-se a principal tecnologia de produção. No entanto, o processo tradicional de forno elétrico a arco em três estágios permanece insubstituível para certos tipos de aço especiais e sob condições específicas de produção em determinadas regiões.
Além disso, apesar das diferenças na escala dos equipamentos e no nível de automação, os princípios metalúrgicos fundamentais que regem a descarbonetação, a desfosforização, a dessulfurização, o controle da escória e o comportamento do banho fundido são amplamente compartilhados entre a siderurgia tradicional e a moderna em fornos elétricos a arco. Por essa razão, a compreensão da operação da etapa de oxidação na prática tradicional de fornos elétricos a arco continua a ter significativo valor prático e de engenharia.
