Na produção de aço em forno elétrico a arco, o período de oxidação é uma das etapas mais críticas quando se aplica a rota de refino por oxidação. A qualidade de sua operação influencia decisivamente a limpeza e o controle da composição do aço, principalmente quando as matérias-primas contêm níveis relativamente altos de impurezas.
Quando a qualidade da sucata é baixa ou o teor de impurezas é alto, o controle adequado do período de oxidação torna-se essencial para garantir um refino estável nas etapas subsequentes e alcançar a qualidade de aço exigida.
Principais tarefas do período de oxidação na produção de aço em forno elétrico a arco.
Do ponto de vista metalúrgico, o período de oxidação na produção de aço em forno elétrico a arco serve a vários propósitos fundamentais:
- Desfosforização
- Desgaseificação do aço fundido
- Remoção de inclusões não metálicas
- Aquecimento uniforme do aço fundido a uma temperatura acima da temperatura de vazamento.
Esses objetivos são alcançados principalmente por meio da ebulição gerada pelas reações de oxidação do carbono. A ebulição estável e uniforme melhora a transferência de massa entre o aço fundido e a escória, o que é fundamental para a remoção eficaz de fósforo, a eliminação de gases e a flotação de inclusões.
Abordagem operacional geral durante o período de oxidação
Para garantir o sucesso do refino por oxidação, o controle operacional normalmente começa no final da etapa de fusão:
- As reações de oxidação são iniciadas durante o estágio final de fusão para criar condições favoráveis à desfosforização precoce;
- Uma vez atingida a temperatura suficiente do aço fundido, a oxidação é intensificada pela adição de minério e/ou injeção de oxigênio para promover uma ebulição uniforme e sustentada;
- Com base no teor de fósforo no aço fundido, parte da escória é deixada escorrer e nova escória é formada conforme necessário;
- Quando a temperatura e a composição química do aço (como os níveis de carbono e fósforo) atingem os objetivos exigidos, a escória é completamente removida, marcando o fim do período de oxidação e a transição para a fase de redução.
Princípios de funcionamento do período de oxidação
Embora o período de oxidação inclua múltiplos objetivos de refino, eles estão fundamentalmente ligados às reações de descarbonetação. No entanto, a desfosforização e a descarbonetação impõem requisitos diferentes em relação à temperatura e às condições da escória:
- A desfosforização requer temperaturas moderadas a baixas, um grande volume de escória e uma escória altamente oxidante com boa fluidez;
- A descarbonetação requer temperaturas mais elevadas e condições de escória mais fluida.
Com base nessas características, os princípios gerais de funcionamento do período de oxidação na produção de aço em forno elétrico a arco podem ser resumidos da seguinte forma:
- Sequência de oxidação: a remoção do fósforo precede a remoção do carbono;
- Controle de temperatura: aumento gradual da temperatura, lento no início e mais rápido depois;
- Prática de tratamento com escória: primeiro, utiliza-se um grande volume de escória para a desfosforização, seguido de lavagem controlada da escória durante a remoção do fósforo e, por fim, descarbonetação com camada fina de escória.
Fluxograma básico do processo de oxidação
Após a fusão completa e a agitação adequada da carga do forno, amostras de aço fundido são coletadas de acordo com os requisitos de composição da classe de aço especificada. Elementos-chave como carbono, manganês, enxofre e fósforo são analisados.
Em seguida, a desfosforização, a descarbonetação e o aumento da temperatura são realizados de forma coordenada. Quando a composição química e a temperatura se encontram dentro da faixa especificada, a escória é removida para concluir o período de oxidação e o processo prossegue para a etapa de redução.
Durante o refino por oxidação, tanto a desfosforização quanto a descarbonetação requerem escória com alto potencial oxidante e boa fluidez. Na prática:
- A basicidade ideal da escória para a desfosforização é geralmente de 2,5 a 3,0;
- Durante a descarbonetação, a basicidade da escória é tipicamente em torno de 2,0.
Portanto, o controle rigoroso da composição, quantidade e fluidez da escória é essencial. Se a fluidez da escória se deteriorar devido ao colapso da parede do forno ou à flutuação de materiais refratários, a remoção imediata da escória é necessária.
Métodos de oxidação comumente usados durante o período de oxidação
Diversos métodos de oxidação são comumente aplicados durante o período de oxidação na fabricação de aço em forno elétrico a arco, incluindo a adição de agente oxidante, a injeção de oxigênio e métodos de oxidação combinados. Cada método apresenta características metalúrgicas e operacionais distintas.
Oxidação por adição de agente oxidante
A oxidação utilizando minério de ferro ou agentes oxidantes similares apresenta as seguintes características:
- Produz ebulição relativamente uniforme e de ampla faixa, o que é benéfico para a remoção de gases e flotação de inclusões;
- É um processo endotérmico, favorável à desfosforização, mas associado a um aumento no consumo de energia elétrica;
- Agentes oxidantes podem introduzir impurezas, afetando potencialmente a limpeza do aço;
- As reações de oxidação ocorrem por meio da difusão da escória, resultando em tempos de equilíbrio de reação mais longos e maior dificuldade de controle.
Oxidação por sopro de oxigênio
Na oxidação por sopro de oxigênio, o oxigênio reage diretamente com os elementos presentes no aço fundido:
- A reação é exotérmica, contribuindo para um rápido aumento da temperatura e ciclos de refino mais curtos;
- A escória contém relativamente menos óxido de ferro, limitando a desfosforização quando se utiliza apenas a injeção de oxigênio;
- A eficiência da desfosforização pode ser aumentada ajustando as práticas de sopro ou combinando o sopro de oxigênio com a adição de minério;
- A alta pureza do oxigênio e a cinética de reação rápida são benéficas para melhorar a limpeza do aço e reduzir o consumo de energia.
A experiência operacional demonstra que a oxidação combinada, utilizando tanto a injeção de oxigênio quanto a adição de agente oxidante, oferece vantagens claras em termos de qualidade do aço, estabilidade operacional e eficiência geral de refino, em comparação com os métodos de oxidação simples.
