Na produção de aço em forno elétrico a arco, o ferro de redução direta (DRI) é frequentemente considerado um material de carga suplementar quando a disponibilidade de sucata é limitada. No entanto, na prática, o uso de DRI impõe requisitos rigorosos quanto à qualidade da matéria-prima, às práticas de carregamento, ao controle do processo e à gestão da planta.
Para muitos projetos de fabricação de aço em forno elétrico a arco de pequeno e médio porte, esses requisitos podem aumentar significativamente a complexidade operacional e o risco, sem necessariamente gerar benefícios econômicos claros.
Com base na experiência prática em siderurgia e em dados operacionais de projetos, este artigo analisa os principais requisitos técnicos para o uso de DRI na produção de aço em forno elétrico a arco, seu comportamento de carregamento e seu impacto nos principais indicadores metalúrgicos. Também explica por que, na maioria dos projetos, o DRI não é recomendado como material de carregamento preferencial.
Requisitos técnicos básicos para DRI na produção de aço em forno elétrico a arco
Para garantir uma operação estável e controlável do forno elétrico a arco, o DRI utilizado na fabricação de aço deve atender a vários requisitos fundamentais.
Densidade e resistência mecânica
A densidade aparente do DRI (ferro de destilação direta) deve estar normalmente entre 4,0 e 6,5 g/cm³, com resistência suficiente a frio para evitar quebras excessivas e geração de partículas finas durante o transporte, armazenamento e carregamento. Partículas finas em excesso aumentam as perdas por poeira e reduzem o rendimento metálico efetivo.
Distribuição granulométrica adequada
O DRI não deve conter partículas finas em excesso nem grânulos muito grandes. Partículas finas são facilmente oxidadas ou extraídas pelo sistema de despoeiramento, enquanto o material muito grande afeta negativamente a uniformidade do carregamento e a eficiência da fusão. Na prática, uma faixa de tamanho de partícula de 10 a 100 mm é comumente adotada.
Teor controlado de impurezas e ganga
Um alto teor de ganga no DRI aumenta o consumo de cal para a formação de escória, resultando em maior volume de escória, maior consumo de energia e menor desempenho técnico e econômico. Portanto, um baixo teor de ganga é um pré-requisito básico para a aplicação do DRI na produção de aço em forno elétrico a arco.
Taxa de metalização adequada
A taxa de metalização, definida como a proporção de ferro metálico em relação ao ferro total, tem um impacto direto no consumo de energia e no rendimento metálico. Uma metalização menor significa maior teor de FeO residual, o que requer energia elétrica e redutores adicionais para a redução, além de diminuir o rendimento metálico total.
Comportamento de carregamento e características de fusão do DRI
A densidade do DRI situa-se entre a da escória e a do aço fundido. Após ser carregado no forno, o DRI tende a permanecer na interface escória-metal. Embora isso possa ser benéfico para reações interfaciais sob certas condições, também impõe requisitos mais rigorosos às práticas de carregamento.
Quando a proporção de DRI é relativamente baixa (geralmente abaixo de 30%), ele pode ser carregado junto com a sucata. Na prática, a sucata leve é colocada no fundo do recipiente, seguida pela sucata pesada e, por fim, pelo DRI. Essa disposição ajuda a evitar que o DRI se acumule próximo à parede do forno ou em zonas frias, onde pode formar aglomerados não fundidos.
Quando grandes lotes de DRI são carregados, sua lenta transferência de calor e seu comportamento de fusão deficiente tornam-se mais evidentes. Se o arco elétrico não aquecer diretamente uma camada espessa de DRI, o metal fundido pode solidificar entre os grânulos, formando aglomerados sinterizados que dificultam a penetração e a fusão subsequentes. Isso prolonga significativamente o tempo de fusão e piora os indicadores técnicos e econômicos.
Portanto, quando se aplicam taxas mais elevadas de DRI, o carregamento contínuo através do teto do forno é frequentemente necessário. As portas de carregamento localizadas no centro ou no raio médio do forno permitem que o DRI entre na zona de alta temperatura com energia cinética suficiente para penetrar na camada de escória e melhorar a eficiência da fusão.
Teor de carbono do DRI e sua influência no controle do processo
O teor de carbono do DRI varia significativamente dependendo do processo de redução, e isso afeta diretamente o controle do processo em forno elétrico a arco.
A produção de DRI a partir de gás permite um controle relativamente preciso do carbono e do FeO residual, resultando no chamado “DRI balanceado”. Nesses casos, geralmente não é necessário adicionar carbono durante a fusão, e o DRI não aumenta significativamente o carbono no banho nem impõe uma carga excessiva de FeO.
O DRI à base de carvão geralmente contém níveis de carbono mais baixos. Durante a siderurgia, é necessário adicionar carbono adicional de acordo com a taxa de metalização e os requisitos da classe do aço para garantir a formação adequada do banho e a redução do FeO. Isso restringe a janela operacional e aumenta a dependência da experiência do operador e da disciplina de gestão.
Impacto do DRI no consumo de energia e no rendimento metálico
Dados estatísticos e experiência operacional indicam que o uso de DRI na produção de aço em forno elétrico a arco geralmente leva a um aumento no consumo de energia elétrica, especialmente quando a proporção de DRI ultrapassa aproximadamente 25%. A magnitude desse aumento depende do teor de carbono do DRI, da taxa de metalização e da estratégia de ajuste de carbono.
O rendimento metálico é fortemente influenciado pelo controle do balanço carbono-oxigênio. O aumento do carbono no banho, a aplicação de injeção de carbono em múltiplos pontos e a coordenação das lanças de carbono-oxigênio ajudam a reduzir o teor de FeO na escória e promovem a redução do FeO do DRI para o aço fundido. Quando combinado com uma proporção adequada de carregamento de metal quente, o rendimento metálico pode ser ainda mais aprimorado.
Do ponto de vista do volume de escória, o nível de impurezas introduzido pelo DRI é geralmente comparável ao da sucata. Quando a proporção de DRI é mantida abaixo de 30%, seu impacto na quantidade de escória geralmente é limitado.
Efeitos no tempo de fusão, consumo de eletrodo e consumo de oxigênio
Na operação de fornos elétricos a arco com reciclagem de sucata, o aumento da demanda de energia associado à ignição direta (DRI) normalmente leva a um tempo de funcionamento mais longo, ciclos de fusão prolongados e maior consumo de eletrodos.
Em contrapartida, quando se aplica carregamento de metal quente, uma adição adequada de DRI pode acelerar a descarbonetação. Com um controle adequado da curva de potência, o ciclo de fusão não necessariamente aumenta e pode até ser ligeiramente reduzido em certas condições de operação.
O FeO transportado pelo DRI promove a fusão da escória e acelera as reações de descarbonetação. Como resultado, o consumo total de oxigênio geralmente diminui, tipicamente em 0,5–3,5 m³/t na prática industrial.
Considerações de segurança ao usar DRI na produção de aço em forno elétrico a arco.
Quando o DRI com baixo teor de carbono e baixa metalização é usado em proporções excessivas, o FeO pode se acumular na escória. A operação inadequada pode levar à ebulição violenta do banho e a graves incidentes de segurança.
Além disso, o DRI pode formar “icebergs” não derretidos no forno. Em casos graves, esses icebergs podem bloquear o orifício de vazamento durante a sangria, comprometendo a segurança do processo e a estabilidade da produção — um problema especialmente crítico para operações de forno elétrico a arco de pequeno e médio porte.
Por que a DRI geralmente não é recomendada na maioria dos projetos de fornos elétricos a arco?
Com base na prática da engenharia e na experiência em gestão da produção, o DRI não é considerado um material de carga ideal para a maioria dos projetos de fabricação de aço em forno elétrico a arco de pequeno e médio porte, pelos seguintes motivos:
- Do ponto de vista energético e de rendimento, o DRI normalmente oferece um rendimento metálico inferior ao do metal quente, ao mesmo tempo que exige a remoção de componentes não metálicos, o que limita sua vantagem econômica.
- Com exceção do carbono, a maioria dos compostos presentes no DRI acaba entrando na escória, aumentando o consumo de cal e o volume da escória à medida que o teor de ganga aumenta.
- O DRI com alto teor de carbono ou com metalização inferior a aproximadamente 90% apresenta um risco maior de ebulição severa do banho se não for devidamente controlado.
- O DRI possui uma estrutura altamente porosa e alta reatividade química. É difícil transportá-lo e armazená-lo com segurança, apresentando riscos de oxidação e autoaquecimento quando exposto ao ar ou à umidade. Em muitos casos, a briquetagem (HBI) é necessária para mitigar esses riscos, aumentando as demandas logísticas e de gerenciamento.
Na prática, o DRI é mais adequado para sistemas de siderurgia onde a produção de DRI e as operações em forno elétrico a arco (EAF) estão intimamente integradas e o carregamento a quente pode ser realizado. No entanto, a maioria dos projetos de EAF de pequeno e médio porte carece de fornecimento de DRI nas proximidades e da infraestrutura de gestão necessária para garantir o armazenamento seguro e a operação estável, aumentando significativamente o risco operacional.
Experiência do Grupo SME em Engenharia e Gestão de Produção
É importante destacar que a gestão da produção e a otimização operacional de projetos siderúrgicos são atividades essenciais do Grupo SME. Além de entregar projetos de usinas siderúrgicas “chave na mão”, muitos clientes continuam a contratar o Grupo SME para serviços de gestão técnica e operacional de produção a longo prazo.
Independentemente da combinação de cargas selecionada pelo cliente, o SME Group concentra-se na resolução sistemática de problemas técnicos durante a operação e em garantir que os processos de fabricação de aço em forno elétrico a arco permaneçam seguros, estáveis e sustentáveis em condições reais de projeto.
