Aciaria_LD - Meta

Siderurgia II – Módulo 3Siderurgia II – Módulo 3

Siderurgia II

Refino Primário

Aciaria LD (BOF – Basic Oxygen Furnace)


Histórico do Processo LD (BOF)

• 1856: Henry Bessemer propõe o uso de oxigênio (ar) para remoção do carbono do ferro gusa (tempo corrida = 8hs)

• 1920: preço do oxigênio – US$ 720/t• 1930: Alemanha – uso de oxigênio no enriquecimento do ar para

altos-fornos• 1948: conversor piloto de 2,5 t• 1950: primeiro conversor industrial (35 t) – Linz e Donawitz• 1957: primeiro conversor no Brasil (Belgo – Monlevade)• 1963: Mannesman e Usiminas• 1965: Cosipa• 2009:

– Mundo: 780 milhões t (65% produção)

– Brasil: 23 milhões t (74% produção)




CubatãoUsiminas1990


PROCESSOS ATUAIS DE FABRICAÇÃO DO AÇO

PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMAS. PELOTIZAÇÃO. SINTERIZAÇÃO

. COQUERIA. CARVOEJAMENTO

REDUÇÃO. ALTO-FORNO

. COREX. REDUÇÃO DIRETA

ACIARIA. CONVERSORES A OXIGÊNIO

. FORNO ELÉTRICO

REFINO DO AÇO

LINGOTAMENTO. CONVENCIONAL

. CONTÍNUO

CONFORMAÇÃO MECÂNICA


Usina Integrada

Usina Semi-Integrada



Fluxo de produção da ArcelorMittal – João Monlevade


Lay-out da aciaria LD

• Ala de Convertedores– Fornos & sistema de limpeza de gases– Lanças– Silos de cal e fundentes

• Ala de Carregamento– Recebimento/pesagem de gusa e sucata– Misturadores de gusa– Plataforma de operação– Cabine de controle

• Ala de vazamento– Preparação de panelas

(montagem/reparo de refratários, montagem de válvulas gaveta)

– Sistema de pré-aquecimento de panelas

– Carro-panela




Calha de carga

Panela de gusaExaustão de

gases

Conversor

Lança de oxigênio

Sub-Lança de temperatura e carbono

Silo de adições

Panela de aço Pote de escória

Equipamentos

Ponte Rolante




Tipos de conversores

Sopro por baixo (Q-BOP)

Gás combustível como refrigeranteOxigênio puro e escorificante em pó

Sopro combinadoGas inerte (N2 ou Ar)

CO2

Oxigênio puro e escorificante em pó

Oxigênio puro

Sopro por cima

Oxigênio puro


Conversor LD


Processo LD (BOF):

CO CO2 N2 H2

68 8 12 12

Gás100 Nm3/t

Composição (%)

CaO SiO2 MgO FeO

50 15 8 35

50 kg/t

Composição (%)

Escória

C Si Mn P S

0,04 0,01 0,15 0,01 0,007

Aço Líquido1.000 kg

Composição (%)

Oxigênio56 Nm3/t

Cal80 kg/t

C Si Mn P S

4,2 0,4 0,3 0,01 0,007

Composição (%)

Gusa Líquido750 kg/t

C Si Mn P S

0,05 0,03 0,05 0,03 0,009

Composição (%)

Sucata340 kg/t

Gás Inerte (N 2 , Ar)1,6 Nm3/t

Gusa líquido

Sucata

Cal

Oxigênio

Gás inerte (N2, argônio)


Processo LD (BOF):


Reações no conversor

Oxigênio

Emulsão gás-escória-metal

Escória

Metal

FeO(escória) + CO(g) = Fe(metal) + CO2(g)

2 Fe(metal) + O2(g) = 2 FeO(escória)

Sub-Lança (temperatura e teor de carbono)

2 C(metal) + O2(g) = 2 CO(g)


Equipamentos

• Convetedor– Refratários

• Óxidos básicos: CaO e MgO

• Consumo: 2 a 10 kg/t

• Projetos de revestimento:– Balanceado: dimensões variadas– Diferenciado: qualidade variável– Misto: dimensões e qualidade variáveis

• Regiões de desgate critícas:– Linha de escória: erosão– Fundo: impacto da carga

• Prolongamento da vida do refratário– Uso de projeção de massa para reparos a quente; 1 vez por turno– Uso “slag splashing”: ao término de cada corrida


Zonas críticas do revestimentoFuro de vazamento

Cone superior

Região de vazamento

Região dos munhões

Região de impacto da carga

Cone inferior

Soleira (fundo)

Resto revestimento


Equipamentos

• Lança– Objetivo: injetar a máxima vazão de oxigênio sem

alterações operacionais como• projeções de metal/escória para fora do conversor,

• desgaste acentuado do revestimento,

• baixo rendimento metálico,

• baixa eficiência energética.

– Corpo da lança: 3 tubos concêntricos (fluxo de oxigênio e água de refrigeração)

– Bico: • Material: cobre eletrolítico de alta condutividade térmica

• Projeto: 3 furos com seção convergente/divergente para obter jato supersonico.


Equipamentos

• Sub-Lança– Função: medir a temperatura e o teor

de carbono durante o sopro– Objetivo: atingir, ao final do sopro, as

faixas de temperatura e teor de carbono objetivadas, sem necessidade de resopro

– Resultado: menor tempo de corrida (maior produtividade)


Matérias-primas

• Carga Metálica

– Gusa líquido/sólido

– Sucata de aço/gusa

– Ferro esponja

• Fundentes

– Cal calcítica (CaO) ou dolomítica (CaO/MgO)

– Fluorita (CaF2)

– Minério de ferro

• Refrigerantes

– Minério de ferro

– Calcário

– Carepa

• Oxigênio


Carga metálica

• Gusa líquido– Funções

• Fornecer energia para o processo (entalpia e reações de oxidação do C e Si)

• Fonte de metal primário (sem impurezas)

– Características de qualidade• Temperatura: 1.300 a 1.400 C (constante)

• Composição química

C Si Mn P S

% 4,0 – 4,2 0,3 – 0,7 0,5 – 0,8 < 0,150 < 0,040

Obs. Com pré-tratamento de gusa %Si ~ 0,1


• Gusa líquido– % de gusa líquido na carga metálica depende

• Composição (%Si) – capacidade térmica e formação de escória

• Temperatura

• Qualidade do aço a ser produzido (elementos residuais)

• Qualidade da carga sólida (densidade e tamanho)

• Qualidade da cal

• Dimensões do conversor (efeito da perda térmica)

• Pequenos (~ 30 t): 85 – 90%

• Grandes (300 t): 70%

– % de gusa impacta diretamente no custo• Alta %, custo mais alto

Carga metálica


• Gusa líquido

– Importância do teor de silício• Rendimento térmico processo AF/LD:

• Incorporação de 0,1% Si no AF = 25.000 kcal/t• Oxidação de 0,1% Si no LD = 4.821 kcal/t

%3,19100x000.25

821.4térmico

Carga metálica


• Gusa líquido:

Efeito de se reduzir 0,1% no teor de Si do gusa

Alto-Forno LD

Consumo de carbono: -6,5 kg/t Rendimento metálico: +0,2%

Produtividade: +3,1% Número de corridas: +110

Consumo de cal: -6,3 kg/t

Consumo de dolomita: -2,9 kg/t

Conseqüência: é necessário reduzir a % Si no gusa antes do LD

Pré-tratamento do Gusa

Carga metálica


Pré-tratamento de gusa

Agente Dessiliconizador

Agente Desfosforante/Dessulfurante

Remoção de escóriaAlto-Forno

LD

Misturador de GusaCarro

torpedo

Reciclagem de escória

Dessiliciação

Desfosforação

Dessulfuração


• Sucata de aço– Funções

• Fonte de ferro para o processo (%Fe>99%)

• Refrigerante para controle térmico

– Origem• Geração interna (lingotamento/laminação)

• Externa (compras)

– Classificação• Composição química: tipo de aço a ser produzido

• Dimensões: tempo necessário para fusão & desgaste do refratário

• Densidade: efeito na produtividade (úmero de cargas)

• Grau de contaminação: tipo de contaminante (Cu, Sn)

Carga metálica


• Sucata de aço– Classificação

• Primeira categoria: aparas de chapas grossa, tiras a quente e a frio, retorno de laminação.

– Alta pureza e baixa densidade.

• Pesada : lingotes e placas de lingotamento sucatadas, aparas de corte de LC ou lingotes.

– Elevada densidade, alto teor de S e P, precisa de preparação.

• Segunda categoria: sucata de bens de consumo (geladeira, automóveis, etc.).

– Elevado nível de contaminantes e precisa preparação (seleção, limpeza, corte e prensagem)

• Sucata recuperada: proveniente da britagem e peneiramento de escória e resíduos de lingotamento.

– Teor metálico variável.

Carga metálica


Alguns tipos de sucata de aço

Plate and Structural tamanho max. 1,50 x 0,60 m x 0,60 m e 6 mm espessura; isento de tubos e peças ocas.

No1 Heavy tamanho max.1,50 x 0,60 x 0,60 e 6 mm espessura contendo tubos, peças ocas, rodas pesadas de veículos e cabos de aço; isento de peças de veículos leves

No2 Heavy tamanho max. 1 x 0,60 x 0,60 m contendo peças de rodas veículos leves e isento partes de veículos leves e eletrodomésticos

No1 Bundles chapas novas prensadas e amarradas com densidade mínima de 1600 kg/m3 ; isento materiais de recobrimento contendo até 0,5% Si

No1 Bundles chapas velhas e galvanizadas prensadas e amarradas com densidade min de 1600 kg/m3;

Shredded peças velhas fragmentadas tamanho max.200 mm; livre de terra e areia, metais não ferrosos e outros; baixa umidade; densidade min. 800 kg/m3; teores max. Sn de 0,03% e Cu de 0,25%

No1 Busheling adequada par prensagem, livre de revestimentos a base de estanho



Carga metálica

• Sucata de gusa– Fonte

• Peças de ferro fundido (lingoteiras)• Limpeza de canais de vazamento de AF• Compras externas

– Vantagens sobre a sucata de aço• Livre de elementos residuais• Alto teores de C e Si (fontes de calor)

– Desvantagem• Contaminação com sílica e alumina (terra, areia)• Baixo teor de ferro (~ 90 a 94%)


Fundentes

• Cal– Funções

• Neutralizar a sílica proveniente da oxidação do silício do gusa formando 3CaO.SiO2 de modo a reduzir o consumo de refratário

• Obter uma basicidade (%CaO / %SiO2) da escória adequada para permitir a remoção de P e S.

– Característica importante: elevada velocidade de dissolução na escória

• Dissolução depende• Qualidade da cal• Condições operacionais


Fundentes• Cal

– Qualidade da cal• Densidade: 1,5 a 1,7 g/cm3

• Indicativo da superfície específica• Granulometria: 15 a 40 mm, max.10%<5mm

• Indicativo da superfície específica• Perdas nos gases

• Baixo teor de CO2 (<5%)• Maior consumo de energia• Menor teor de CaO

• Baixo teor de silíca (SiO2)• Menor teor de CaO• Maior consumo de cal

• Baixo teor de enxofre


Sequência de fabricação do aço na aciaria LD:

1. Carregamento de sucata

2. Carregamento gusa líquido

3. Sopro O2 + cal

4. Amostragem

5. Vazamento do aço + (ligas e desoxidantes)

6. Vazamento da escória


Seqüência de operação

Carregamentode sucata

Carregamentode gusa líquido

Sopro Vazamentodo aço

Vazamentoda escória

tap – to – tap (~50 min)

~4 min ~4 min ~30 min ~6 min ~6 min


Controle de sopro

Amostragem%C e temp.

Sopro &Controle por

Sub-lança

Re -Sopro

Amostragem manual Sub-lança


Carregamento de sucata


Carregamento de sucata


Limpeza da boca do convertedor


Limpeza da boca do convertedor


Remoção de escória da panela de gusa


Carregamento de Gusa


Carregamento de gusa


Carregamento de gusa


Sopro de Oxigênio


Vazamento do aço


Basculamento para vazamento de escória


Vazamento de escória


Retorno após vazamento de escória


Transporte da panela de aço para o lingotamento


Reações no LD

• Reações– Oxidação do Carbono: mais importante, pois

determina a produtividade– Oxidação do Silício– Oxidação do Manganês– Oxidação de Ferro– Oxidação do Fósforo – Dessulfuração


Variação da composição química dos principais elementos


Reações:Reações:

C + O CO (direta)

C + FeO Fe + CO (indireta)

Etapas:

1º Período:Veloc. Lenta – oxidação de outros elementos (Si)

2º Período:Velocidade constante e limitada pela vazão de O2

3º Período:Veloc. Diminui redução do teor de carbono no banho

Oxidação do CarbonoOxidação do Carbono


Oxidação do SilícioOxidação do SilícioReações:Reações:

Si + 2 O SiO2 (l)

Si + 2 FeO 2 Fe + SiO2

SiO2 + 3CaO 3CaO.SiO2 (l)

1º Período:

Termodinâmica:

- Si tem alta afinidade pelo oxigênio

- oxidação praticamente total ao final do 1º Período

- Dissolução da cal: a cal deve estar totalmente dissolvida antes do término do Período I (presença de FeO e MnO na escória favorece a dissolução – escória fica mais líquida)

SOPRO MACIOSOPRO MACIO

Adição de fluxantes:

FluoritaMinério

Abaixar Tf dos silicatos


Oxidação do ManganêsOxidação do Manganês


Mn + O = MnO (l)

1º Período:Oxidação do Mn

2º Período:Redução do MnO

MnO (l) + C = Mn + CO

(g)

3º Período: Oxidação do Mn


Oxidação do FerroOxidação do Ferro


Fe (l) + O = FeO (l)

1º Período:Oxidação do Fe

2º Período:Redução do FeO

FeO (l) + C = Fe(l) + CO

(g)

3º Período: Oxidação do Fe Importante para o rendimento metálico do LD

1. Sopro macio2. Adição

FeO/Fe2O33. Escória corrida

anterior


Oxidação do FósforoOxidação do Fósforo


2 P + 5O + 4CaO(l) P2O5.4CaO (l)

Termodinâmica:-alta atividade CaO na escória -(cal dissolvida): Períodos I e II devido a presença de FeO e MnO- baixa temperatura: Período I

1º Período:Alta taxa desfosforação

2º Período:P2O5 que não reagiu CaO P no banho %P aumenta devido descarburação

3º Período: Descarburação diminui %P diminui


DessulfuraçãoDessulfuração

ReaçãoReação

S + CaO (l) = CaS (l) + O

1º Período:2º Período:alta atividade CaO na escória (cal dissolvida): Períodos I e II devido a presença de FeO e MnO

3º Período: alta temperatura

- 50% S carregado permaneceParte do S é vaporizado (SO, SO2 e COS)


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Tempo de Sopro (%)

pp

m O

limitação da descaburação

alta taxa de descarburação

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