UNIVERSIDADE DE SO PAULO USP ESCOLA DE ENGENHARIA

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - USP ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL LOM 3080 Processos da Indústria Metalúrgica e Siderúrgica Professor: Carlos Angelo Nunes cnunes@demar. eel. usp. br

Produção de Aço em Forno Elétrico a Arco

Definição e generalidades • Um Forno Elétrico a Arco (FEA) é um forno que aquece e funde a carga por meio de um arco elétrico; • Os FEA possuem tamanhos que vão desde pequenas unidades de uma tonelada de capacidade (usados em fundições de produtos de ferro fundido) até 400 ton, usados em refino secundário de aço; • A temperatura em fornos industriais pode atingir 1800 °C, enquanto em laboratório pode exceder 3000 °C. • Os fornos a arco diferem dos fornos a indução tendo em vista que nos fornos a arco a carga é diretamente exposta a um arco elétrico e a corrente nos terminais passa através da carga; • Os uso de FEA permite que aços sejam produzidos a partir de 100% de sucata como matéria-prima. Isto reduz enormemente a energia requerida para fabricar o aço quando comparado com a rota primária a partir de minério;

Tipos de FEA Tipos de fornos elétricos a arco: • FEA de corrente alternada (AC) • FEA de corrente contínua (DC) FEA (AC) trifásicos com eletrodos de grafite são comumente usados na fabricação de aço

FEA – AC (Corrente Alternada)

FEA – AC (Corrente alternada)

FEA – DC (Corrente Contínua)

Elementos construtivos de um FEA (AC) • O forno consiste de uma base com formato esférico (fundo do cadinho), uma carcaça cilíndrica refrigerada e uma abóboda basculante também refrigerada a água; • A abóboda apresenta três furos para passagem dos eletrodos de grafite; • Há mecanismo para elevação e abaixamento independente de cada eletrodo; • O forno é montado num mecanismo que permite basculá-lo para vazamento do aço líquido através de um furo; • Há uma porta de acesso na carcaça lateral do forno, através da qual podem ser carregados aditivos para formação de escória e elementos de liga do aço. Esta porta também é usada para remoção da escória;

Elementos construtivos de um FEA (AC) • Há uma porta de acesso na carcaça lateral do forno, através da qual podem ser carregados aditivos para formação de escória e elementos de liga do aço. Esta porta também é usada para remoção da escória • O revestimento refratário dos FEA são feitos geralmente de tijolos de magnésia-carbono; • Há sistemas de lanças refrigeradas a água para injeção de oxigênio em velocidade supersônica e para injeção de finos de carbono. Estas lanças são suportadas e movidas por manipuladores mecânicos instalados em plataformas rígidas a uma certa distânica da porta de escória; • Há sistemas para captação de gases e tratamento dos gases efluentes.

Exemplo de configuração de um forno elétrico a arco de corrente alternada

Vista de um FEA (AC)

Abóboda componentes para refrigeração Carcaça lateral do forno componentes para refrigeração

Forno vazio com queimadores a gás ligados

Eletrodos de Grafite

Locais com revestimento refratários Lining zones: 1 - Roof of the furnace; 2 - Slag line; 3 - Bottom and banks; 4 - Tuyere; 5 - Well block (system of blowing); 6 - Wall; 7 - Safety lining; 8 - Tuyere block; 9 - Well block

Lanças para injeção de oxigênio e finos de carbono

Matéria-Prima: Sucata – típico Si: 0, 1 – 0, 3% massa Mn: 0, 3 – 0, 6% massa C: 0, 1 – 0, 3% massa

Pacote de estamparia Retorno Interno Shredder

Cavaco de aço Pesada para corte Pacote de mista

Outras matérias-Primas: Ferro-Gusa Sólido Ferro-gusa Si: 0, 3 – 2, 5 %p Mn: 0, 4 – 1, 0%p C: 3, 4 – 4, 5%p

Outras matérias-Primas: Ferro-Esponja

Outras matérias-Primas: Briquetes de ferro * Grangue is oxides not in metallic form (i. e. , Si. O 2, Al 2 O 3, Ca. O, Mg. O, Mn. O) that remain in the HBI and are removed in the iron or steelmaking process ** Residuals are undesirable chemical elements for steelmaking (i. e. , Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Pb, V)

• A carga pode incluir cal e carbono ou estes podem ser injetados no forno durante a corrida. Em algumas empresas a cal e o carbono podem ser adicionados a partir do cesto de sucata e suplementado via injeção. • A maioria das operações objetivas o uso de 2 ou 3 cestas de sucata por corrida e normalmente trabalham com um “mix” de diferentes tipos de sucata. Exemplo de carga:

Ciclo de Fabricação

CARREGAMENTO • A abóboda do forno, após remoção dos eletrodos, é levantada e girada, expondo toda a “boca do forno”; • O cesto contendo a sucata é posicionado sobre o forno e então deixa a sucata cair no interior do forno;

FUSÃO • No início do processo de fusão baixas voltagens são selecionadas para proteger a abóboda e paredes do forno devido ao grande calor proveniente do arco. O arco neste estágio é instável. Aproximadamente 15% da carga é fundida neste estágio. De forma a aumentar a estabilidade do arco, pequenos pedaços de sucata são colocados na parte superior da carga; • Os eletrodos são então lentamente abaixados, formando furos na carga, e uma vez que atingem posições próximo do líquido a voltagem pode ser aumentada, pois o arco está agora envolvido por sucata , a maior voltagem aumenta a potência de fusão;

FUSÃO (continuação) • Ao longo do processo, o metal formado escoa para a base do forno; • Os eletrodos são levantados à medida que o nível de líquido também se eleva; • Uma vez que a quantidade de sucata fundida por acomodar uma novaa carga, nova alimentação é feira. • Uma vez que a última carga é fundida, as paredes laterais são expostas e intensa radiação. Então a voltagem precisa ser diminuida; Alternativamente pode ser criada uma escória espumante que irá envolver o eletrodo;

Geração de energia através de : • • Energia elétrica; Oxidação de C, Si, Fe, Mn, etc. . . Oxidação dos eletrodos (1, 5 a 3, 0 kg/t de aço); Oxidação do carbono da carga; Reações de formação de escória; queimadores; Pós-combustão, pela uso de ar ou oxigênio.

Consumo de energia: • Fusão de sucata; ferro esponja; gusa, incluindo o superaquecimento antes do vazamento; • Fusão de alguns dos componentes da escória • Ar no iteior do forno; • Perdas elétricas; • Painéis refrigerados a agua e dutos; • Perdas por radiação durante abertura do teto; • Calor sensível dos gases de saída.

Programa de potência

Escória Espumante • Escória espumante é usada para aumentar a eficiência térmica do forno durante o período de refino, quando as paredes laterais estão expostas ao arco elétrico. Uma escória espumente irá elevar o nível de escória e cobrir o arco elétrico, permitindo a utilização de uma alta voltagem sem aumentar a carga térmica nas das paredes do forno. Além disso, um arco elétrico coberto por uma escória espumante terá maior eficiência na transferência de energia para o aço líquido; • A escória espumante é obtida pela injeção de oxigênio no aço líquido, onde principalmente o ferro é oxidado de acordo com a reação: O 2 + 2 Fe = 2 (Fe. O) • Carbono em pó é injetado simultâneamente na fase escória onde o óxido de ferro é reduzido: (Fe. O) + C = Fe + CO (g)

Escória Espumante (cont. ) • O gás CO resultante é crítico para obtenção de uma escória espumante; • Durante a formação de escória espumante, a escória pode transbordar para fora do forno pela porta de escória. • A geração de CO é fundamental também para remoção de nitrogenio e hidrogenio e inclusões óxidas de escória presentes no banho.

Composição típica da escória Component Source Ca. O Si. O 2 Fe. O Charged Oxidation product Charged as dolomite Charged - slag fluidizer Oxidation product Absorbed from steel Oxidation product Mg. O Ca. F 2 Mn. O S P Composition Range 40 - 60 % 5 - 15 % 10 - 30 % 3 - 8 % 2 - 5%

Estágio de Oxidação (Refino) Neste estágio, carbono, fósforo, silício e manganês são oxidados. Isto é similar ao que foi apresentado para o caso do Processo BOF (Forno LD). Uma escória composta de cal (Ca. O) e Fe. O é formada. O óxido de ferro causa o aumento do teor de oxigênio no aço líquido de acordo com a reação: (Fe. O) = [Fe] + [O] O oxigênio dissolvido no líquido oxida o carbono, fósforo, silício e manganês [C] + [O] = {CO} [Si] + 2[O] = (Si. O 2) [Mn] + [O] = (Mn. O) 2[P] + 5[O] = (P 2 O 5) O monóxido de carbono parcialmente queima na atmosfera: {CO} + ½ {O 2} = {CO 2} ([ ] – significa dissolvido no aço, ( ) – significa dissolvido na escória, {} significa no gás)

VIDEOS https: //www. youtube. com/watch? v=_j 2 j. ESz 7 Zl 8 (3: 39) https: //www. youtube. com/watch? v=fo. Wnh. L-Mw. Ho&t=8 s (2: 07) https: //www. youtube. com/watch? v=m. Cd. G 048 JPWg (4: 49) https: //www. youtube. com/watch? v=G 6 Uxh-xt. U-g (3: 16) https: //www. youtube. com/watch? v=_3 J 5 bsqil. VE (4: 44) https: //www. youtube. com/watch? v=-_nh. Xd. ZGN 4 k (2: 31)