Fornos Elétricos a Arco e de Indução: Processos de Elaboração do Aço

Fornos elaboração do metal e vazamento Luiz Carvalho Primeira parte Fornos Elétricos à Arco FEA Fornos de Indução Elaboração de aços Cálculo e montagem de carga fria Fusão Refino oxidante Refino redutor Vazamento Desoxidação Índice Fornos Elétricos a Arco FEA Na Aciaria se produz refina e lingota o Aço Existem vários processos para se produzir o aço Atualmente os FEA conversores de oxigênio e fornos a indução são os mais utilizados Aciarias elétricas 334 de todo o aço produzido no mundo 21 no Brasil Possibilita Fusão rápida de sucatas a partir de arcos voltaicos de alta energia aplicados por 3 eletrodos de grafite Refino das impurezas contidas C Si Mn P N e H na etapa oxidante e S na etapa redutora Menor nível de inclusões no aço devido a possibilidade de sopros de gás argônio oxigênio gás carbono etc Fornos Elétricos a Arco FEA As origens do FEA remontam a 1878 quando W Von Siemens patenteou um forno com dois eletrodos dispostos horizontalmente que criavam um arco indireto aquecendo a carga por irradiação No entanto esta invenção só começou a trilhar uma trajetória ascendente na produção de aço no século XX quando os custos com a energia elétrica começaram a viabilizar o uso desta tecnologia Fornos Elétricos a Arco FEA Fornos Elétricos a Arco FEA Tensão de saída 80250 V Corrente de saída 3000 12000 A Potência dos fornos 45 e 60 mVA Tensão de entrada 138 V Corrente de entrada 350A Fornos Elétricos a Arco FEA Fornos Elétricos a Arco FEA Revestimento Refratário A composição química dos tijolos deve corresponder com o tipo de aço e escória fabricados Ex Se a escória resultante for ácida a composição química dos refratários deve ser ácida também afim de evitar desgaste excessivo Fornos Elétricos a Arco FEA Fornos Elétricos a Arco FEA Fornos Elétricos a Arco FEA Forno de Indução FI Fornos a Indução FI Proporciona Fusão rápida de sucatas a partir de indução magnética aplicada pela bobina com corrente de alta freqüência Fusão em condição oxidante para refino dos gases N e H promovido por boilling de CO Não Proporciona A escória não fica na fase líquida não permitindo o refino Fornos a Indução FI O forno elétrico de indução utiliza correntes elétricas para derreter o metal Estas correntes são alternadas através de bobinas grandes de cobre refrigerada à água em torno do cadinho que contém o metal aquecendoo e formando redemoinhos que derretem O metal puro derretido afunda enquanto os contaminantes sobem à superfície de onde eles são tirados O forno de indução é mais rápido e mais preciso em temperatura que um forno tradicional A carga se aquece e funde por efeito Joule de correntes de Foucault geradas em seu interior Sistema elétrico Unidade de fusão Fornos a Indução FI Sempre que um campo magnético atravessa uma espira aparece nesse circuito uma corrente elétrica Esse fenômeno é chamado de indução eletromagnética O Forno de Indução é um transformador com várias espiras na bobina primária e apenas uma espira na bobina secundária A redução na tensão de entrada faz com que em compensação a corrente no anel seja muito alta permitindo que uma grande potência elétrica seja dissipada no anel Essa potência é dissipada em forma de calor efeito Joule Fornos a Indução FI Aplicação contínua de potência sem taps mesmo com carga baixa e agitação típica resultante das correntes magnéticas Fornos a Indução FI Elaboração dos Aços em FEA Cálculo e montagem de carga fria A confecção da carga fria é uma das etapas mais importantes do processo de aciaria Uma boa carga fria gera custo baixo velocidade de fusão alta boa qualidade A carga fria normalmente sólida sendo constituída por sucata gusa ferro ligas retornos de fundição ou sobra de cortes de lingotes Cálculo e montagem de carga fria Cálculo e montagem de carga fria Características importantes Composição química e níveis residuais P S etc Densidade número de carregamentos Dimensão Carga alta danos aos refratários Rendimento metálico Custo Teores de Carbono Cálcio e Silício controle da oxidação do metal e controle da basicidade da escória camada seguinte sucata pesada até 15 do peso total Objetivo evitar quebra de eletrodos por queda de sucata durante a fusão fundo do cesto camada de sucata leve sucata leve sem óleo ou água até 10 do volume total da sucata Objetivo proteger o revestimento do forno Carburantesgusa Em estratificações no centro do cesto Objetivo permitir a descida apropriada dos eletrodos e impedir a formação de cascões Cálculo e montagem de carga fria Escorificantes Em direção às paredes do cesto Objetivo fora do Círculo Primitivo dos Eletrodos para prevenir eventual quebra de eletrodos pelo contato com material nãocondutor isolamento Montagem de Carga Fria O cargueiro carrega o cesto com 10000 Kg de sucata levepara evitar problemas com a abertura do cesto durante o carregamento do forno e também atua como amortecedor absorvendo o impacto da queda do material diretamente com o refratário do forno Carrega o cesto com o resíduo que está armazenado em caçamba Fundo do cesto com sucata Cesto com resíduo Baia de sucata de C Cálculo e montagem de carga fria PÁTIO AVANÇADO PÁTIO DE SUCATA USINA SUCATEIRO FERRO VELHOS COOPERATIVAS CATADOR SUCATA OBSOLECENCIA SUCATA INDUSTRIAL Modelo de Abastecimento Cálculo e montagem de carga fria Tipos de Sucatas Cavacos de aço Industrial Tesourada Pesada Obsolescência Oxicorte Verificar se existem botijões cilindros e amortecedores fechados Verificar se existem materiais bélicos e radioativos Verificar sucata preparada com terra pedras etc Fusão Fusão Processo de Fusão Fase de Ignição e Perfuração duração de 1 a 2 minutos objetivo mergulhar rapidamente o eletrodo na carga proteger a abóbada e carcaça superior da radiação do arco perfil elétrico uso de um ou dois taps de tensão comprimento de arco e fator de potência relativamente baixos cos 075 estabilizar o arco em uma fase inerentemente instável energia alternativa ligar queimador com chama oxidante duração de acordo com a potência total do forno objetivo fundir a sucata com a maior taxa possível perfil de energia elétrica aumentar a potência para obter o arco de maior comprimento possível e mais estável fator de potência entre 080 e 085 perfil da energia alternativa utilização de queimadores e lanças de oxigênio para reduzir o tempo de fusão da carga Evitar peças densas frontais aos injetores Processo de Fusão Fase de Fusão da Sucata Fusão Fusão Entrada de energia elétrica arco estável e o mais longo possível fator de potência entre 080 and 085 eletrodos produzem as maiores crateras possíveis sucata inicia a fusão basicamente a partir do fundo espaços vazios em torno do eletrodo aumentam a sucata que cai preenche as crateras as paredes do forno estão completamente protegidas pela sucata a tensão no secundário permanece alta vida satisfatória do revestimento do forno corrente dos eletrodos permanece relativamente baixa Processo de Fusão Fase de Fusão da Sucata Fusão Fusão Injeção de oxigênio oxigênio fonte adicional de energia para fusão de sucata uso do calor de oxidação corte rápido da sucata pesada o calor resulta da reação exotérmica do oxigênio com o carbono silício e manganês o oxigênio é soprado através de lanças tão logo a sucata fique rubra e haja formação de um poço de metal líquido oxigênio adicional pode ser injetado via queimadores eou ventaneiras montadas na soleira do forno Processo de Fusão Fase de Fusão da Sucata Fusão Duração de acordo com a energia total e agitação do banho objetivo aumentar a temperatura do banho metálico até o valor previsto para o vazamento perfil de energia elétrica altas correntes combinadas com tensões significativamente reduzidas perfil alternativo de energia injeção de oxigênio e carbono controlar as reações metalúrgicas do refino carbono fósforo enxofre etc promover a espumação da escória para envolver o arco elétrico agitação do banho e homogeneização Processo de Fusão Superaquecimento do Banho Fornos Elétricos a Arco FEA Principais reações que ocorrem durante o processamento do aço Refinо oxidante Refino oxidante 1 Formação de escória oxidante e espumante através do sopro de oxigênio As reações químicas básicas são As demais reações de oxidação durante o refino oxidante são 2 Al 3 O Al2O3 escória Si 2 O SiO2 escória Mn O MnO escória 2 Cr 3 O Cr2O3 escória 2 P 5 O P2O5 escória Refino oxidante Seqüência de oxidação de elementos durante o refino oxidante Refino oxidante 2 A geração de bolhas de CO boilling agita o banho acelerando as reações entre banho e escória Permite a desgaseificação do aço quanto ao Nitrogênio e o Hidrogênio contido aumenta o volume da escória protegendo a carcaça contra a irradiação dos arcos vindos dos eletrodos OBScomo há consumo de C do banho ou é utilizada a adição de carburantes em pó por lança ou esta adição ocorre previamente com a carga sólida Refino oxidante Controle de Hidrogênio e Nitrogênio Causas para absorção de N dissociação das moléculas de N2 na região do arco alta temperatura local que aumenta a solubilidade do N banho com menor proporção de C no FEA intensidade de sopro de oxigênio menor no FEA que no LD pureza do O2 utilizado Causas para absorção de H Humidade dos materiais utilizados Furos na refrigeração dos fornos Refino oxidante Controle de Hidrogênio e Nitrogênio Consequências da absorção de N Envelhecimento má conformabilidade a frio Fragilização Favorecimento de corrosão sob tensão na forma de trinca intercristalina Formação de nitretos indesejáveis Consequências da absorção de H Redução do limite de escoamento Redução da ductilidade medida pelo alongamento total até a fratura ou redução de área Aceleração do crescimento de trincas Promoção da transição de fratura dúctil para frágil Refino oxidante Durante a formação de boilling os teores de oxigênio e nitrogênio são reduzidos A baixa pressão parcial de H e de N nas bolhas de CO desloca o equilíbrio das reações abaixo para direita facilitando a desgaseificação N ½ N2 gás H ½ H2 gás Redução de Nitrogênio e Hidrogênio Quanto mais curto for o refino redutor e a etapa de vazamento menor será a possibilidade de reabsorção destes gases pick up Refino oxidante O término da fase de refino oxidante é caracterizado pela retirda da escória do forno FIM