MET 130 - Siderurgia 2 - Paulo

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Módulo 1 
Prof. Dr. Paulo Santos Assis, Professor Titular da Escola de Minas 
Eng.Metalurgista, 1975. M.Sc., 1978. Dr.-Ing. 1991 
Notas de aula 
MET 130: Siderurgia II 
Panorama da produção de aço/Rotas de produção/Escória/Fundamentos 
cinéticos e termodinâmicos da produção de aço. 
Introduzir conceitos básicos nas áreas de produção de aço, desde o pré-tratamento de gusa até o 
lingotamento continuo, passando por fundamentos de escória, metalurgia primária (LD/FEA), 
fundamentos termodinâmicos e cinéticos do refino de aço, metalurgia secundária, tratamento do 
aço na panela, fundamentos e aspectos operacionais de lingotamento do aço. 
OBJETIVOS 
 
Programa da Disciplina – MET 130 
IDENTIFICAÇÃO 
 
 Disciplina SIDERURGIA – II 
 
 
Código MET 130 
 
Departamento 
ENGENHARIA METALÚRGIA E DE MATERIAIS 
Unidade 
 
ESCOLA DE MINAS 
 
Carga Horária Semanal 
05 
 
Teórica 
04 
 
Prática 
01 
 
Duração/Semana 
18 
 
Carga Horária Semestral 
90 
P 
R 
O 
G 
R 
A 
M 
A 
Unidades e Assuntos Teóricos Data Nº de 
Aulas 
Tipo 
T/P 
Introdução geral ao curso 14-10-2015 03 T 
Panorama mundial da produção de aço –Com rotas tecnológicas 19-21-26/10/2015 11 T 
Fundamentos de escória 28/10-04/11-2015 16 T 
Fundamentos de escória 09-11/11/2015 21 T 
Fundamentos termodinâmicos e cinéticos de reações de refino 16-18/11/2015 26 T 
1
a
. Avaliação de Siderurgia 23-11-2015 29 P 
Visão geral de processos pneumáticos de fabricação de aço 25/11/2015 31 T 
Processos de refino via FEA 30/11-02/12/2015 36 T 
Princípios da Metalurgia Secundária 07-09/12/2015 41 T/P 
Desoxidação e eliminação de inclusões 14-16/12/2015 46 T/P 
2
a
. Avaliação de Siderurgia 21/12/2015 49 
Processos pneumáticos de fabricação do aço-Fundamentos 18-20-25/01/2016 57 T 
Processo LD e sucedâneos 27-01/02/2016 62 T 
Exercícios e áudio-visual 03/02/2016 64 P 
3
a
. Avaliação de Siderurgia 15-02-2016 67 P 
Processos elétricos de fabricação do aço + Exercicios BOF/EAF 17-22-24/02/2016 75 T 
Princípios de solidificação 29/02/2016 78 T 
Lingotamentos convencional e contínuo 02-07/03/2016 83 T 
4
a
. Avaliação de Siderurgia 09-03-2016 85 P 
Encerramento da disciplina – Discussão/Avaliação global 14-16/03/2016 90 P 
 
Sistema de avaliação: 
Provas/Seminários - 100 
 
Total de aulas 90 
Horário das aulas: Segunda-feira: 13:30 – 16:10 
 Quarta-feira: 13:30 – 15:10 
 Sala 02 
 
Literatura sugerida 
BIBLIOGRAFIA BÁSICA 
 01) ASSIS, P.S. ET ALLI. Modelling and Simulation of Iron & Steelmaking. Ed. REM 1998 
 02) GHOSH, A & CHATTERJEE, A. Iron and Steelmaking: Theory and Practice. Ed. PHI 2011. 
 03) CAMPOS ET ALLI. Principios de refino e solidificação do aço, Ed. UFMG, 1985 
 
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR 
 01) VDEH, SLAG ATLAS, Ed. VDEh 1997 
 02 AIST- STEELMAKING, Ed. AIST 2008 
 03) GHOSH, A. Secondary Metallurgy, 2001, Ed. PHI 
 04) SILVA C.A. ET ALLI Transport Phenomena, Ed. ABM, 2009 
 05) ASSIS, P.S. & DEO, B Modelling of Steelmaking. Ed. ABM, 2007 
DEMET/EM/UFOP em 19-02-2015 
Visão geral da Siderurgia: Aciaria (2 rotas) 
100% scrap 
30% scrap+ 
70% pig iron 
Produção de aço por região 
Why Iron and Steelmaking in 
the World is feasible ? 
1. Iron ore source: overall (for the next 1000 years or 
more) 
 The first material (in weight) used in the World 
 Driving force: Properties, diversity, price 
2. Electric functions with low price, i.e. in comparison 
with other alloys like Ni-Co 
 [Normally the prices of Si-Steel is 1/3 of the 
equivalent alloy. Other hand, the price of Si-Steel is 
by USD 1650/ton or even more] 
3. Structure can be modified by Alloys adding or even 
by Temperature (CCC to CFC) 
4. Diffusion of Carbon at high Temperatures, till 2 %. It 
seems to be unique for Metals. 
 
General overview 
Why Iron and Steelmaking in 
the World is feasible ? 
5. Low cost in comparison 
with other Materials 
that can be substituted 
6. Low Consumption of 
Energy in comparison 
with the Al (Primary) 
 
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Steel
Concrete
Aluminium
USD/kg/km 
Material 
Cu – Ti – Carbon Based 
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
GJ/t
Primary Steel
Secondary
Steel
Primary
Aluminium
Secondary
Aluminium
GJ/ M Ton 
Introdução geral 
Why Iron and Steelmaking in 
the World is feasible ? 
7. Wastes with low risk (Normally is 2A or even 2B). 
Possibility for recycling 100 % 
[Although high volume of Waste (it could be more than 1 
t/t Steel), all of them could be recycled in Steel or even 
Other Industry (Cement Producer)] 
 By ArcelorMittalTubarão, almost 100 % is recycled ! 
 
Source: Discussions in Fukuoka-2010 & Tokyo-2014 Japan; Banff Canada-
2010; Pukhet, Thailand-2007, Duisburg, Bonn-Germany 2011, 2013 Leoben, 
Austria-2011; Kharagpur, Bangalore Jamshedpur, Pune India-2010, 2012, 
2013 & 2014; Florence Italy-2012; Beijing, China-2012; Pittsburgh, USA-2012 
& Indianapolis-2014 Eckaterinburg, Russia-2012; Rio de Janeiro, Brazil-2012 
Introdução geral 
Where about the problems concerning 
Iron and Steel production ? 
1. High Capacity 
[Ladle of capacity of 400 t/Heat. Blast Furnace with 12 000 t/day. 
LD Converter by 420 ton / Heat] 
 
High Investment Cost 
2000 USD/t Steel/Year 
 
{For EAF this value could be highly reduced: USD 250 USD/t 
Steel/Year}. It depends upon on Scrap Availability 
This is one advantage for producing Sponge Iron ! 
P.S.: In this case the Investment will be higher if the DR Process 
might be built in the owner Steel Producer 
 
General Overview 
A questão da Sucata 
 Necessidade de sucata (1995-2015) 
 Evolução de preços nos EUA/China 
 Consumo aparente de aço 
 Necessidade de metálicos (1975-2017) 
 Importação de minério de ferro China 
 Preços de Sucata e gusa (C.I.F. Ásia) 
 Exportadores de Sucata 
 Sucata de obsolescência 
 Questão cambial (Real forte: importação facilitada) 
 Conclusões preliminares 
 
Introdução geral 
 BDI (Shipping cost): Baltic Dry Index 
 Scrap price (changes) 
 SteelBenchMarkerTM 
Introdução geral 
Evolução do preço de 
transporte maritimo 
(B.D.I) 
Nov. 2007 
Introdução geral 
Evolução do preço do aço 
 
Introdução geral 
Demanda mundial de sucata e preços 
Consumo aparente mundial 
de aço (1975-2015) 
[Fonte: AIST: IST, Jan 2008, pg 22] 
Demanda mundial de 
metálicos (2015-2107) [Fonte: AIST: IST, Jan 
2008, pg 22] 
Introdução geral 
Importação de minério-
de-ferro China (2000-2007) 
Introdução geral 
Preço de sucata e gusa 
(Jan 2000-Out 2007)[Fonte: AIST: IST, Jan 2008, pg 22] 
Introdução geral 
Exportadores de sucata x Produção de aço 
Maiores exportadores de sucata (2007): EUA-Rússia-Japão-Inglaterra-Canadá-
França-Alemanha-Austrália-Ucrânia-África do Sul 
Maiores produtores de aço (2007): China-Japão-EUA-Russia-India-Alemanha-Ucrânia-
Itália-Brasil-Turquia. [Base-Out 2007 expandido para 12 meses] 
0
20
40
60
80
100
120
140
0 2 4 6 8 10 12
Pr
od
uç
ão
 an
ua
l d
e a
ço
, M
io 
t
Exportação de sucata, Mio t
Sucata de obsolescência 
[Fonte: AIST: IST, Jan 2008, pg 22] 
Introdução geral 
Sucata: Considerações finais 
 O aumento dramático na produção mundial de aço 
vai continuar a pressionar a disponibilidade de sucata 
e portanto o seu preço 
 A instalação de usinas nosEUA (FEA) irá reduzir as 
exportações do país 
 Um dólar fraco, preços ascendentes de minério e de 
gusa, bem com elevado custo de transporte maritimo 
devem induzir aumento nos preços de sucata 
 Mercado de sucata deverá continuar volátil 
 O aumento da sucata de obsolescência deverá 
abrandar um pouco a questão. 
Introdução geral 
Where about the problems 
concerning Iron and Steel 
production ? 2. Memory Effect 
 Just for some years ago it has been in developping Steel with 
the Memory Effect. 
3. Main Characteristic of Iron: Corrosiv. 
 Effect of O2 and H2O is Thermodynamic unsustainable 
4. Change on Market (Global Market) 
 Past P = C + W 
 Now C = P – W 
 P is defined by the Market 
 W comes from the Investor Then C ≤ CSteel plant 
 
 
Introdução geral 
5. New process for developping 
 Speed is low due to: 
– Normal route has high Efficiency 
– Investment is high 
– Sector is not elastic like Computer Sciences 
6. Energy is connected with CO2 
 For the common process x Scrap Route 
7. Challenge is using Non coking coal, 
 Iron Ore with low Iron content and be economical, without 
CO2 generation 
Where about the problems concerning 
Iron and Steel production ? 
Introdução geral 
Brazilian Steel Conference 
Sao Paulo, August 12, 2014 
Solving overcapacity in the steel 
industry 
Michel Van Hoey 
McKinsey & Company | 27 
Pre-China boom China boom Post-crisis 
Global 
crisis 
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
70% 
0% 
80% 
90% 
-13% 
utilization now aligned with pre-
2000 long term average 
SOURCE: VDEh, WorldSteel, McKinsey 
Global crude steel capacity utilization1 
Yearly, percent 
Average ’00-’08 
Average ’80-’00 
1 Prior to 2004, global capacity utilization is taken from VDEh statistical yearbooks; from 2004 onwards, WorldSteel production data is compared to 
McKinsey’s crude steel capacity database 
McKinsey & Company | 28 
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88
Capacity utilization 
Percent 
2013 
2012 
2011 
2010 
2009 
2008 
2007 
2006 
2005 
2004 
EBITDA margin 
Percent 
GLOBAL 
utilization needs to exceed 83% for the 
industry to make sustainable returns 
SOURCE: McKinsey, Worldsteel 
McKinsey & Company | 29 
lower Chinese overcapacity 
significantly 
SOURCE: Mysteel; WSA; McKinsey crude steel capacity database; McKinsey analysis 
4 
Example – China upstream steelmaking Description – Upstream utility concept 
What it 
means 
Expected 
benefits 
Assump-
tions 
▪ Chinese 2013 crude steel 
overcapacity of ~250 million ton 
▪ Provincial crude steel 
overcapacity based installed 
capacity and 2012 production 
What is 
shared 
Prod. Com. Sourc. Log. 
Crude steel overcapacity by province in China 2012 
Million metric ton 
▪ Upstream capacity is pooled into a 
subset of entities with joint 
ownership 
▪ Manage capacity based on overall 
view of production needs 
▪ Closure costs are shared 
▪ Reduce overcapacity / improve 
capacity utilization 
10 
Henan 
10 
Shanxi 
15 
Liaoning Total 
204 
Others 
92 
Sichuan 
22 
Hebei 
56 
77 16 23 16 14 
# group 
companies 
Creating upstream utilities at 
provincial levels could significantly 
reduce overcapacity in China 
McKinsey & Company | 30 
Resuming 
▪ In spite of attractive growth rates, the steel industry will be 
facing large overcapacity for the decade to come 
▪ This overcapacity will continue to suppress industry 
margins, preventing the industry from achieving sustainable 
returns 
▪ The industry therefore needs to take steps to drastically 
remove overcapacity 
▪ Given the asymmetric sacrifice for individual players to close 
capacity, the industry should seek to remove overcapacity 
through a combination of unilateral and multilateral 
actions 
 
SUBSTITUIÇÃO 
PARCIAL DO 
COQUE 
Surgimento dos 
chamados "Novos 
Processos de 
Produção de Ferro 
Primário" 
 
Sensível melhoria 
de performance nas 
áreas de coqueria, 
sinterização e AF 
 
SUBSTITUIÇÃO 
TOTAL DO 
COQUE 
APARECIMENTO 
DAS 
"MINI STEELS" 
Resultados dos Recursos Despendidos 
Novas Tecnologias - Histórico 
RESULTADOS 
G
R
A
N
U
L
A
D
O
 
A
G
L
O
M
E
R
A
D
O
 
F
IN
O
S
 
GUSA 
I C DRI/HB
I 
D
R
I/
H
B
I 
GÁS 
NATURAL 
COQUE/CV CARVÃO 
FEA LD 
Desenvolvimento das Novas Tecnologias 
Novas Tecnologias - Características 
MIDREX 
AREX 
MAF 
CIRCORED 
Filter 
To Settling 
Pond 
Iron Ore Venturi 1 
Cyclone 1 
Cyclone 2 
Air 
Fuel 
Air Air Lift 
Cyclone 
Ore Hopper 
Recycle 
Cyclone 
CFB 
STAGE 
I 
FLUID BED 
STAGE II 
Flash 
Heater 
Cyclone 
HBI 
Product 
Hot Briquetting 
To Settling Pond 
Bleed as Fuel 
Make up 
gas 
Chiller 
Process 
Gas 
Com- 
pressor 
Gas Scrubber 
Process 
Gas Heat 
Exchanger 
Secondary 
Process 
Gas 
Process 
Gas Heat 
Fuel Air 
Solids Gas 
FINMET 
BRIQUETTING 
MACHINE 
STEAM 
REFORMER 
Air 
Natural 
Gas 
Steam 
Natural 
Gas 
HEAT 
EXCHANGER 
Ore 
HOPPER 
SYSTEM 
RECYCLE GAS SCRUBBER 
REDUCING REACTORS 
Reducing Gas 
Furnace 
Hot Briquetted Iron 
Air 
Natural 
Gas 
RECYCLE GAS COMPRESSOR 
CO2 
REMOVAL 
IRON CARBIDE 
TECNORED FUS/RED(DIOS) 
CIRCOFER 
COREX 
FASTMET 
Aço 
Líquido 
Fornecedor de Minério 
Granulado AF 
Granulado RD 
Pelota AF 
Pellet Feed 
PELOTIZAÇÃO 
SINTERIZAÇÃO 
Sinter 
Sinter Feed 
Ferro 
Esponja 
REATOR RD 
FORNO 
ELÉTRICO 
Ferro 
Gusa 
ALTO-FORNO 
CONVERSOR 
FLUXO TIPICO DA PRODUÇÃO 
DE FERRO E AÇO 
Quais são as vantagens do carvão vegetal em relação ao coque? 
34 
CARVÃO VEGETAL 
Termodinâmica e Cinética na 
produção de aço 
Conceitos e Fundamentos 
PRODUÇÃO DE AÇO 
Estudo de caso 
Quais são os produtos da redução ? 
R: Ferro-gusa, ferro esponja. 
 
Quais são produtos dos processos de pré-tratamento do gusa? 
R: Ferro gusa desiliciado, desfosforado e dessulfurado ou combinação 
destes 
 
Quais são os principais processos de refino primário que 
existem no mundo? 
R: O principal é LD (ou BOF). O segundo mais importante é o FEA. Ainda 
existem mais dois processos que são empregados: o SM e o EOF 
 
36 Prof. Dr. Paulo Santos Assis 
Fundamentos de escória 
Conceitos, aplicação e estudo de caso 
Visão geral da Siderurgia: Aciaria (2 rotas) 
100% scrap 
30% scrap+ 
70% pig iron 
INTRODUCTION 
Inorganic 
Non-metallic 
Crystalline and amorphous regions 
Generated or incorporated in metallurgical processes 
SLAG 
Figure 1 - Photo of slags being flowed out from two ladles. 
Escola de Minas DEMET 
TOP SLAG/SYNTHETIC SLAG 
Steel refining: Refino 
Thermal protection: Proteção térmica 
Capture of inclusions: captura de inclusões 
Ladle protection: Proteção da panela 
MANUFACTURE 
Fusion 
Pelletizing 
Sintering 
Mixture of raw materials 
Escola de Minas DEMET 
ar 
gases 
Ocorre fusão 
É preciso boa permeabilidade 
Existe segregação das partículas 
Aquecimento: atmosfera redutora 
Resfriamento: atmosfera oxidante 
Formação de uma matriz de escória 
Sinter frágil = parte superior / Sinter normal = Restante 
Sinterização de Minério de Ferro 
Entendendo o Processode Sinterização 
• Ocorre muita fusão da mistura 
• É preciso ter boa permeabilidade do leito 
• Existe segregação das partículas 
• Aquecimento: Atmosfera redutora 
• Resfriamento: Atmosfera Oxidante 
• É possível fabricar sínter ácido ou sínter auto- 
 fundente 
• O sínter apresenta alta dispersão granulométrica 
• Existe formação de sínter frágil no topo 
 
AR 
gases 
Processo Contínuo de Sinterização de Minério de 
Ferro 
 
42 
PROPERTIES 
1) Optical basicity 
2) Desulfurization 
3) Dephosphorization 
4) Viscosity 
5) Thermal conductivity 
6) Electrical conductivity 
7) Surface tension 
8) Interface tension 
9) Liquidus temperature 
10) Density 
Figure 2 - Slag formation during oxygen injection: 
BOF/LD. 
Escola de Minas DEMET 
OPTICAL BASICITY (N) 
 Concept of basicity refers to the relation between basic and acid oxides 
 This information enables to predict about viscosity of slags 
 In microstructure aspects, basic oxides have elements which are 
 breaking agents of nets; 
 Optical basicity concept is quite actual and was initially developed 
 for vitreous materials; 
 It basically measures how much is the oxygen linked (O, O-, O-2); 
 The formula showed below represents the value of N 
 [where k1 = 10,74 and k2 = 0,26] 
Escola de Minas 2009 
 2
1
k
k
N



Figure 3 - Variation of optical basicity from different oxides. 
Escola de Minas 2009 
DESOXIDATION 
 Depends on oxygen potential; 
 Depends on basicity of slags which normally is between 2 to 3,5; 
 Presence of lime helps to take out the phosphorous oxidised (P2O5); 
 Oxygen rate in the bath has such a relevance because this 
parameter 
 is related to inclusions index of steel. 
Figure 4 - Relationship between the inclusions index and the total oxygen in the bath. 
Escola de Minas DEMET 
DESULFURIZATION 
 Capacity of absorbing sulphur (S) from the bath; 
1/2 S2 (g) + O
-2  1/2 O2 (g) + S
-2 
Figure 5 - Ternary diagram showing the dependence of desulfurization 
rate with CaO content. 
Escola de Minas DEMET 
Figure 6 - Variation of desulfurization capacity according to the 
amount and sort of oxide mixed with CaO. 
Escola de Minas DEMET 
DEPHOSPHORATION 
Capacity of absorbing phosphorous (P) from hot metals. 
P2 (g) + 5/2 O2 (g) + 3 O
-2  2 PO4
-3 
 A good basicity is also required (CaO); 
 
 But, opposite to desulfurization process, the oxygen rate must be higher 
 and the lowest possible temperature; 
Escola de Minas DEMET 
Figure 7 - Relationship between the desphosphoration rate and FeO content 
for several percentages of CaO. 
Escola de Minas DEMET 
VISCOSITY 
 Defined as the shearing strength; 
 Influences in the kinetic of 
 reactions slag/metal; 
 Main parameters that affect slag 
 viscosity are: 
1) Temperature 
2) Composition. 
Escola de Minas DEMET 
Figure 8 - Viscosity versus temperature for a slag 
(50% CaO, 7% MgO, 30 % Al2O3, 13 % SiO2). 
Escola de Minas DEMET 
Figure 9 - Variation of viscosity according to CaO and MgO content. 
Escola de Minas DEMET 
THERMAL 
CONDUCTIVITY 
 Capability of keeping heat; 
 
 Some works show that thermal conductivity presents a little increase 
 as the temperature increases until 1100K; 
 
 On the other hand, above this temperature, the thermal conductivity 
 decreases according to its enhancement. 
Escola de Minas DEMET 
Figure 10 - Conductivity versus temperature for two different slags. 
Escola de Minas DEMET 
ELECTRICAL 
CONDUCTIVITY 
 Measures the ability of conducting when a 
 material is submitted to a electric field; 
 In some mills carried out with glasses show 
 that electric conductivity increases according 
 to enhancement of temperature; 
 This event can be associated to improve- 
 ment of mobility of ions presented in slags. 
Escola de Minas DEMET 
Figure 11 - Electrical conductivity versus temperature for a synthetic slag. 
Escola de Minas DEMET 
SURFACE TENSION 
 Free energy per area unit; 
 Necessary work to alter the surface area in 1 
 cm2; 
 Refers to the wettability degree of slag in the 
 bath; 
 High surface tension implies on low degree of 
 wettability (slag does not mix to the bath); 
 Low surface tension enables a higher rate of 
 mass transfer (to take the impurities out from 
 the hot metal) 
Escola de Minas DEMET 
Figure 9 - Surface tension versus MgO content for the system 
(Al2O3 - CaO - MgO - SiO2). 
Escola de Minas DEMET 
DENSITY 
 Parameter which varies according to the 
 composition and temperature; 
 It allows to make adjustments on the amount 
 of slag to be employed; 
 Small quantity of slag can let the refractory 
 exposed to the electric arc (occurring a bigger 
 wear of it); 
 Big amount of slag demands more operational 
 costs (like more energy consumption and 
 additional work to take the slag out). 
Escola de Minas DEMET 
Process for slag production 
Steelmaking process: Top slag 
Out of Steelmaking process: 
House slag or mixed slag 
Aglommerated slag: 
 Briketting 
 Sintering 
 Pelletizing 
 Fusion 
 
Considerações finais 
- A escória é fundamental para a produção de um aço de 
boa qualidade 
- As propriedades da escória estão inter-relacionadas com 
as suas funções 
- As funções que a escória desempenha na aciaria são um 
diferencial competitivo extraordinário 
- Uma escória bem projetada significa um bom projeto de 
um aço 
- Roteiro de um projeto de escória 
a) defina as funções de sua escória 
b) verifique quais as propriedades da escória que vão afetar as funções 
c) estabeleça as propriedades desejáveis para garantir aquelas funções 
d) verifique as matérias primas que vão compor a formação da escória 
e) defina a faixa da composição química desejável da escória 
f) verifique as propriedades da escória e teste se ela atende ao seu 
 objetivo ou as suas funções: teoria e prática, não atende vá item c) 
g) defina o padrão da escória a ser obtida. 
Estudo de caso 
Dessulfuração de metal líquido 
 
 
Fonte: ABM: Aciaria 
Introdução 
 
 A presença de enxofre no aço é inevitável, pois esse está 
contido nas matérias-primas necessárias para a fabricação 
do mesmo. 
 
Introdução 
 O enxofre nas ligas de aço é sempre indesejável, salvo 
raras exceções. 
 Desejável- para aços de corte fácil para produção de 
peças em série; 
 Indesejável- afeta propriedades mecânicas. 
 Devido ao teor indesejável de enxofre no gusa, é 
necessário que seja feito o refino deste: Dessulfuração. 
Exemplo do efeito do Enxofre na qualidade 
de uma das propriedades do aço: Ensaio 
Charpy. 
Efeito no processamento do aço 
Propriedades mecânicas de um aço 
acalmado ao Al 
Dessulfuração do gusa 
 O processo de 
dessulfuração é melhor 
no gusa líquido onde o 
coeficiente de atividade 
desse elemento é 5 vezes 
maior que no aço liquido, 
porém tem vantagens e 
desvantagens. 
Vantagens 
 Condição redutora, inerente da saturação em carbono do 
gusa (preferência à formação do sulfeto ("M"S) e não do 
óxido ("M”O)). 
 Possibilidade de agitação vigorosa, que influencia na 
diminuição do tempo de tratamento. 
Desvantagens 
 Custo de investimentos para a realização deste processo. 
 Colocação de mais uma etapa, no fluxograma do 
processo siderúrgico. 
 A questão dos tempos e movimentos adicionaisdevido a 
esta etapa. 
A eficiência dos processos de 
dessulfuração 
 Termodinâmicos -volume e composição de escória de 
cobertura e à oxidação do banho. 
 Cinéticos- coeficiente de transferência de massa e tempo 
de tratamento. 
 Para se obter a otimização do processo é necessário 
atuar em ambos os fatores simultaneamente. 
 
SMOMS
Os f
TR
O
aa
TR
GG
S ln
2
lnln%ln 2
00












 deve ser minimizado; 
 µO2 deve ser o mais fortemente negativo 
possível; 
 O teor de enxofre da escória deve ser o mais 
baixo possível; 
 O teor de agente dessulfurante na escória 
deve ser o mais alto possível; 
 O valor de fs deve ser positivo. 
00 Os
GG 
Termodinâmica 
Cinética 
 Temperatura do gusa; 
 Fluidez da escória; 
 Influência do teor de enxofre inicial do aço; 
 Agitação do banho. 
Principais processos de dessulfuração 
 
 Dessulfuração em carro torpedo; 
 Dessulfuração em panela com lança convencional e 
rotativa; 
 Dessulfuração em panela processo KR. 
Dessulfuração em carro torpedo 
 
 Promove-se a injeção de pós dessulfurantes (Escória), no 
interior do gusa, utilizando-se lanças refratárias e um gás 
de arraste (N2 ou Ar). 
 
Dessulfuração em carro torpedo 
 
Fonte: Kirmse 
Dessulfuração em carro torpedo 
Dificuldades 
 Geometria do carro torpedo; 
 Homogeneização; 
 Agitação; 
 Participação da escória de topo; 
 Capacidade 
 
 
 
Dessulfuração em panela 
 
 Promove-se a injeção de pós dessulfurantes, no interior 
do metal líquido, utilizando-se lanças refratárias e um gás 
de arraste (N2) 
Dessulfuração em panela 
Fonte: Kirmse 
Dessulfuração em panela 
Material misturado ao agente dessulfurante: 
 durante o basculamento do carro torpedo; 
 no seio do material líquido, causando agitação; 
 por agitação via injeção de gás pelo fundo ou por campos 
eletromagnéticos; 
 através de energia de agitação promovida por uma pá 
rotativa. 
 
Dessulfuração processo KR 
 O KR consiste basicamente na adição de fundentes 
através de uma calha e de agitação mecânica. A mistura 
do agente dessulfurante é envolvido no metal quente 
através do Impeller e assim promove a reação deste 
agente dessulfurante com o enxofre do metal. 
Dessulfuração processo KR 
 
 
 
Fonte: Kirmse 
 
 
 
 
Materiais de dessulfuração 
 Barrilha (Na2CO3)- gás de poluição e desgaste de 
refratário da panela do gusa; 
 Cal (CaO)- baixo custo e abundante; 
 Carbureto de Cálcio (CaC2)-eficiente, alto custo, perigoso 
por formar acetileno 
Materiais de dessulfuração 
 Magnésio (Mg)-eficiente, alto custo, desoxidante da cal; 
 Calcário (CaCO3)- abundante, custo vantajoso, calcinaçao, 
perda de temperatura do gusa; 
 
Resultados 
Tabela: Quadro comparativo geral dos processos de dessulfuração 
Resultados 
Tabela:Resultados médios dos processos de dessulfuração 
Resultados 
Tabela:Consumo de insumos por processos (kg/tgusa dessulfurado 
Resultados 
 
- Tempo de tratamento total dos processos de dessulfuração 
Considerações finais 
 Dessulfuração no KR apresenta o melhor indice 
de dessulfuração 
 Dessulfuração com lança convencional apresenta 
o melhor tempo 
 O menor custo de materiais é o usado no KR 
 O menor custo CAPEX é Lança convencional 
 Uma avaliação dos processos sempre deve ser 
feita considerando custo, qualidade e 
produtividade (segurança e meio ambiente 
também são fundamentais) 
 
Exercicio de Escória 
 1. Determine a atividade de FeO de uma escória com a seguinte 
composição quimica (% peso): 
CaO = 45, SiO2 = 15, MgO = 6, Al2O3 = 5, FeO =25 
 2. Determine a temperatura de “liquidus” de uma escória típica de 
aciaria. Considere B2 = 2.8, MgO = 7, Al2O3 = 3.0. Suponha 
C+M+S+A = 80. 
 3. Adicione FeO a escória anterior, e determine a temperatura de 
liquidus. 
 4. Calcule a viscosidade de uma escória de aciaria, para a 
temperatura de vazamento do aço de 1627 oC. Escolha uma 
composição de uma escória do FEA. 
 5. Determine a condutibilidade térmica de uma escória de panela 
contendo MgO = 10 %, Al2O3 = 5 %, B2 = 3.0, FeO = 20 %. 
Considere a desoxidação desta escória e calcule a nova 
condutibilidade térmica da mesma. Discuta o resultado. 
 6. Determine o C’S de uma escória de PTG considerando os 
seguintes dados: CaO = 45 SiO2 = 45. Idem para uma escória, 
contendo CaO = 45, SiO2 = 35, Al2O3 = 10 
 
Fundamentos termodinâmicos 
e cinéticos de deC, deS, deP 
Conceitos 
Evolução da massa de escória em 
função do volume de sopro de O2 
 As soon as the metal droplet comes in contact with slag a gas film (or halo) is formed 
around the droplet and the direct contact between the slag and the carbon rich metal 
droplet is blocked. 
Gas halo around metal droplet 
 
Kinetic model for reduction of FeO in BOF slag 
 The overall reaction between carbon-containing liquid iron droplet and liquid slag 
containing FeO can be expressed as 
 (FeO) + C = CO + Fe 
 
 The reaction proceeds via two sequential reactions, with CO and CO2 acting as 
gaseous intermediates, i.e. 
 CO + (FeO) = CO2 + Fe at gas/slag interface 
 
 CO2 + C = 2CO at gas/metal interface 
 
Various steps of reduction of FeO by carbon 
dissolved in iron 
1. Transport of carbon in the iron melt to the gas-metal interface 
 
2. Chemical reaction at the gas –metal interface 
 (CO2) g + [C]  2 (CO) g 
 
3. Transport of gas from the gas-metal interface to gas-slag interface and vice versa 
 
4. Transport of iron oxide in the slag to the gas-slag interface 
 
5. Chemical reaction at the gas –slag interface 
 (FeO) + (CO) g = {Fe} + (CO2) g 
Under the conditions of BOF 
 Step1 (carbon transport in melt) can be disregarded as rate limiting because no 
change in the reaction rate is observed when the mass content of the melt varies 
from 0.2 % (up to the saturation value 1) 
 
 The gas phase mass transfer step (Step 3) probably is not rate limiting due to intrinsic 
turbulence of the BOF process 
 
 
 
General Kinetic Model 
 The overall rate equation for the reduction of FeO in slag-gas-metal system 
(considering steps 2, 4 and 5 as rate controlling) 
 
 Rate equation for gas-slag reaction 
 
 
 
 
 
 Rate equation for reaction gas-metal 
 
 
 






 
K
Pa
PakA
dt
nd COFe
CO
i
FeOsgslaggas
CO 2.
)(
2
..
)(
2
COmgmetalgas
CO PkA
dt
nd
 
 Rate equation mass transfer of rate of FeO in slag 
 
 iFeObFeOFeObulkfromCO CCkA
dt
nd
  .
)(




















 FeOmgsg
o
t
kkKaka
V
tA
FeO
FeO
1
..
1
.
1
1.
ln
Final expression for rate equation 
tot
FeOCO
n
Vp
a


Option 1: When only mass transfer of 
 FeO in slag is rate controlling then 
 
 
 
Option 2: When chemical reaction occurring 
 at gas slag interface is rate controlling 
 
 
 
 
Option 3: When chemical reaction occurring 
 at gas metal interface is rate controlling then 
 
 
 



















FeO
o
t
k
V
tA
FeO
FeO
1
1.
ln


















sg
o
t
ka
V
tA
FeO
FeO
.
1
1.
ln



















mg
o
t
kKa
V
tA
FeO
FeO
..
1
1.
ln
Combinações possiveis de controle: transporte de massa e reação quimica 
EFFECT OF MGO AND AL2O3 VARIATIONS 
ON 
 
 PHOSPHORUS DISTRIBUTION 
 
AND 
 
SLAG MORPHOLOGY 
Source of this theory and practice: Prof. Dr. 
Brahma Deo, J. Halder (IIT Kanpur) & 
B.Snoeijer, A. Overbosch and R. Boom 
(Tata Corus Ijmuiden) 
 
A joint investigation 
 
 
VARIATION OF MGO AND AL2O3 IN BOF SLAG 
 Slag samples and data collected from four different plants 
 MgO: 1%, 10 % 
 Phosphorus in hot metal: 0.07%, 0.12-0.15%, 0.2-0.25% 
 Alumina in slag: 1%, 4% 
CONTROLLED CONDITIONS 
 BLOWING REGIME CONTROL 
 ADDITIONS CONTROL 
 BOTTOM STIRRING CONTROL 
 BASICITY RESTRICTIONS 
BACKGROUND 
 Phosphorus prediction models applied to data from each 
plant 
 New Phos prediction equations developed for each plant 
 Microstructure (SEM) study of different slags 
MEASURE OF DEPHOSPHORIZATION 
 
Dephosphoriztaion ratio is defined as ratio of P 
content in slag to that in metal and is equal to 
(%P)/[%P] or (%P)/[%P]2 
 
 
Models Tested and Tuned in Present 
Work 
Healy’s model 
Molecular theory model 
Optical basicity model 
Quadratic formalism model 
Model-1 
0.16)log(%5.2)(%08.0
22350
}
][%
)(%
log{  FeCaO
TP
P
Original Healy’s model (Based on ionic theory of slag): 
2.20
78.17
9922
)log(%04.7
)(%][%
)52(%
log
52



cT
CaO
Fep
OP
Model-2 
 Original Molecular slag model 
 
 2P +5FeO = P2O5 +5Fe 
Model-3 
 
Original Optical Basicity model 
975.18
5.17899
7825.16
][%
)(%
log 
TP
P
 = ∑iXi 
Model-4 
Original regular solution model: quadratic formalism 
model by Professor Ban Ya 
 RTln[%P] = RTlnaP 2O5 –5RTln[%O] –RTlnKP 
2[P] + 5[O] =(P2O5) 
TRTlRT aa 706.23052720ln)(ln P2O5(RS)P2O5 
)6.2(706.23052720)(2ln2 ln 5.2)(5.2  TRSRTRT X PORSPO
CAUTION 
 All models published in literature are applicable, in 
principle, only to liquid slag 
 It is important to find out the composition of liquid slag 
and then apply the models 
 Ternary diagram can be used to find out the liquid slag 
composition 
Liquidus lines at different 
temperatures are available 
CaO FeO 
DcS 
L 
SiO2 
The CaO-FeO-SiO2 ternary 
 phase diagram has liquidus 
lines 
 
Liquid slag composition is determined 
from bulk slag composition 
SiO2 
CaO FeO 
DcS 
L 
Region Phases Present 
1 Di-calcium silicate and Liquid slag 
2 CaO and Liquid slag 
3 Di-calcium silicate, pure CaO and 
Liquid slag 
1. 
3. 
2. 2 
1 
3 
MODELS ARE TUNED WITH FOLLOWING ADDITIONAL 
PARAMETERS 
 
HL2~(LANCE HEIGHT DURING 2ND BLOW) 
 
T2~(TURNDOWN TEMPERATURE) 
 
C2~(TURNDOWN CARBON) 
 
ORE2~(ORE ADDED DURING 2ND BLOW) 
 
SVO~(SLAG MASS) 
 
HTR~(HOT METAL TO SCRAP RATIO) 
 
BASICITY~( DEFINED AS (CaO)/(SiO2)) 
 
FEO CONTENT OF SLAG 
Computer program determines the solid 
and liquid fractions 
The inputs for the program are: 
 The slag composition in terms of percentage of CaO & 
SiO2. 
 The temperature of the slag 
 Mass of slag (for determining the mass of different 
components) 
Data base 
For large number of data, the compositions 
 
and the temperature are automatically read 
 
 
 in the form of a text file. 
 
 
Typical results of: 
-low MgO slag (0.36-2.5%) 
-High [p] in hot metal (.19-.28%) 
-Low [p] at turn down (.015max) 
 
% CaO
0
5
10
15
1 41 81 12
1
16
1
20
1
24
1
28
1
32
1
36
1
40
1
44
1
48
1
52
1
data
% 
Ca
O
Un-dissolved CaO in slag at turn down (calculated) 
0
10
20
30
40
1 37 73 10
9
14
5
18
1
21
7
25
3
28
9
32
5
36
1
39
7
43
3
data
%
 D
CS
% of di-calcium silicate 
Molecular model was finally selected to predict 
the phosphorus at tap for all the four plants: 
The Findings are 
 
•Temperature at tap is the single most 
important parameter which affects phosphorus 
partition. 
 
•Microstructural (SEM and EPMA) 
investigations have confirmed that formation 
and dissolution of di-calcium silicate hold the 
key to the control of phosphorus distribution at 
tap and this is greatly affected by temperature. 
 
 Solid fraction in slag (essentially dicalcium silicate) 
may range from 3-23% and un-dissolved lime up to 
10%, under the conditions at TATA steel. 
 For high phos hot metal (0.25% P) the problems in 
phosphorus control are faced when the silicon 
content of hot metal falls below 0.8% 
 Possible to to produce low phos steel with high 
phos hot metal with special blowing regimes and 
using improved models of prediction tuned to the 
operating conditions 
0.68
0.69
0.7
0.71
0.72
0.73
0.74
0.75
0.76
0.77
1 2 3 5 10 15
Ratio of P2O5 in C2S to the P2O5 in Wustite Solid Solution
Co
rre
lat
ion
 co
eff
ici
en
t
Figure 6: Improvement in correlation coefficient 
 with various assumed ratios of P2O5 in C2S 
and liquid slag. 
What do the micrographs show ? 
 Optical, SEM and EPMA investigations 
 Phosphorus content of different phases was analyzed. 
 
C2S, 5% P 
0%P 
0%P 
Plant 1: Low phosphorus (0.07%P) hot metal 
 High MgO but low alumina Slag, 
10μm 
____________ 
13. 
14. 
12. 
10. 
1. 
11. 
3. 
6. 
5. 
2. 
7. 
4. 
8. 
9. 
10μm 
No. Phase P2O5 wt% 
1 C2S 5,00 
2 C2S 4,52 
3 C2S 4,2 
4 C2S 4,50 
5 C2S 4,51 
6 C2S 4,54 
7 C2S 4,32 
8 C2S 3,91 
9 C2S 4,48 
10 C2S 4,63 
11 Wustite - 
12 Residual melt - 
13 Wustite - 
14 Wustite - 
Plant 1, detailed 
Analysis of P at 
different places 
C2S 
Ca, Al, Fe 
C2S 
Ca-Fe 
 SS 
C2S 
Plant 2:High phos hot metal(0.2 %P): low MgO and 
low alumina slag,10 microns____ 
C2S 
Ca, Al, Fe 
Wustite SS 
C2S 
Plant 3:Medium Phos hot metal (0.15% P) 
 High MgO low alumina slag,10 microns ____ 
 
Ca,Al, Fe 
Wustite SS 
C2S 
Plant 4:Medium phosphorus hot metal (0.15%P): High MgO and 
 high Al2O3 slag, 10 micron ____ 
The micrographs reveal that 
 Dicalcium silicate is stabilized by 
 
1. higher slag basicity (B2 increases, then C2S is stabilized) 
2. Lower tap temperature (less than 1600 oC) 
3. Higher P content of hot metal 
 
 
The effect of MgO 
 Presence of MgO reduces the size of dicalcium silicate 
crystals (C2S) 
 Presence of MgO reduces the phosphorus content of di-
calciuim silicate crystals 
 
The effect of alumina 
 Alumina stabilizes the calcium aluminum ferrite 
 Alumina reduces the crystal size of dicalcium silicate 
 Alumina reduces the solubility of P2O5 in dicalcium 
silicate (related to ionic theory) 
 
Relevance of this study to improvement 
of operating practices 
 Operating practices have been suitably modified 
(lance height, nozzle design, oxygen flow, additions 
sequence, and bottom stirring) to produce ultra low 
phos steels from high phos hot metal, without 
reblow and double de-slagging 
 High phos hot metal (0.2%P) is nota problem as long 
as hot metal has sufficient silicon 
 Effect of alumina is very difficult to counteract!! 
135 
CARVÃO VEGETAL 
Vantagens em relação ao coque 
 
 
Obrigado pela atenção! 
Obrigado 
Thank you 
Vielen Dank 
XieXie 
Danyabad 
Prof. Dr. Paulo Santos Assis 
Professor Titular da Escola de Minas, UFOP, Brasil 
Professor Honorário da HUST, China 
Pesquisador do CNPq 
Coordenador Acadêmico da REDEMAT 
Conselheiro da ABM 
Membro do Conselho da EcoEnviroX