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Vazamento da escória Sopro Siderurgia II – Módulo 3 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) Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 Cubatão Usiminas 1990 Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 • 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 Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 Calha de carga Panela de gusa Exaustão de gases Conversor Lança de oxigênio Sub-Lança de temperatura e carbono Silo de adições Panela de aço Pote de escória Equipamentos Ponte Rolante Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 Sopro por baixo (Q-BOP) Gás combustível como refrigerante Oxigênio puro e escorificante em pó Sopro combinado Gas inerte (N2 ou Ar) CO2 Oxigênio puro e escorificante em pó Oxigênio puro Sopro por cima Oxigênio puro Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 CO CO2 N2 H2 68 8 12 12 Gás 100 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 Líquido 1.000 kg Composição (%) Oxigênio 56 Nm 3 /t Cal 80 kg/t C Si Mn P S 4,2 0,4 0,3 0,01 0,007 Composição (%) Gusa Líquido 750 kg/t C Si Mn P S 0,05 0,03 0,05 0,03 0,009 Composição (%) Sucata 340 kg/t Gás Inerte (N 2 , Ar) 1,6 Nm3/t Gusa líquido Sucata Cal Oxigênio Gás inerte (N2, argônio) Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 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) Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 Furo de vazamento Cone superior Região de vazamento Região dos munhões Região de impacto da carga Cone inferior Soleira (fundo) Resto revestimento Siderurgia II – Módulo 3 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. Siderurgia II – Módulo 3 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) Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 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 %3,19100x 000.25 821.4 térmico Carga metálica Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 Agente Dessiliconizador Agente Desfosforante/Dessulfurante Remoção de escóriaAlto-Forno LD Misturador de Gusa Carro torpedo Reciclagem de escória Dessiliciação Desfosforação Dessulfuração Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 34 Conversor LD Sucata de aço Gusa líquido Fundente Gases da reação (CO / CO2) Escória Líquida Aço Líquido O2 Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 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, aparasde 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 Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 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%) Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 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 Siderurgia II – Módulo 3 Carregamento de sucata Carregamento de gusa líquido Sopro Vazamento do aço Vazamento da escória tap – to – tap (~50 min) ~4 min ~4 min ~30 min ~6 min ~6 min Siderurgia II – Módulo 3 Amostragem %C e temp. Sopro & Controle por Sub-lança Re -Sopro Amostragem manual Sub-lança Siderurgia II – Módulo 3 45 Aciaria – CONVERSOR LD Transforma FERRO GUSA em AÇO CARBONO Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 Carregamento de sucata Siderurgia II – Módulo 3 Limpeza da boca do convertedor Siderurgia II – Módulo 3 Limpeza da boca do convertedor Siderurgia II – Módulo 3 Remoção de escória da panela de gusa Siderurgia II – Módulo 3 Carregamento de Gusa Siderurgia II – Módulo 3 Carregamento de gusa Siderurgia II – Módulo 3 Carregamento de gusa Siderurgia II – Módulo 3 Sopro de Oxigênio Siderurgia II – Módulo 3 Vazamento do aço Siderurgia II – Módulo 3 Basculamento para vazamento de escória Siderurgia II – Módulo 3 Vazamento de escória Siderurgia II – Módulo 3 Retorno após vazamento de escória Siderurgia II – Módulo 3 Transporte da panela de aço para o lingotamento Siderurgia II – Módulo 3 Reações ◦ Oxidação do Carbono: mais importante, pois determina a produtividade ◦ Oxidação do Silício ◦ Oxidação do Manganês ◦ Oxidação de Ferro ◦ Oxidação do Fósforo ◦ Dessulfuração Siderurgia II – Módulo 3 Siderurgia II – Módulo 3 62 Conversor LD O sopro de O2 “queima” o excesso de carbono (e de impurezas) a níveis aceitáveis para se tornar AÇO Siderurgia II – Módulo 3 Variação da composição química dos principais elementos Siderurgia II – Módulo 3 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 Carbono Siderurgia II – Módulo 3 Oxidação do Silício 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 MACIO Adição de fluxantes: Fluorita Minério Abaixar Tf dos silicatos Siderurgia II – Módulo 3 Oxidação do Manganês Reações: 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 Siderurgia II – Módulo 3 Oxidação do Ferro Reações: 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 macio 2. Adição FeO/Fe2O3 3. Escória corrida anterior Siderurgia II – Módulo 3 Oxidação do Fósforo Reações: 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: Siderurgia II – Módulo 3 Dessulfuração Reação 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 permanece Parte do S é vaporizado (SO, SO2 e COS) Siderurgia II – Módulo 3 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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