Desfosforação Gusa

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FUNDAMENTOS DA DESFOSFORAÇÃO D E AÇO EM FORNO PANELA 
 
 
 
P.S. Assis 
DDeeppaarr ttaamm eenn ttoo ddee EEnngg eenn hhaarr iiaa MMee ttaall úúrrggiiccaa ee ddee MMaatt eerr ii aaiiss dd aa UUFF OOPP 
Praça Tiradentes, 20 – Ouro Preto(MG) – CEP 35400-000 
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A. Malynowskyj ,S.A. Gabrich,P.J. Nolasco-Sobrinho 
DDeepp aarr ttaa mm eennttoo ddee EEnngg eenn hhaarr ii aa MMee ttaall úúrrggii ccaa ee ddee MM aatteerr iiaaii ss dd aa EEPPUUSSPP 
AAvv.. PPrrooff .. MMeellll oo MMoorraaeess ,, 2244 6633 –– CCii ddaa ddee UUnniivveerrss iittáárr ii aa –– SSããoo PPaa uulloo –– SSPP 
CCEEPP 0055550088--9900 00 
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RESUMO 
 
A procura por uma diminuição na quantidade de elementos indesejáveis no aço como o 
fósforo, o enxofre, o hidrogênio e o nitrogênio é cada dia maior. Dentre estes elementos, o fósforo 
parece ser o de maior preocupação, uma vez que a sua remoção do aço exige uma maior atenção 
em relação aos produtos utilizados e às variáveis do processo, principalmente a temperatura, 
exigindo, assim, um controle mais rigoroso durante o tratamento. Este trabalho apresenta uma 
revisão de alguns importantes estudos realizados para a técnica de desfosforação do gusa e do aço. 
Nele são apresentados estudos baseados na termodinâmica e na cinética do processo de remoção 
do fósforo, práticas em escala piloto, finalizando com as técnicas utilizadas por algumas empresas 
para a diminuição do teor de fósforo do gusa e do aço em seus processos. Nota-se que a combinação 
de técnicas como a injeção de pós desfosforantes e adição de escória na panela, com a posterior 
retirada desta escória, agora saturada em fósforo, podem levar à obtenção de baixos nív eis de fósforo 
no aço, após a realização da desfosforação do gusa. 
 
Palavras-chave: aço, gusa, desfosforação 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
A industrialização da desfosforação de aços fundidos é um grande problema por causa da 
necessária queda de temperatura durante o tratamento. Mas este problema pode ser contornado com 
a introdução de aquecimento na panela de refino. A desfosforação do aço é uma das etapas de refino 
mais complexa dentro de uma usina siderúrgica. Para se conseguir êxito e baixos índices de fósforo 
no aço é preciso um rigoroso controle das matérias-primas carregadas, um monitoramento da 
estreita faixa de temperatura de tratamento do aço e a utilização de escória e pós desfosforantes. 
Neste trabalho, alguns detalhes e dados técnicos da prática da desfosforação são relatados, 
baseados na literatura. A influência do FeO e do CaO contida na escória sobre a taxa de 
desfosforação é apresentada através de gráficos. O objetivo deste trabalho é mostrar a possibilidade 
de obtenção de aços com um baixo teor de fósforo, a partir da elaboração e utilização de uma escória 
ou pós desfosforantes. Estes produtos poderão ser utilizados na desfosforação do gusa e do aço, 
levando-se em conta as condições operacionais da empresa envolvida. 
 
2. REVISÃO DA LITERATURA 
 
Vários estudos sejam eles em escala de laboratório, piloto ou industrial têm sido feitos para 
se conseguir uma diminuição no teor final de fósforo de aços comuns ou especiais (1-10). Aços com 
baixos teores de fósforo possuem um preço mais elevado. 
 Os elementos mais visados a ter um teor baixo durante a elaboração do aço são: O, S, H, N, 
C e P. Faz-se necessário um rígido controle de elementos de liga como Al, Mn, Si, entre outros. 
Os fatores que governam a desfosforação são conhecidos somente qualitativamente, já 
que não há disponibilidade de dados termodinâmicos precisos para o fósforo e seu óxido. Por 
 
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este motivo, estes fatores são inter- relacionados somente por equações empíricas e semi-
empíricas (11). 
Para uma avaliação termodinâmica qualitativa, pode-se assumir que a remoção do 
fósforo do aço ocorre na interface escória-banho, com a formação do composto (CaO) 3.P2O5, que 
é o composto responsável pela estabilização do elemento na escória, através do abaixamento da 
atividade do P2 O5 em níveis extremamente baixos. 
No equilíbrio, tem-se(12): 
 
[ ] ( ) ( ) ( ) ( )ll OPCaOCaOOP g 5232 .3252 =++ (1) 
 
 
( ) ( )[ ]
2
523
523
2
..
.
lnº
OPCaO
l
pha
OPCaOa
RTG −=∆ , (2) 
que após um tratamento fornece: 
 
 
( ) ( )[ ] PCaOOPl faRTRT
G
OPCaOaP lnln2
3
4
5
2
º
.ln2
1%ln 2523 −−





−




 ∆+=
µ
 (3) 
 
A equação 3 pode ser usada para avaliar os fatores termodinâmicos da desfosforação. A 
importância de alguns termos pode ser vista da seguinte forma: 
 
Pf à a presença de elementos que aumentam o coeficiente de atividade do fósforo poderia ser 
benéfica, mas este termo tem importância reduzida. 
 
Tà deve ser baixa para propiciar um alto valor negativo para o termo 
RT
G P
2
º∆
, lembrando que o 
numerador é um nº ( -). 
 
CaOa à deve ser maior possível, o que corresponde a um aumento da basicidade. 
 
2O
µ ào potencial de oxigênio deve ser o maior possível. 
 
 
A figura 1 destaca a influência do CaO e FeO na escória, sobre a desfosforação(13). Nota-se que 
quando a basicidade é elevada, aumenta-se a desfosforação do aço com o aumento do teor de 
FeO. Observa-se que à medida que o teor de FeO aumenta a relação 
( )
[ ]P
OP 52 também se eleva. 
Para estes casos, quando o teor de CaO é reduzido, o efeito do FeO é bastante reduzido sobre 
a desfosforação do aço. Obs.: (P2O5) simboliza o fósforo na escória e [P] ou P representa o fósforo 
dissolvido no aço. 
 
 
 
 3290 
 
Figura 1 - Distribuição de fósforo na escória e no aço em relação 
ao teor de FeO e CaO da escória(13). 
 
 
As condições ideais para o progresso da desfosforação são: 
 
ü Controle de temperatura. 
ü Alta basicidade da escória, para baixar a atividade do P2O5, formando o composto (CaO) 3. 
P2O5. 
ü Alta oxidação do banho. 
ü Retirada de escória. 
ü Agitação do banho. 
 
Para evitar o “pick-up” de fósforo no aço quando se eleva a temperatura, a escória de 
desfosforação deve ser completamente removida. Como corolário, diz-se que existe uma tendência 
de “pick-up” de fósforo no forno panela. 
A taxa de partição de fósforo entre a escória e o metal no caso de um fluxante à base de 
CaO-CaF2 pode ser expressa da seguinte forma
(14). 
 
 
( )
[ ]
( ) FeOCaFCaFCaO
T
C
P
OP
log5,2log6,292,0log6,5
22350
32,098,25log 22
52 ++++++−= (4) 
 
Experimentos realizados em escala piloto na British Steel, Inglaterra(15) e utilizando a injeção 
de pós desfosforantes em panela, combinada com a adição de escória, mostram que esta técnica 
pode ser utilizada no processo convencional com bons resultados. A escória e os pós utilizados 
eram à base de CaO, CaF2 e FeO. A panela piloto tinha capacidade para 4t de aço, onde eram 
colocadas 3t de aço líquido, em média, para os testes. O aço possuía 0.04% de C, 0.3 - 0.4% de Mn. 
O refratário da panela piloto era de alta alumina (>80%). Foi utilizada uma tampa refratária para 
cobertura do banho para evitar o “pick-up” de oxigênio da atmosfera. Para acelerar o tempo de 
reação, a panela piloto era pré-aquecida até 1573ºC e só era levada para a área de testes minutos 
antes do vazamento do aço do forno elétrico. Foram realizados 09 experimentos de desfosforação 
 
 3291 
com adição de escória e outros 09 experimentos combinando as técnicas de adição de escória e 
injeção de pós desfosforantes. 
Os resultados destes ensaios mostram que é possível se atingir um alto nível de 
desfosforação (>80%). O controle da temperatura pareceu ter um efeito mais significante sobre a 
partição do fósforo do que a basicidade. Altas taxas de partição do fósforo foram atingidas a 
baixas temperaturas do aço 1527 ºC ~ 1542 ºC e estavam associadas a altas basicidades 
6
2
>





SiO
CaO
, com teores de FeO + MnO em torno de 25%. Cálculos termodinâmicosmostram que é 
impossível realizar a desfosforação em ambiente saturado de carbono, a 1500 ºC. Cálculos 
termodinâmicos mostram que é possível realizar a desfosforação em ambiente saturado de oxigênio. 
Para se atingir baixos níveis de fósforo no aço é necessário que se atinja inicialmente baixos teores 
de fósforo no gusa. Em virtude de a termodinâmica impossibilitar a desfosforação do gusa saturado 
em carbono e na realidade este fenômeno ocorrer, acredita-se que o conjunto de problemas 
atuantes no processo de desfosforação do gusa seja de natureza cinética(16). 
Escória do sistema CaO-Fe2O3- CaF2 são usadas como agentes desfosforantes. Com a 
utilização de 40% de CaO, 15% de CaF2 e 45% de Fe2O3 foi obtido 91% de desfosforação em 
experimentos laboratoriais (17). 
A empresa japonesa NKK produz aços com um baixíssimo teor de fósforo (com até 20ppm de 
teor máximo). Neste processo, o aço vai para a panela para ser tratado a uma temperatura próxima 
de 1700 ºC e com um teor de fósforo menor que 150 ppm. Durante a desfosforação é utilizada uma 
escória sintética à base de cal e óxido de sódio. Quando a escória está saturada em fósforo ela é 
retirada e coloca-se outra escória desfosforante, caso necessário. Faz-se o aquecimento do aço e 
injeta-se gases inertes e pós desfosforantes. Posteriormente o aço é tratado e enviado para o 
lingotamento contínuo. O teor de fósforo final do aço é de 20 ppm(18). 
 
Estudos (16) mostram que se pode supor o acontecimento da desfosforação em ambiente 
saturado de carbono através do atraso da velocidade de descarburação. Isto pode ser provocado 
por dois fatores: 
 
Ø menor velocidade de difusão do carbono e oxigênio da camada limite e no metal; 
Ø inibição da nucleação de bolhas de CO. 
 
Acredita-se que a cinética do processo de desfosforação seja controlada pelo transporte de 
massa no metal e na escória, pois em temperaturas elevadas, a velocidade de reação é maior que 
a transferência de massas para a frente de reação e desta para o banho ou escória. A figura 3 
apresenta as prováveis reações que ocorrem na panela durante o tratamento de desfosforação com a 
utilização de escória e pós desfosforantes(15). 
 
 
 3292 
 
 
Figura 3 – Zona de reação e reações que ocorrem na panela 
durante a desfosforação do aço(15). 
Segundo a literatura pesquis ada a taxa de partição de fósforo encontra-se em um valor 
máximo na faixa de basicidade de 4 a 5 da escória. Esta taxa aumenta com o aumento da 
basicidade, mas ela diminui quando a basicidade é maior que 5 devido às fracas propriedades da 
escória . Nas atuais operações a basicidade é controlada para valores entre 4 e 5. 
O teor de fósforo é determinado pela temperatura após o tratamento e pelo consumo 
de fluxantes. Teores de fósforo no aço menores que 100ppm foram possíveis em temperatura 
menor que 1300 ºC(18), mas é sabido que é muito difícil se trabalhar nesta temperatura. 
Para utilizar a escória sintética no processo de desfosforação e obter êxito é necessário: 
 
F atingir rapidamente o nível final de fósforo através de forte agitação; 
F promover a formação de escória a uma baixa temperatura pela adição de fundentes; 
F retirar a escória saturada em fósforo para evitar “ pick-up”; 
F controlar rigorosamente as matérias-primas carregadas. 
 
As alternativas para se atingir o objetivo são: 
 
F injeção de pó desfosforante no forno panela(FP); 
F adição de escória no FP; 
F adição de escória após o vazamento do aço no LD. 
 
É importante manter a espessura da escória remanescente do LD, na panela sob controle e em níveis 
baixos (máximo 50 mm). 
 
As melhores estratégias são: 
 
1) aumentar o rendimento da desfosforação do gusa, através do controle das matérias-primas 
carregadas; 
2) evitar o “pick-up” do fósforo com a remoção da escória formada após a desfosforação e com 
utilização de uma segunda escória desfosforante e/ou injeção após o tratamento; 
3) adicionar escória desfosforante no forno panela; 
4) injetar pós desfosforantes no forno panela, através da lança de injeção. 
 
Com relação a elementos e compostos para a fabricação da escória sintética e dos pós 
desfosforante poderão ser utilizados a cal, o calcário, o carbonato de sódio, óxidos de sódio, minério 
de ferro, fluorita, e resíduos industriais como carepas. 
 
 3293 
 
 
3. CONCLUSÕES 
 
1) Para se evitar a refosforação e se conseguir um baixo teor de fósforo no aço. deve-se 
remover completamente a escória saturada em fósforo da panela. 
2) O controle de temperatura do banho também é muito importante para se evitar o “pick-up” de P. 
3) A determinação da melhor composição dos produtos desfosforantes (escória sintética e pós) é um 
dos mais importantes pontos na desfosforação do aço e deverá levar em conta o desgaste refratário 
da panela e o aproveitamento de resíduos industriais, dentre outros. 
4) Para se conseguir um baixíssimo teor de fósforo no aço é necessário que se aplique as seguintes 
técnicas, nesta ordem: controle das matérias-primas, dessiliciação do gusa e desfosforação do gusa. 
 
 
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FOUNDATIONS OF STEEL’S DEPHOSPHORIZATION IN THE LADLE FURNACE 
 
P.S. Assis 
DDeeppaarr ttaa mmeenn ttoo ddee EEnngg eenn hhaarr iiaa MMee ttaa llúúrrggiiccaa ee ddee MMaa tt eerr iiaa iiss dd aa UUFF OOPP 
Praça Tiradentes, 20 – Ouro Preto(MG) – CEP 35400-000 
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A. Malynowskyj 
 
S.A. GabrichP.J. Nolasco-Sobrinho 
DDeepp aarr ttaa mmeennttoo ddee EEnngg eenn hhaarr iiaa MMee ttaa ll úúrrgg iiccaa ee ddee MMaa tteerr iiaaiiss dd aa EEPPUUSS PP 
AAvv .. PPrr ooff .. MMeell lloo MMoorraaeess ,, 2244 6633 –– CCiiddaa ddee UUnniivveerrss iittáárr ii aa –– SSããoo PPaa uu lloo –– SSPP 
CCEEPP 0055550088--9900 00 
nnoollaassccoo@@uusspp..bbrr 
 
Abstract 
 
The decrease in the amount of undesirable elements in the steel as phosphorus, sulfur, hydrogen and 
nitrogen is larger nowadays. The phosphorus seems to be the element of larger concern, once its 
removal of the steel is more difficult due to many reasons, mainly to the drop temperature of the bath. 
This work presents a revision of some important studies accomplished for the technique of 
dephosphorization of the hot metal and steel. These studies were based on the thermodynamics and 
in the kinetics of the process of removal of the phosphorus, practices in pilot scale, concluding with 
techniques used by some steel plants for the decrease of the content of phosphorus of the produced 
steel. It is observed that the combination of techniques as the injection of powders and addition of 
synthetic slag in the converter or ladle, can take to the obtaining of low levels of phosphorus in the 
steel, after the dephosphorization of the hot metal. The preparation of the synthetic slag can be use 
some industrial wastes. 
 
Key-words: ste el, hot metal, dephosphorization.