Conversor em Siderurgia: Equipamento Chave para Produção Eficiente de Aço

Definição e Conceito Básico

Um Conversor na indústria do aço é um grande vaso metalúrgico especializado usado principalmente para converter ferro fundido (metal quente) em aço por meio de processos de refino que removem impurezas e ajustam a composição química. Ele funciona como uma etapa crítica no processo de fabricação de aço primário, ligando a etapa do alto-forno ou forno de oxigênio básico (BOF) e as etapas de refino secundário ou fundição.

O propósito fundamental do conversor é facilitar a oxidação de impurezas como carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre do ferro fundido, transformando-o em aço de alta qualidade com propriedades químicas e mecânicas desejadas. Isso é alcançado por meio de reações químicas controladas que ocorrem em um ambiente rico em oxigênio e de alta temperatura.

Dentro da cadeia geral de fabricação de aço, o conversor está posicionado após a etapa de fusão do alto-forno ou forno de arco elétrico (EAF), onde as matérias-primas são derretidas em ferro líquido ou sucata. Ele é seguido por processos de refino secundário, fundição e operações de laminação ou acabamento. O papel do conversor é fundamental na produção de grandes quantidades de aço de oxigênio básico de forma eficiente e consistente.

Design Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central por trás do conversor é o refino por oxidação, onde oxigênio puro é soprado no ferro fundido para oxidar impurezas, que então formam escória ou são liberadas como gases. O processo depende de princípios termodinâmicos que favorecem a oxidação de impurezas em altas temperaturas, tipicamente acima de 1600°C.

Os principais componentes tecnológicos incluem o vaso do conversor, geralmente uma carcaça de aço revestida com material refratário e resfriada a água, equipada com um sistema de lança para injeção de oxigênio e tuyeres para injeção de gases auxiliares ou fundentes. A forma do vaso é geralmente cônica ou cilíndrica com um fundo afunilado para facilitar a drenagem de escória e metal.

Os principais mecanismos operacionais envolvem a injeção de oxigênio soprado por cima através da lança, que cria agitação intensa e mistura dentro do banho fundido. Isso promove reações de oxidação eficientes e controle de temperatura. O fluxo do processo envolve carregar o conversor com ferro fundido, injetar oxigênio, adicionar fundentes ou ligas conforme necessário e controlar as condições da reação até que a composição desejada do aço seja alcançada.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem:

• Taxa de fluxo de oxigênio: tipicamente de 10.000 a 50.000 Nm³/h, dependendo do tamanho do conversor e da etapa do processo.
• Temperatura: mantida entre 1600°C e 1700°C para uma cinética de reação ideal.
• Altura e ângulo da lança: ajustados para otimizar a dispersão de oxigênio e minimizar respingos.
• Tempo de reação: geralmente de 15 a 30 minutos, dependendo da composição inicial e do grau final de aço desejado.
• Níveis de impurezas: reduções alvo em carbono (para abaixo de 0,1%), silício, fósforo e enxofre.

Esses parâmetros influenciam as reações químicas, a estabilidade da temperatura e a qualidade final do aço. O controle preciso é alcançado por meio de sistemas de controle automatizados que monitoram composições de gás, sensores de temperatura e composição da escória.

Configuração do Equipamento

Uma instalação típica de conversor consiste em uma carcaça de aço revestida com material refratário montada em um mecanismo de inclinação para carregamento e drenagem. As dimensões do conversor variam com a capacidade, variando de 100 a mais de 300 toneladas por vaso.

As variações de design incluem Conversores de Oxigênio Básico (BOF) com revestimentos refratários básicos e conversores LD (Linz-Donawitz), que são o tipo mais comum. Com o tempo, inovações como mecanismos de inclinação para operação mais fácil, sistemas de múltiplas lanças para melhor distribuição de oxigênio e sistemas de pré-aquecimento para eficiência energética evoluíram.

Sistemas auxiliares incluem equipamentos de manuseio de escória, unidades de limpeza de gás para capturar emissões de CO e CO₂, e dispositivos de medição de temperatura como sensores infravermelhos ou termopares.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

As principais reações químicas envolvem a oxidação de impurezas:

• Oxidação do carbono:
  ( \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \uparrow ) ou ( \text{CO}_2 \uparrow )

• Oxidação do silício:
  ( \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 ) (parte da escória)

• Oxidação do manganês:
  ( \text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO} )

• Remoção do fósforo:
  ( \text{P} + \text{FeO} \rightarrow \text{Fe}_3\text{P} ) (incorporado na escória)

• Remoção do enxofre:
  ( \text{S} + \text{FeO} \rightarrow \text{FeS} )

Essas reações são termodinamicamente favorecidas em altas temperaturas, com o oxigênio atuando como agente oxidante. O processo é controlado cineticamente pela taxa de fluxo de oxigênio, temperatura e intensidade de mistura.

Os produtos da reação incluem escória rica em óxidos de silício, fósforo e manganês, e emissões gasosas como CO, CO₂ e óxidos de nitrogênio. O gerenciamento adequado desses subprodutos é essencial para a conformidade ambiental.

Transformações Metalúrgicas

Durante a conversão, a microestrutura do aço sofre mudanças significativas. A oxidação em alta temperatura reduz o teor de carbono, transformando o ferro fundido inicial em aço com níveis de carbono controlados.

As transformações de fase incluem a formação de ferrita, pearlita e martensita durante o resfriamento e solidificação subsequentes. A remoção de impurezas e adições de ligas refinam a microestrutura, melhorando propriedades mecânicas como resistência, ductilidade e tenacidade.

O processo também envolve a formação de escória, que atua como um agente de refino, absorvendo impurezas e protegendo o metal fundido da contaminação. A composição e viscosidade da escória influenciam a transferência de calor e a cinética da reação.

Interações de Materiais

Interações entre metal fundido, escória, revestimento refratário e atmosfera são críticas. Reações metal-escória podem levar a reações escória-metal que influenciam a composição e a limpeza.

Materiais refratários devem suportar altas temperaturas, ataque químico e ciclagem térmica. Tipos comuns de refratários incluem magnesita, dolomita e tijolos à base de alumina.

Gases atmosféricos, principalmente oxigênio, facilitam a oxidação, mas também podem causar oxidação refratária ou captura de escória se não forem controlados adequadamente. Técnicas como desnatamento de escória e limpeza de gás mitigam a contaminação.

Controlar interações indesejadas envolve controle preciso do processo, seleção de refratários e manutenção da química