Fornalha de Metalurgia de Concha (LMF): Papel Fundamental na Refinagem de Aço e Qualidade

Definição e Conceito Básico

O Forno de Metalurgia de Lingote (LMF) é um recipiente de refino secundário especializado usado na fabricação de aço para melhorar a composição química, temperatura e limpeza do aço líquido após processos de fusão primária, como forno de oxigênio básico (BOF) ou forno de arco elétrico (EAF). Seu propósito fundamental é permitir a liga precisa, desoxidação, desulfurização, remoção de inclusões e ajuste de temperatura, garantindo assim que a qualidade final do aço atenda a requisitos técnicos e de mercado específicos.

Posicionado a jusante das unidades de fabricação de aço primário, o LMF serve como uma etapa crítica na cadeia do processo de metalurgia secundária. Ele preenche a lacuna entre a produção inicial de aço e a fundição, permitindo ajustes personalizados na química e nas propriedades do aço. Esse processo melhora a eficiência geral, consistência e qualidade do aço antes da fundição em lingotes, tarugos ou chapas.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central do LMF gira em torno do tratamento controlado do aço fundido dentro de um recipiente revestido com material refratário, equipado com sistemas de agitação e refino. O forno é projetado para facilitar a mistura eficiente, reações químicas e remoção de inclusões, tudo sob condições cuidadosamente controladas.

Os principais componentes tecnológicos incluem:

• Revestimento Refratário: Feito de materiais à base de alta alumina ou magnésia, resistentes à corrosão e choque térmico, garantindo durabilidade em condições de alta temperatura.
• Conchas e Sistemas de Descarregamento: O aço é transferido para o LMF através de conchas, que são equipadas com mecanismos de inclinação para despejo e drenagem.
• Sistemas de Injeção de Argônio ou Oxigênio: Dispositivos de injeção de gás facilitam a agitação, oxidação e flutuação de inclusões.
• Dispositivos de Agitação Lateral ou Inferior: Agitadores mecânicos ou assistidos por gás promovem temperatura e composição uniformes.
• Sistemas de Gestão de Escória: Dispositivos de formação e remoção de escória ajudam a remover impurezas e inclusões.

O mecanismo de operação primário envolve a injeção de gases inertes ou reativos no aço fundido para induzir agitação, promover a flutuação de inclusões e facilitar reações químicas. O fluxo do processo inclui adição de liga, desoxidação, desulfurização e controle de temperatura, todos realizados dentro de um ambiente controlado.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem:

Esses parâmetros influenciam diretamente a química final do aço, a limpeza das inclusões e a estabilidade da temperatura. O controle preciso garante qualidade consistente do produto e eficiência do processo.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de LMF são recipientes verticais ou horizontais revestidos com material refratário, com dimensões variando de 3 a 8 metros de altura e 2 a 5 metros de diâmetro, dependendo da capacidade. Projetos modernos incorporam materiais refratários avançados e componentes modulares para facilitar a manutenção.

As variações incluem:

• LMFs Convencionais: Capacidades básicas de agitação a gás e adição de liga.
• LMFs Avançados: Equipados com agitação eletromagnética, desgasificação a vácuo e sistemas de controle automatizados.

Sistemas auxiliares incluem:

• Redes de fornecimento e distribuição de gás
• Sistemas de manuseio e remoção de escória
• Unidades de medição e controle de temperatura
• Software de automação e controle

Esses sistemas auxiliares suportam operação eficiente, segurança e consistência do processo.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

Durante o tratamento no LMF, várias reações químicas-chave ocorrem:

• Desoxidação: Elementos como alumínio ou silício reagem com oxigênio dissolvido para formar óxidos estáveis, por exemplo,
  2Al + 3O → Al₂O₃ (inclusões sólidas)
  Isso reduz o oxigênio dissolvido, melhorando a limpeza do aço.

• Desulfurização: Cálcio ou magnésio reagem com enxofre para formar sulfetos, por exemplo,
  Ca + S → CaS (fase de escória)
  A remoção de enxofre melhora a ductilidade e soldabilidade.

• Modificação de Inclusões: Elementos de liga como cálcio ou terras raras modificam inclusões não metálicas, tornando-as esféricas e menos prejudiciais.

A termodinâmica governa essas reações, favorecendo a formação de fases estáveis de óxido e sulfeto em altas temperaturas. A cinética é influenciada pela intensidade da agitação, temperatura e concentrações de impurezas.

Transformações Metalúrgicas

As principais mudanças metalúrgicas incluem:

• Remoção e Modificação de Inclusões: Inclusões não metálicas finas são flutuadas para a camada de escória por meio da agitação, resultando em aço mais limpo.
• Desenvolvimento Microestrutural: A liga e a desoxidação influenciam a formação de microestruturas como ferrita, perlita, bainita ou martensita, dependendo do resfriamento subsequente.
• Transformações de Fase: Ajustes na química podem promover fases desejadas, afetando propriedades mecânicas como resistência, tenacidade e ductilidade.

Essas transformações impactam diretamente as características de desempenho do aço, como resistência à fadiga e soldabilidade.

Interações de Materiais

As interações envolvem:

• Aço e Escória: Trocas químicas ocorrem na interface, facilitando a remoção de impurezas, mas arriscando contaminação se a composição da escória não for controlada.
• Aço e Refratários: A erosão refratária pode introduzir impurezas; assim, a seleção de refratários e a manutenção do revestimento são críticas.
• Aço e Atmosfera: Injeções de gás influenciam os estados de oxidação; oxigênio excessivo pode causar oxidação indesejada, enquanto gases inertes previnem a oxidação e assistem na agitação.

Mecanismos de controle incluem a manutenção da química ideal da escória, integridade refratária e regulação precisa do fluxo de gás para minimizar a contaminação e garantir a estabilidade do processo.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

As entradas incluem:

• Aço Líquido:
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