Lance em Siderurgia: Equipamentos Chave para Injeção de Oxigênio e Refino

Definição e Conceito Básico

Um lance na indústria do aço refere-se a um tubo ou cano especializado, alongado e frequentemente delgado, usado principalmente para injetar gases, pós ou líquidos diretamente no metal fundido ou na escória durante os processos de fabricação de aço primário. Seu propósito fundamental é facilitar reações químicas, controle de temperatura e remoção de impurezas dentro do banho fundido, influenciando assim a qualidade do aço e a eficiência do processo.

Os lances são componentes integrais em processos como a fabricação de aço com oxigênio básico (BOS), refino em forno de arco elétrico (EAF) e metalurgia secundária. Eles servem como a interface principal para introduzir agentes reativos, como oxigênio, carbono ou elementos de liga, no metal fundido. Posicionados dentro do forno ou do vaso conversor, o lance se estende para o derretimento para permitir a entrega precisa desses agentes, garantindo reações controladas e estabilidade do processo.

Dentro da cadeia geral de fabricação de aço, o papel do lance é crucial durante as etapas de refino e liga. Ele faz a ponte entre a entrada de matéria-prima e a composição final do aço, permitindo transformações metalúrgicas rápidas e eficientes. Sua operação impacta diretamente parâmetros de processo como temperatura, composição e remoção de inclusões, afetando, em última análise, a qualidade do produto final.

Design Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central por trás do lance envolve a injeção controlada de gás ou material em ambientes de metal fundido a alta temperatura. O design deve suportar estresses térmicos e mecânicos extremos, garantindo a entrega precisa de agentes reativos.

Os principais componentes tecnológicos incluem:

• Tubo/Cano do Lance: Geralmente feito de ligas resistentes a altas temperaturas, como aços inoxidáveis, superligas à base de níquel ou materiais revestidos de cerâmica para resistir à corrosão e degradação térmica.
• Bicos ou Portas: Localizados na ponta ou ao longo do comprimento do lance, controlam a taxa de fluxo e o padrão de distribuição dos gases ou pós injetados.
• Sistema de Fornecimento de Gás: Composto por sopradores, reguladores e medidores de fluxo, fornece oxigênio, argônio, nitrogênio ou outros gases sob pressão controlada.
• Sistema de Injeção de Pó: Para injetar pós de liga ou fluxos, muitas vezes envolvendo alimentadores pneumáticos ou mecânicos.
• Sistemas de Resfriamento: Resfriamento com água ou ar pode ser integrado para evitar o superaquecimento do corpo do lance, especialmente próximo à ponta.

O mecanismo de operação primário envolve gases ou pós pressurizados fluindo através do lance, saindo pelos bicos para o banho fundido. Os gases reagem com o metal fundido ou a escória, facilitando a oxidação, descarbonização ou liga. A posição do lance e a taxa de fluxo são cuidadosamente controladas para otimizar a cinética da reação e evitar distúrbios no derretimento.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem:

Esses parâmetros estão interconectados; por exemplo, aumentar o fluxo de gás melhora a descarbonização, mas pode causar turbulência se não for controlado adequadamente. Sistemas de controle avançados utilizam sensores em tempo real e algoritmos de feedback para manter condições ideais, garantindo qualidade consistente do aço.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de lance apresentam:

• Montagens Verticais ou Inclinadas: Dependendo do design do forno, com lances verticais sendo os mais comuns em conversores BOF.
• Comprimentos do Lance: Variando de 2 a 8 metros, adaptados às dimensões do forno e requisitos do processo.
• Diâmetro do Lance: Geralmente entre 20 e 50 mm, equilibrando capacidade de fluxo e robustez mecânica.
• Design da Ponta do Lance: Os bicos podem ser simples ou configurações de múltiplos furos para alcançar os padrões de dispersão de gás desejados.

Com o tempo, os designs de lance evoluíram de tubos de aço simples para sistemas sofisticados revestidos de cerâmica ou materiais compostos para melhorar a durabilidade e o desempenho. As variações incluem lances resfriados a água para injeção de oxigênio a alta temperatura e sistemas modulares que permitem a rápida substituição de peças desgastadas.

Sistemas auxiliares incluem:

• Unidades de Fornecimento de Gás: Sopradores de alta pressão, reguladores e filtros.
• Equipamentos de Alimentação de Pó: Alimentadores pneumáticos ou mecânicos com controle preciso.
• Resfriamento e Isolamento: Para evitar danos térmicos e manter a integridade operacional.
• Dispositivos de Posicionamento: Sistemas hidráulicos ou robóticos para colocação e movimentação precisas do lance dentro do forno.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

O lance facilita várias reações químicas chave, notavelmente:

• Oxidação do Carbono:
  $$\text{C (no derretimento)} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \uparrow $$
  Esta reação de descarbonização reduz o teor de carbono, melhorando as propriedades do aço.

• Oxidação do Silício, Manganês e Outros Elementos:
  $$\text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 \text{ (escória)} $$
  $$\text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO} \text{ (escória)} $$

• Remoção de Impurezas:
  O oxigênio injetado reage com impurezas, formando óxidos que são absorvidos na escória.

Termodinamicamente, essas reações são favorecidas a altas temperaturas (>1600°C), com a cinética influenciada pela pressão parcial de oxigênio, temperatura e agitação. O controle preciso do fluxo de oxigênio e a posição do lance garantem reações eficientes com mínima sobreoxidação ou reações colaterais indesejadas.

Transformações Metalúrgicas

Durante a operação do lance, as mudanças microestruturais incluem:

• Descarbonização: Transição de ferrita/pearlita para martensita ou bainita de baixo carbono, dependendo das taxas de resfriamento.
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