Recarburização (em fusão): Aumentando o Teor de Carbono na Produção de Aço

Definição e Conceito Básico

A recarburização em fusão é um processo metalúrgico utilizado para aumentar o teor de carbono do aço líquido durante sua fase de processamento primário. Envolve a adição controlada de materiais ricos em carbono diretamente no aço fundido para alcançar composições químicas desejadas, especialmente em casos onde o nível inicial de carbono é insuficiente para o processamento subsequente ou especificações do produto final.

Esse processo desempenha um papel crítico na refinamento das propriedades do aço, como dureza, resistência e resistência ao desgaste. Geralmente é realizado após a fabricação de aço em forno de oxigênio básico (BOF) ou forno de arco elétrico (EAF), durante o refino secundário ou tratamento em panela, para ajustar o teor de carbono antes da fundição ou processamento adicional.

Dentro da cadeia geral de fabricação de aço, a recarburização é uma etapa chave na fase de metalurgia secundária. Ela garante que a composição química do aço esteja alinhada com padrões de qualidade específicos, permitindo a produção de várias classes de aço com propriedades mecânicas e químicas precisas.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

A recarburização em fusão baseia-se nos princípios de difusão e equilíbrio químico. O processo envolve a adição de fontes de carbono—como carbonetos ferrosos, grafite ou pós de carbono—no banho de aço fundido. Esses materiais se dissolvem e se difundem uniformemente, aumentando a concentração de carbono.

Os principais componentes tecnológicos incluem os materiais recarburizadores, sistemas de injeção ou adição e dispositivos de agitação. Os recarburizadores são selecionados com base em sua pureza, tamanho de partícula e reatividade, garantindo taxas de dissolução controladas.

Os principais mecanismos operacionais envolvem a alimentação controlada de fontes de carbono na fusão, frequentemente por meio de injeção submersa ou adição manual. O processo pode incluir agitação ou agitação eletromagnética para promover a distribuição uniforme e evitar gradientes de concentração localizados.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem a quantidade de carbono adicionada, temperatura e duração do tratamento. A recarburização típica ocorre em temperaturas de aço variando de 1.600°C a 1.650°C.

A quantidade de carbono introduzida é calculada com base no teor de carbono alvo, na composição inicial e no volume de aço. Por exemplo, adicionar 0,02–0,10% em peso de carbono por lote é comum, dependendo da composição final desejada.

A temperatura influencia a taxa de dissolução do recarburizador; temperaturas mais altas aceleram a difusão do carbono, mas devem ser controladas para evitar superaquecimento ou oxidação. A duração da recarburização geralmente varia de alguns minutos a meia hora, dependendo da escala do processo e da uniformidade desejada.

Sistemas de controle utilizam termopares, espectrômetros e análise química em tempo real para monitorar temperatura e níveis de carbono. Sistemas de dosagem automatizados ajustam a taxa de adição com base no feedback, garantindo controle preciso sobre a composição final.

Configuração do Equipamento

O equipamento típico de recarburização inclui panelas ou tundishes equipados com portas de dosagem ou bicos de injeção. O equipamento é projetado para suportar altas temperaturas e ambientes corrosivos.

A adição de recarburizador pode ser manual—usando panelas ou pás—ou automatizada por meio de sistemas de injeção pneumática ou hidráulica. Instalações modernas frequentemente incorporam dispositivos de agitação eletromagnética para melhorar a mistura e a difusão.

Sistemas auxiliares incluem unidades de controle de temperatura, dispositivos de desnatamento de escória e coberturas protetoras para evitar oxidação. Algumas instalações utilizam atmosferas de vácuo ou gases inertes durante a recarburização para minimizar a perda de carbono por oxidação.

Variações de design evoluíram de adições manuais simples para sistemas automatizados sofisticados com dosagem precisa e monitoramento em tempo real, melhorando a consistência e o controle do processo.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

A principal reação química durante a recarburização envolve a dissolução de fontes de carbono no aço fundido:

$$\text{C (sólido)} \rightarrow \text{C (dissolvido)} $$

Esse processo é regido por princípios termodinâmicos, onde a solubilidade do carbono no ferro líquido depende da temperatura e da atividade química. A taxa de dissolução segue modelos cinéticos influenciados pela temperatura, agitação e área de superfície do recarburizador.

Os produtos da reação incluem carbono dissolvido na matriz do aço, que pode formar carbonetos ou influenciar transformações de fase. Subprodutos como escória ou óxidos podem se formar se impurezas ou oxidação ocorrerem, afetando a eficiência do processo.

Transformações Metalúrgicas

À medida que o carbono se dissolve no aço, ocorrem mudanças microestruturais. O aumento do teor de carbono promove a formação de cementita (Fe₃C) e influencia a estabilidade de fase. Durante o resfriamento subsequente, essas fases determinam a microestrutura final, afetando dureza, ductilidade e tenacidade.

A recarburização também pode influenciar a formação de carbonetos dentro do aço, que são críticos para a resistência ao desgaste. O controle adequado garante a distribuição uniforme do carbono, evitando pontos duros localizados ou fragilidade.

O processo pode induzir transformações de fase, como a formação de austenita ou martensita durante o resfriamento, dependendo da classe de aço e do tratamento térmico. Essas transformações impactam diretamente as propriedades mecânicas.

Interações de Materiais

Interações entre aço fundido, escória, refratários e atmosfera são significativas. O carbono pode reagir com oxigênio para formar gases CO ou CO₂, levando à perda de carbono se não for devidamente controlado.

A composição da escória influencia a transferência de carbono; uma escória bem projetada promove descarbonização ou carbonização conforme necessário. Materiais refratários devem suportar altas temperaturas e ataque químico do carbono e outros elementos.

Interações indesejadas, como oxidação do carbono ou degradação refratária, podem prejudicar a eficiência do processo. Atmosferas protetoras—como gases inertes—são empregadas para minimizar oxidação e contaminação.

Métodos para controlar interações incluem manter uma atmosfera redutora, otimizar a química da escória e selecionar materiais refratários resistentes ao ataque do carbono.

Fluxo e Integração do Processo

Materiais de Entrada

O principal insumo é o aço fundido, tipicamente a 1.600°C–1.650°C, com um teor inicial de carbono que requer ajuste. Os recarburizadores incluem carbonetos ferrosos, grafite ou pós de carbono, com níveis de pureza superiores a 99%.

A preparação do material envolve garantir que o recarburizador esteja livre de impurezas e adequadamente dimensionado para dissolução. O manuseio requer armazenamento seco e livre de contaminação para evitar oxidação ou absorção de umidade.

A qualidade do insumo afeta diretamente o desempenho do processo; recarburizadores de alta pureza fornecem adição de carbono previsível, enquanto impurezas podem introduzir elementos ou inclusões indesejadas.

Sequência do Processo

O processo de recarburização geralmente segue estas etapas:

• Aquecimento e estabilização do aço fundido na panela ou forno.
• Medição da composição química atual usando espectrômetros ou amostragem.
• Cálculo da adição de carbono necessária com base na composição alvo.
• Adição controlada de recarburizador por meio de injeção ou despejo manual.
• Agitação ou mistura para promover a difusão uniforme.
• Monitoramento da temperatura e composição química durante o tratamento.
• Amostragem final e análise para confirmar o teor de carbono alvo.
• Prosseguindo para a fundição ou refino adicional.

Os tempos de ciclo variam de 10 a 30 minutos, dependendo da escala do processo e da precisão do controle. As taxas de produção são ajustadas para atender à demanda e especificações de qualidade a montante.

Pontos de Integração

A recarburização é integrada entre a fabricação primária de aço e as etapas de fundição ou refino secundário. Ela recebe aço fundido do forno e fornece aço ajustado para fundição contínua ou laminadores.

O fluxo de material envolve transferência por