Fornalha de Oxigênio Básico (BOF): Processo e Equipamento Chave na Produção de Aço

Definição e Conceito Básico

O Conversor de Oxigênio Básico (BOF), também conhecido como Conversor de Fabricação de Aço com Oxigênio Básico (BOS), é um processo primário de fabricação de aço que converte ferro fundido de um alto-forno em aço, soprando oxigênio através dele. Este processo é fundamental na indústria do aço devido à sua alta produtividade, eficiência e capacidade de produzir grandes quantidades de aço com composições químicas controladas.

O objetivo principal do BOF é reduzir o teor de carbono no ferro fundido, remover impurezas como silício, manganês, fósforo e enxofre, e refinar o aço para atender a padrões de qualidade específicos. Ele serve como um passo crítico na cadeia de fabricação de aço integrada, ligando o alto-forno e as operações de refino ou fundição secundárias.

Posicionado após o alto-forno no fluxo de produção de aço, o BOF transforma ferro-gusa—caracterizado por alto teor de carbono e impurezas—em aço líquido adequado para fundição e processamento adicional. Sua operação influencia significativamente a qualidade final do aço, o consumo de energia e as emissões ambientais.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia fundamental por trás do BOF envolve soprar oxigênio de alta pureza a velocidades supersônicas no ferro fundido, iniciando reações de oxidação exotérmicas. Essas reações geram calor, que sustenta o processo de fusão e reduz a necessidade de entrada de energia externa.

Os principais componentes tecnológicos incluem o vaso do conversor, a lança de oxigênio, sistemas auxiliares (como mecanismos de desnatamento e vazamento de escória) e revestimentos refratários. O conversor é uma grande estrutura de aço revestida de material refratário, resfriada a água, moldada como um vaso cilíndrico ou cônico, com capacidade variando de 150 a 400 toneladas.

A lança de oxigênio é um tubo vertical que introduz oxigênio no metal fundido. Ela é montada em um manipulador mecânico que permite posicionamento e movimento precisos durante a injeção. O processo envolve a injeção de oxigênio através da lança, que reage com o carbono e impurezas, formando gases e escória.

Os fluxos de material envolvem a injeção de oxigênio, a oxidação de impurezas, a formação de escória e o vazamento de aço fundido. O processo é altamente dinâmico, com monitoramento contínuo da temperatura, composição química e características da escória para otimizar as reações.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem a taxa de fluxo de oxigênio, altura da lança, duração da injeção, temperatura e composição da escória. As taxas típicas de fluxo de oxigênio variam de 10.000 a 30.000 Nm³/h, dependendo do tamanho do forno e da intensidade da reação desejada.

A duração da injeção geralmente varia de 15 a 30 minutos, com ajustes baseados na composição inicial do ferro e na qualidade do aço desejada. As temperaturas são mantidas entre 1.600°C e 1.700°C para garantir fusão completa e cinética de reação.

As relações entre esses parâmetros influenciam a química do aço, o controle de temperatura e a eficiência na remoção de impurezas. Por exemplo, taxas de fluxo de oxigênio mais altas aceleram a descarbonização, mas podem aumentar o consumo de energia e a formação de escória.

Sistemas de controle utilizam sensores avançados, como pirômetros ópticos, analisadores de gás e monitores de escória, integrados em plataformas de automação. Esses sistemas permitem ajustes em tempo real para otimizar a estabilidade do processo, o uso de energia e a qualidade do produto.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de BOF consistem em uma estrutura de aço revestida de material refratário montada em um mecanismo de inclinação para facilitar o vazamento. As dimensões do vaso variam, com diâmetros de 4 a 8 metros e alturas de até 15 metros, dependendo da capacidade.

As variações de design incluem conversores de oxigênio básico com diferentes revestimentos refratários, painéis resfriados a água e arranjos de lança. Com o tempo, inovações melhoraram a durabilidade dos refratários, a automação da lança e os controles ambientais.

Sistemas auxiliares incluem equipamentos de manuseio de escória, unidades de extração de poeira e sistemas de limpeza de gás, como precipitadores eletrostáticos ou filtros de bolsa para capturar emissões de partículas. Plantas modernas também incorporam sistemas de recuperação de energia, como caldeiras de recuperação de calor residual, para melhorar a eficiência geral.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

As principais reações químicas envolvem a oxidação de carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre:

• Oxidação do carbono:
  C + ½ O₂ → CO (gás)
  C + O₂ → CO₂ (gás)

• Oxidação do silício:
  Si + O₂ → SiO₂ (escória)

• Oxidação do manganês:
  Mn + ½ O₂ → MnO (escória)

• Remoção de fósforo:
  P + 5/2 O₂ → P₂O₅ (escória)

• A remoção de enxofre é facilitada pela escória básica, que absorve enxofre na forma de sulfetos ou óxidos.

Termodinamicamente, essas reações são exotérmicas, liberando calor que sustenta o processo. A cinética depende da temperatura, fluxo de oxigênio e concentrações de impurezas.

Os produtos da reação incluem CO e CO₂ gasosos, que escapam com os gases residuais, e escória contendo óxidos de silício, manganês, fósforo e outras impurezas. A composição da escória é cuidadosamente controlada para otimizar a remoção de impurezas.

Transformações Metalúrgicas

Durante a injeção, a microestrutura do metal fundido evolui à medida que as impurezas são oxidadas e removidas. O teor de carbono diminui de cerca de 4-5% no ferro-gusa para abaixo de 0,1-0,2% no aço.

As transformações de fase envolvem a formação de um aço líquido homogêneo com uma composição controlada, seguida pela solidificação durante a fundição. O processo também envolve a formação de uma camada de escória básica que facilita a absorção de impurezas.

Essas transformações influenciam propriedades mecânicas como resistência, ductilidade e tenacidade. O controle adequado garante que a microestrutura se desenvolva com grãos finos e uniformes, reduzindo defeitos como porosidade ou segregação.

Interações de Materiais

Interações entre metal fundido, escória, revestimento refratário e atmosfera são críticas. A escória atua como um tampão químico, absorvendo impurezas e protegendo o refratário da corrosão.

Materiais refratários, tipicamente tijolos à base de magnésia, são selecionados por seus altos pontos de fusão e estabilidade química. No entanto, eles são suscetíveis ao desgaste devido à corrosão da escória e ao ciclo térmico.

Gases atmosféricos, incluindo nitrogênio e oxigênio residual, podem causar oxidação ou contaminação se não forem controlados adequadamente. Sistemas de tratamento de gases residuais evitam liberações ambientais e recuperam gases valiosos como CO e CO₂.

Mecanismos de contaminação incluem infiltração de escória em rachaduras refratárias e captação de metal devido à erosão do refratário. Um design de revestimento adequado, controle do processo e manutenção mitigam esses problemas.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

O principal insumo é o ferro-gusa fundido, tipicamente com um teor de carbono de 3-4%. Ele é fornecido pelo alto-forno através de carros-torpedo ou panelas.

Fluxos como cal (CaO), dolomita e fluorita são adicionados para controlar a química da escória e facilitar a remoção de impurezas. Tijolos refratários e gases auxiliares também são insumos essenciais.

A qualidade da entrada, especialmente a composição inicial do ferro-gusa, afeta significativamente a eficiência do processo e a qualidade