Produção de Aço por Oxigênio Básico: Processo Chave na Produção Moderna de Aço

Definição e Conceito Básico

A fabricação de aço por oxigênio básico (BOS), também conhecida como Processo de Oxigênio Básico (BOP), é um método primário de fabricação de aço que converte ferro fundido de um alto-forno em aço, soprando oxigênio através do metal líquido. Seu objetivo fundamental é refinar o ferro-gusa, reduzindo o teor de carbono e removendo impurezas como silício, manganês, fósforo e enxofre, produzindo assim aço de alta qualidade.

Esse processo desempenha um papel central na cadeia de fabricação de aço, servindo como a etapa primária na transformação do ferro bruto em produtos de aço utilizáveis. Ele segue a etapa de fabricação de ferro, onde o minério de ferro é reduzido a ferro-gusa, e precede as operações de refino secundário ou fundição. O BOS é favorecido por sua alta produtividade, flexibilidade e capacidade de produzir uma ampla gama de graus de aço de forma eficiente.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central do BOS baseia-se na injeção de oxigênio de alta pureza no ferro-gusa fundido a alta velocidade, induzindo reações de oxidação que removem impurezas. O processo capitaliza a natureza exotérmica da oxidação, que fornece calor para manter o estado fundido sem aquecimento externo.

Os principais componentes tecnológicos incluem o vaso do conversor, a lança de oxigênio e sistemas auxiliares, como skimmers de escória, tuyères e unidades de limpeza de gás. O conversor é um vaso revestido de material refratário e resfriado a água, projetado para suportar altas temperaturas e ataque químico. A lança de oxigênio, um tubo longo e de alta pressão, é posicionada centralmente dentro do conversor para entregar oxigênio diretamente no derretido.

Durante a operação, o oxigênio é soprado através da lança em altas velocidades, criando turbulência que promove a oxidação rápida. O processo envolve sequências de sopro controladas, muitas vezes com oxigênio pré-aquecido, e a adição de fluxos e ligas para alcançar as composições desejadas do aço. As reações de oxidação geram calor, que sustenta o estado fundido e facilita a remoção de impurezas.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem a taxa de fluxo de oxigênio, a duração do sopro, a temperatura e a química da escória. As taxas típicas de fluxo de oxigênio variam de 10.000 a 20.000 Nm³/h, dependendo do tamanho do conversor e dos requisitos de grau de aço.

A duração do sopro geralmente dura entre 15 a 30 minutos, com variações baseadas na composição inicial do ferro-gusa e na qualidade final desejada do aço. A temperatura do conversor é mantida em torno de 1.600°C a 1.700°C, garantindo cinética de reação ideal.

Sistemas de controle utilizam sensores avançados e automação para monitorar parâmetros como pressão de oxigênio, temperatura e composição de gases residuais. Dados em tempo real permitem que os operadores ajustem a intensidade do sopro, a duração e as adições de fluxos para otimizar a remoção de impurezas e minimizar o consumo de energia.

Configuração do Equipamento

Uma instalação típica de BOS apresenta um vaso conversor de aço revestido de material refratário, geralmente com capacidade de 100 a 350 toneladas. O conversor é montado em uma plataforma rotativa, permitindo inclinação para despejo e remoção de escória.

As variações de design incluem conversores soprados por oxigênio na parte inferior, conversores soprados por cima e sistemas combinados. Com o tempo, inovações melhoraram os materiais refratários, sistemas de limpeza de gás e controles de automação, aumentando a eficiência e a vida útil.

Sistemas auxiliares incluem unidades de pré-aquecimento para oxigênio, equipamentos de coleta de poeira e lavagem de gás, e instalações de manuseio de escória. Plantas modernas incorporam capacidades de operação remota e monitoramento avançado para melhorar a segurança e a produtividade.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

As principais reações químicas envolvem a oxidação de carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre no ferro-gusa. Por exemplo, a oxidação do carbono ocorre como:

$$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \quad \text{ou} \quad \text{CO}_2 $$

Da mesma forma, silício e manganês são oxidados:

$$\text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 $$
$$\text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO} $$

A remoção de fósforo ocorre através da formação de fosfatos com fluxos, que são absorvidos na escória. Essas reações são termodinamicamente favorecidas em altas temperaturas, com a energia livre de Gibbs diminuindo à medida que a oxidação avança.

Fatores cinéticos como taxa de fluxo de oxigênio, temperatura e concentrações de impurezas influenciam as taxas de reação. O processo é projetado para otimizar essas reações para alcançar composições-alvo de aço de forma eficiente.

Os subprodutos das reações incluem gases como CO, CO₂ e óxidos de nitrogênio, que são capturados e tratados em sistemas de gases residuais. A formação de escória resulta de óxidos de silício, manganês, fósforo e outras impurezas, que são separadas do aço fundido.

Transformações Metalúrgicas

Durante o BOS, ocorrem transformações metalúrgicas significativas, incluindo mudanças microestruturais e transformações de fase. A oxidação rápida reduz o teor de carbono de níveis típicos de ferro-gusa (~4-4,5%) para abaixo de 0,1-1%, transformando a microestrutura de ferrítica/pearlítica para predominantemente estruturas ferríticas, perlíticas ou martensíticas, dependendo da liga.

O processo também envolve desfosforização e desulfurização, que influenciam a ductilidade, tenacidade e soldabilidade do aço. A formação de uma camada de escória rica em óxidos atua como um meio de refino, absorvendo impurezas e facilitando o controle microestrutural.

As taxas de resfriamento e as adições de liga durante o despejo influenciam as transformações de fase, impactando propriedades como dureza, resistência e resistência à corrosão. O controle adequado garante a produção de aços com microestruturas personalizadas adequadas para várias aplicações.

Interações de Materiais

Interações entre aço fundido, escória, revestimento refratário e gases atmosféricos são críticas para a estabilidade do processo. A escória atua como um sumidouro químico para impurezas, mas também pode causar contaminação se não for gerenciada adequadamente.

Materiais refratários devem suportar altas temperaturas, ataque químico e ciclagem térmica. Composições refratárias comuns incluem magnésia, alumina e zircônia, projetadas para resistir à corrosão e erosão.

Gases atmosféricos, incluindo nitrogênio e oxigênio residual, podem levar à contaminação ou efeitos microestruturais indesejáveis. Sistemas de purga de gás e vedação minimizam essas interações.

Controlar a transferência de materiais envolve adições de fluxos, gerenciamento da química da escória e manutenção refratária. Um design de revestimento adequado e monitoramento previnem a degradação refratária e a contaminação do aço.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

O principal insumo é o ferro-gusa fundido, tipicamente com um teor de carbono de 3,5-4,5%. Insumos adicionais incluem fluxos como cal (CaO), fluorita (CaF₂) e ferro-ligas para fins de liga.

O ferro-gusa é geralmente preparado em um alto-forno e transferido para o conversor BOS via carros-torpedo ou panelas. Os materiais de entrada devem atender a especificações químicas e de temperatura rigorosas para garantir a eficiência do processo.

A qualidade da entrada afeta diretamente o desempenho do processo; altos níveis de impurezas ou composições inconsistentes podem levar a tempos de refino mais longos, aumento do volume de escória e qualidade variável do aço.

Sequência do Processo

A sequência operacional começa com o carregamento do conversor com ferro-gusa, seguido de pré-aquecimento