COREX: Processo de Redução Direta Inovador na Produção de Aço

Definição e Conceito Básico

COREX庐 (Processo COREX) é um processo de redução direta e fusão utilizado na fabricação de aço que combina a redução do minério de ferro e a produção de aço líquido em uma única operação integrada. É classificado como uma rota de forno de temperatura média, não sendo um forno de alto-forno, projetado para produzir ferro fundido diretamente do minério de ferro e carvão sem a necessidade de fornos de coque e altos-fornos.

O objetivo fundamental do COREX庐 é fornecer uma alternativa energeticamente eficiente e ambientalmente mais amigável aos métodos tradicionais de alto-forno. Ele visa reduzir a dependência do coque, diminuir as emissões de gases de efeito estufa e melhorar a utilização de recursos. O processo produz ferro fundido que pode ser transferido diretamente para conversores de fabricação de aço, integrando-se perfeitamente na cadeia de produção de aço como um todo.

Dentro do fluxo de fabricação de aço, o COREX庐 ocupa a fase primária de redução e fusão. Ele faz a ponte entre a preparação de matérias-primas e o refino de aço a jusante, permitindo uma transição simplificada do minério bruto para o ferro líquido. Sua posição permite uma entrada flexível de matérias-primas e contribui para a eficiência geral do processo e conformidade ambiental.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O processo COREX庐 é baseado em um design de forno de eixo contracorrente, combinando a redução do minério de ferro com a fusão de carvão não coqueificável. O princípio central da engenharia envolve a redução direta de óxidos de ferro usando gases redutores gerados pela combustão do carvão, seguido pela fusão do ferro reduzido para produzir metal líquido fundido.

Os principais componentes tecnológicos incluem o eixo de redução, o gaseificador de fusão e sistemas auxiliares, como unidades de limpeza de gás, sistemas de resfriamento e equipamentos de manuseio de materiais. O eixo de redução é onde pelotas ou blocos de minério de ferro são reduzidos por gases redutores, principalmente CO e H₂, produzidos no gaseificador de fusão. O gaseificador de fusão simultaneamente funde o ferro reduzido e o carvão, gerando ferro fundido e gases residuais.

Os principais mecanismos operacionais envolvem a alimentação contínua de minério de ferro e carvão não coqueificável no eixo de redução e no gaseificador de fusão. Gases quentes gerados pela combustão do carvão fornecem o ambiente de redução, enquanto o ferro fundido se acumula na parte inferior do gaseificador de fusão para ser retirado. Os gases residuais são limpos e reciclados para otimizar a eficiência energética.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem temperatura, pressão, composição do gás e qualidade da matéria-prima. As temperaturas operacionais típicas no eixo de redução variam de 950°C a 1050°C, garantindo uma redução eficiente sem consumo excessivo de energia. O gaseificador de fusão opera a temperaturas em torno de 1500°C a 1600°C para manter o fluxo de ferro fundido.

A composição do gás, especialmente as concentrações de CO e H₂, influencia diretamente a cinética de redução e o grau de metalização. O conteúdo típico de CO em gases redutores é de 20-30%, com H₂ representando 10-15%. A pressão dentro do reator é mantida ligeiramente acima da atmosférica para facilitar o fluxo de materiais e a circulação de gás.

Sistemas de controle empregam sensores avançados e automação para monitorar temperatura, composição do gás, pressão e taxas de fluxo de materiais. Dados em tempo real alimentam algoritmos de controle que ajustam as taxas de alimentação, fluxo de gás e temperatura para manter condições ótimas de processo, garantindo operação estável e alta qualidade de saída.

Configuração do Equipamento

Uma instalação típica do COREX庐 consiste em um eixo de redução, gaseificador de fusão, unidades de limpeza de gás e sistemas auxiliares, como resfriamento e manuseio de materiais. O eixo de redução é um recipiente vertical revestido de material refratário com aproximadamente 20-30 metros de altura, com um diâmetro de 4-8 metros, projetado para facilitar uma redução uniforme.

O gaseificador de fusão é um grande recipiente revestido de material refratário, frequentemente com 20-25 metros de altura e 6-10 metros de diâmetro, equipado com túberas para injeção de carvão e saídas de gases residuais. Ele é integrado ao eixo de redução por meio de um sistema comum de circulação de gás.

Com o tempo, os designs de equipamentos evoluíram para melhorar a eficiência energética, reduzir o desgaste refratário e aumentar a estabilidade operacional. As variações incluem a adoção de materiais refratários mais duráveis, sistemas de circulação de gás aprimorados e atualizações de automação.

Sistemas auxiliares incluem unidades de limpeza de gás (precipitadores eletrostáticos, lavadores), sistemas de resfriamento para ferro fundido e equipamentos de manuseio de materiais, como transportadores e guindastes para remoção de matérias-primas e escória.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

As reações químicas centrais envolvem a redução de óxidos de ferro (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) para ferro metálico (Fe) usando gases redutores. As reações primárias incluem:

• Redução da hematita (Fe₂O₃):

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

• Redução da magnetita (Fe₃O₄):

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

• Redução da wüstite (FeO):

FeO + CO → Fe + CO₂

Termodinamicamente, essas reações são favorecidas em altas temperaturas, com o equilíbrio se deslocando em direção ao ferro metálico à medida que a temperatura aumenta. A cinética é influenciada pela composição do gás, temperatura e tamanho das partículas.

Os gases residuais contêm principalmente CO₂, H₂O e CO e H₂ residuais, que são limpos e reciclados. O carbono no carvão atua tanto como combustível quanto como redutor, passando por oxidação parcial e gaseificação.

Transformações Metalúrgicas

Durante o processo, os óxidos de ferro passam por redução para ferro metálico, acompanhados por transformações de fase de óxidos sólidos para ferro líquido. Microestruturalmente, o ferro reduzido forma uma fase fundida com escória dispersa e impurezas residuais.

O ferro fundido produzido está tipicamente em estado líquido em temperaturas operacionais, com características microestruturais como inclusões dendríticas ou globulares, dependendo das taxas de resfriamento. O processo também envolve a formação de escória a partir de minerais de ganga, que são separados do ferro fundido.

Essas transformações metalúrgicas influenciam propriedades como ductilidade, resistência e limpeza do aço final. O controle adequado do resfriamento e da remoção de escória garante microestruturas desejáveis e conteúdo mínimo de inclusões.

Interações de Materiais

Interações entre o metal fundido, escória, revestimento refratário e atmosfera são críticas para a estabilidade do processo. O ferro fundido pode reagir com materiais refratários, causando desgaste e potencial contaminação se ocorrer corrosão refratária.

A escória interage com o metal fundido, auxiliando na remoção de impurezas, mas potencialmente aprisionando elementos indesejáveis se não for gerenciada adequadamente. A atmosfera dentro do reator, rica em CO e H₂, influencia a cinética de redução e a química da escória.

Para controlar interações indesejadas, materiais refratários são selecionados para alta resistência à corrosão, e a química da escória é cuidadosamente gerenciada por meio de controle de aditivos. As atmosferas gasosas são monitoradas para prevenir oxidação ou outras reações indesejáveis.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

Os principais materiais de entrada incluem minério de ferro (pelotas ou blocos), carvão não coqueificável e materiais auxiliares, como fluxos (calcário ou dolomita). As especificações do minério de ferro geralmente requerem alto teor de ferro (>60%), baixas impurezas e tamanho de partícula adequado.

O carvão deve ter um alto valor calórico, baixa cinza e baixo teor de enxofre para garantir redução eficiente e impacto ambiental mínimo. O manuseio envolve silos de armazenamento, transportadores e sistemas de pré-tratamento para garantir qualidade de alimentação consistente.