Ferrovia de Arco Elétrico (EAF): Processo e Equipamento Chave na Fabricação de Aço

Definição e Conceito Básico

Um Forno de Arco Elétrico (EAF) é um forno de fabricação de aço primário que utiliza energia elétrica para derreter sucata de aço, ferro reduzido direto (DRI) ou outros materiais ferrosos para produzir aço líquido. É uma tecnologia versátil, eficiente e ambientalmente adaptável que desempenha um papel crucial na fabricação moderna de aço, especialmente em mini-mills e plantas de aço secundárias.

O propósito fundamental do EAF é converter matérias-primas metálicas em aço fundido através da aplicação de arcos elétricos de alta temperatura gerados entre eletrodos de grafite e a carga metálica. Este processo permite um aquecimento rápido, controle preciso da composição química e a capacidade de produzir uma ampla gama de graus de aço.

Dentro da cadeia geral de fabricação de aço, o EAF normalmente segue a coleta e preparação de sucata ou matérias-primas e precede o refino secundário e a fundição. Ele serve como a unidade central de fusão na fabricação de aço elétrica, frequentemente integrada com fundição contínua ou outros processos a montante para produzir produtos de aço acabados.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central do EAF é a geração de arcos elétricos intensos entre eletrodos de grafite e a carga metálica, que produz temperaturas localizadas extremamente altas (até 3.000°C). Esses arcos transferem energia elétrica diretamente para o material, causando fusão rápida e reações químicas.

Os principais componentes tecnológicos incluem os eletrodos de grafite, a carcaça do forno (geralmente revestida com tijolos refratários), o transformador e sistemas auxiliares, como manuseio de gases residuais e resfriamento a água. Os eletrodos são suspensos de uma estrutura de teto móvel, permitindo ajuste de altura e controle do arco.

O mecanismo de operação primário envolve o estabelecimento de um ou múltiplos arcos entre os eletrodos e a carga. A corrente elétrica flui através dos eletrodos, criando arcos que aquecem e derretem a sucata ou as matérias-primas. O material flui para o forno a partir de um sistema de carga, e o metal fundido é retirado periodicamente para processamento adicional.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem corrente do arco, voltagem, entrada de potência, temperatura do forno e tempo de fusão. As faixas operacionais típicas são:

• Corrente do arco: 20.000 a 50.000 amperes
• Voltagem: 300 a 500 volts
• Entrada de potência: 300 a 500 kWh por tonelada de aço produzida
• Tempo de fusão: 30 a 90 minutos, dependendo do tamanho do forno e da composição da carga

Esses parâmetros influenciam a taxa de fusão, a eficiência energética e a qualidade do aço. Por exemplo, correntes de arco mais altas aumentam a velocidade de fusão, mas podem levar a um maior desgaste refratário.

Sistemas de controle empregam automação avançada, incluindo sensores em tempo real, controladores de estabilidade do arco e software de modelagem de processos. Esses sistemas monitoram parâmetros continuamente, ajustando a posição dos eletrodos, a entrada de potência e outras variáveis para otimizar o desempenho e garantir a qualidade consistente do aço.

Configuração do Equipamento

Um EAF típico consiste em uma carcaça de aço revestida com material refratário montada em uma plataforma inclinada ou estacionária. A altura do forno varia de 4 a 12 metros, com diâmetros variando de 1,5 a 4 metros. O forno é coberto com um teto móvel que suporta três ou mais eletrodos de grafite.

Os arranjos de eletrodos evoluíram de configurações fixas e verticais para sistemas multi-eletrodos mais sofisticados que melhoram a estabilidade do arco e a distribuição de energia. Os designs modernos incorporam painéis resfriados a água, revestimentos refratários avançados e recursos de automação.

Sistemas auxiliares incluem:

• Equipamentos de carga (elevadores de caçamba, correias transportadoras)
• Sistemas de manuseio de gases residuais (coleta de poeira, lavadores)
• Sistemas de resfriamento a água para eletrodos e carcaça do forno
• Transformadores de fornecimento de energia e unidades de controle

Esses sistemas auxiliares são essenciais para uma operação segura, eficiente e ambientalmente compatível.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

As principais reações químicas em um EAF envolvem a oxidação de impurezas e elementos de liga, bem como a redução de óxidos presentes na carga. As principais reações incluem:

• Fusão de sucata e matérias-primas
• Oxidação de carbono para produzir gases CO e CO₂
• Descarburação: o carbono reage com o oxigênio para formar CO/CO₂ gasoso, reduzindo o teor de carbono no aço
• Oxidação de impurezas como silício, manganês e fósforo

Termodinamicamente, essas reações são impulsionadas pelas altas temperaturas e pela adição controlada de oxigênio, que pode ser fornecido através de lanças de oxigênio ou gases injetados. A cinética depende da temperatura, das taxas de fluxo de gás e da área de superfície da carga.

Os produtos da reação incluem aço fundido, escória contendo impurezas oxidadas e emissões gasosas (CO, CO₂, NOx). O gerenciamento adequado de gases residuais é vital para controlar emissões e recuperar energia.

Transformações Metalúrgicas

Durante a fusão, o aço passa por transformações microestruturais, incluindo a dissolução de elementos de liga, homogeneização e mudanças de fase. À medida que a temperatura aumenta, carbonetos, nitretos e óxidos se dissolvem, levando a uma composição uniforme.

A descarburação e a desfosforização alteram a microestrutura, influenciando propriedades como resistência, ductilidade e soldabilidade. A taxa de resfriamento após a retirada determina a microestrutura final—o resfriamento rápido favorece estruturas martensíticas, enquanto o resfriamento mais lento promove fases ferríticas-perlíticas.

Essas transformações impactam diretamente as propriedades mecânicas, a resistência à corrosão e a soldabilidade do produto final de aço.

Interações de Materiais

As interações entre o metal fundido, a escória, o revestimento refratário e a atmosfera são complexas. A escória atua como um fundente, removendo impurezas por meio de reações químicas e separação física. Materiais refratários devem suportar altas temperaturas, ataque químico e ciclagem térmica.

A contaminação pode ocorrer se a escória infiltrar no refratário ou se as impurezas não forem controladas adequadamente, levando a inclusões ou defeitos. Bolhas de gás ou oxidação excessiva podem causar porosidade ou defeitos de superfície.

Métodos de controle incluem otimização da química da escória, manutenção da atmosfera adequada do forno (redutora ou oxidante) e seleção de materiais refratários resistentes ao ataque químico. O monitoramento regular da composição da escória e da condição do refratário ajuda a prevenir interações indesejadas.

Fluxo e Integração do Processo

Materiais de Entrada

A entrada primária é sucata de aço, que deve atender a padrões específicos de qualidade química e física. As especificações típicas incluem baixo teor de umidade, mínimas inclusões não metálicas e distribuição de tamanho apropriada.

Entradas adicionais incluem ferro reduzido direto (DRI), ferro-gusa, ferro-ligas, fundentes (calcário, dolomita) e oxigênio. A preparação do material envolve triagem, fragmentação e, às vezes, pré-aquecimento para melhorar a eficiência de fusão.

A qualidade da entrada afeta diretamente a taxa de fusão, o consumo de energia e a qualidade final do aço. Contaminantes ou umidade excessiva podem causar problemas operacionais, como formação de espuma na escória ou danos ao refratário.

Sequência do Processo

A sequência operacional geralmente envolve:

• Carga do forno com sucata e matérias-primas preparadas
• Início do arco e fusão da carga
• Refino do metal fundido através de oxidação, ligações e ajustes de temperatura
• Retirada do aço fundido em