Fornalha de Coração Aberto: Processo Chave de Fabricação de Aço e Seu Papel na Produção

Definição e Conceito Básico

O Fornalha de Coração Aberto (OHF) é uma grande fornalha de fabricação de aço regenerativa e aquecida por regeneração, utilizada principalmente para a produção de aço de alta qualidade a partir de ferro-gusa fundido, sucata e outros elementos de liga. Ela opera com base no princípio da combustão regenerativa, utilizando um sistema regenerativo para recuperar e reutilizar calor, melhorando assim a eficiência térmica.

Fundamentalmente, a fornalha de coração aberto serve como um recipiente primário para a fabricação de aço, onde as matérias-primas são refinadas através de oxidação controlada, ligações e ajustes de temperatura para produzir aço homogêneo e de alta qualidade. Ela ocupa uma posição central na cadeia de fabricação de aço, geralmente seguindo os processos de alto-forno e forno de oxigênio básico (BOF), e precedendo a fundição contínua ou a fundição em lingote.

O processo envolve a fusão e o refino de matérias-primas em um grande recipiente reverberatório raso, permitindo um controle preciso sobre a composição química e a microestrutura. Historicamente, o processo de coração aberto foi o método dominante de fabricação de aço antes de ser amplamente substituído por tecnologias mais eficientes, mas ainda permanece significativo para a produção de aços especiais e certas aplicações regionais.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central da fornalha de coração aberto é baseado na combustão regenerativa e na transferência de calor. A fornalha possui um recipiente raso, retangular ou oval, com um teto e paredes laterais resfriados a água, projetados para suportar altas temperaturas e ciclos térmicos.

Os principais componentes tecnológicos incluem:

• Bancos de Regeneradores: Grandes câmaras preenchidas com material refratário que armazenam calor dos gases de combustão, permitindo o pré-aquecimento do ar de combustão e do combustível, conservando assim energia.
• Queimadores e Sistema de Combustão: Múltiplos queimadores introduzem combustível (coca, gás natural ou óleo) e ar pré-aquecido na fornalha, criando uma chama de alta temperatura que reverbera sobre o banho.
• Casco da Fornalha e Revestimentos Refratários: Construídos a partir de refratários resistentes ao calor para conter altas temperaturas e resistir a ataques químicos.
• Sistemas de Descarregamento e Carga: Mecanismos para adicionar matérias-primas e remover aço fundido, incluindo furos de descarga, panelas e portas de carga.

O mecanismo de operação principal envolve a fusão contínua ou em lote de matérias-primas, com os gases de combustão passando pelos regeneradores para recuperar calor. O processo mantém um ambiente controlado para oxidação e ligações, com o banho fundido sendo agitado e refinado através de convecção natural e agitação mecânica.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem:

As relações entre esses parâmetros influenciam a qualidade final do aço, o consumo de energia e a eficiência do processo. Sistemas de controle avançados utilizam dados em tempo real de sensores para otimizar a combustão, a temperatura e as reações químicas, garantindo qualidade consistente do produto.

Configuração do Equipamento

As fornalhas de coração aberto típicas são recipientes rasos e retangulares com dimensões variando de 10 a 20 metros de comprimento, 4 a 8 metros de largura e 1,5 a 3 metros de profundidade. O casco da fornalha é construído a partir de chapas de aço revestidas com tijolos refratários, com painéis resfriados a água para gerenciar a perda de calor.

As variações de design incluem:

• Sistemas Regenerativos Verticais ou Horizontais: Os primeiros designs usavam regeneradores verticais, enquanto as unidades modernas preferem regeneradores horizontais ou rotativos para melhorar a recuperação de calor.
• Capacidade da Fornalha: Varia de 50 a mais de 400 toneladas por lote, dependendo do tamanho da planta e dos requisitos de produção.
• Sistemas Auxiliares: Incluem coleta de poeira, tratamento de gases residuais e sistemas de resfriamento para atender aos padrões ambientais.

Com o tempo, os designs das fornalhas evoluíram para incorporar melhor isolamento, sistemas regenerativos mais eficientes e automação, melhorando a eficiência energética e a segurança operacional.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

As principais reações químicas envolvem a oxidação de impurezas e elementos de liga:

• Oxidação do Carbono:
  C + O₂ → CO ou CO₂
  Essa descarbonização reduz o teor de carbono, refinando o aço para os níveis desejados.

• Oxidação do Silício, Manganês e Fósforo:
  Si + O₂ → SiO₂ (formação de escória)
  Mn + O₂ → MnO
  P + O₂ → P₂O₅

• Reações de Liga:
  Adição de elementos como cromo, níquel ou molibdênio para alcançar classes específicas de aço.

Termodinamicamente, essas reações são governadas por diagramas de Ellingham, que representam a estabilidade dos óxidos em altas temperaturas. A cinética depende da temperatura, pressão parcial de oxigênio e eficiência de mistura.

Os produtos da reação incluem:

• Escória: Uma mistura de óxidos metálicos e impurezas, que flutua na superfície do aço fundido.
• Gases: Principalmente CO, CO₂ e óxidos de nitrogênio, liberados durante a oxidação.

Transformações Metalúrgicas

Durante a operação, o aço sofre mudanças microestruturais:

• Descarbonização: Redução do teor de carbono, afetando a dureza e a ductilidade.
• Homogeneização: A fusão e a mistura promovem uma composição uniforme.
• Transformações de Fase: À medida que a temperatura diminui, a austenita se transforma em ferrita, perlita ou martensita, dependendo das taxas de resfriamento.

Essas transformações influenciam propriedades mecânicas como resistência, tenacidade e soldabilidade. O controle adequado da temperatura e da liga garante microestruturas desejadas.

Interações de Materiais

As interações incluem:

• Interface Metal-Escória: Facilita a remoção de impurezas, mas pode levar à contaminação se a composição da escória não for controlada.
• Desgaste Refratário: Tijolos refratários são erodidos por altas temperaturas e ataque químico, liberando partículas no banho.
• Efeitos da Atmosfera: O excesso de oxigênio pode causar oxidação da superfície do aço, levando a defeitos.