Fusão/Fusão na Produção de Aço: Processos e Equipamentos Chave

Definição e Conceito Básico

Fundição/Fusão na indústria do aço refere-se ao processo térmico primário onde matérias-primas—como minério de ferro, sucata e fundentes—são aquecidas a altas temperaturas para produzir metal fundido. Este processo envolve a transformação de matérias-primas sólidas em forma líquida, facilitando a separação de impurezas e a formação de um metal refinado adequado para as etapas subsequentes de fabricação de aço.

Fundamentalmente, a fundição/fusão serve como a fase inicial na produção de aço, convertendo insumos brutos em um estado líquido que permite a liga, refino e moldagem. É essencial para reduzir óxidos metálicos a forma metálica e estabelecer a composição básica do aço. A eficiência e o controle do processo influenciam diretamente a qualidade, o consumo de energia e o impacto ambiental de toda a cadeia de fabricação de aço.

Dentro do fluxo geral de fabricação de aço, a fundição/fusão atua como a ponte entre a preparação de matérias-primas e o refino ou moldagem secundária. Geralmente, segue a beneficiamento e pelotização do minério de ferro ou coleta de sucata, e precede o refino secundário, moldagem contínua ou formação de lingotes.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central por trás da fundição/fusão envolve a aplicação de calor intenso para causar transformações físicas e químicas nas matérias-primas. Esse calor é fornecido através da combustão de combustíveis fósseis, energia elétrica ou uma combinação deles, para atingir temperaturas que frequentemente excedem 1500°C.

Os principais componentes tecnológicos incluem:

• Forno: Os vasos primários onde a fusão ocorre, como altos-fornos, fornos de arco elétrico (EAF) ou fornos de oxigênio básico (BOF). Cada tipo é projetado para matérias-primas e requisitos de processo específicos.
• Revestimentos Refratários: Materiais resistentes ao calor que revestem o interior do forno, protegendo o vaso da corrosão e desgaste em altas temperaturas.
• Sistemas de Carga: Equipamentos para introduzir matérias-primas no forno, incluindo elevadores de caçamba, correias transportadoras ou conchas.
• Sistemas de Coleta e Tratamento de Gás: Capturam os gases residuais produzidos durante a fusão, permitindo controle ambiental e recuperação de energia.

Os principais mecanismos operacionais envolvem a transferência de calor da combustão ou arcos elétricos para as matérias-primas, causando sua fusão física e reações químicas. O fluxo de material dentro do forno envolve a fusão gradual dos insumos sólidos, formação de escória e a coleta de metal fundido na parte inferior do forno para escoamento.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem:

• Temperatura: Mantida tipicamente entre 1500°C e 1700°C para fusão eficaz.
• Entrada de Potência do Forno: Para fornos elétricos, a potência elétrica varia de 100 a 400 kWh por tonelada de aço, dependendo do tamanho e eficiência do forno.
• Composição da Carga: A proporção de matérias-primas, como minério de ferro, sucata, fundentes e aditivos, influencia o comportamento de fusão e a composição final.
• Taxas de Fluxo de Gás: As taxas de extração de gases residuais impactam a eficiência da combustão e as emissões ambientais.
• Química da Escória: Controlada para otimizar a remoção de impurezas e proteger os revestimentos refratários.

Esses parâmetros são monitorados através de termopares, analisadores de gás e medidores de fluxo. Sistemas de controle avançados utilizam dados em tempo real para ajustar a entrada de combustível, potência elétrica e outras variáveis, garantindo operação estável e qualidade consistente do produto.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de fundição/fusão variam com base no tipo de forno:

• Alto-forno: Um forno vertical alto, aproximadamente 30-50 metros de altura, com um diâmetro de 8-15 metros. Possui uma matriz de tuyere para injeção de ar quente e gases redutores, e um fundo para coleta de ferro fundido.
• Forno de Arco Elétrico: Um vaso retangular ou circular, de 4-12 metros de diâmetro, com eletrodos de grafite ou cobre suspensos centralmente. Frequentemente equipado com mecanismos de inclinação para escoamento.
• Forno de Oxigênio Básico: Um vaso cônico, de 10-15 metros de altura, com uma lança resfriada a água para soprar oxigênio no metal fundido.

Sistemas auxiliares incluem unidades de pré-aquecimento para matérias-primas, plantas de limpeza de gás e sistemas de resfriamento para revestimentos refratários. Com o tempo, os designs de fornos evoluíram para melhorar a eficiência energética, reduzir emissões e acomodar matérias-primas alternativas, como sucata de aço.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

As principais reações químicas durante a fundição/fusão envolvem processos de redução e oxidação:

• Redução do Minério de Ferro: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
  Esta redução endotérmica converte óxidos de ferro em ferro metálico usando monóxido de carbono como agente redutor.

• Oxidação do Carbono: C + O₂ → CO₂
  Fornece calor e influencia o teor de carbono no metal fundido.

• Formação de Escória: CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (escória)
  Fundentes como calcário (CaCO₃) se decompõem em CaO, que reage com impurezas de sílica para formar escória.

A termodinâmica governa essas reações, com o equilíbrio mudando com base na temperatura, pressões parciais e composição. A cinética determina a taxa na qual a redução e a formação de escória ocorrem, afetando a eficiência do processo.

Transformações Metalúrgicas

Durante a fusão, a microestrutura do metal evolui significativamente:

• Mudanças de Fase: Fases sólidas de ferro se transformam em líquido, com a solidificação subsequente influenciando o tamanho e a distribuição dos grãos.
• Remoção de Impurezas: Óxidos, enxofre, fósforo e outras impurezas se segregam na escória ou são reduzidos a forma metálica.
• Elementos de Liga: Adições como manganês, níquel ou cromo se dissolvem no metal fundido, modificando suas propriedades.

Após a fusão, o resfriamento controlado e a solidificação levam a características microestruturais como ferrita, perlita ou martensita, que determinam propriedades mecânicas como resistência, ductilidade e tenacidade.

Interações de Materiais

Interações entre metal fundido, escória, revestimentos refratários e a atmosfera são críticas:

• Interface Metal-Escória: Facilita a transferência de impurezas; controlar a composição da escória previne a re-oxidação do metal.
• Desgaste Refratário: A corrosão em altas temperaturas e o choque térmico causam degradação refratária, exigindo seleção de materiais e manutenção de revestimentos.
• Efeitos Atmosféricos: Oxigênio e outros gases podem causar oxidação ou contaminação se não forem controlados adequadamente.

Métodos para gerenciar essas interações incluem química da escória otimizada, atmosferas gasosas protetoras e materiais refratários com alta resistência à corrosão.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

Os principais insumos incluem:

• Minério de Ferro: Tipicamente com teor de Fe >60%, tamanho 0-25 mm, com baixos níveis de enxofre e fósforo.
• Sucata de Aço: