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4 de julho de 2022

Aciaria: o que é?

Editoria Serrametal – Esse conteúdo é apenas informativo, pois se trata do universo dos nossos clientes. Nós somos fornecedores de aços especiais.

A aciaria é uma parte da siderúrgica que promove a mudança do ferro gusa com sucata em aço. É uma parte muito importante da produção do aço, onde tem muita história até conseguirmos os processos atuais.

aciaria

Desde a invenção do processo Bessemer, as novas siderúrgicas substituíram as antigas, com base em métodos de poça ou colagem. Novas formas de produção de aço surgiram posteriormente: a partir de sucata fundida em forno elétrico a arco e, mais recentemente, a partir de processos diretos de redução de ferro [1].

No final do século 19 e início do século 20, a maior siderúrgica do mundo era a siderúrgica Barrow Hematite Steel Company localizada em Barrow-in-Furness, Reino Unido. Hoje, a maior siderúrgica do mundo é a Arcelormittal [2, 3].

O aço é fundido em grandes blocos e depois solidificado em lingotes. Durante o processo de fundição, vários métodos são usados, como a adição de alumínio, para que as impurezas do aço flutuem para a superfície, onde podem ser cortadas no lingote acabado.

Devido ao custo de energia e a tensão interna associada ao aquecimento e resfriamento de um alto-forno, normalmente os equipamentos para produção de aço primário operaram com uma produção contínua de vários anos. Mesmo durante períodos de baixa demanda de aço, pode não ser viável deixar o alto-forno esfriar, embora seja possível algum ajuste da taxa de produção.

Na metalurgia, a fundição envolve despejar metal fundido em um molde, que contém uma cavidade oca da forma desejada, e depois permitir que ele esfrie e solidifique. No caso, na aciaria, o metal fundido passa pela modificação da composição química, para ser vertido na máquina de lingotamento contínuo, aonde vai se solidificando e assumindo a espessura desejada para posterior laminação ou forjamento [4].·.

Breve Histórico da Aciaria

As formas de produzir aço existem desde o período que chamamos de Idade da pedra, sendo o aço um produto de diferentes povos [5]. Em relação aos primeiros relatos de produção do aço, os hititas construíram um império com base na superioridade de seu ferro. Os primeiros chineses floresceram com ferramentas de ferro. Cartago conquistou o Mediterrâneo ocidental com espadas afiadas, e então Roma, por sua vez, abriu caminho para governar usando lâminas cartaginesas [5].

Na era moderna, temos as nações desde meados de 1800, após revolução industrial, fabricando aço de maneira mais rápida e com grande produtividade, algo menos artesanal e mais industrial [5]. Por volta de 1880 os EUA já eram os maiores produtores de aço, consolidando sua indústria principalmente após a 2 Guerra mundial, que ocorreu predominantemente na Europa, e deixando os EUA com seu território intacto [5].

Um país era medido pela quantidade de aço que produzia. O ferro e o aço garantiram à Grã-Bretanha a liderança mundial no século XIX, como fizeram um pouco mais tarde com a Alemanha e a França [5].

No século XX, a União Soviética também estava se tornando uma potência, principalmente com os ideais comunistas que ajudaram o país em sua industrialização. China, Índia, Brasil e Coréia do Sul, todas as nações industrializadas emergentes, estavam começando seu desenvolvimento com siderúrgicas [5].

Em especial o Brasil, que tinha começado a aumentar sua indústria após sua independência e com os regimes de Dom Pedro I e Dom Pedro segundo. O ferro gusa foi fundido pela primeira vez no Brasil em 1813, ainda em regime imperial [6].

Oxigênio

A fabricação de aço com oxigênio (ou Processo Linz-Donawitz) é um método de fabricação de aço primário no qual o ferro-gusa rico em carbono é fundido e convertido em aço. Soprar oxigênio através do ferro-gusa fundido converte parte do carbono do ferro em CO e CO2, transformando-o em aço. Refratário – óxido de cálcio e óxido de magnésio – revestem o recipiente de fundição para suportar a alta temperatura e a natureza corrosiva do metal fundido e da escória. A química do processo é controlada para garantir que impurezas como silício e fósforo sejam removidas do metal [7].

O processo moderno foi desenvolvido em 1948 por Robert Durrer, como um refinamento do conversor Bessemer que substituiu o ar por oxigênio mais eficiente. Reduziu o custo de capital das plantas e o tempo de fundição e aumentou a produtividade do trabalho. Entre 1920 e 2000, as necessidades de mão de obra na indústria diminuíram por um fator de 1.000, para apenas 0,003 homem-hora por tonelada. Em 2011, 70% da produção mundial de aço foi produzida usando o forno básico de oxigênio. Os fornos podem converter até 350 toneladas de ferro em aço em menos de 40 minutos em comparação com 10 a 12 horas em um forno aberto. [7].

Arco elétrico

A aciaria em forno elétrico a arco é a fabricação de aço a partir de sucata ou ferro reduzido direto por arcos elétricos. Em um forno elétrico a arco, um lote de ferro é carregado no forno. Queimadores a gás podem ser usados ​​para auxiliar na fusão. Assim como na fabricação de aço com oxigênio, os fluxos também são adicionados para proteger o revestimento do vaso e ajudar a melhorar a remoção de impurezas. A fabricação de aço com forno elétrico a arco normalmente usa fornos de capacidade em torno de 100 toneladas que produzem aço a cada 40 a 50 minutos. [7] Esse processo permite adições de liga maiores do que o método de oxigênio. [8, 9]

Processo HIsarna

No processo de fabricação de ferro HIsarna, o minério de ferro é processado quase que diretamente em ferro líquido ou metal quente. O processo é baseado em um tipo de alto-forno chamado forno conversor ciclone (cyclone converter furnace-CCF), que permite evitar o processo de fabricação de pelotas de ferro-gusa, necessário para o processo de fabricação de aço a oxigênio básico. Sem a necessidade desta etapa preparatória, o processo HIsarna é mais eficiente em termos energéticos e tem uma pegada de carbono menor do que os processos tradicionais de fabricação de aço.

Esse método utiliza a o processo vertical de fusão redutora (smelting reduction vessel – SRV) do HISmelt, a partir de finas partes de minério de ferro. O minério de ferro e o oxigênio entram pelas paredes laterais, e dentro do reator ocorre a fusão, caindo verticalmente, e ao final do reator, o material fundido sai lateralmente. No fundo, enquanto a escória localizada na parte superior do material fundido também sai pela lateral oposta, mas em um nível mais alto. A  escoria apresenta densidade menor [10].

Redução de hidrogênio

Uma das mais atuais técnicas de produção do aço é a que tem como base não utilizar combustíveis fósseis. A empresa SSAB, da Suécia, tem investido muito nessa técnica, sua aciaria é uma das mais modernas do mundo, e tem planos para ter toda a sua produção livre de combustíveis fósseis até 2030.

O aço pode ser produzido a partir de ferro da sua redução direta, que por sua vez pode ser produzido a partir de minério de ferro, pois sofre redução química com hidrogênio. O hidrogênio renovável permite a fabricação de aço sem o uso de combustíveis fósseis. Foi em 2021, uma planta piloto da SSAB que apresentou e testou esse processo.

A redução direta ocorre a 820°C. O ferro é infundido com carbono (do carvão) em um forno elétrico a arco. O hidrogênio produzido por eletrólise requer aproximadamente 2600 kWh. Os custos são estimados em 20-30% mais altos do que os métodos convencionais. [11, 12, 13] No entanto, o custo das emissões de CO2 aumenta o preço da produção de oxigênio, e um estudo de 2018 da revista Science estima que os preços se equilibrem quando esse preço for de 68 euros por tonelada de CO2, que deverá ser alcançado na década de 2030 [14].

Metalurgia secundária

A metalurgia secundária é mais comumente realizada em panelas, a SSAB, como citada anteriormente, também utiliza esse processo em um de seus principais produtos, o Toolox.

Algumas das operações realizadas em panelas incluem desoxidação (ou “eliminação”), desgaseificação a vácuo, adição de liga, remoção de inclusão, modificação química de inclusão, dessulfuração e homogeneização. Atualmente é comum realizar operações metalúrgicas de panelas em panelas a gás com aquecimento a arco elétrico na tampa do forno. O controle rígido da metalurgia da panela está associado à produção de aços de alta qualidade, nos quais as tolerâncias químicas e de consistência são estreitas. [15]

Após 1950, demandas mais rigorosa sobre a qualidade do aço e consistência em suas propriedades exigem controles que estão além da capacidade dos fornos siderúrgicos. Isso é especialmente válido para produtos de aço de qualidade superior em aplicações sofisticadas, contribuindo para o desenvolvimento da aciaria [15].

Essa exigência levou ao desenvolvimento de diversos tipos de tratamentos do aço fundido em panelas, além da desoxidação. Estes testemunharam um crescimento maciço e, como resultado passou a ser conhecida como siderurgia secundária, metalurgia de panela, processamento secundário de aço fundido ou refino secundário de aço fundido [15].

A siderurgia secundária tornou-se uma característica integral das usinas siderúrgicas modernas. O advento do processo de lingotamento contínuo, que exige um controle de qualidade mais rigoroso, é um motivo a mais para o crescimento da siderurgia secundária [15].

A siderurgia em fornos, também redesenhada agora como siderurgia primária, é, portanto, cada vez mais empregada apenas para fusão rápida de sucata e refino bruto, deixando o refino e o controle adicionais para a siderurgia secundária. Existem processos, como refino a arco a vácuo (VAR) e refusão por eletroescória (ESR), que também realizam algum refino secundário [15].

As impurezas prejudiciais no aço são enxofre, fósforo, oxigênio, hidrogênio e nitrogênio. Eles ocupam locais intersticiais em uma rede de ferro e, portanto, são conhecidos como intersticiais [15]. Os principais efeitos dessas impurezas no aço são a perda de ductilidade, resistência ao impacto e resistência à corrosão. Quando se trata de consideração detalhada, cada elemento tem sua própria influência característica nas propriedades do aço. Por isso, os métodos aplicados para produção do aço, em especial na aciaria, sempre visão obter um aço mais puro.

 

Elaboração e Edição: Thiago Cortiz, Renata Brandolin e Karina França
Conteúdo não pode ser publicado ou redistribuído sem prévia autorização.

Referências

[1] COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. São Paulo: Edgard Blucher,2008.

[2] Barrow-in-Furness. Visit Cumbria. Retrieved 16 March 2013.

[3] Beto Silva, ArcelorMittal: a centenária empresa investe R$ 7,6 bilhões e mira na Geração Z, ISTO É, 18/02/22 – 04h50 – Atualizado em 18/02/22 – 18h07.

[4] ARAUJO, Luiz Antonio de. Manual de Siderurgia – Produção. 2ª ed. São Paulo: Arte & Ciência, 2003.

[5] Brooke C. Stoddard, Steel: From Mine to Mill, the Metal that Made America, Zenith Press, 2015. ISBN: 0760347425; 9780760347423.

[6] NEVES, Osias Ribeiro; NEVES, Isabella Verdolin; CAMISASCA, Marina Mesquita. GMMLE: 50 anos da história da metalurgia e da mineração em Minas Gerais. Belo Horizonte: Escritório de Histórias, 2011

[7] Fruehan, Richard J., ed. (1998). The Making, Shaping and Treating of Steel: Steelmaking and Refining Volume (11th ed.). Pittsburgh: AIST. ISBN 978-0-930767-02-0. LCCN 98073477. OCLC 906879016.

[8] https://www.britannica.com/technology/steel/Electric-arc-steelmaking

[9] https://www2.gerdau.com.br/blog-acos-especiais/conhecendo-o-forno-eletrico-a-arco

[10] Meijer, Koen; Zeilstra, Christiaan; Teerhuis, Cor; Ouwehand, Maarten; Dry, Rod; Pilote, Jacques. THE HISARNA IRONMAKING PROCESS , p. 2840-2846. In: 42º Seminário de Redução de Minério de Ferro e Matérias-primas / 13º Seminário Brasileiro de Minério de Ferro / 6th International Congress on the Science and Technology of Ironmaking, Rio de Jabeiro, 2012. ISSN: 2594-357X , DOI 10.5151/2594-357X-22715

[11] “HYBRIT: The world’s first fossil-free steel ready for delivery”. vattenfall.com. Vattenfall. 2021-08-18. Retrieved 2021-08-21.

[12] Pei, Martin; Petäjäniemi, Markus (2020-07-18). “Toward a Fossil Free Future with HYBRIT: Development of Iron and Steelmaking Technology in Sweden and Finland”. Metals. 10 (7): 972. doi:10.3390/met10070972.

[13] Hutson, Matthew (2021-09-18). “The Promise of Carbon-Neutral Steel”. The New Yorker. Retrieved 2021-09-20.

[14] Skelton, A. and J. Allwood (2017), “The carbon price: A toothless tool for material efficiency?”, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 375/2095.

[15] Ghosh, Ahindra. (December 13, 2000). Secondary Steelmaking: Principles and Applications (1st ed.). Boca Raton, Fla.: CRC Press. ISBN 9780849302640. LCCN 00060865. OCLC 664116613.