conversor aod

8/17/2019 Conversor AOD

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86 Tecnol. Metal. Mater. Miner., São Paulo, v. 6, n. 2, p. 86-90, out.-dez. 2009

1Engenheiro Metalúrgico, Engenheiro de Controle do Processo da Aciaria. Praça 1º de maio, 9, Centro, Cep 35180-018 , Timóteo, MG, Brasil.

E-mail: [email protected]. 2Engenheiro Elétrico, Engenheiro de Automação da Aciaria. Praça 1º de maio, 9, Centro, Cep 35180-018 , Timóteo, MG, Brasil.

E-mail: [email protected] Metalúrgico, MCs. Gerente de Aciaria. Praça 1º de maio, 9, Centro, Cep 35180-018 , Timóteo, MG, Brasil.

E-mail: [email protected]

CONTROLE DO PROCESSO AOD-L PELO SISTEMA CARBOMETRIA

Décio Sartori Felix Filho 1

Antony William de Almeida 2

Humberto Marin 3

Resumo

O conversor AOD é o principal equipamento utilizado na produção de aços inoxidáveis. O processo de produçãodo aço inoxidável no AOD ocorre através da injeção de uma mistura de oxigênio e gás inerte no banho metálico,com o objetivo de fazer a oxidação seletiva do carbono. Com o objetivo de aumentar a produtividade e reduzir ocusto de fabricação, o “Sistema Carbometria” foi implantado no conversor AOD-L da ArcelorMittal Inox Brasil. Estesistema é composto de equipamentos, que fazem a análise dos gases gerados durante a elaboração do aço, e de ummodelo matemático que executa cálculos de previsão do carbono. Após sua implantação, foi possível reduzir o tempode processo e o consumo de insumos.Palavras-chave: Conversor AOD; Aços inoxidáveis.

AOD-L PROCESS CONTROL BY CARBOMETRY SYSTEM

Abstract

The AOD converter is the main equipment for the production of stainless steels. The refining of stainless steels in AOD converters is performed by the injection of oxygen and inert gas mixture into the metallic bath, to selectively oxidize the carbon. Aiming to increase the productivity and decrease the production cost in stainless steel, the “CarbometrySystem” was developed and installed in the AOD-L converter. This system comprises some gas analyzers, that perform the analysis of the fumes generated during the process, and one model that calculates the bath carbon content. Using thissystem it is possible to decrease the process time and the material consumption.Key words: AOD converter; Stainless steels.

1 INTRODUÇÃO

O aumento da demanda de aços inoxidáveis nas últimasdécadas fez com que fosse desenvolvida uma gama de diferentesprocessos de fabricação em conversores. Atualmente, o processoem conversores AOD ocupa a liderança absoluta na produção deaços inoxidáveis, pois permite obter alta produtividade, além depossibilitar uma produção com qualidade e custo competitivos.

O conversor (também chamado de convertedor) AOD,cuja sigla significa Argon Oxigen Decarburization, é um vaso de aço,na forma de barril, revestido com tijolo refratário em seu inte-rior e com uma abertura na parte superior para receber o banhometálico e escoar a escória e o aço inoxidável. É caracterizado,

principalmente, pelo sopro de uma mistura de oxigênio e gás inertena lateral do vaso, através de ventaneiras, sendo que essa misturapenetra no banho metálico, promovendo rápidas reações e agitaçãono banho, que são os grandes diferenciais desse processo. Em

alguns conversores (AOD-L) também é instalada

uma lança, com o objetivo de aumentar a taxa deinjeção de oxigênio e com isso reduzir o tempode processamento do aço inoxidável.

O objetivo do processo AOD-L é fazer aconversão de um banho metálico com alto teor decarbono em aço inoxidável, minimizando o custode fabricação e maximizando a produtividade. Visando atingir estes objetivos foi desenvolvido noconversor da ArcelorMittal Inox Brasil o sistema deprevisão do teor de carbono contido no aço, atravésda análise química dos gases gerados. Este sistema éconhecido como “Sistema Carbometria”.

O sistema Carbometria é composto poranalisadores de gases que fazem a medição dos teores de CO, CO

2, H2 e O2 presentes no gás deexaustão e, um modelo matemático que calcula,

doi: 10.4322/tmm.00602004


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O oxigênio injetado pode reagir com ocarbono e os metais dissolvidos no metal líquido(Equações 2 e 3):

yM + xO = (M y O x). (3)

Os metais oxidados formam Cr 2O

3, FeO

e MnO, principalmente próximo às regiões das ventaneiras, os quais ficam aderidos às bolhas de

gás inerte, formando uma espécie de casca deóxidos que sobe no banho junto com as bolhas.Durante a subida, os óxidos reagem com ocarbono dissolvido no banho, formando gás COque vai para o interior das bolhas, enquanto osmetais retornam ao banho metálico. Esse tipo dedescarburação é denominado de descarburaçãoindireta e pode ser escrita como:

xC + (M y O

x) = xCO

(g)+ yM. (4)

A reação de descarburação indireta(Equação 4) pode acontecer pela combinação dasreações na interface escória-gás (Equação 5) com

a interface metal-gás (Equação 6) ou como umacombinação da dissociação de óxido metálico nainterface metal-escória (Equação 7) com a inter-face metal-gás (Equação 2):

(M y O x) + xCO(g) = yM + xCO2 (g), (5)

C + CO2 (g) = 2CO(g), (6)

(M y O

x) = M + xO. (7)

Existem duas condições distintas decontrole da reação de descarburação. Com um teor de carbono relativamente alto, a taxa de

descarburação do aço inoxidável é alta, sendoindependente da quantidade de carbono, masdependente do fluxo de oxigênio. Com um teorde carbono relativamente baixo, a taxa de descar-buração é pequena e dependente da concentraçãodo carbono no banho. O teor crítico de carbono,onde ocorre a transição da cinética da reaçãode ordem 0 para primeira-ordem em relação aocarbono, é dependente do sistema.(1) Essas obser- vações levam à conclusão de que, para altos teoresde carbono, a etapa controladora da descarburaçãoé o transporte do oxigênio gasoso, e com baixaconcentração de carbono a etapa controladora é o transporte de carbono na fase metálica.(2)

2.3 Metodologia do “Sistema Carbometria”

O “Sistema Carbometria” é composto porequipamentos que fazem a captação, secagem,limpeza e análise dos teores de CO, CO2, H2 eO2 presentes nos gases gerados durante a elabo-ração do aço no conversor AOD-L, bem como deum modelo matemático que calcula, armazena e gerencia as variáveis do processo.

armazena e gerencia as variáveis do processo. Basicamente, omodelo calcula o teor de carbono contido no banho metálico,através da análise dos gases gerados, e interage com sistema deautomação realizando o controle das fases do processo.

Com o conhecimento do teor de carbono contido no banhoé possível eliminar fases intermediárias de amostragem e, conse-quentemente, reduzir o tempo de processamento dos aços noconversor. Alem disso, é possível também evitar sopros excessivos

de oxigênio, diminuindo a oxidação de elementos nobres tais comocromo e manganês, reduzindo o custo de fabricação dos aços.

2 MATERIAL E MÉTODO

2.1 Método de Produção do Aço Inoxidável na ArcelorMittal Inox Brasil

O processo de produção do aço inoxidável se inicia com afusão de sucata e ferroligas, nos fornos elétricos a arco (FEA), ecom a produção de ferro gusa nos altos-fornos. O ferro gusa dos

altos-fornos é desfosforado em uma estação de tratamento (PTG)e misturado ao metal dos fornos elétricos a arco para então sercarregado no conversor AOD-L, onde vai ocorrer o processo de transformação da carga metálica líquida em aço inoxidável.

No conversor AOD-L, o aço pode ser produzido em duasdiferentes rotas, denominadas de “duplex” e “triplex”. Na principalrota, “duplex”, o aço é descarburado pelo AOD-L e os ajustes finaisde composição química e temperatura são realizados na metalurgiade panela. Já na rota “triplex”, o aço é parcialmente descarburadono AOD-L e a descarburação final ocorre num desgaseificadora vácuo (VOD). A Figura 1 mostra as duas diferentes rota deprodução dos aços inoxidáveis na ArcelorMittal Inox Brasil.

Figura 1. Fluxograma de produção na rota “duplex” e “triplex’.

PTG

AODMetalurgia

de panela

Forno

panela

Lingotamento

contínuo

Esmirilhadeira

EAF

Placa

TriplexDuplex

Rotas de produção

2.2 Mecanismo de Descarburação no Convertedor AOD-L

Na produção do aço inoxidável em conversores AOD, asreações envolvidas na redução do carbono podem ser diretas ouindiretas.(1) Durante a descarburação direta, o carbono reage comoxigênio gasoso (Equação 1) ou com oxigênio dissolvido no metallíquido (Equação 2):

C + 1/2O2 (g) = CO(g), e (1)

C + O = CO(g). (2)


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massa do carbono, sendo que a etapa controla-dora da descarburação é o transporte do oxigênio gasoso. Nas fases finais do processo, onde o teor de carbono é inferior a 0,40% e a taxa dedescarburação é pequena, o modelo considerauma formula linear paraa previsão do teor decarbono.

A equação que expressa o teor de carbonodo banho nas fases iniciais do processo é escritacomo:

Cfinal = Cinicial + Cadições – C gases (8)

em que:Cfinal =Quantidade de carbono no banho (emkg);Cinicial = Quantidade de carbono no pré-metalcarregado (em kg);Cadições = Quantidade de carbono proveniente dasadições (em kg); e

C gases =Quantidade de carbono presente nos gases gerados (em kg).

A equação (2.8) é utilizada no cálculo deprevisão do teor de carbono até o banho atingir0,40%. O banho metálico carregado possui umalto teor de carbono de aproximadamente 4%e, quando o teor de carbono do banho atinge o valor de 0,4%, o sopro de oxigênio pela lança de topo é interrompido e o processo de remoçãodo carbono é realizado somente com o sopro deoxigênio pelas ventaneiras.

As fases que utilizam somente o sopropelas ventaneiras são denominadas de “Fasesfinais de descarburação”. Nessas fases o modelomatemático utiliza fórmulas lineares para calcularo teor de carbono do banho, conforme mostra aequação (2.9):

∂= +

∂aço

C%C A * B

T, (9)

em que:

%Caço = Teor de carbono no banho (em %);

∂=

∂

C

T

Taxa de descarburação (kg/min); e

A, B = Constantes da equação. As constantes A e B da Equação 9 foram

determinadas realizando amostras de aço e, cole- tando os valores da taxa de descarburação nomomento da amostragem, para diversas corridas. Aplicando a regressão linear nos dados coletados,foi possível determinar os valores de A e B daequação. Conforme mostra a Figura 4, os valores A e B da Equação 9 são 0,0097 e 0,0124, respec- tivamente.

A captação é feita através de uma sonda, localizada dentroda tubulação do sistema de desempoeiramento. Os gases captadossão secos, limpos e analisados por equipamentos localizadospróximos ao local de captação, em uma cabine blindada, prote- gida de poeira e com temperatura controlada. A Figura 2 mostra,à esquerda, o painel do sistema de análise de gases e, à direita, assondas que fazem a captação dos gases gerados.

Figura 2. a) Painel do sistema de análise de gases e b) sondas de captaçãodo gás.

Os teores obtidos de CO, CO2, H2 e O2 dos gases alimentamentão um modelo matemático que executa os cálculos de prediçãodo teor de carbono do banho e o exibe em uma interface gráfica(IHM), conforme mostra a Figura 3. O modelo matemático também interage com o sistema de automação realizando, auto-maticamente, os ajustes do processo.

Figura 3. Tela da IHM do modelo Carbometria.

O processo de descarburação é dividido em fases queutilizam o sopro combinado, lança e ventaneiras, e fases queutilizam somente as ventaneiras. Inicia-se com altas vazões deoxigênio e baixas vazões de gás inerte e, à medida que o carbonoé queimado, as vazões de oxigênio vão diminuindo e o gás inerteaumentando de forma a garantir a redução seletiva do carbonocom menos oxidação dos metais.

O modelo matemático utiliza duas metodologias distintaspara a previsão do teor de carbono contido no banho, conformeexplicitado no item 2.2. Nas fases iniciais do processo, onde ocarbono é superior a 0,40%, o modelo realiza um balanço de


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3 RESULTADOS

O Sistema Carbometria foi implantado em2005 e, desde então, todas as corridas produzidasno conversor AOD-L são controladas por estesistema.

Destaca-se após a implantação do sistemaCarbometria uma evolução do índice de produ-

tividade do processo no AOD-L, passando de61,3 t/h em 2005 para 65,1 t/h em 2007 devido,principalmente, à redução do tempo de processa-mento dos aços.

Anteriormente ao sistema Carbometria,eram realizadas no mínimo duas amostras de açodurante o processo de descarburação no conversor AOD-L, a fim de medir o teor de carbono contidono banho. Com a implantação do sistema foipossível eliminar uma destas amostras, reduzindoo tempo de processo no conversor. A Figura 5mostra a redução do tempo de processo para os

aços inoxidáveis baixo carbono (AISI 304).(3)

Porém, é possível determinar outras equações lineares(constantes A e B) que podem ser utilizadas para melhorar oacerto do modelo, principalmente quando a taxa de descarbu-ração é baixa (menor que 10 kg/min). Portanto, à medida que osequipamentos do “Sistema Carbometria” determinam a analisequímica dos gases gerados, o modelo calcula a taxa de descarbu-ração e o teor de carbono do banho, de acordo com os valores A e B especificados.

Uma função importante do modelo é o gerenciamento dasmudanças de fases do processo, pois possibilita reduzir o graude oxidação dos metais nobres e, consequentemente, reduzir oconsumo de ferro-silício gasto na desoxidação do banho. Para se ter uma menor oxidação durante o sopro de oxigênio, o processoé dividido em fases, sendo que cada uma possui vazões de oxigênio

e gás inerte distintas. Para minimizar a oxidação do cromo é importante que ocorram as mudanças de fase nos momentos adequados,ou seja, antes que o carbono do banho atinja o carbono crítico decada fase. O modelo carbometria gerencia automaticamente estasmudanças de fases, através do cálculo do teor de carbono contidono aço, ou seja, quando o teor de carbono calculado pelo modeloatinge o carbono objetivado da fase, especificado para cada tipo deaço e vazão utilizada, o modelo muda, automaticamente, a fase doprocesso.

Outro ponto que contribui para minimizar a oxidação docromo é a adição de ferro-ligas com alto teor de carbono, tais comoferro-cromo e ferro-manganês, nos momentos adequados, ou seja,

essas ligas devem ser adicionadas ao longo das fases de descarbu-ração de modo a manter a taxa de descarburação o mais constantepossível. Uma diminuição acentuada da taxa de descarburação éum indicativo que o carbono do banho está próximo ao carbonocrítico da fase e, portanto, o atraso das adições podem superoxidaro banho e, consequentemente, aumentar o consumo do agentedesoxidante. Para que isso não ocorra o modelo constrói na “IHMCarbometria” a curva da taxa de descarburação, que orienta ooperador quanto ao momento correto de realizar essa tarefa, ouseja, quando a curva da taxa de descarburação começa a diminuirbruscamente, ferro-ligas contendo carbono são adicionadas.

Figura 4. Correlação linear entre o teor de carbono do banho e a taxa dedescarburação.

Correlação Linear

y = 0,0097x + 0,0124

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0 10 20 30 40 50

Taxa de descarburação (kg/min)

T e o

r d e C a r b o n o ( % )

R 2= 0,9931

Figura 5. Tempo de processo nos aços inoxidáveis AISI 304.

80

78

76747270

686664

2002 2003 2004 2005 2006 2007 T e m p o d e p r o c e s s o ( m i n )

Tempo de processo (CTT) para o aço AISI 304

Sistema

Carbometria

78,9

76,7

73,5 73,2

69,7 69,5

Outro ponto importante é a redução donúmero de corridas reprocessadas no conversor,por causa do teor de carbono estar fora da faixaespecificada do aço. Isto foi possível devido àmaior precisão do “Sistema Carbometria” emprever o teor de carbono do aço, principalmente,nas fases finais de processo. A Figura 6 mostra aevolução do índice de reprocesso no conversor AOD-L.

2,5

2.0

1,5

1,0

0,5

0,02002 2003 2004 2005 2006 2007

( % )

Índice de reprocesso – AISI 304

SistemaCarbometria

2,141,82

1,49 1,431,23 1,11

Figura 6. Índice de reprocesso no AOD-L.


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Agradecimentos

Nossos agradecimentos aos idealiza-dores José Cordeiro Neves e Antônio FranciscoMartins Barreto, aos colaboradores Jean BaptisteMarquet, Philippe Troboe e Jean Cloude Roux,representantes da equipe da Arcelor System,

Jean Cloude Grisvard, representante da ArcelorResearch, e à equipe operacional do convertedor AOD-L, pelas contribuições em prol deste trabalho.

REFERÊNCIAS

1 VERCRUYSSEN, C.; WOLLANTS P.; ROOS, J. R.; ROBERTSON, D. G. C.; BERTELS, L.Mathematical modeling of refining of stainlesssteel in MPA converter. Ironmaking and Steel-

making, v. 21, n. 4, p. 287-96, 1994.2 FRUEHAN, R.J. Nitrogenation and decar-burization of stainless steel. MetallurgicalTransactions B, v. 6, n. 4, p. 573-8, Dec. 1975.

3 ASTM INTERNATIONAL. A240 UNSS30400:Standard specification for chromium andchromium-nickel stainless steel plate, sheet,and strip for pressure vessels and for generalapplications. West Conshohocken, PA, 2009.

Recebido em: 15/04/2009 Aceito em: 26/10/2009

Outro benefício advindo foi a redução do custo de fabri-cação dos aços, decorrente da redução de consumo de ferro silícioque apresentou, em 2007, o melhor resultado desde o início daoperação do conversor em 2002, conforme mostra a Figura 7.

Figura 7. Consumo de Ferro silício gasto na redução dos aços AISI 304.

20,0

19,0

19,5

18,5

18,0

17,5

17,0

16,5

2002 2003 2004 2005 2006 2007

( k g / t o n )

Consumo de ferro silício - AISI 304

Sistema

Carbometria

18,83

19,3019,10

19,60

18,80

17,60

4 CONCLUSÃO A implantação do “Sistema Carbometria” aprimorou

as condições de controle operacional no convertedor AOD-L,aumentando a flexibilidade do fluxo produtivo e proporcionandomelhor desempenho global da Aciaria.

Obteve-se aumento consistente da produtividade do convertedor AOD-L, passando de 61,3 t/h, em 2005 para 65,1 ton/h, bemcomo uma redução significativa no custo de fabricação dos açosinoxidáveis, através da redução do número de corridas reproces-sadas e, redução significativa do consumo de ferro silício gasto narecuperação do cromo oxidado.

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