3. 3
Composição média e faixa de valores para o ferro-gusa:
%Fe 94,5 93 – 96
%C 4,5 3,8 – 4,7
%Si 0,40 0,30 – 1,5
%Mn 0,30 0,20 – 0,50
%P 0,07 0,03 – 1,0
%S 0,03
Introdução
4. 4
Além do ferro-gusa, outros carburantes também podem ser adotados no
processo de produção de aço como, por exemplo, o ferro-esponja e algumas
sucatas de ferro fundido, que possuem altos teores de carbono.
Introdução
5. 5
Introdução
O Carbono é considerado o elemento de liga mais importante nos aços.
Ultra baixo C Baixo C Médio C Alto C
< 0,01 < 0,25 0,25 – 0,7 0,7 – 1,3%
Propriedades Alta
resistência e
tenacidade,
boa
conformação
Resistência
razoável, alta
dutilidade e
excelente
fabricação
Alta
resistência e
tenacidade
Alta dureza,
baixa
tenacidade
ToTo Têmpera Recozimento,
normalização
Têmpera e
revenido
Têmpera e
revenido
Aplicações Chapas para
automóveis,
tubos, etc
Aços
estruturais,
chapas para
automóveis
linha branca,
etc
Eixos, Caixas
de câmbio,
Trilhos, etc
Molas, moldes,
ferramentas
de corte, etc
7. 7
Descarburação - Termodinâmica
Relacionando a equação da energia livre de Gibbs, no estado padrão e a
equação anterior, com alguma álgebra, encontramos:
Em termos termodinâmicos, %C em equilíbrio com %O é função da
temperatura, da pressão e da presença de outros elementos.
9. 9
Descarburação - Termodinâmica
Na prática:
-Tem-se para aços ao carbono, %C 1, 1550-1650C e pCO = 1 atm:
%C x %O = 0,0020 até 0,0025
K é pouco sensível com a temperatura neste caso.
20
)
atm
(
p
]
ppmO
[
]
C
[%
K
CO
12. 12
Descarburação - Termodinâmica
Descarburação na presença de outros elementos
O problema está nos elementos que se oxidam antes ou junto com o carbono. A solução está
em atuar sobre as variáveis do processo de maneira a favorecer a oxidação do carbono.
Exemplo típico: descarburação do aço inoxidável, isto é, descarburação em presença do cromo.
13. 13
Descarburação - Termodinâmica
Descarburação em presença de outros elementos caso da descarburação do inox
Ligas Ferro-cromo AC são mais baratas do que ligas BC.
Quando da adição de cromo, teor de carbono do banho aumenta.
Aços inoxidáveis demandam teores de carbono menores que 0,03%.
Cromo também forma óxidos estáveis, assim remoção do carbono
por oxidação a CO também ocasionará oxidação do cromo.
14. 14
Descarburação - Termodinâmica
Descarburação em presença de outros elementos caso da descarburação do inox
Ligas Ferro-cromo AC são mais baratas do que ligas BC.
Quando da adição de cromo, teor de carbono do banho aumenta.
Aços inoxidáveis demandam teores de carbono menores que 0,03%.
Cromo também forma óxidos estáveis, assim remoção do carbono
por oxidação a CO também ocasionará oxidação do cromo.
17. 17
Descarburação - Termodinâmica
Descarburação do inox – Efeito da temperatura
O equilíbrio será deslocado em favor da descarburação e proteção do cromo pelo aumento da temperatura.
Para baixos teores de C, as temperaturas teriam que ser muito elevadas.
PCO = 1 atm
18. 18
Descarburação do inox – Efeito da pressão parcial
A descarburação também será favorecida pela redução da pressão (e consequente redução da pressão parcial de CO).
Curvas de descarburação do aço em presença do cromo quando se varia a pressão.
Descarburação - Termodinâmica
19. 19
Descarburação - Cinética
A cinética da descarburação ocorre mediante o seguinte mecanismo simplificado:
a) Difusão (ou transporte por convecção) do oxigênio através do banho até a camada limite;
b) Difusão do oxigênio através da camada limite até a interface gás/metal;
c) Difusão do carbono através do
banho até a camada limite;
d) Difusão do carbono através da
camada limite até a interface
gás/metal;
e) Formação do gás CO na
interface gás/metal.
20. 20
Descarburação - Cinética
Observações:
Para que ocorra a descarburação é fundamental a nucleação de uma bolha de
CO, para então formar-se um fluxo de C e O2 à interface gás/metal.
A descarburação é quase sempre limitada pelo suprimento de O2 ao banho.
Só para %C menores que um certo valor crítico é que a descarburação é
limitada pela velocidade de difusão do C através da camada limite.
21. 21
Descarburação - Cinética
Teor crítico de carbono (%cc)
Abaixo do %CC a velocidade de descarburação é afetada bruscamente e provoca
uma grande perda de O2.
O conhecimento do %CC é de grande importância e é característico de cada
processo e pode possuir diferentes valores para um mesmo processo. Na
literatura varia de 0,1 – 0,8 %C
Atingido o %CC, apela-se para medidas que aceleram a descarburação. Por ex.:
a agitação do banho.
22. 22
Definição: relação entre o oxigênio fixado sob a forma de CO sobre o oxigênio total consumido
na corrida.
Lembrar: o oxigênio injetado no banho também é consumido:
–- na oxidação de outros elementos inclusive a do ferro além da reação de descarburação;
–- contribui então na formação da escória e da poeira dos gases;
–- é consumido na combustão secundária do CO gerando CO2 ;
–- e sempre resta certo teor de oxigênio residual dissolvido no banho.
Descarburação – Rendimento de Oxigênio
23. 23
Representação esquemática do consumo de oxigênio durante a descarburação no
processo de fabricação de aço.
Descarburação – Rendimento de Oxigênio
Curva real
24. 24
Descarburação – Rendimento de Oxigênio
Fase prévia etapa onde outros elementos são oxidados preferencialmente ao carbono.
Neste trecho a taxa de descarburação é baixa, mas crescente.
Fase I o carbono é o principal elemento a ser oxidado e a taxa de descarburação é função
do suprimento de oxigênio (a curva de descarburação é próxima da estequiométrica).
Ocorre a maior taxa de descarburação e ela pode ser favorecida por aumentos na vazão de
oxigênio. O rendimento do oxigênio é alto.
25. 25
Descarburação – Rendimento de Oxigênio
Fase II corresponde à etapa onde a taxa de descarburação é controlada pela difusão do
carbono até a bolha de CO e, portanto, independente do suprimento de oxigênio. Nesta
etapa, se a vazão de oxigênio for mantida constante, ou aumentar, ela não favorece ao
aumento da taxa de descarburação, atuando então preferencialmente sobre a oxidação do
CO e do ferro. O rendimento de oxigênio nesta etapa é baixo.
26. 26
Fe + ½ O2 = (FeO) FeO + [C] = [Fe] + CO
As reações espontâneas iniciam a 1550ºC, sendo cineticamente a
primeira reação mais rápida do que a segunda. Por isso existe uma
maior tendência a formação de FeO.
Descarburação
27. 27
A 1550o
C espera-se que o banho contenha um mínimo de carbono de
0,20%, caso contrario com teores mais baixos haverá um excesso de FeO
na escória.
Wt % de C no banho scf O2/0,01 %C / ton aço % Eficiência O2
0,35 3,7 85,1
0,30 4,22 74,6
0,25 5,54 56,9
0,20 7,26 43,4
0,15 10,0 31,5
0,10 14,9 21,1
0,05 35,1 9,0
0,031 60 5,3
Descarburação
1 standard cubic feet = 0,026853 Nm3
28. 28
Relação entre %FeO na escória e %C no aço em aciaria elétrica comparada com BOF e OBM (Q–
BOP).
Descarburação
30. 30
Referências
Exercicios
1. Faça um gráfico de equilíbrio carbono-oxigênio no aço nas seguintes
temperaturas a 1 atm de pressão: 1.550o
C, 1.600o
C e 1.650o
C.
Faça um gráfico de equilíbrio carbono-oxig6enio no aço a 1.600o
C nas
seguintes pressões:1 atm, 0,1 atm e 0,01 atm.
32. 32
Introdução
O fósforo estabiliza a fase CCC (ferrita) do ferro. Nesta fase, age como
um poderoso endurecedor por solução sólida.
• Por vezes este efeito é
aproveitado em aços de
baixo carbono, visando
obter resistência mecânica
mais elevada (com algum
sacrifício de dutilidade e
tenacidade).
33. 33
Introdução
• Em aços com alto % de carbono, ou seja de alta dureza, este efeito torna-se
mais pronunciado.
• Especificações sobre o % de P nos aços tendem a ser rigorosas, dependendo
logicamente da aplicação dos mesmos.
• No caso de aços especiais e aços ligados, onde outros elementos de liga
estão presentes e os mesmos são adicionados para conferir características
mecânicas especificas, o controle torna-se mais rigoroso (normalmente
valores máximos de 0,040%)
Trilhos • 0,04%
Eixos • 0,05%
Estrutura de
Pontes
• 0,06%
Estruturas de
construção e
concreto armado
• 0,10%
34. 34
Introdução
• O fosforo dissolve-se na estrutura do aço através da fase ferrita endurecendo-a e
aumentando o tamanho do grão do material.
• Com consequência ocorre o fenômeno de fragilidade a frio, representada por uma baixa
resistência ao choque e baixa tenacidade. Este efeito torna-se mais pronunciado à medida
que aumenta o % de carbono.
• Outro efeito passível de ocorrer é a formação de um ponto eutético que contribui para a
fusão do aço em temperaturas próximas a 1000°C, ocasionando sua ruptura ou
desdobramento durante o processo de deformação a quente. Este efeito ocorre quando o %
de P se situa na faixa de 0,40%.
• Aços HSLA (High Strenght Low Alloys Steels) – Nesta classe o fosforo se situa na faixa de
0,010% a 0,015%.
37. 37
Introdução
• Em geral, o fósforo provém do minério de ferro e, devido a
estabilidade relativamente baixa de seus óxidos estes são reduzidos
no alto-forno, incorporando-se ao gusa.
Composição química de alguns dos finos de minério mais importados
pelo Japão em 2000 (ref. Tekko Binran – ISIJ
39. 39
Introdução
• A garantia de %P < 0,010 em aços estruturais nobres e de modo
regular só é possível mediante a desfosforação do gusa, seja via
pré-tratamento de gusa ou utilizando técnica de dupla escória no
conversor LD (também conhecida como sopro duplo).
Teores de impurezas atingidas na BAOSTEEL em aços para pipelines e em aços
IF, em ppm (ref. L.Zhang – Ironmaking and Steelmaking, v.33, 2006, p.129)
40. 40
Introdução
• Pré tratamento do gusa
O pré-tratamento de gusa consiste em diminuir os teores de S, P
e Si do gusa antes de carrega-lo no conversor.
Destes, a dessulfuração é um processo tradicional, adotado
mundialmente por praticamente todas as usinas integradas a
coque.
Já a desfosforação é um processo disseminado no Oriente mas
pouco praticado na siderurgia ocidental.
41. 41
Introdução
• Motivos para se fazer pré-tratamento de gusa
O pré-tratamento de gusa (PTG) é, e continua sendo,uma
tecnologia essencialmente japonesa.
Entretanto, esta tecnologia exerce liderança sobre as de Taiwan,
Coréia do Sul e China.
Os fatores motivacionais se localizam nos dois extremos da
cadeia produtiva: de um lado a utilização de matérias primas de
menor custo e, na outra ponta, as especificações de aço cada
vez mais rigorosas, especialmente em relação ao S e P.
42. 42
Introdução
• Motivos para se fazer pré-tratamento de gusa
Histórico da importação japonesa de minério de ferro por país de origem (ref. Tekko Binran – Iron and
Steel Institute of Japan fig.42-1.1)
43. 43
Introdução
• Motivos para se fazer pré-tratamento de gusa
Evolução da importação japonesa de minério de ferro em anos recentes
( ref. Nippon Steel http://www.nsc.co.jp/en/company/pdf/nscguide2008_e_055.pdf)
45. 45
Introdução
• Resumidamente, os fatores motivacionais da implantação do
pré-tratamento de gusa nas usinas orientais, particularmente
nas japonesas, foram:
(i) consumir minério de ferro mais barato, com teor mais
elevado de P;
(ii) produção estável de aços com especificações mais exigentes em
relação ao P;
(iii) diminuir consumo de cales e geração de escória; (iv) aumentar
a produtividade da aciaria.
46. 46
Introdução
• Por que no Ocidente não ocorreu (exceções à parte)
implantação da tecnologia de prétratamento de gusa ? Por que se
faz apenas dessulfuração do gusa ?
Baixo teor de P no gusa: O PTG na siderurgia ocidental se resume na
dessulfuração do gusa. O principal motivo pelo qual não se faz desfosforação
preliminar é que o teor de P no gusa é baixo o suficiente para que no processo LD
se consiga atingir os teores de P demandado pela especificação do aço.
47. 47
Introdução
• Por que no Ocidente não ocorreu (exceções à parte) implantação
da tecnologia de prétratamento de gusa ? Por que se faz apenas
dessulfuração do gusa ?
O minério norte-americano, particularmente o dos Estados
Unidos, é pobre.
A siderurgia integrada norte-americana é caracterizada pelo fato
de alimentar seus altos fornos com elevada fração de pelotas.
Assim, no tratamento de concentração dos pellets feed remove-se
boa parte de P.
A conseqüência é que o teor típico de P no gusa é da ordem de
0,030 a 0,060% (no Brasil: 0,060 a 0,100%P).
48. 48
Introdução
• Por que no Ocidente não ocorreu (exceções à parte) implantação
da tecnologia de prétratamento de gusa ? Por que se faz apenas
dessulfuração do gusa ?
Na União Européia, a fração de pelotas na carga dos altos fornos é
inferior à da média norteamericana mas ainda assim superior à
japonesa ou brasileira, ambas essencialmente constituídas de
sínter.
Na média, o teor de P no gusa produzido na UE15 se situa a meio
caminho entre o norte-americano e o brasileiro, algo em torno de
0,060%.
De maneira genérica pode-se afirmar que a desfosforação no
conversor LD não apresenta maiores dificuldades para gusas com
teor de P inferior a ~ 0,080%
49. 49
Introdução
Origem das importação de minério de ferro pela UE15 (1000 t)
(ref.http://www.texreport.co.jp/xenglish/index.html13/04/2009
50. 50
Desfosforação
1. Você pretende desfosforar um aço. Você faria a desoxidação desse aço
antes ou depois da desfosforação. Explique a sua resposta.
51. 51
Desfosforação
A desoxidação deverá ocorrer DEPOIS da desfosforação. Isso porque a
desfosforação é favorecida e ambientes oxidantes: quanto maior o potencial
de oxigênio do banho mais favorável é a desfosforação.
53. 53
Através de uma análise termodinâmica, pode-se observar
a oxidação do fósforo:
Desfosforação
No equilíbrio tem-se:
54. 54
Através de uma análise termodinâmica, pode-se observar a oxidação do
fósforo:
Desfosforação
Sendo que os valores de P e O no gusa normalmente são inferiores
a 1, então a atividade de P2O5 deve ser muito baixa para que ocorra
a desfosforação. Assim o abaixamento da atividade do composto P2O5
é realizado pela formação de compostos estáveis do tipo 3CaO.P2O5 ou
outros.
55. 55
Somente é possível obter um valor muito baixo para a atividade do óxido de
fósforo com a presença de escória.
Indicação importante: a desfosforação somente sucede na interface escória-
banho.
Sendo este um processo que sucede na interface, é importante que a área
da interface seja a maior possível.
No LD, por exemplo, onde existe a formação de gotículas de aço no meio da
escoria a desfosforação é mais intensa que em outros processos.
Desfosforação
56. 56
Quando se utiliza CaO como agente desfosforante, a equação de desfosforação terá o
seguinte aspecto:
Desfosforação
Para calcular a energia livre (∆G), através da equação de desfosforação tem-se que:
57. 57
Quando se utiliza CaO como agente desfosforante, a equação de desfosforação terá o
seguinte aspecto:
Desfosforação
Considerações:
58. 58
O potencial de oxigênio demonstrado na equação anterior, segundo dissertação de
mestrado da UFMG, pode ser avaliado por dois métodos que são apresentados pelas
equações a seguir:
Desfosforação
O gusa sendo saturado em carbono pode-se fazer à avaliação do
potencial de oxigênio pela equação da seguinte forma:
59. 59
O potencial de oxigênio demonstrado na equação anterior, segundo dissertação de
mestrado da UFMG, pode ser avaliado por dois métodos que são apresentados pelas
equações a seguir:
Desfosforação
O gusa sendo saturado em carbono pode-se fazer à avaliação do
potencial de oxigênio pela equação da seguinte forma:
Substituindo a equação
na
e considerando a temperatura de 1330°C, tem-se que:
60. 60
O potencial de oxigênio demonstrado na equação anterior, segundo dissertação de
mestrado da UFMG, pode ser avaliado por dois métodos que são apresentados pelas
equações a seguir:
Desfosforação
Quando o potencial de oxigênio é determinado pela equação onde
o ambiente é saturado em oxigênio, tem-se que
Com a substituições das equações na
temperatura de 1330°C, tem-se:
61. 61
Portanto, têm-se duas alternativas para a remoção do fósforo: no gusa, criando
artificialmente um ambiente oxidante por meio de adições de carepa e ou outros aditivos
e no convertedor e no FEA onde o ambiente é fortemente oxidante.
Desfosforação
65. 65
Visão termodinâmica do livro do Falconi:
Desfosforação
• Atividade de CaO na escoria –
deve se a maior possível
66. 66
Desfosforação
Como complemento as condições termodinâmicas, se a temperatura for
baixa, a remoção do P é favorecida. Durante o período de descarburação, a
temperatura sobe, desfavorecendo a reação de remoção de P do banho.
67. 67
Desfosforação
Por isso é importante que, durante o processo no FEA, parte da escória seja
retirada do forno, assim que a mesma estiver fluída. Pois com o aumento de
temperatura pode ocorrer à reversão de P da escória para o banho. Esse é
um ponto chave no processo de desfosforação, pois envolve a retirada de
parte da escória, o que pode implicar em alterações em outros indicadores,
como o rendimento metálico. Essa operação requer um treinamento
específico para o executor da atividade.
68. 68
Desfosforação
Além das condições termodinâmicas, outro fator importante é a cinética do
processo. É necessária uma boa agitação da escória para aumentar a
velocidade do transporte de massa.
A agitação pode ser realizada via injeção de gás ou movimentação mecânica
do forno.
Com boas condições de agitação, podem-se obter valores próximos ao
equilíbrio em pouco tempo. São citadas reduções de até 30% no teor de P
inicial do aço em cerca de 2 min de agitação, dependendo do teor de P
inicial do banho líquido e da vazão de gás.
69. 69
Referências
Livro de termodinâmica do Falconi
“Redução do Teor de Fósforo dos Aços em Convertedores LD
Através de Adição de Briquete”. Dissertação de Mestrado
UFMG, 2012.
72. 72
Introdução
A presença de enxofre nos aços é geralmente prejudicial, por ser responsável por um
fenômeno denominado fragilidade a quente que deteriora as propriedades mecânicas do
material.
O fenômeno que ocorre em tratamentos térmicos ou durante a conformação mecânica a
quente se deve à presença de sulfetos de ferro que possuem um baixo ponto de fusão.
Portanto, qualquer tratamento que leve o aço a temperaturas em torno de 1000°C oferece o
risco de os sulfetos, geralmente presentes em contorno de grão, se liquefazerem,
enfraquecendo o aço.
A adição de Mn reduz este risco, porque se forma o MnS que é sólido nestas temperaturas.
Os problemas são tanto mais sérios quanto maior o teor de enxofre. De um modo geral, um
aço deve possuir menos de 0,04% de enxofre.
74. 74
Introdução
A presença do enxofre no aço se deve às matérias-primas nas quais o
mesmo está contido.
Análise Elementar (%)
Sigla Tipo Nome Pais S
AV COALCARBÓN COLOMBIA 0,71
AV GLENNIES CREEK AUSTRALIA 0,69
GE AV GREGORY AUSTRALIA 0,65
GH AV GULF HV EUA 0,82
LK AV LOGAN & KANAWHA EUA 1,01
MC AV MCCLURE EUA 0,71
MF AV MARFORK EUA 1,03
MP AV MAPLE CREEK EUA 1,4
PE AV PEERLESS EAGLE EUA 0,84
RH AV ROBIN HOOD EUA 0,9
XZ AV XIEZHUANG CHINA 1,34
AB BV AMFIRE BV EUA 1,28
BH BV BUCHANAN EUA 0,78
OC MV OAKY CREEK AUSTRALIA 0,57
ON MV OAKY NORTH AUSTRALIA 0,65
PK MV PEAK DOWNS AUSTRALIA 0,71
PS MV PINGDINGSHAN CHINA 0,47
QL MV QITAHE LV CHINA 0,39
RX MV RED FOX EUA 0,99
FM MV ROW-35 POLONIA 0,74
MV SIRBIJ RUSSIA 0,46
TA MV
TAHMOOR SOUTH
COKING AUSTRALIA 0,4
TR MV TWIN ROCKS EUA 1,27
• Exemplo de
carvões usados na
coqueria de uma
usina siderúrgica
75. 75
Introdução
• Cerca de 80 a 90% do enxofre introduzido no alto-forno vem do
coque, carvão pulverizado ou óleo injetado.
• No coque o enxofre está presente como enxofre orgânico. Nas cinzas
também está presente na forma de sulfetos e sulfatos.
• No minério e fundentes, o enxofre está presente na forma de CaSO4,
BaSO4, FeS, FeS2 e CaS.
76. 76
Introdução
A presença do enxofre no aço se deve às matérias-primas nas quais o
mesmo está contido.
Balances of sulphur
79. 79
Dessulfuração
• A dessulfuração pode ser feita previamente no ferro-gusa
proveniente da redução ou no refino realizado na aciaria.
• A reação dessulfuração na sua forma mais geral pode ser expressa
pela equação
2
S
e
2
S
2
O processo de remoção se dá pela conversão do enxofre em um sulfeto,
acompanhado pela mudança de valência. Os cátions necessários para se
agrupar ao S2-
e formar o sulfeto são provenientes dos agentes dessulfurantes.
Os elétrons necessários para a formação do sulfeto são frequentemente
oriundos dos íons de oxigênio, principalmente quando a dessulfuração é feita
por escórias básicas. Portanto, na fabricação do aço a dessulfuração ocorre
devido à presença de uma escória que é formada sobre o aço líquido.
Os cátions de cálcio podem estar dissolvidos na escória na forma de óxido de
cálcio (cal) ou serem injetados na forma sólida.
80. 80
Sendo a dessulfuração do aço o resultado de reações que ocorrem na busca do estado de
equilíbrio na interface aço/escória do banho metálico, ela pode ser analisada termodinamicamente
sob dois aspectos: (1) do ponto de vista da escória e (2) do ponto de vista do banho.
Sob o ponto de vista da escória, dois importantes parâmetros de controle devem ser citados:
capacidade de dessulfuração da escória e coeficiente de partição do enxofre.
Dessulfuração
81. 81
Do ponto de vista de escória:
Dessulfuração
• A capacidade de dessulfuração é uma propriedade da escória, dependente apenas da temperatura e
da composição química da mesma e descreve o potencial da escória em dessulfurar o aço.
84. 84
Do ponto de vista do banho...
Combinando-se as reações anteriores de modo a obter-se o percentual de enxofre
resultante no banho e em equilíbrio com a escória, chega-se à equação:
Esta equação é genérica e expressa a dessulfuração do aço sob o ponto de vista do
banho.
Ou seja, ela determina o enxofre de equilíbrio que permanece no banho em
conseqüência da dessulfuração feita.
Dessulfuração
85. 85
Do ponto de vista do banho...
Algumas observações acerca da equação geral podem ser feitas
Termo:
A diferença deve ser minimizada, ou seja, o agente dessulfurante e desoxidante
devem ser bem escolhidos;
Atividade do sulfeto na escória:
A atividade do sulfeto na escória deve ser a mais baixa possível ou, em outras
palavras, o teor de enxofre na escória deve ser baixo;
Dessulfuração
86. 86
Do ponto de vista do banho...
Algumas observações acerca da equação geral podem ser feitas
Teor do agente dessulfurante na escória:
O teor do agente dessulfurante na escória dever ser o mais alto possível, o que
equivale a atividade do óxido elevada. Outro dado que pode substituir a atividade do óxido
é a basicidade da escória;
Dessulfuração
89. 89
Do ponto de vista do banho...
Dessulfuração
• Temperatura:
O aumento da temperatura atua no sentido de favorecer a dessulfuração, como se
pode observar pelo primeiro e quarto termo da equação
93. 93
Dessulfuração
• Ex.: Dessulfuração do ferro-gusa líquido pela cal.
É interessante observar o efeito do carbono sobre o coeficiente de atividade
do enxofre.
Por exemplo, para C=2%, Mn=0,2%, P=0,015% e T=1600°C, o valor do enxofre
muda para 0,04%.
Conclui-se, portanto, que é mais fácil dessulfurar o aço com carbono elevado
do que o aço baixo carbono, o que explica porque é mais favorável
dessulfurar o ferro-gusa antes de transformá-lo em aço.
94. 94
Dessulfuração
Os principais aspectos termodinâmicos e cinéticos da dessulfuração de ferro-gusa podem ser assim
resumidos:
• escórias básicas e saturadas com CaO;
• escórias com baixo potencial de oxigênio;
• escórias fluidas (adições de fluorita que fluidifica a escória sem alterar muito seu potencial
dessulfurante);
• composição de escória que conduz a altas capacidades de sulfeto ou de enxofre, e por
conseqüência, alto coeficiente de partição de equilíbrio entre escória e metal;
• composição do ferro-gusa que conduz ao alto coeficiente de atividade de enxofre e baixa atividade
de oxigênio (desoxidação com Si ou Al);
• mecanismos que auxiliam o transporte de enxofre do metal até a interface metal-escória.
95. 95
Dessulfuração
Cinética de dessulfuração
Tudo o que foi mostrado anteriormente, corresponde à previsão termodinâmica da
dessulfuração, mas não envolve dados sobre a cinética do processo.
As reações de dessulfuração se dão essencialmente na interface entre banho e escória.
Portanto, é preciso que:
O oxigênio
descarregado
penetrará a
fase metálica
enquanto que o
íon S2- se
redistribuíra na
escória.
Troque de
carga com o íon
O2- que
difunde da
escória para a
interface
O S dissolvido
no metal
difunda até a
interface
banho/escória
96. 96
Dessulfuração
Cinética de dessulfuração
Sendo assim, todos os fenômenos a não ser a própria reação de troca de carga entre
S e O2- são comandados pela difusão, com eventual auxílio da convecção.
É de prever-se que a cinética do processo poderá ser beneficiada por agitação, que,
além de facilitar a difusão, aumentará a superfície de contato entre metal e
escória.
97. 97
Dessulfuração
Cinética de dessulfuração
• O mecanismo de dessulfuração irá depender também do agente
dessulfurante e do agente oxidante.
• Supondo que o CaO seja o agente dessulfurante e o carbono o agente
desoxidante, então o mecanismo de dessulfuração para a reação
pode ser dividido nas seguintes etapas:
98. 98
difusão do
enxofre no aço
líquido
difusão do enxofre
através da camada
limite do aço líquido
difusão do
carbono no aço
líquido
difusão do CaO
através da camada
limite da escória
difusão do CaO
na escória
difusão do carbono
através da camada
limite do aço líquido
reação química na
interface com
nucleação de bolha
de CO
difusão do CaS
na escória
eliminação
Dessulfuração
99. 99
Dessulfuração
A dessulfuração através da escória é um método predominantemente difusivo
sendo, portanto, afetado pela agitação mecânica (magnética ou injeção de gás). A
injeção de gás além de promover um transporte mais rápido dos elementos no banho,
também propicia um aumento da área de reação pelo aumento da área de interface
aço-escória, pela emulsificação da escória.
Cinética de dessulfuração
100. 100
Dessulfuração
Cinética de dessulfuração
• Se a desoxidação for realizada com silício, haverá liberação de SiO2 na camada limite
da escória.
• Sendo a sílica um óxido ácido, haverá diminuição da atividade do CaO prejudicando a
dessulfuração.
• É preferível que a desoxidação dê origem a óxidos básicos.
101. 101
Dessulfuração
Cinética de dessulfuração
• Apesar da figura apresentar um
perfil de velocidade que
indica haver uma vigorosa
agitação na interface, por se
tratar de duas fases diferentes,
existe uma camada estagnada
de metal, denominada camada
limite, na interface.
102. 102
Dessulfuração
Cinética de dessulfuração
O mecanismo da reação de dessulfuração do aço em processos agitados por injeção de gás com uso
de escória envolve as seguintes etapas:
• Transporte do enxofre dissolvido no metal
• Transporte de enxofre por difusão na camada limite até a escória;
• Reação entre enxofre dissolvido no banho e CaO, presente na escória, formando CaS;
• Absorção do CaS e Al2O3 pela escória;
A dessulfuração do aço ocorre na interface escória-metal sendo a difusão na camada limite de
metal a etapa mais lenta e, portanto, controladora da velocidade do processo.
Nessa condição de transferência de massa, a reação química na interface está
permanentemente próxima do estado de equilíbrio.
![9
Descarburação - Termodinâmica
Na prática:
-Tem-se para aços ao carbono, %C 1, 1550-1650C e pCO = 1 atm:
%C x %O = 0,0020 até 0,0025
K é pouco sensível com a temperatura neste caso.
20
)
atm
(
p
]
ppmO
[
]
C
[%
K
CO
](https://image.slidesharecdn.com/area2-250708231400-57e01021/85/area-2-pptx-Engenharia-Metalurgica-ufc-9-320.jpg)
![26
Fe + ½ O2 = (FeO) FeO + [C] = [Fe] + CO
As reações espontâneas iniciam a 1550ºC, sendo cineticamente a
primeira reação mais rápida do que a segunda. Por isso existe uma
maior tendência a formação de FeO.
Descarburação](https://image.slidesharecdn.com/area2-250708231400-57e01021/85/area-2-pptx-Engenharia-Metalurgica-ufc-26-320.jpg)
