Palavras-chave: simulação termodinâmica, aço inox, FEA-VOD

APLICAÇÃO DA FERRAMENTA TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL NA PRODUÇÃO DO AÇO INOXIDÁVEL EM FORNO ELÉTRICO A ARCO / VOD




Imagem: http://www.i.com
 
Produção de aço inox: tecnologia e ciência

O aço inoxidável é basicamente produzido pela fusão de sucata de aço inoxidável e diferentes ligas (de cromo, niquel, molibdênio, etc. – dependendo do tipo de aço inoxidável) em forno elétrico a arco (FEA). Após a fusão, o aço líquido é vazado para um segundo reator pois, o FEA – embora seja um eficiente reator para a fusão de sucata – é inapropriado para abaixar o teor de carbono do banho até o reduzido nível exigido pelo aço inoxidável; e sabe-se, de longa data, que um baixo teor de carbono tem um papel de fundamental importância para os aços inoxidáveis.

O VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) – ou o seu processo gêmeo AOD (Argon Oxygen Decarburization) – é, pois, o processo suplementar econômico para abaixar o teor de carbono, tendo em vista que o tempo de operação é reduzido e as temperaturas são mais baixas que as do FEA. Além disso, o uso do VOD aumenta a disponibilidade do FEA para a fusão de sucata e possibilita um ambiente adequado para o ajuste final da liga que está sendo produzida.
 
Infelizmente, a eficiência de qualquer processo de produção é sempre finita, e as usinas siderúrgicas que produzem aço inoxidável tentam limitar a perda de insumos (relativamente) valiosos do processo – principalmente do cromo – pelo incremento no rendimento, em algumas etapas do processamento, e pelo reaproveitamento de resíduos da produção, em outras, com sucesso apenas relativo /NAKASUGA 2004/.
 
A escória, os redutores adicionados ao banho, a pressão e a composição da atmosfera – nas diferentes etapas de produção –, entre outros fatores como, por exemplo, boa compatibilidade entre refratários e escória, têm um papel fundamental nesse balanço delicado que visa abaixar os custos de produção desse material e produzir resíduos mais adequados ou compatíveis com tratamentos ou com a disposição final, sem perder de vista a qualidade que o aço inoxidável precisa ter /PRETORIUS, 2003/.
 

Este projeto de pesquisa é realizado em parceria com o Laboratório de Siderurgia - LASID



Projeto de Pesquisa:

1. Objetivos

Principal
O objetivo central desse projeto consiste na exploração dos aspectos termodinâmicos fundamentais da elaboração de alguns aços da classe inoxidável pela simulação com a ferramenta termodinâmica computacional.

Específicos
   A curto prazo:
- Revisar o conhecimento sobre a produção de aço inoxidável (incluindo-se práticas operacionais, refratários, escórias, inclusões);
- Simular as diferentes etapas de produção de aço inoxidável, distribuidas entre os reatores: FEA e VOD;
- Aprofundar o diálogo Universidade-Empresa, propondo temas para futuros intercâmbios.
- Capacitar recursos humanos dentro do escopo deste projeto.
   A longo prazo:
- Propor projetos conjuntos para a limitação dos custos e adequação dos resíduos da produção, com a finalidade geral de otimizar o processo de produção de aços inoxidáveis com FEA / VOD.

2. Essência e natureza do problema

Tendo-se em vista que o Brasil produz aço inoxidável, é digno de nota que, entre nós, haja uma relativa carência de estudos cujo foco seja a produção desses materiais, estando a grande maioria dos trabalhos voltados para temas como a susceptibilidade à corrosão, soldagem, microestrutura e resíduos .
Para que se possa inverter essa situação, é fundamental – no lado acadêmico – que haja a capacitação e a preparação intelectual dos seus recursos humanos para agir pró-ativamente, para poder dialogar, propor e estar preparado para futuros intercâmbios com o assim chamado setor produtivo. A capacitação certamente inclui e até se inicia pela análise profunda das questões básicas que fundamentam a tecnologia da produção dos aços inoxidáveis.

3. Estado atual do conhecimento

É basicamente o produto de esforços concentrados em observação e experimentação em laboratório e indústria. A literatura aborda, também, algum tipo de modelamento computacional, mas esta classe de análise é mais recente em relação aos trabalhos mais tradicionais.

4. Metodologia

O modelamento termodinâmico de fenômenos e processos é uma ferramenta útil, capaz de fornecer uma previsão sobre o que acontece com um sistema, num caso limite – qual seja, da inexistência de qualquer resistência de ordem cinética a dificultar ou impedir a marcha de reações e processos fisico-químicos durante uma determinada fase ou etapa de um processo de produção. Embora fundamentalmente abstrata, ou virtual, essa situação, pode vir a servir como um guia para o acompanhamento e a compreensão de diferentes fenômenos e já foi utilizada na simulação da produção de aços / OERTEL 1999, GAYE 2001/.

Sob o ponto-de-vista termodinâmico, um banho de ferro líquido à 1600°C não está em equilíbrio termodinâmico com uma atmosfera cuja fugacidade do oxigênio é 0,21 atm – simplificadamente, essa é a situação que se apresenta para a simulação /ITOH 2000, KIMOTO 2002/! Para superar essa dificuldade, e poder modelar com a ferramenta termodinâmica, portanto, é preciso abstrair essa realidade adaptando-a a um modelo que tenha – ao mesmo tempo – a capacidade (i) de se manter fiel à situação (grau de similaridade com o processo adequado) e (ii) de viabilizar a simulação.

A termodinâmica caracteriza-se pelo uso intensivo de dados que representam os materiais e as substâncias no sistema, com a finalidade de simular a realidade. A termodinâmica computacional, especialmente o método Calphad, manipula uma quantidade relativamente grande desses dados e, para isso, utiliza-se de softwares produzidos com essa finalidade – secundados, muitas vezes, por programas auxiliares.

Dentro desse projeto, a simulação será executada com o auxílio do aplicativo denominado FactSage 5.2 (descrito na literatura em /BALE 2002/).

Os seguintes bancos de dados permitirão a realização da simulação:

- SOLN-FeLQ contendo dados para 29 elementos dissolvidos no ferro líquido, na maioria oriundos de uma compilação recente (2001); o modelo empregado nessa fase faz uso dos chamados ‘associados’ M*O de In-Ho Jung;
- FACT-SLAGA (2001) contendo dados de espécies líquidas (no presente caso, 15 – óxidos, na maioria) formando uma escória;
- FactSage 5.00 (2001) contendo dados de compostos sólidos puros (no presente caso, 290 – óxidos, na maioria).

O uso do modelo de In-Ho Jung /JUNG 2004/ que contempla os ‘associados’ M*O, é um desenvolvimento recente, que consegue representar melhor que o modelo clássico de Wagner, a forte interação que se verifica entre o oxigênio dissolvido e alguns solutos presentes no aço líquido. Somente esse aspecto já é de grande relevância na simulação do aço inoxidável líquido, pelo importante papel que o oxigênio dissolvido tem nesse sistema.

5. Resultados esperados

Espera-se ao final do trabalho, conhecer cientificamente o comportamento do aço inox líquido quando submetido ao contato com escórias e atmosferas próprias da sua produção.
A capacitação de recursos humanos será, contudo, o resultado mais importante do projeto.

6. Recursos

O projeto utilizará as instalações físicas do Núcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia - NTCM da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Financiamento das atividades foi solicitado ao CNPq.


Referências

BALE,C.W., CHARTRAND,P., DEGTEROV,S.A., ERIKSSON,G., HACK,K., BEN MAHFOUD,R., MELANÇON,J., PELTON,A.D., PETERSEN,S. FactSage thermochemical software and databases. Calphad, Volume 26, nr.2, Junho, 2002, p.189-228

GAYE,H., LEHMANN,J., ROCABOIS,P., RUBI-MAYER,F. Computational thermodynamics and slag modelling applied to steel elaboration, Steel Research, Vol.72, nr.11+12, 2001, p.446-451

ITOH,T., NAGASAKA,T., HINO,M. Equilibrium between Dissolved Chromium and Oxygen in Liquid High Chromium Alloyed Steel Saturated with pure Cr2O3. ISIJ International, Vol. 40, 2000, nr.11, p. 1051-1058

JUNG,I-H., DECTEROV,S.A., PELTON,A.D. A Thermodynamic Model for Deoxidation Equilibria in Steel, Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 35B, Junho, 2004, p.493

KIMOTO,M., ITOH,T., NAGASAKA,T., HINO,M. Thermodynamics of Oxygen in Liquid Fe–Cr Alloy Saturated with FeO·Cr2O3 Solid Solution. ISIJ International, Vol. 42, 2002, nr.1, p. 23-32

NAKASUGA,T., NAKASHIMA,K., MORI,K. Recovery rate of chromium from stainless slag by iron melts. ISIJ International, Vol. 44, 2004, nr.4, p. 665-672

OERTEL,L.C., COSTA E SILVA,A. Application of thermodynamic modeling to slag-metal equilibria in steelmaking. Calphad, Vol.23, nr.3+4, 1999, p.379-391

PRETORIUS,E.B. NUNNINGTON,R.C. Stainless steel slag fundamentals: from furnace to tundish, Ironmaking and Steelmaking, Vol.29, nr.2, 2002, p.133-139





Conexão:

http://www.ct.ufrgs.br/lasid