Erosão do furo de vazamento do BOF: causas e como desacelerá-la

Por que o furo de vazamento é o ponto mais crítico do vaso

O revestimento de um convertedor é avaliado ao longo de milhares de corridas. O furo de vazamento, em muito menos. As usinas substituem a luva do furo de vazamento muitas vezes durante a campanha de um convertedor, e cada troca custa uma parada, mão de obra e o risco de um primeiro vazamento malfeito.

O motivo fica claro quando se observa a função do furo. Em todas as outras partes do vaso, o revestimento fica em contato com escória e aço que permanecem parados ou se movem lentamente. No furo de vazamento, todo o volume de aço líquido de uma corrida é forçado a passar por um canal com algumas centenas de milímetros de largura. Em um estudo sobre o vazamento em conversores, os furos simulados tinham de 200 a 220 mm de diâmetro (Materials, 2023). Um cálculo simples da carga hidráulica dá uma ideia da velocidade. Com 1 a 2 m de aço acima do furo, a velocidade ideal de saída é de cerca de 4,4 a 6,3 m/s. As velocidades reais são menores devido às perdas, mas a ordem de grandeza é clara: trata-se de um fluxo rápido, quente e abrasivo contra uma parede de ligação carbonácea.

O furo de vazamento também enfrenta o ciclo de operação mais severo. Fica quente quando o aço escoa, depois fica exposto ao ar e aos gases, em seguida é fechado ou preenchido e, então, aquecido novamente. Poucos outros pontos de uma usina siderúrgica alternam entre esses estados a cada corrida.

Dois artigos publicados corroboram as duas principais formas de desgaste. Um estudo de 2013 sobre camisas de furos de corrida de convertedores identifica a erosão causada pelo fluxo de aço e a oxidação como mecanismos aos quais o refratário precisa resistir (ABM Proceedings, 2013). Uma revisão das zonas de desgaste em convertedores LD classifica as zonas de vazamento e de escória como sujeitas a ataque químico, ou seja, corrosão e oxidação (ABM Proceedings). Ambos os artigos estão disponíveis apenas como resumos, então uso-os para identificar os mecanismos, não para citar números.

Uma corrida na vida de um furo de corrida

Acompanhe uma corrida do início ao fim e veja de onde vem o dano.

1. Após o vazamento. O convertedor volta à posição vertical. O furo está quente e vazio, e o ar e os gases do forno podem passar por ele.
2. Fechamento e carregamento. O furo é limpo e preenchido ou coberto de acordo com a sua prática. Sucata e metal quente são carregados, e o vaso é inclinado para um lado e para o outro.
3. Sopro. O furo fica atrás do revestimento, em alta temperatura, absorvendo calor pelo lado interno.
4. Inclinação e amostragem. O vaso é inclinado novamente, e o furo pode ficar exposto à escória ou ao gás durante a amostragem.
5. Vazamento. O furo é aberto. O aço flui primeiro, e a escória vem no final, às vezes arrastada para dentro mais cedo por um vórtice.

As etapas 1, 2 e 4 são onde o carbono se perde. Na etapa 5, a superfície enfraquecida é arrancada e a escória faz seu trabalho. Então, o ciclo se repete.

As cinco formas de desgaste do furo de corrida de um convertedor BOF

1. Oxidação e erosão: o ciclo principal

O carbono mantém unida a camisa de magnésia-carbono e impede que a escória penetre nela. Quando o ar ou o gás quente alcança a parede do furo entre corridas, o carbono próximo à superfície queima. O que resta é uma camada fina e porosa de grãos de magnésia, sem nada para mantê-los unidos.

Essa camada não dura. Quando o fluxo de aço começa, ele arranca a camada em minutos. A superfície seguinte, logo abaixo, fica então exposta ao ar e ao gás no próximo intervalo entre corridas. Cada ciclo remove um pouco, e o furo aumenta. Chamamos isso de oxidação e erosão porque nenhuma das duas coisas ocorre sozinha. Sem a oxidação, o fluxo encontraria um material resistente, com ligações de carbono. Sem o fluxo, a camada oxidada ficaria ali, protegendo o restante.

É também por isso que uma luva com os antioxidantes adequados e baixa porosidade ajuda. O princípio é o mesmo descrito em nosso informe técnico sobre como os tijolos de MgO-C perdem carbono: quanto menor a perda de carbono, menos o desgaste por lavagem tem para remover.

2. Erosão do fluxo na borda de entrada

A extremidade do furo voltada para a face quente é o ponto em que o fluxo começa a acelerar. A borda dessa extremidade sofre o maior cisalhamento. Uma borda de entrada afiada ou irregular desestabiliza o fluxo e aumenta a turbulência, o que desgasta a borda mais rapidamente e piora o fluxo. Uma entrada lisa e arredondada desacelera esse ciclo.

3. Escória no fim do vazamento

A escória é rica em FeO e ataca tanto a magnésia quanto o carbono. A exposição mais intensa ocorre no fim do vazamento, quando o nível de aço acima do furo cai e se forma um vórtice. Um estudo de simulação do vazamento em conversor constatou que a escória saía pelo furo após cerca de 43 s com uma inclinação de 90 graus, com um vórtice estável por volta de 50 s. Com inclinações de 100 e 105 graus, o vórtice demorava cerca de 71 s e 74 s, respectivamente, para se formar. Furos maiores antecipavam o vórtice: início em 68,8 s para um furo de 200 mm, 62,6 s para 210 mm e 57,1 s para 220 mm (Materials, 2023). Esses são resultados de um modelo para um único recipiente, não uma regra para o seu, mas a tendência é útil. Um furo maior permite que o vórtice comece mais cedo, e isso significa que mais escória passa pela luva.

4. Choque térmico

O furo passa de um estado resfriado, às vezes preenchido, para um fluxo contínuo de aço a mais de 1.600 °C. Surgem rachaduras que atravessam a luva e acompanham as linhas de junção. As rachaduras dão ao ar e à escória um caminho para dentro do corpo e permitem que fragmentos se desprendam sob o fluxo.

5. Manuseio e instalação

O uso de hastes, a limpeza, as cargas inclinadas e uma folga entre a luva e o revestimento ao redor causam danos que nenhum grau de material pode corrigir. O aço encontra uma folga rapidamente. Uma luva mal assentada pode falhar de fora para dentro enquanto o furo ainda parece estar em boas condições.

O que um furo desgastado faz com seu vazamento

Você não precisa esperar que a luva falhe para sentir os efeitos.

• O tempo de vazamento muda. Um furo mais largo esvazia o vaso mais rapidamente. Um furo irregular ou descentralizado pode desacelerar ou perturbar o jato.
• O jato se espalha. Um jato largo e turbulento tende a incorporar mais ar a caminho da panela, o que aumenta a absorção de oxigênio e nitrogênio. O efeito se estende às etapas seguintes: um aço mais limpo na panela facilita o trabalho posterior no distribuidor, como explicamos em nosso artigo sobre controle do fluxo e do oxigênio no distribuidor.
• O arraste de escória aumenta. O vórtice começa mais cedo e é mais difícil de interromper. Mais escória na panela significa mais tratamento da escória da panela e maior risco para a linha de escória da panela.
• O jato muda de direção. Um furo irregular pode direcionar o jato para a borda da panela ou para longe do centro.
• As adições de ligas ficam menos estáveis. Um vazamento mais rápido ou irregular altera a dissolução das ligas e a quantidade perdida para a escória.

A maioria das usinas define um limite para o diâmetro do furo ou o tempo de vazamento. A pergunta mais importante é a que velocidade você está se aproximando desse limite, e para isso são necessárias medições.

Como avaliar seu próprio furo de vazamento

O furo de vazamento fornece dados a cada corrida, se você os coletar. O plano abaixo é simples e não exige nada especial.

Meça a cada corrida ou, pelo menos, a cada poucas corridas. Use um calibrador ou uma haste calibrada para registrar o diâmetro do furo. Anote ao lado o número da corrida e o tempo de vazamento.

Faça um gráfico do diâmetro em função do número de corridas. Uma linha reta indica desgaste constante. Uma linha que se curva para cima indica que a camada sem carbono está ficando mais profunda ou que a escória está passando a predominar. Um salto repentino indica uma trinca, uma lasca na entrada ou uma falha na junta.

Observe onde o desgaste se concentra. Fotografe a borda de entrada, a parede do furo e a saída ao trocar a luva.

Uma única luva pode levar a conclusões erradas. Compare duas ou três seguidas antes de tirar conclusões.

Como desacelerar o desgaste: luva, instalação, práticas e manutenção

Nenhum ajuste isolado é suficiente. As usinas que prolongam a vida útil do furo de vazamento geralmente trabalham nos quatro itens abaixo.

Material da luva

• Qualidade dos grãos. A magnésia de alta pureza, de preferência eletrofundida, com baixo teor de sílica e cal, resiste melhor à escória. Consulte nossa página de tijolos de MgO-C para conhecer as qualidades que fabricamos.
• Densidade. Menor porosidade aberta significa menos caminhos para o ar e a escória penetrarem no corpo.
• Carbono e antioxidantes. A fonte de carbono e o conjunto de antioxidantes são escolhidos para o ciclo de queima e lavagem, não para uma linha de escória. Uma camisa exposta ao ar entre corridas precisa de um equilíbrio diferente do de um tijolo sob a escória.
• Compatibilidade com os materiais ao redor. A camisa deve expandir e contrair sem trincar a junta.

Geometria e instalação

• Um furo liso com entrada arredondada reduz a turbulência no primeiro ponto de contato.
• O comprimento e a espessura da parede da camisa determinam a margem de desgaste. Solicite um desenho compatível com seu conversor, não um genérico.
• Uma junta limpa e totalmente preenchida. A massa de apoio ou o material moldável deve preencher o espaço sem deixar vazios. Pré-aqueça a nova camisa conforme as instruções do fornecedor.
• Centralização e ângulo. Uma camisa instalada com alguns graus de desalinhamento sofrerá desgaste em um lado e direcionará o fluxo para fora do alvo.

Prática de vazamento

• Oxigênio no ponto final e FeO da escória. Uma corrida muito oxidada ataca o carbono da camisa e do revestimento. Menos oxigênio no sopro de acabamento ajuda em tudo, não apenas no furo de vazamento.
• Ângulo e velocidade de inclinação. A simulação acima sugere que a inclinação influencia o início do vórtice. Seus próprios testes indicarão o que funciona no seu conversor.
• Retenção da escória. Um bom retentor de escória ou sistema de detecção reduz o tempo em que a escória passa pela camisa.
• Intervalo entre corridas. Menor exposição ao ar e ao gás significa menos queima de carbono.
• Limpeza e fechamento cuidadosos. Desobstrua e limpe o furo com cuidado. Evite lascas na borda de entrada.

Manutenção

• Reparo a quente da boca, quando a prática da usina permitir. Consulte a página de refratários para conversores BOF para conhecer os materiais de reparo que fornecemos.
• Troca planejada. Vincule as trocas da camisa a um limite medido e, sempre que possível, a outra parada planejada.
• Mantenha peças sobressalentes prontas e pré-aquecidas. Uma troca sem problemas protege a primeira corrida.

Calculando o custo por corrida

Considerar apenas o preço da camisa é um erro. Use este cálculo:

O custo da parada costuma ser maior que o da luva. Por isso, uma luva mais barata que dure menos corridas pode custar mais por corrida. Um exemplo simples: se uma luva durar 30% mais, o custo por corrida cai para cerca de 77% do valor anterior, uma economia de 23%, sem contar o benefício de menos paradas e menos vazamentos ruins.

O que nos enviar para solicitar um orçamento

Fabricamos refratários ligados por carbono em nossa própria unidade. Para uma luva de furo de vazamento, quanto mais informações da lista abaixo você enviar, mais precisa será a proposta inicial.

1. Capacidade do convertedor e desenho do furo de vazamento, incluindo o diâmetro interno, o comprimento da luva e o revestimento ao redor.
2. Classe da luva atual e ficha técnica do fornecedor, se disponível.
3. Número de corridas até a troca, o limite adotado (diâmetro ou tempo de vazamento) e o motivo da troca das últimas três luvas.
4. Fotos das luvas usadas: entrada, parede interna do furo e saída, mostrando o padrão de desgaste.
5. Tipos de aço, temperatura de vazamento, teor de oxigênio típico no ponto final e se você usa um retentor de escória.
6. Seu procedimento de limpeza e fechamento, e o intervalo entre vazamentos.

Envie pelo formulário de contato ou por e-mail para sales@ykchanshine.com. Para saber como fabricamos e testamos nossos produtos ligados por carbono, acesse a página da nossa fábrica de refratários.

Fontes & literatura de referência

• Simulação do campo de escoamento durante o vazamento do conversor: ângulo de inclinação, vórtice e diâmetro do furo de corrida, Materials 2023, 16(8), 3209: simulação do início do vórtice, do ângulo de inclinação e do diâmetro do furo de corrida (200, 210, 220 mm).
• Avaliação das propriedades da peça refratária de MgO-C para furos de corrida de conversores, 44º Seminário de Aciaria da ABM, 2013: erosão e oxidação como mecanismos de desgaste da luva (resumo).
• Mecanismos de desgaste em diferentes zonas de conversores LD, ABM Proceedings: ataque químico nas zonas de vazamento e de escória (resumo).