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

A vida útil do revestimento de um conversor é avaliada em milhares de corridas. A do furo de vazamento, em muito menos. As usinas substituem a luva do furo várias vezes durante a campanha de um conversor, e cada troca custa uma parada, mão de obra e o risco de um primeiro vazamento malsucedido.

O motivo fica claro quando você 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, toda a corrida de aço líquido é forçada 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 hidrostática dá uma ideia da velocidade. Com 1 a 2 m de aço acima do furo, a velocidade ideal de escoamento é de cerca de 4,4 a 6,3 m/s. As velocidades reais são menores por causa das perdas, mas a ordem de grandeza é clara: trata-se de um fluxo rápido, quente e abrasivo contra uma parede de ligação carbônica.

O furo de vazamento também enfrenta o ciclo de operação mais severo. Fica quente enquanto o aço flui, 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 passam por essas mudanças a cada corrida.

Dois artigos publicados sustentam os dois principais mecanismos de desgaste. Um estudo de 2013 sobre luvas de furos de corrida de conversores aponta a erosão causada pelo fluxo de aço e a oxidação como mecanismos aos quais o refratário precisa resistir (ABM Proceedings, 2013). Uma análise das zonas de desgaste em conversores LD identifica as zonas de vazamento e de escória como sujeitas a ataques químicos, ou seja, corrosão e oxidação (ABM Proceedings). Ambos os artigos estão disponíveis apenas em forma de resumo, por isso os uso como referência para os mecanismos, não para os números.

Uma corrida na vida de um furo de corrida

Acompanhe uma corrida e veja de onde vem o dano.

1. Após o vazamento. O conversor 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 conforme o procedimento adotado. Sucata e metal quente são carregados, e o vaso se inclina para a frente e para trás.
3. Sopro. O furo fica atrás do revestimento, em alta temperatura, absorvendo o calor vindo de dentro.
4. Desoxidação e coleta de amostras. O vaso se inclina novamente, e o furo pode ficar exposto à escória ou ao gás durante a coleta de amostras.
5. Vazamento. O furo é aberto. O aço flui primeiro, e a escória vem no final, às vezes arrastada para dentro antes pela formação de 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 entra em ação. Então o ciclo se repete.

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

1. Oxidação e erosão pelo fluxo: o ciclo principal

O carbono mantém unida uma luva 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 diâmetro do furo aumenta. Chamamos isso de oxidação e erosão pelo fluxo porque nenhum dos dois fenômenos age sozinho. Sem a oxidação, o fluxo atingiria um material resistente, com ligações de carbono. Sem o fluxo, a camada oxidada simplesmente ficaria ali, protegendo o restante.

É também por isso que uma luva com os antioxidantes certos e baixa porosidade ajuda. O princípio é o mesmo descrito em nosso artigo técnico sobre como os tijolos de MgO-C perdem carbono: desacelere a perda de carbono, e a lavagem terá menos material para remover.

2. Erosão do fluxo na borda de entrada

A extremidade do furo voltada para o lado quente é onde o fluxo começa a acelerar. A borda nessa região 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 ainda mais 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 do aço acima do furo baixa e se forma um vórtice. Um estudo de simulação do vazamento em convertedores constatou que a escória saiu pelo furo após cerca de 43 s com uma inclinação de 90 graus, e que um vórtice estável se formou após cerca de 50 s. Com inclinações de 100 e 105 graus, a formação do vórtice foi adiada para cerca de 71 s e 74 s, respectivamente. Furos maiores anteciparam a formação do 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 (Materiais, 2023). Esses são resultados de um modelo para um único vaso, não uma regra para o seu, mas indicam uma tendência útil. Um furo maior permite que o vórtice se forme 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. As rachaduras se propagam pela luva e ao longo das linhas de junção. Elas abrem caminho para o ar e a escória entrarem no corpo e permitem que pedaços 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 o vazamento do aço

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

• O tempo de vazamento muda. Um furo mais largo esvazia o recipiente mais rápido. Um furo áspero ou descentralizado pode desacelerar ou desestabilizar o jato.
• O jato se espalha. Um jato largo e turbulento tende a absorver mais ar no trajeto até a panela, o que é prejudicial devido à absorção de oxigênio e nitrogênio. O efeito se estende às etapas seguintes: um aço mais limpo ao entrar na panela facilita as operações posteriores 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.
• O jato muda de direção. Um furo irregular pode direcionar o jato para a borda da panela ou desviá-lo 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 plantas estabelece um limite para o tamanho do furo ou o tempo de vazamento. A pergunta mais importante é o quão rápido você está se aproximando desse limite, e isso exige medições.

Como analisar seu próprio furo de corrida

O furo de corrida 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 de corridas e o tempo de vazamento.

Trace o diâmetro em função das 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 está o desgaste. Fotografe a borda de entrada, a parede do furo e a saída ao trocar a luva.

Uma única luva pode induzir ao erro. Compare duas ou três seguidas antes de tirar conclusões.

Como reduzir o desgaste: luva, instalação, prática e manutenção

Nenhuma solução isolada basta. As plantas que prolongam a vida útil do furo de corrida geralmente atuam nos quatro pontos abaixo.

Material da luva

• Qualidade dos grãos. Magnésia de alta pureza, de preferência eletrofundida, com baixo teor de sílica e cal, resiste melhor à escória. Consulte a página de tijolos de MgO-C para conhecer as classes 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 luva que fica exposta ao ar entre as corridas precisa de um equilíbrio diferente do de um tijolo que fica sob a escória.
• Compatibilidade com os materiais ao redor. A luva deve se expandir e se contrair de modo a não trincar a junta.

Geometria e instalação

• Um canal liso com entrada arredondada reduz a turbulência no primeiro ponto de contato.
• O comprimento e a espessura da parede da luva determinam a margem de desgaste. Peça um desenho adequado ao seu conversor, não um modelo genérico.
• Uma junta limpa e totalmente preenchida. A massa de apoio ou o concreto refratário deve preencher o espaço sem deixar vazios. Pré-aqueça a luva nova conforme as instruções do fornecedor.
• Centralização e ângulo. Uma luva instalada com alguns graus de desvio sofrerá desgaste em um lado e desviará o jato da direção desejada.

Prática de vazamento

• Oxigênio no ponto final e FeO da escória. Uma corrida muito oxidada ataca o carbono da luva e do revestimento. Menos oxigênio no fim do sopro ajuda em tudo, não apenas no furo de corrida.
• Ângulo e velocidade de inclinação. A simulação acima sugere que a inclinação afeta o momento em que o vórtice se inicia. Seus próprios testes indicarão o que funciona no seu conversor.
• Retenção de escória. Um bom retentor de escória ou sistema de detecção reduz o tempo durante o qual a escória passa pela luva.
• Intervalo entre corridas. Menos 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 conversor BOF para conhecer os materiais de reparo que fornecemos.
• Troca planejada. Vincule as trocas da luva a um limite medido e, quando possível, a outra parada planejada.
• Mantenha peças sobressalentes prontas e pré-aquecidas. Uma troca bem executada protege a primeira corrida.

Calculando o custo por corrida

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

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

O que nos enviar para solicitar um orçamento

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

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

Envie as informações pela nossa página de contato ou por e-mail para sales@ykchanshine.com. Para saber como fabricamos e testamos nossos produtos ligados por carbono, visite nossa página da fábrica de refratários.

Fontes e literatura de referência

• Simulação do campo de escoamento durante o vazamento em conversores: 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).