[001] A presente invenção refere-se a uma composição de carvão vegetal para ser usada como substituto do coque em um processo de espumação de escória na produção de aço em fornos elétrico a arco.

Descrição do Estado da Técnica

[002] Os processos de produção de aço em um forno elétrico a arco são amplamente difundidos no estado da técnica. A sucata de ferro, como matéria-prima, bem como gusa sólido e/ou gusa líquido, é processada na primeira etapa (metalurgia primária) e, posteriormente, é ajustada a temperatura e composição química para solidificação do aço de modo a produzir produtos siderúrgicos com aplicação nas áreas de petróleo e gás, construção civil, automotivo e entre outros. Uma das etapas essenciais na metalurgia primária em uma aciaria elétrica é a espumação da escória por meio de injeção de material carbo- náceo, comumente sendo utilizados o coque verde de petróleo, coque calcinado e grafite (combustíveis fósseis). Atualmente, são utilizados aproximadamente 12 kg de coque por tonelada de aço líquido. A espumação da escória é fundamental, pois confere uma camada de isolamento e proteção, impedindo que os refratários sofram com a extrema irradiação de calor do arco elétrico e, também, garantindo a eficiência térmica com a transferência de energia do arco para o banho metálico.

[003] No entanto, usando uma grande quantidade de materiais carbonáceos de origem fóssil, como o coque, uma grande quantidade de gás carbônico derivado, ou seja, gases de efeito estufa, é emitida para a atmosfera. Entre 40 e 70% da emissão de CO2 do processo de produção de aço no forno elétrico é proveniente da etapa de injeção de carbono para espumação da escória. O processo é, portanto, gerador significativo de impacto ambiental a ser mitigado ou evitado. Além disso, a utilização de coque implica em fontes de entrada de enxofre e fósforo no processo de produção do aço, que são indesejáveis em sua grande maioria.

[004] Devido a estes problemas, busca-se encontrar alternativas para substituir 0 uso do coque durante a etapa de espumação da escória. O documento CN101558170 revela um processo de fabricação de aço em forno elétrico a arco que inclui as etapas de alimentação de uma mistura obtida pela adição de carboneto obtido por destilação seca de coqueiro ou casca de dendezeiro (carvão de casca de coco ou carvão PKS) e com teor de materiais voláteis residuais de 12% ou mais a sucatas de ferro; e produção de aço líquido através da fusão das sucatas de ferro. De acordo com este documento, é preferível que esse material injetado no forno elétrico a arco, a partir de uma lança, tenha um teor residual de materiais voláteis inferior a 12%.

[005] O substituto ao coque empregado neste documento apresenta um teor elevado de carbono e teor máximo de materiais voláteis de 12% para aplicação do material via lança. A restrição do teor de materiais voláteis é para garantir a adequada injeção da fonte de carbono penetrando a escória para seguir com sua espumação, pois 0 teor de materiais voláteis mais alto associado à baixa densidade, comparado ao coque, não garante a eficiência de tal processo. Outro ponto abordado em relação a este substituto ao coque é sua pequena escala de produção e seu maior custo de produção, impedindo, assim, sua utilização contínua, que se acentua ainda mais com a restrição do teor de materiais voláteis.

Objetivos da Invenção [006] A presente invenção tem por objetivo fornecer uma alternativa ao coque utilizado na produção de aço em fornos elétricos que seja menos nocivo ao meio ambiente por meio de um carvão vegetal adequado para ser utilizado na etapa de espumação da escória.

Breve Descrição da Invenção

[007] Os objetivos da invenção são alcançados por meio de um processo de espumação de escória na produção de aço em fornos elétricos a arco, injetando o carvão vegetal na superfície para espumar a escória.

[008] O carvão injetado durante a produção é uma composição de carvão vegetal para uso em produção de aço contendo entre 60 e 90% em peso de carbono fixo, entre 13 e 25% em peso de materiais voláteis e entre 0,5 e 5% em peso de cinzas.

[009] Em uma composição preferencial, o carbono vegetal utilizado compreende uma faixa entre 70 e 85% em peso de carbono fixo, entre 13 e 23,5% em peso de materiais voláteis e entre 0,5 e 3% em peso de cinzas. De modo preferencial, a granulometria do carvão vegetal utilizado foi 100% menor que 4 milímetros, tendo sido identificada tal faixa durante os testes realizados de modo a não ocorrer entupimento da linha de injeção.

Breve Descrição das Figuras

[0010] Para melhor compreensão, as características e vantagens da presente invenção serão apresentadas e descritas em conjunto com suas respectivas figuras, as quais ilustram:

[0011] A Figura 1 ilustra um desenho esquemático de um forno elétrico a arco.

Descrição Detalhada da Invenção

[0012] A composição de carvão vegetal, objeto da presente invenção, é utilizada em um processo de produção de aço em fornos elétricos a arco 1 , no qual a sucata é utilizada como matéria-prima principal, podendo também ser utilizado gusa sólido e/ou gusa líquido, para produção de aço.

[0013] À medida que ocorre a fusão da matéria-prima, a altura da mesma vai abaixando dentro do forno de modo que o arco elétrico 2 irradie calor para as paredes laterais e abóboda do forno, as quais são revestidas com tijolos refratários. O calor irradiado em excesso é extremamente danoso à superfície dos tijolos refratários e pode levar a uma degradação acelerada dos mesmos, o que elevaria muito o custo de manutenção dos fornos elétricos. Este calor irradiado também representa uma perda energética considerável durante o processo, pois calor que poderia ser usado para auxiliar na fusão da matéria-prima é dispersado no ambiente.

[0014] A formação da escória espumante 3 é uma etapa importante nesse ponto, pois forma uma camada de proteção envolvendo o arco elétrico 2, retendo grande quantidade da energia que seria dissipada para o ambiente, direcionando-a posteriormente para o aço líquido, consequentemente resultando em maior eficiência energética e aumentando a durabilidade do revestimento refratário. A espumação da escória 3 tem uma vantagem adicional de reduzir a flutuação de corrente e voltagem, além do ruído sonoro. Entretanto, essa prática gera grande quantidade de produção de gás CO (monóxido de carbono).

[0015] Para a formação da escória espumante 3 é necessário: (i) disponibilidade de carbono e oxigênio para as reações de formação de CO; (ii) aumento da viscosidade da escória e; (iii) basicidade da escória maior que 2,5. Normalmente, a fonte de carbono utilizada nesse processo de espumação tem sido o coque, que é um combustível fóssil e incorpora enxofre e fósforo ao aço. Tais elementos são indesejáveis na maioria das aplicações de aços uma vez que implica em redução da ductilidade, tenacidade e soldabilidade dos materiais.

[0016] A composição de carvão vegetal de acordo com a presente invenção serve como substituta ao coque nesse processo de espuma- ção da escória. O referido carvão vegetal possui entre 60 e 90% em peso de carbono fixo, entre 13 e 25% em peso de materiais voláteis e entre 0,5 e 5% em peso de cinzas. A cinza é um material contaminante intrínseco ao processo, com um teor mínimo de 0,5%. Já os materiais voláteis, pelo processo de produção do carvão vegetal tem como teor mínimo 13%, sendo improvável sua produção com valores abaixo. Ainda, pelo menos 98% em volume da composição possui granulome- tria menor ou igual a 4 milímetros.

[0017] Ambas a composição e a granulometria especificadas são fundamentais para o funcionamento do processo de acordo com a presente invenção. Em testes realizados, foi observado que a granulometria do carvão é um ponto crítico para evitar entupimentos da linha de injeção. Foram realizados cinco testes de injeção, onde os dois primeiros foram realizados sem controle de granulometria e houve entupimento das linhas de injeção. Durante análise das ocorrências dos entupimentos, foi observada a presença de pedaços grandes de carvão vegetal e identificada a necessidade de controle da granulometria. Uma vez definida a faixa ideal de granulometria pelo menos 98% menor ou igual a 4 milímetros, os testes seguintes aconteceram sem eventos de entupimento. A Tabela 1 abaixo apresenta a evolução do desenvolvimento da granulometria:

Tabela 1

[0018] Já em relação à composição química, a mesma foi inicialmente projetada objetivando carbono fixo alto. A partir dos resultados dos primeiros testes, foi verificada a necessidade de controle dos ma- teriais voláteis e cinzas de modo a garantir que o material seja injetado adequadamente, chegando à escória como fonte de carbono sem entrar em combustão ao iniciar a injeção do mesmo, a qual é realizada por meio de uma lança supersônica. [0019] A evolução da composição química de carvão testada nos 5 testes é apresentada na Tabela 2 abaixo:

Tabela 2

[0020] Os testes realizados permitiram o desenvolvimento de uma composição geral do carvão vegetal compreendendo uma faixa ampla de 60% a 90% de carbono fixo, incluindo 5% a mais e a menos que os limites máximos testados dada a variabilidade intrínseca do processo de produção do carvão vegetal. Os materiais voláteis estão compreendidos na faixa ampla de 13% a 25% e as cinzas na faixa entre 0,5% e 5%. A granulometria da composição mais ampla é de 98% em volume menor ou igual a 4 mm.

[0021] Dentre os testes realizados, os resultados satisfatórios compreenderam uma composição preferencial de carvão vegetal em uma faixa entre 70 e 85% em peso de carbono fixo, entre 13 e 23,5% em peso de materiais voláteis e entre 0,5 e 3% em peso de cinzas. A granulometria da composição satisfatória é de 99% em volume menor ou igual a 4 mm.

[0022] Finalmente, os melhores resultados obtidos no desenvolvimento permitem definir uma composição ainda mais preferencial de carvão vegetal na faixa de 70 e 85% de carbono fixo, de 13 a 18% de materiais voláteis e cinzas entre 0,5% e 1 ,5%. Nesta composição preferencial, 100% em volume da composição possui granulometria menor ou igual a 4 milímetros. A combinação destes limites definidos na composição preferencial em carbono, voláteis, cinzas e granulometria permitiram a obtenção dos melhores resultados no desenvolvimento dos testes realizados.

[0023] O uso do carvão vegetal na produção de aço é particularmente vantajoso quando comparado com materiais carbonáceos compostos de combustíveis fósseis, como o coque, pois as emissões de gases de efeito estufa teoricamente são consideradas neutras ou neutralizadas. O dióxido de carbono produzido a partir de combustível de biomassa é considerado "carbono neutro" ou “carbono biogênico” e não está incluído na categoria de gases de efeito estufa, pois sua emissão é neutralizada pelo reflorestamento empregado na produção de carvão vegetal. Além disso os teores de enxofre e fósforo são menores se comparados ao coque, o que é uma vantagem adicional, pois esses elementos devem ser reduzidos nessa primeira etapa de pro- cesso de produção do aço.

[0024] A descrição exposta acima ilustra concretizações preferíveis da presente invenção, porém o escopo desta não está limitado pelos exemplos expostos, nem pelas figuras que acompanham o pedi- do. O técnico no assunto perceberá que diversas outras configurações são perfeitamente possíveis.