Uma usina siderúrgica é uma fábrica destinada à produção de aço em grandes quantidades na forma de produtos semiacabados. Existem geralmente dois tipos de aciaria: aciaria elétrica, que produz aço a partir de sucata reciclada, e a aciaria a oxigênio, que trabalha com ferro líquido produzido por um alto-forno .
Assim como a história da produção de aço começa antes da da indústria siderúrgica , o termo "usina siderúrgica" é anterior aos processos da Segunda Revolução Industrial . Ele poderia, portanto, ser usado para designar fábricas de aço natural ou cadinho . Mas o aço fundido obtido com o conversor teve que ser diferenciado dos ferros obtidos por martelagem (em particular os ferros amassados ), e a terminologia então reservou o termo "siderúrgica" para as fábricas modernas baseadas nos processos Bessemer , Thomas e Martin . Siemens .
Uma vez que todos os processos de refino anteriores aos conversores envolviam martelamento repetido ou manuseio de peças de metal, as fábricas que os operavam são chamadas de " forjas ". No XVIII th século, forja são, portanto, plantas onde martelar serve como a refinação do metal na sua disposição . Na época do desaparecimento desses processos de refino de martelagem, o termo “forja” sofreu uma mudança semântica : ele apenas designa a conformação do aço da aciaria.
O termo "siderúrgica" agora permanece diretamente relacionado ao refino de metal fundido. Assim, as fábricas que derretem sucata de ferro em um forno elétrico a arco também são siderúrgicas.
Nas últimas décadas, as ferramentas aumentaram de tamanho para reduzir o impacto econômico das perdas de calor, o consumo de materiais refratários e o custo da mão de obra. Desde a generalização dos conversores de oxigênio e lingotamento contínuo no final da década de 1970, o progresso tem se concentrado principalmente no controle de custos (não qualidade, falta de confiabilidade, dosagem , consumo de aditivos de liga ...) e maior flexibilidade (adaptação ao preço da sucata , energia, produção de novas ligas, etc.)
No caso de uma produção de aço a partir de ferro fundido líquido, geralmente temos as ferramentas:
Se o aço for obtido a partir de sucata reciclada, as ferramentas de dessulfurização e descarburação são substituídas por um forno elétrico de fusão que despejará o aço líquido nos bolsos de aço.
Sendo algumas ligas incompatíveis com a solidificação por fundição contínua, a fundição de lingotes é então praticada .
Os principais produtos utilizados por uma usina siderúrgica são:
Normalmente encontrado lá:
A dessulfurização é às vezes considerada uma oficina dependente de altos-fornos . Na verdade, a reação química sendo mais eficiente em baixa temperatura, é realizada em ferro fundido líquido, que é menos quente do que o aço líquido. No entanto, é comum realizar dessulfurização adicional na oficina de metalurgia de bolso .
O papel essencial do conversor é queimar o carbono do ferro fundido para chegar a um aço líquido. Mas uma série de reações químicas ocorrem sucessivamente neste reator:
O fósforo e o manganês vêm do minério de ferro . O abandono dos minérios de fósforo (como Minette Lorraine ) reduziu a importância da desfosforização sem fazê-la desaparecer. O manganês é apreciado como elemento de liga (sua presença explica a qualidade de certos aços históricos): sua combustão deve ser evitada.
Conversor de oxigênioAs duas primeiras reações de combustão em um conversor são combustões muito exotérmicas. Historicamente, o oxigênio vinha do ar soprado na base dos conversores Bessemer e Thomas . Mas o grande volume de nitrogênio que também foi soprado resfriou o aço.
Para evitar a adição de nitrogênio, um elemento fragilizador, os conversores de oxigênio puro foram desenvolvidos na década de 1970. O calor da combustão do silício e do carbono levou à adição de sucata como elemento de resfriamento. O baixo custo da sucata, que pode representar um quarto da carga do conversor, também possibilita a redução do preço final do aço produzido. Esta inovação fez com que os fornos de reverberação inventados por Carl Wilhelm Siemens e Pierre-Émile Martin desaparecessem .
Forno elétricoSurgida na década de 1960, a produção de aço a partir de sucata recuperada fundida em um forno elétrico foi apresentada como um modelo técnico-econômico pela Nucor nos Estados Unidos . Uma cesta coberta com tijolos refratários é preenchida com sucata, que é fundida novamente por meio de um poderoso arco elétrico. O arco é gerado por 3 eletrodos de grafite alimentados com corrente alternada ou, às vezes, por um único eletrodo operando com corrente contínua.
Vantagens :
Desvantagens :
A metalurgia do aço líquido surgiu quando fomos capazes de eliminar o fósforo presente no minério de ferro, soprando aço na presença de cal nos conversores Thomas
A metalurgia em bolsão ou metalurgia secundária (de) surgiu quando as ligas se desenvolveram tornando-se muito complexas para serem executadas em um único reator, o conversor. A produção do aço líquido é finalizada depois de despejado do conversor (ou do forno elétrico) na panela. O objetivo é então:
Vimos que a escória pode remover o enxofre do ferro fundido. No conversor, uma escória rica em cal também remove o fósforo . Nestes casos, a escória é isolada da superfície do banho após a conclusão da reação química metal líquido - escória.
A escória também pode absorver as inclusões de óxidos dissolvidos no metal, geralmente resultantes de sedimentação. Para isso, é imprescindível controlar sua composição, de forma a torná-lo reativo. Um alto teor de cal, por exemplo, torna a escória básica, o que é favorável em relação às inclusões de alumina. Porém, esta escória deve proteger também os tijolos refratários ... o ajuste das escórias é, portanto, um compromisso.
Alguns óxidos de escória, como FeO, podem oxidar adições de ligas como titânio , alumínio , boro ... Nesse caso, esses elementos de liga são consumidos e, portanto, perdidos, antes de chegar ao metal líquido. Demasiada escória, ou oxidação de escória mal controlada é, portanto, proibitivo neste caso.
As ferramentas associadas ao tratamento da escória geralmente consistem em um "ancinho" para "escovar" a escória que flutua no aço líquido. Os funis permitem a adição de produtos destinados a constituir ou corrigir a escória.
Ferramentas de vácuoÀs vezes falamos de desgaseificação, o comportamento do aço líquido no vácuo sendo então semelhante ao de uma garrafa de bebida gaseificada repentinamente aberta. Além da expulsão dos gases dissolvidos, a passagem para o vácuo favorece os equilíbrios químicos ligados à dessulfurização, descarbonetação ... Duas ferramentas são geralmente utilizadas para passar aço líquido sob vácuo (valor que pode ser inferior a 1 mbar):
Essas duas instalações às vezes são equipadas com uma lança de oxigênio destinada ao reaquecimento do aço por aluminotermia (processo de sopro de oxigênio ).
Estação de fabricação de cerveja e sombreamentoO sombreamento (adição de elementos de liga) pode ser feito no conversor, uma vez concluído o ciclo de descarbonetação. Dada a variedade de tipos de aço a serem produzidos e as restrições relacionadas à dissolução de elementos de liga, essa prática tende a desaparecer. Geralmente, a gradação do aço líquido é feita com ferramentas específicas, em várias etapas:
A ordem acima é geralmente respeitada. Deve ser entendido, entretanto, que a sedimentação só é realmente necessária se o aço for solidificado por meio de lingotamento contínuo . A fundição do lingote permite a solidificação do aço de borda, o aço efervescente , livre de impurezas, pois os óxidos gerados pela calmagem não flutuam para toda a escória. Além disso, a solidificação induz a desgaseificação do oxigênio dissolvido que, à medida que sobe à superfície, limpa e agita o aço ainda líquido.
Também é possível passar por uma ferramenta de vácuo . Se o papel desta ferramenta é aperfeiçoar a descarburação iniciada no conversor, esta etapa deve ser realizada antes da decantação. Se o objetivo for desidrogenação ou desnitretação , esta etapa ocorrerá assim que a composição química final for atingida.
A mistura é feita assim que adicionamos os elementos de liga . Pode ser pneumático: o argônio é então injetado com uma lança submersa, ou através dos tijolos refratários que revestem a bolsa. A agitação também pode ser eletromagnética.
O papel da escória nunca deve ser negligenciado durante a fase de adição dos elementos de liga. Na verdade, ele pode interromper a operação:
A fundição contínua normalmente requer temperaturas do aço de cerca de 30 ° C acima da liga liquidus . Os meios de aquecimento são o forno elétrico de bolso ou um processo químico, como a aluminotermia . Também é possível trabalhar muito quente o tempo todo, de modo que você só resfrie à temperatura certa no último momento.
Caixa de aços inoxidáveisOs aços inoxidáveis possuem alto teor de cromo e níquel e baixíssimo teor de carbono (menos de 100 mil), o que eleva significativamente a temperatura liquidus do aço fundido (além de 1700 ° C ). Os melhores balanços químicos de escória de metal requerem temperaturas ainda mais altas do que os tijolos refratários não podem suportar. Por isso trabalhamos com escórias muito carregadas de óxidos de cromo, que são reprocessadas e reaproveitadas.
A fundição contínua é a ferramenta para solidificar o metal. O bolso de aço é colocado em uma plataforma giratória, que possui dois braços, para acomodar dois bolsos e, portanto, flui continuamente. O metal flui através do canal de fundição para um distribuidor que o distribuirá em duas linhas de fundição. Ao sair do distribuidor, o metal chega na lingoteira que lhe dará sua forma final ( placa , bloco , tarugo , etc.) por meio do resfriamento com água. No final da linha, a placa é cortada no comprimento desejado por corte à chama e, em seguida, prossegue para a laminação .
Fundição de lingoteA fundição de lingotes é o ancestral da fundição contínua. Quase não é mais usado, exceto para peças avulsas (forjamento livre).
Embora não seja muito poluente (especialmente se comparada à coqueria e à planta de aglomeração, que são frequentemente associadas a siderúrgicas de conversão), uma siderúrgica moderna gera freqüentes nuvens de "fumaça vermelha", poeira de óxidos de ferro. , Particularmente visíveis e confusas. Na década de 1970, o abandono dos conversores Thomas (que gera 3 vezes mais fumaça do que o de oxigênio) e Martin (que deve ser aquecido pela combustão de um gás) em favor dos conversores de oxigênio equipados com recuperação de fumos para fazer gás, foi um progresso significativo. Da mesma forma, o pó de fornos elétricos tornou-se sistemático.