Proteção do refratário do convertedor através da composição química da escória

O consumo de refratário na produção de aço é parte significativa no custo de produção. Assim, é usual no BOF empregar os processos de slag splashing e slag coating, pós vazamento do aço, utilizando escória na formação de uma camada de sacrifício sobre o refratário de MgO-C, a custo inferior a troca dos refratários e prolongando a vida útil do revestimento do BOF.

O slag splashing visa a proteção do revestimento como um todo, projetando a mistura escória-adições com o uso de sopro de nitrogênio pela lança do conversor. Enquanto o slag coating busca proteger principalmente o fundo do convertedor e as ventaneiras do sopro combinado, empregando o basculamento parcial do conversor. Desta forma é necessário adequar a escória para que a camada formada resista a temperatura e condições do processo, mas que também seja compatível e aderente com o revestimento do refratário. Assim, é necessário a produção, dentro do BOF, de misturas de óxidos adequadas quimicamente entre a escória do final de sopro e adições ricas em CaO e MgO e o uso de técnicas de projeção que levem esta mistura a aderir as posições do BOF a serem protegidas. Também é necessário que a mistura tenha propriedades físicas adequadas a sua projeção ou distribuição sobre o fundo do forno pelo basculamento.

 Uma das características importantes no processo de distribuição e aderência da mistura sobre os refratários é sua viscosidade. A viscosidade aparente de uma mistura de óxidos depende da composição química do líquido, da temperatura e da fração sólida. Com base em estudos observacionais foi determinado que uma escória com cerca de 20% de partículas sólidas proporcionaria a realização de um slag coating eficiente. Outra maneira de avaliar a qualidade da escória é a temperatura liquidus da escória. Quanto maior em relação a temperatura de trabalho do BOF maior a resistência da camada de sacrifício formada sob o refratário.

A compatibilidade química do revestimento formado pela projeção dependerá de quais fases sólidas estarão presentes na mistura entre escória e as adições de ajuste, após vazamento do aço, e da composição do líquido que promoverá sua adesão a parede. As escórias dos conversores a oxigênio são compostas, majoritariamente, por composições no sistema CaO-SiO2-MgO-FeO, ricas em FeO no início do sopro principalmente. A análise das fases sólidas presentes neste sistema é útil para a escolha das melhores composições. Avaliando-se os sistemas binários que compõe este sistema é possível verificar quais são as fases de alto ponto de fusão e potencial compatibilidade com escória e/ou gusa líquido. No sistema CaO-SiO2, além da CaO e do SiO2 existem duas fases com alto ponto de fusão: C3S e C2S, com 2050°C e 2130°C respectivamente. Estas fases não têm, entretanto, boa resistência ao FeO (quanto maior o teor de FeO na escória, menor a temperatura liquidus da mistura). Assim, a introdução de aditivos ricos apenas em CaO não parece adequada para o tratamento de proteção do revestimento refratário no BOF.

No sistema MgO-FeO, além do MgO, existe uma solução sólida continua entre os dois óxidos, a fase magnésio-wustita. A temperatura liquidus da fase magnésio-wustita diminui com o aumento do teor de FeO. A camada de sólido intermediário formado sobre o refratário é maior para as escórias de mais baixo teor de FeO. Sobre a composições empregadas em slag splashing, contém cerca de 13% de FeO, para garantir adesão aos refratários sem comprometer a refratariedade, e devem ser supersaturadas em MgO, de modo a evitar a formação de compostos a base de CaO, como os silicatos e promover a formação de compostos de MgO e óxido de ferro, com alto ponto de fusão.  

Para a adição de MgO, normalmente se dispõem de cal dolomítica (58%CaO e 35%MgO) e dolomita crua (35% CaO e 17% MgO). O ideal, do ponto de vista de qualidade da mistura, seria a adição de materiais composto prioritariamente de MgO, contundo está prática nem sempre é viável em função de disponibilidade operacional para a adição. O procedimento de adição de material resinados ricos em MgO e concretos, com custos elevados, podem ser empregados em aciarias em casos de alta criticidade no revestimento refratário. O uso de misturas MgO-C também pode ser favorável, assim como tijolos usados desta composição, moídos. Assim o acerto da composição química da mistura a ser usada no slag splashing ou coating através das adições de cal dolomítica ou dolomita crua é crítico para o sucesso destas operações e é bastante complexo, dependendo da composição e peso da escória de fim de sopro, estado do BOF, temperatura de fim de sopro, etc.

Dentre as diversas variáveis importantes para o tratamento adequado do revestimento refratário do conversor duas variáveis são fundamentais: a fração líquida da escória e a fase sólida a ser formada. Modelos formulados, com base nos dados da corrida (composição química e massa do gusa, tipo e massa de sucata, adições de fundentes, refrigerantes e exotérmicos, volume de sopro de oxigênio e composição química do aço) alimenta equações observacionais (regressões) que possibilitam a previsão da composição química da escória. Com os dados gerados, é possível o cálculo da fração líquida da escória ao final de sopro. Os resultados mostram que esta previsão é bastante satisfatória. A partir da fração líquida da escória ao final de sopro e a fração líquida ideal visada, o modelo calcula a perda térmica da escória durante o vazamento e prevê a perda que ocorrerá durante o tratamento. O modelo infere a adição a ser feita para se alcançar a fração líquida e a fase desejada. Apesar dos tratamentos de slag splashing e slag coating serem rotinas tradicionais em diversas BOF, estes procedimentos são tratados como totalmente dependentes da experiência do operador. Através do modelamento matemático é possível reduzir o caráter empírico deste tratamento.