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Seleção do agente dessulfurizante para aço: carboneto de cálcio vs. à base de magnésio vs. cal – qual oferece o menor custo total?
2026-01-12
Os principais fatores que impulsionam a dessulfurização do metal líquido (HMD) do aço são as tendências ambientais e de materiais. A meta de sustentabilidade estabelecida por agências ambientais exige a redução das emissões de CO2 dos processos de fabricação de aço. Isso resultará na dependência de sucata metálica, que normalmente apresenta níveis mais elevados de impurezas, como enxofre e fósforo.
Haverá um aumento na demanda por dessulfurização quando a sucata metálica for utilizada como matéria-prima, o que nos leva à questão principal: qual agente dessulfurizante — carbeto de cálcio , magnésio ou cal — oferece o menor custo total? A análise requer a avaliação das reações do carbeto de cálcio, do magnésio e da cal com o enxofre e outras impurezas presentes no aço. Comparar simplesmente o preço de custo não é a maneira correta de avaliar sua viabilidade econômica.
Este artigo explora os mecanismos e processos de dessulfurização, comparando os reagentes disponíveis para o aprimoramento do aço. Além disso, apresentaremos os dados de desempenho de cada material. Por fim, realizaremos uma análise de custos abrangente. Vamos começar pelo básico.
Por que removemos o enxofre do aço?
A presença de enxofre no aço altera suas características físicas. Trata-se de uma impureza no aço que, após sua remoção, resulta em "aço limpo". Problemas como fragilidade a quente, baixa soldabilidade, redução da resistência à corrosão e emissões de SO₂ decorrem da presença de enxofre no aço. Portanto, podemos utilizar diferentes mecanismos e reagentes para remover esse elemento indesejado.
Mecanismos de dessulfurização e configurações de processo
Princípio da Dessulfurização
Nosso objetivo é garantir a remoção eficiente do enxofre do metal fundido, que normalmente se encontra em níveis de 0,02% a 0,06% em peso. A adição de reagentes fará com que as impurezas se acumulem na superfície como escória, que pode ser facilmente removida, ou escapem da mistura na forma gasosa.
Os principais parâmetros a serem considerados no processo de dessulfurização são a porcentagem removida (eficiência), a capacidade de retenção de sulfeto e a transferência de massa entre o reagente e o metal. Cada tipo de escória terá uma capacidade de retenção de sulfeto diferente, que é a capacidade da escória de reter enxofre. A velocidade intrínseca de movimentação do enxofre é sua taxa de difusão, que é de aproximadamente 1,2 x 10⁻¹⁰ m⁻¹.-8 m² / s a 1350 °C.
Reações Químicas
Cal (CaO)
CaO + [S] → CaS + [O]
A cal reage com o metal fundido para formar sulfeto de cálcio e liberar oxigênio. No entanto, o processo é lento porque se forma uma camada densa (por exemplo, 2CaO.SiO₂ ) que impede a continuação da reação. Não há benefícios adicionais em adicionar cal ao metal fundido.
Carbeto de cálcio (CaC 2 )
CaC 2 + [S] → CaS + 2[C]
Quando o carboneto de cálcio reage com o enxofre, forma sulfeto de cálcio, semelhante à cal. No entanto, produz carbono, que forma uma camada de grafite ao redor da partícula. O processo limita a difusão, que pode ser controlada pelo tamanho das partículas. Uma vantagem adicional do carboneto de cálcio é o calor liberado, que ajuda a manter a temperatura do metal fundido.
Magnésio (Mg)
Mg + [S] → MgS ( sólido )
A reação entre magnésio e enxofre é muito mais rápida do que as outras duas reações. O magnésio vaporiza ao reagir a 1090 °C. Os compostos de enxofre nucleiam na fase gasosa. Isso adiciona calor ao metal fundido e minimiza a produção de escória.
Dados de desempenho e eficiência
● Magnésio (Mg): Oferece a maior eficiência, removendo de 85% a 95% do enxofre em menos de 5 minutos.
● Carbeto de cálcio (CaC₂ )): Partículas de carbeto de cálcio podem atingir uma remoção de 65 a 90%. No entanto, o resultado é sensível ao tamanho das partículas. O uso de partículas de 11,8 µm pode elevar a remoção para 90%.
● Cal (KR): Menor eficiência, removendo de 50 a 70% em 10 a 20 minutos.
As partículas do reagente permanecem em contato com o metal por um período muito curto — cerca de 0,4 segundos — quando injetadas como pó no metal fundido usando uma lança submersa. No outro caso, com a adição de carboneto de cálcio em partículas de 2 a 10 mm, o tempo aumenta para 20 a 40 segundos. Para fins de comparação, consideraremos a forma de pó em todos os casos. A taxa de penetração (β), que se refere à profundidade de injeção do reagente, é tipicamente de 23 a 29%.
Processos de dessulfurização
● KR (Reator Kanbara)
Utiliza cal com um impulsor giratório a 100 rpm para mistura (10-20 min). Resulta em alta quantidade de escória, mas tem baixo custo de reagentes. O processo é controlado para garantir a basicidade da mistura e limitar a perda de ferro devido à perda de sólidos.
● MMI (Mono-injeção de magnésio)
Grânulos de magnésio foram injetados (em menos de 5 minutos). A reação é rápida devido à temperatura de 1090 °C (vapor). Todo o processo produz pouca escória. A principal desvantagem do MMI é a revulcanização, ou seja, a reabsorção de enxofre pelo metal fundido.
● Co-injeção
O processo utiliza misturas de magnésio e cal. A mistura, em forma de pó, é injetada no metal fundido utilizando um gás inerte, como o nitrogênio, para melhorar a mistura. O gás melhora a mistura formando bolhas.
● Co-injeção com concha torpedo
A panela torpedo é a panela de transporte que leva o metal quente do alto-forno para a siderúrgica. Ela utiliza uma mistura de carboneto de cálcio e cal para co-injetar, com um gás inerte, no metal fundido para homogeneização. Isso remove o enxofre do metal. A reação exotérmica reduz a queda de temperatura.
Características detalhadas do reagente e manuseio
Aqui estão os perfis dos três reagentes de dessulfurização convertidos em tópicos:
1. Perfil de Cal (CaO)
● Custo e uso: Reagente mais barato (US$ 150/ton) e também o principal agente no processo KR.
● Desvantagens: Causa uma perda significativa de ferro de 0,5 a 2,5% devido à formação de escória espessa.
● Cinética: Reação lenta, limitada por camadas como 2CaO.SiO 2 .
● Desempenho: Embora 50-70% seja um valor base para processos simples de CaO, a metalurgia moderna e otimizada em panela, como o processo KR com forte agitação e fluxo, atinge rotineiramente altas taxas de dessulfurização, frequentemente acima de 90% a partir dos níveis iniciais de enxofre no metal líquido.
2. Perfil do Carbeto de Cálcio ( CaC₂ )
● Custo e Uso: Utilizado em misturas de co-injeção com boa relação custo-benefício ( US$ 380/tonelada).).
● Cinética: A remoção é limitada pela formação de uma camada de grafite ao redor das partículas. É altamente eficiente com a seleção adequada do tamanho das partículas. O tamanho de partícula mais favorável e econômico é de 2 a 10 mm, que se deposita no fundo da panela.
● Segurança: O principal risco é a reação violenta com a água (formando acetileno).
3. Perfil de Magnésio (Mg)
● Custo e uso: Reagente mais caro (US$ 2.270/ton) . Utilizado para atingir níveis ultrabaixos de enxofre (abaixo de 10 ppm) no processo MMI.
● Cinética: Agente mais rápido, alcançando taxas de remoção mais elevadas.
● Perdas: Causa perda mínima de escória/ferro, mas é altamente suscetível à perda de reagentes devido à ebulição.
● Limitação: A eficiência diminui em metais com alto teor de carbono (ex.: HIsarna) porque o grafite bloqueia a reação.
Métrica | Lima | Carbeto de cálcio | Magnésio |
Remoção % | 50-70 | 65-90 (multa de 90) | 85-95 |
Tempo em minutos | 10-20 | 5-12 | menores de 5 anos |
Escória kg por tonelada | 10-15 | 8-12 | menores de 5 anos |
Percentual de ferro perdido | 2-3 | menos de 1 | menos de 1 |
Queda de temperatura °C | 25-40 | 15-25 | adiciona calor |
Teor final de enxofre em partes por milhão (a partir de 400) | 100-200 | 10-50 | menores de 10 |
Análise de custos
Como mencionado anteriormente, a análise dos reagentes exige a comparação de preços, taxas de consumo e penalidades do processo, como perda de ferro e perda de energia, para cada método. Comparar apenas o custo inicial pode ser enganoso. Aqui, realizaremos uma análise de custos de cal, magnésio e carboneto de cálcio em diferentes processos. Utilizaremos a análise de custos feita por Schrama, FNH (2021) em “Dessulfurização na siderurgia do século XXI” e os preços mais recentes referentes ao terceiro trimestre de 2025. Antes de prosseguir, consulte a seguinte nota:
Nota sobre o modelo de custos e as fontes de dados:
Os dados de consumo, valores de perda de ferro, penalidades de temperatura e custos de desgaste/N₂ foram retirados diretamente de Schrama, FNH (2021) – Dessulfurização na siderurgia do século XXI, TU Delft. A maioria dos dados industriais da tese provém da Tata Steel IJmuiden (condições operacionais de 2017–2020).
Os custos reais em outras usinas variam dependendo da composição local do ferro-gusa, do projeto do equipamento, da qualidade dos reagentes, dos custos de mão de obra e dos preços da energia. A classificação relativa (Mg mais barato → Co-injeção → CaC₂ + cal → KR-cal mais caro) e a magnitude das penalidades foram confirmadas em diversas siderúrgicas integradas europeias e asiáticas, mas os valores absolutos de $/tHM devem ser considerados indicativos e não universalmente aplicáveis.
Preços (somente para o Grupo IMARC):
● Cal: US$ 150/MT (Relatório de Cal Viva, 3º trimestre de 2025)
● Carbeto de cálcio: US$ 380/MT (Relatório de Carbeto de Cálcio, outubro de 2025)
● Magnésio: US$ 2.270/MT (Relatório de Magnésio, 3º trimestre de 2025)
Consumo de reagentes de Schrama (2021), Capítulo 8.4.2, 8.5.1:
Processo | Cal (kg/tHM) | CaC 2 (kg/tHM) | Mg (kg/tHM) |
KR-Lima | 12–15 | — | — |
MMI-Mg | — | — | 0,6–0,8 |
Co-injeção (Mg+Cal) | 4–5 | — | 0,3–0,4 |
Mistura de CaC₂ + Cal | 4–6 | 6–8 | — |
Fatores de penalidade de Schrama (2021):
Fator | Valor | Fonte |
Perda de ferro (KR-Cal) | 25 kg/tHM | Capítulo 3, pág. 61 |
Perda de ferro (outros) | 8 kg/tHM | Capítulo 3, pág. 62 |
Queda de temperatura (Lima) | 30°C | Capítulo 2, pág. 30 |
Queda de temperatura (CaC 2 ) | 15°C | Capítulo 2, pág. 30 |
Queda de temperatura (Mg) | 0°C líquido | Capítulo 2, pág. 30 |
Preço do ferro | $420/MT | Capítulo 8, pág. 164 |
Custo temporário | $0,045/°C | Capítulo 8, pág. 165 |
N 2 + desgaste (KR) | US$ 1,25/tHM | Capítulo 8, pág. 165 |
N 2 + desgaste (MMI/Co-inj) | US$ 0,55–0,80/tHM | Capítulo 8, pág. 166 |
Cálculo de custos passo a passo (por tHM)
Processo | Custo do reagente | Perda de ferro | Temp | Desgaste/N 2 | Meio ambiente | TOTAL |
KR-Lima | 13,5 kg x $150/1000 = $2,04 | 25 kg x $0,42 = $10,50 | $30°C x $0,045 = $1,35 | $1.25 | $0.25 | $15.39 |
MMI-Mg | 0,7 kg x $ 2.270/1000 = $ 1,59 | 8 kg x $0,42 = $3,36 | $0.00 | $0.55 | $0.15 | $5.65 |
Co-injeção (Mg+Cal) | (4,5 kg x $150,67 + 0,35 kg x $2.270)/1000 = $1,47 | $3.36 | 10°C x 0,045 = 0,45 | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
Mistura de CaC₂ + Cal | (5 kg x $150,67 + 7 kg x $380)/1000 = $3,41 | $3.36 | 15°C x 0,045 = 0,68 | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
Tabela Resumo de Custos de 2025 (IMARC + Schrama apenas)
Processo/Agente | Reagente | Perda de ferro | Temp | Desgaste/N 2 | Meio ambiente | Total ($/tHM) |
KR-Lima | $2.04 | $10.50 | $1.35 | $1.25 | $0.25 | $15.39 |
MMI-Mg | $1.59 | $3.36 | $0.00 | $0.55 | $0.15 | $5.65 |
Co-injeção (Mg+Cal) | $1.47 | $3.36 | $0.45 | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
Mistura de CaC 2 + Cal (Torpedo) | $3.41 | $3.36 | $0.68 | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
Economia CHMD (Contínua)
Schrama (2021), Capítulo 8, p. 167:
“A dessulfurização contínua reduz o consumo de reagentes em 10 a 15%, a perda de ferro em 50% e o desgaste em 20%.”
Processo | Custo do lote | Custo do CHMD | Poupança |
CaC 2 + Cal (Torpedo → CHMD) | $8.75 | $7.44 | -15% |
Co-injeção de Mg + Cal | $6.23 | $5.30 | -15% |
Veredicto final – apenas IMARC + Schrama
Agente | Classificação de custo | Total ($/tHM) | Ideal para |
MMI-Mg | 1º | $5.65 | S ultrabaixo, velocidade |
Co-injeção (Mg+Cal) | 2º | $6.23 | Equilíbrio entre custo e desempenho |
CaC 2 +Cal (CHMD) | 3º | $7.44 | Remoção de P, HIsarna, calor, fluxo contínuo |
CaC 2 + Cal (Torpedo) | 4º | $8.75 | Metal quente de alta pressão em um torpedo em lote |
KR-Lima | 5º | $15.39 | Somente se não houver lança de injeção |
O processo de co-injeção utilizando CaC 2 + Cal (CHMD), com um custo inicial de US$ 380/MT, oferece um preço competitivo em relação ao magnésio.
Conclusão: Decisão para escolha com custo otimizado
Após uma análise minuciosa dos três reagentes, concluímos que o carboneto de cálcio e o magnésio são os mais econômicos. No entanto, o custo total do agente MMI-magnésio é estimado em US$ 5,65 por tonelada de aço. O menor custo inicial torna o carboneto de cálcio uma ótima opção, custando apenas US$ 1,8 a US$ 3 a mais por tonelada de metal pesado (tHM) do que o processo MMI-Mg.
A utilização de magnésio apresenta desafios, como seu baixo ponto de ebulição (1090 °C), que pode causar vaporização e emissão de gases, representando riscos à segurança. Em comparação, o uso de carboneto de cálcio oferece a vantagem adicional de fortalecer ainda mais o aço e prevenir a fragilidade. O carboneto de cálcio é um material denso, mais seguro e fácil de controlar. Além disso, possui um volume de escória menor do que o do magnésio puro utilizado como reagente.
A utilização de carboneto de cálcio ( CaC₂ ) é a escolha ideal para a indústria. Apresenta menores riscos e baixo custo inicial. A destilação hidrotérmica contínua (CHMD) com reatores em série é o caminho a seguir. Prevê-se que reduza os custos operacionais totais em 10 a 15% em comparação com os processos em batelada, devido ao menor consumo de reagentes e à minimização da perda de ferro (<1%).
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