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Carbeto de cálcio para dessulfurização do aço: como um tamanho de partícula de 2 a 10 mm pode melhorar a eficiência da dessulfurização?
2026-01-13
Observar a formação de escória na superfície do aço fundido durante a metalurgia em panela é um belo espetáculo que sinaliza progresso. Significa que a camada de refino sintético se formou e a limpeza do aço já começou. No entanto, a espessa camada que absorve impurezas e impede o contato entre o aço e o oxigênio também atua como uma barreira física, impedindo que o dessulfurizador ( carbeto de cálcio ) alcance o aço fundido abaixo. É aí que o tamanho das partículas de carbeto de cálcio se torna essencial!
A remoção do enxofre do aço é uma etapa crítica do refino secundário. Ela garante que o aço formado seja usinável e apresente impurezas mínimas. A adição de CaC₂ é uma técnica relativamente consolidada, que remonta à década de 1970. No entanto, o uso de partículas de tamanho reduzido continua sendo a principal estratégia para o controle.
Neste artigo, exploraremos como o tamanho das partículas de carboneto de cálcio (2-10 mm) afeta o processo de dessulfurização. Analisaremos também sua eficácia, segurança e aspectos relacionados a custos. Ao final, o leitor terá uma ideia clara do tamanho ideal de partícula para o seu processo de dessulfurização do aço. Comecemos pelo básico: por que o enxofre é removido do aço.
Informações básicas sobre o enxofre no aço
A fonte de enxofre no aço geralmente provém das matérias-primas, como minério de ferro, sucata de aço ou ferroligas. O metal fundido conterá enxofre proveniente dessas fontes. Esse enxofre precisa ser removido para garantir que as propriedades mecânicas do aço permaneçam intactas. Normalmente, a produção de um alto-forno contém100-800 ppm de enxofre, que precisa ser reduzido para 35-10 ppm, dependendo dos requisitos do processo.
A necessidade de dessulfurização
O aço de alta qualidade com baixo teor de enxofre também é chamado de “aço limpo”. O produto dos fornos elétricos a arco (FEA) e dos fornos de oxigênio básico (BOF) deve passar por um processo metalúrgico secundário para melhorar seus níveis de pureza. Aqui estão os principais motivos pelos quais o aço precisa passar por dessulfurização:
● Fragilidade a Quente: O ferro presente no aço reage com o enxofre para formar FeS. O sulfeto de ferro tem um baixo ponto de fusão de 988 °C, o que afeta a usinabilidade do aço, principalmente durante a laminação a quente e o forjamento. O FeS funde, enfraquecendo o aço e tornando-o quebradiço e propenso a fissuras.
● Baixa soldabilidade: Durante a soldagem, o calor intenso faz com que o metal derreta. A parte boa solidifica, formando tensões internas de tração. Embora o FeS permaneça líquido por um período, as tensões tornam-se insuportáveis, levando a uma trinca de solidificação ou ruptura a quente.
● Resistência à corrosão: Pequenos orifícios profundos podem se formar na superfície, pois o enxofre reduz a resistência à corrosão do aço.
●SO 2. Emissões: A remoção do enxofre ajuda a manter as emissões de dióxido de enxofre dentro da faixa permitida. Isso é fundamental para garantir a conformidade com as rigorosas regulamentações atmosféricas que normalmente exigem 20 mg/ m³.
● Subproduto de reciclagem: A adição de CaC 2 causa a formação de escória de carboneto, que é reciclável, garantindo a sustentabilidade (Qi et al., 2022)
A ciência por trás da dessulfurização do carboneto de cálcio
Antes de analisarmos o impacto do tamanho das partículas de carboneto de cálcio ( CaC₂ ) na dessulfurização, vamos entender como o processo funciona. Abordaremos o impacto do tamanho do carboneto de cálcio e como ele potencializa esses mecanismos em uma seção posterior.
Mecanismo de reação
A reação principal que resulta na formação da gota de aço fundido na superfície do metal é:
CaC₂ + S → CaS + 2C
O carboneto de cálcio reage com o enxofre para formar sulfeto de cálcio, liberando carbono no aço. O CaS é insolúvel, portanto flutua para a superfície do aço fundido, podendo ser removido facilmente após um tempo adequado.
Efeito dos parâmetros do processo
Qualidade do reagente
● Pureza do reagente: É simples. Um CaC₂ puro resultará em uma reação mais forte. Um carbeto de cálcio com pureza superior a 63-68% e baixos níveis de Si (<2%) e P (<0,02%) garantem reação máxima e baixa contaminação.
● Taxa de fluxo do reagente: Controlar a adição do reagente é necessário para atingir altas taxas de remoção. 200-300 g/min é considerado o ideal.
Fatores Químicos
● Estado de desoxidação: Para evitar que o CaC₂ seja consumido pelo oxigênio, o aço fundido deve ser mantido em um estado com baixo teor de oxigênio.
● Tempo de incubação: O carbeto de cálcio não reage imediatamente. É necessário um período inicial de incubação de 20 a 40 segundos antes que a cinética da reação se inicie.
● Etapa limitante da velocidade: A difusão do enxofre para o CaC₂ é a etapa limitante da velocidade no processo.
● Temperatura: O efeito é mínimo, com 3% acima de 100 °C. Portanto, concentrar-se em outras áreas, como a mistura, é fundamental.
Aspectos mecânicos
● Razão de penetração (β): A eficiência da reação depende da razão de penetração, que é a relação entre o fluxo de gás (para agitação) e o fluxo de reagente (para injeção).
● Variante do processo: A escolha entre o pré-tratamento do metal líquido e o refino em forno de panela determina o resultado final.
● Mistura/Agitação: A configuração dos sistemas de injeção de reagentes, como sistemas de lança dupla, e o nível de agitação com gás inerte determinam o contato do enxofre com o carboneto de cálcio.
O impacto do tamanho das partículas de 2 a 10 mm na dessulfurização
Após aprendermos tudo sobre o processo de dessulfurização e os impactos de vários parâmetros em sua eficiência, podemos passar para a parte mais crítica da nossa discussão, ou seja, o impacto do tamanho das partículas de carboneto de cálcio na eficiência da dessulfurização. Em processos de alta produtividade, o tamanho ideal das partículas é de 2 a 10 mm.
Cinética e reatividade sustentada
Analisaremos como o aumento da área de superfície reativa afeta a cinética geral da reação. O carboneto de cálcio deve permanecer estável no metal fundido durante todo o processo. A faixa de 2 a 10 mm é crucial para a eficiência.
● Taxa de reação sustentada
Embora a redução do carboneto de cálcio a pó para adição ao aço fundido possa levar à reação mais rápida, o efeito desaparece rapidamente. O tamanho de 2 a 10 mm proporciona um diâmetro de transferência de massa sustentado e eficaz, garantindo uma reação confiável durante todo o tempo de refino. (Coudure & Irons, 1994).
● Evitando a desaceleração química
A área superficial moderada das partículas de 2 a 10 mm limita a formação rápida de uma camada de sulfeto de cálcio (CaS) que "sufoca" as partículas ultrafinas em segundos (Chiang et al., 1990). Esse crescimento mais lento da camada garante que o núcleo de carboneto continue a reagir efetivamente, seguindo uma cinética de difusão previsível.
Utilização e Controle Físico
A robustez física das partículas de carboneto de cálcio de 2 a 10 mm resulta em uma utilização superior do material, ao contrário da poeira.
Alta taxa de utilização
Partículas na faixa de 2 a 10 mm atingem uma utilização de reagente de 55 a 75%, em comparação com apenas 40 a 55% para poeira <1 mm. Isso ocorre porque menos partículas são imediatamente expelidas pelo gás de arraste (Coudure & Irons, 1994).
Excelente taxa de penetração ( β )
Em taxas de injeção típicas, a taxa de penetração β atinge 25–35% — significativamente maior do que para pós finos. A maior massa dessas partículas ajuda-as a resistir ao arraste pelas bolhas de gás e garante que penetrem profundamente no metal fundido.
Tempo de residência suficiente
Embora o tempo de residência na pluma de injeção seja curto (0,8 a 3 segundos), bilhões de partículas são injetadas, proporcionando exposição cumulativa suficiente para 75 a 90% de dessulfurização em 180 a 240 segundos (Guo et al., 2023).
Resultados previsíveis
O controle rigoroso do tamanho das partículas (mais de 90% dentro da especificação) garante valores de K e β repetíveis em todas as etapas, tornando a reação mais fácil de controlar e os resultados altamente previsíveis.
Vantagens de usar partículas com tamanho entre 2 e 10 mm.
Reação otimizada Equilibra a área de superfície para uma cinética eficaz, ao mesmo tempo que impede a formação rápida da camada de CaS, prolongando assim a reação. | Melhor Penetração A alta taxa de penetração (β=25-35%) no transporte pneumático garante um contato profundo, resultando em ganhos substanciais de dessulfurização por adição de reagente. |
Mistura aprimorada Os grânulos permitem uma agitação e circulação eficientes com borbulhamento de gás, reduzindo as "zonas mortas" inertes e maximizando a difusão do enxofre. | Maior segurança Reduz significativamente o risco de explosão de gás acetileno devido à exposição à umidade, em comparação com pós finos, pulverulentos e altamente reativos. |
Eficiência do processo O controle preciso do tamanho das partículas proporciona constantes de taxa K e penetração repetíveis, garantindo resultados altamente previsíveis e eficiência do processo. | Facilidade de manuseio Os grânulos são menos abrasivos, permitindo taxas de fluxo mais estáveis e elevadas, além de proteger equipamentos como lanças de injeção contra o desgaste. |
Reduzir o custo dos reagentes A melhor utilização e a redução das perdas levam a uma diminuição estimada de 25% no consumo de reagentes em comparação com os métodos que utilizam pó de tamanho micrométrico. | |
Estudo de caso: Exemplo de TYWH
O grânulo com granulometria de 2 a 10 mm é um produto comercial de sucesso, com grandes produtores como a TYWH especializados em sua produção e exportação global. A TYWH possui capacidade de produção anual de 120.000 toneladas e exporta para todo o mundo grânulos especializados de 2 a 4 mm e de 4 a 7 mm. Esses produtos apresentam alta consistência granulométrica (mais de 90% de produtos qualificados) e são embalados com segurança em tambores N₂ para garantir a qualidade e a segurança.
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Conclusão
Em resumo, podemos concluir que a otimização do tamanho das partículas de carboneto de cálcio resulta em alta utilização, melhor penetração e uma reação otimizada e sustentada por um período mais longo. Isso leva a um menor custo de reagentes e maior segurança, reduzindo os riscos de explosão e garantindo resultados previsíveis.
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