Desfosforação em convertedores do tipo LD : uma análise via termodinâmica computacional e modelagem do processo

Abstract

Atender à demanda por aços de baixo teor de fósforo requer uma abordagem estratégica, equilibrando aspectos técnicos e econômicos. Devido a escassez e o alto preço dos minérios de ferro de alta qualidade, é necessário explorar o uso de matériasprimas de baixa qualidade, com alto teor de fósforo. Neste contexto, a Usiminas busca soluções inovadoras e viáveis para garantir a oferta de aços de alta performance aos seus clientes, mantendo-se competitiva no mercado. Este trabalho teve como objetivo avaliar termodinamicamente o processo de desfosforação nos convertedores LD da Aciaria 2 da Usiminas. Foram realizadas análises a partir de simulações termodinâmicas utilizando o software FactSage, para um banco de dados com informações de 3102 corridas, com o objetivo de investigar as propriedades das escórias ao final do processo de sopro. Adicionalmente, foram avaliados diferentes modelos de partição encontrados na literatura para os dados simulados e, por meio de técnicas de machine learning, foram desenvolvidos modelos preditivos para partição de fósforo e fósforo fim de sopro. Os resultados das simulações revelaram que a fração líquida das escórias esteve entre 78,60% e 100,00%, enquanto a presença de fase sólida foi observada em 99% das corridas, divididas em soluções sólidas ricas em MgO e CaO. Os modelos de literatura analisados apresentaram limitações na determinação da partição de fósforo para o banco de dados industrial estudado, porém podem ser úteis para comparações entre corridas. Em termos termodinâmicos, foram identificadas relações diretas entre a partição de fósforo e variáveis como (%P2O5), basicidade (%CaO/%SiO2) e (%FetO). Por outro lado, (%Al2O3), (%MgO), (%MnO) e a temperatura final de sopro apresentaram relações inversas. Além disso, observou-se que o aumento do teor de MgO resulta na redução do teor de CaO na escória líquida, contribuindo para redução da basicidade e, consequentemente, da partição de fósforo. As simulações termodinâmicas também demonstraram que os convertedores LD operam em condições distantes do equilíbrio termodinâmico, apresentando relação de partição de fósforo média 1,8 vezes maior do que a obtida industrialmente. Deste modo, a cinética das reações de sopro é de caráter fundamental na produção de aços com baixo e ultrabaixo teor de fósforo. Os modelos desenvolvidos apresentaram resultados de previsibilidade razoáveis, dada a complexidade do processo. O modelo para avaliar a partição de fósforo considerou os componentes da escória líquida CaO-SiO2-MgO-FetO-MnO-Al2O3-P2O5 e a temperatura no fim do processo, o erro médio absoluto foi de 18,9% da partição média do banco de dados analisado. Por outro lado, o modelo para determinar o teor de fósforo no aço ao fim do processo levou em consideração as variáveis temperatura fim de sopro, manganês do aço ao fim do processo, oxigênio dissolvido no aço e carbono no aço ao fim do sopro, onde o erro médio absoluto foi de 14,3% do fósforo médio fim de sopro do banco de dados. O presente trabalho buscou fornecer subsídios técnicos à Usiminas, visando aprimorar o processo de desfosforação e contribuir significativamente para a fabricação de aços de baixo e ultrabaixo teor de fósforo nos convertedores do tipo LD.

Meeting the demand for low-phosphorus steel requires a strategic approach, balancing technical and economic aspects. Due to the scarcity and high price of high-quality iron ore, it is necessary to explore the use of low-quality raw materials, with high phosphorus content. In this context, Usiminas is seeking innovative and feasible solutions to ensure the supply of high-performance steels to its customers, while remaining competitive in the market. This work aimed to thermodynamically evaluate the dephosphorization process in the LD converters of of Usiminas' Steelworks 2. Analyses were carried out based on thermodynamic simulations using the FactSage software, for a database with information from 3102 heats, to investigate the properties of the slags at the end of the blowing process. Additionally, different partition models found in the literature were evaluated for the simulated data and, through machine learning techniques, predictive models were developed for partition of phosphorus and end-of-blow phosphorus. The simulation results revealed that the liquid fraction of the slags was between 78.60% and 100.00%, while the presence of a solid phase was observed in 99% of the heats, divided into solid solutions rich in MgO and CaO. The literature models analyzed had limitations in determining the phosphorus partition for the industrial database studied, but they can be useful for comparisons between heats. In thermodynamic terms, direct relationships were identified between the phosphorus partition and variables such as (%P2O5), basicity (%CaO/%SiO2) and (%FetO). On the other hand, (%Al2O3), (%MgO), (%MnO) and the final blowing temperature presented inverse relationships. In addition, it was observed that the increase in MgO content results in a reduction in the CaO content in the liquid slag, contributing to a reduction in basicity and, consequently, in the phosphorus partition. Thermodynamic simulations also demonstrated that LD converters operate under conditions far from thermodynamic equilibrium, presenting a mean phosphorus partition ratio 1.8 times greater than that obtained industrially. Thus, the kinetics of the blowing reactions are fundamental in the production of steels with low and ultra-low phosphorus content. The developed models presented reasonable predictive results, given the complexity of the process. The model for evaluating the phosphorus partition considered the components of the liquid slag CaO-SiO2-MgO-FetO-MnO-Al2O3-P2O5 and the temperature at the end of the process, the mean absolute error was 18.9% of the mean partition of the database analyzed. On the other hand, the model to determine the phosphorus content in the steel at the end of the process took into account the variables end-of-blow temperature, manganese content in the steel at the end of the process, dissolved oxygen in the steel and carbon in the steel at the end of the blow, where the mean absolute error was 14.3% of the mean end-of-blow phosphorus of the database. The present work sought to provide technical support to Usiminas, aiming to improve the dephosphorization process and contribute significantly to the production of low- and ultra-low phosphorus steels in LD converters.