LIMA
COLEÇÃO DE LIVROS
Ao longo dessa trajetória, ele enfrentou desafios de diferentes dimensões e desenvolveu tecnologias que hoje fazem parte do cotidiano da indústria siderúrgica. A obra mostra como esses desafios surgiram, quais caminhos foram trilhados e quais métodos foram utilizados para superá-los.
INOVAÇÃO EM REFRATÁRIOS PARA SIDERURGIA INOVAÇÃO EM REFRATÁRIOS PARA SIDERURGIA
Este livro é para quem busca inspiração e método para resolver problemas do dia a dia. Diferentemente de um texto acadêmico, ele não pretende explicar a teoria da siderurgia ou dos refratários em profundidade, mas sim dialogar com o leitor que já tem algum conhecimento sobre o tema. O objetivo principal é compartilhar experiências reais do autor acumuladas ao longo de 25 anos atuando como engenheiro de solução de problemas.
SUMÁRIO Prefácio
abm
HAYSLER A. AMOROSO LIMA Engenheiro metalúrgico graduado na Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) e mestre pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), tem mais de 25 anos de experiência na indústria, com atuação em refratários, fenômenos de transporte e termodinâmica. Consultor do Banco Interamericano de Desenvolvimento (BID) durante a pandemia de covid-19, atua como gerente de projetos de inovação, focado em tecnologias para eficiência, rendimento e redução da pegada de carbono. Obteve reconhecimento técnico no Brasil e no exterior, com trabalhos apresentados, patentes e transferência de know-how.
HAYSLER A. AMOROSO LIMA
CASOS REAIS DE SOLUÇÃO DE PROBLEMAS
1. Metodologia para inovação 2. Teoria e prática sempre andam juntas! 3. Modelagem física: estudo aplicado
ao sopro combinado do convertedor LD
4. Modelamento físico do sopro
combinado no convertedor LD
5. Análise do colamento do tampão do lingotamento contínuo
6. Aumento da produtividade
do convertedor LD usando novo design de ventaneiras para o sopro combinado
7. Melhoria da qualidade do aço por meio
do aumento da taxa de circulação do RH via novo design
8. Aumento da produtividade
do convertedor LD por meio do isolamento térmico
9. Avaliação do desgaste refratário do RH utilizando geoestatística
10. Regras de diluição: avaliação de
misturas dentro de reatores dinâmicos
11. Design de fundo de panela para
melhoria do fluxo de aço e aumento do rendimento metálico – SELF
12. Modelo geral de desgaste de refratários 13. Análise do desgaste de canais de corrida de alto forno
14. Caso 1: Problema da borda livre da panela de aço
15. Caso 2: O problema de montagem da sola do convertedor
16. Caso 3: Desenvolvimento da cola cerâmica
Saiba mais sobre o livro
Capa AMOROSO LIMA - Inovação em refratários.indd 3-5
11/08/2026 14:22
INOVAÇÃO EM REFRATÁRIOS PARA SIDERURGIA
Coleção de Livros ABM em Metalurgia, Materiais e Mineração
Diretor de Operações Valdomiro Roman da Silva
Analista Editorial Luciane Genzano Cruz
Haysler A. Amoroso Lima
INOVAÇÃO EM REFRATÁRIOS PARA SIDERURGIA CASOS REAIS DE SOLUÇÃO DE PROBLEMAS
Inovação em refratários para siderurgia: casos reais de solução de problemas © 2026 Haysler A. Amoroso Lima Editora Edgard Blücher Ltda. Publisher Edgard Blücher Editor Eduardo Blücher Coordenador editorial Rafael Fulanetti Coordenadora de produção Ana Cristina Garcia Produção editorial Maísa Kawata Preparação de texto Henrique Torres Revisão de texto Equipe editorial Diagramação Guilherme Salvador Capa Juliana Midori Horie Imagem de capa iStockphoto
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Heytor Diniz Teixeira, CRB-8/10570
Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4o andar 04531-934 – São Paulo – SP – Brasil Tel.: 55 11 3078-5366 contato@blucher.com.br www.blucher.com.br
Lima, Haysler A. Amoroso Inovação em refratários para siderurgia : casos reais de solução de problemas / Haysler A. Amoroso Lima. – São Paulo : Blucher, 2026. 152 p. : il. – (Coleção de livros ABM) Bibliografia
Segundo o Novo Acordo Ortográfico, conforme 6. ed. do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa, Academia Brasileira de Letras, julho de 2021.
É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer meios sem autorização escrita da editora. Todos os direitos reservados pela Editora Edgard Blücher Ltda.
ISBN 978-85-212-3359-6 (Impresso) ISBN 978-85-212-3356-5 (Eletrônico – Epub) ISBN 978-85-212-3357-2 (Eletrônico – PDF) 1. Siderurgia – Metalurgia. 2. Materiais metálicos. 3. Metais – Processos de preparação. 4. Materiais refratários. 5. Aço – Metalurgia. I. Título. II. Série. CDU 669 Índice para catálogo sistemático: 1. Metalografia CDU 620.18
Apresentação da coleção de livros ABM
A Coleção de Livros ABM em Metalurgia, Materiais e Mineração, criada em 2005, tem por principais objetivos suprir lacunas de conhecimentos e estimular o desenvolvimento de pessoas. De forma a ter uma abordagem mais didática, a coleção foi segmentada em quatro séries: Livros de referência – apresentam-se como materiais para consulta rápida de informações úteis, gerais ou focalizadas em um determinado campo do conhecimento, abrangendo, normalmente, tabelas, estatísticas, definições, exemplos, históricos e outros tipos de conteúdo. Obras de difusão – têm o propósito de levar a notícia e o conhecimento até o leitor comum, familiarizando-o com a natureza do progresso científico e tecnológico, bem como apresentar implicações econômicas, sociais e políticas, em uma sociedade exposta a constantes mudanças. Livros de atualização – fornecem ao leitor mais experiente a abordagem de assuntos especializados que complementam o conhecimento técnico-científico, além de atualização sobre os progressos nas áreas de metalurgia, materiais e mineração. Livros-texto – destinam-se a leitores iniciantes ou que queiram se aprofundar no assunto, abordando temas de Fundamentos, Matérias-primas e Processos, Produtos e Aplicações e Gestão, seguindo uma sequência lógica de assunto e grau progressivo de dificuldade, compatíveis com a finalidade didática do livro.
6
Inovação em refratários para siderurgia: casos reais de solução de problemas
O livro Inovação em refratários para siderurgia: casos reais de solução de problemas é fruto de mais uma parceria entre ABM e Editora Blucher, e vem enriquecer a Coleção de Livros, contribuindo com a série Livros-texto. Valdomiro Roman da Silva Diretor de Operações
Sumário
PREFÁCIO.................................................................................................................................
13
1.
METODOLOGIA PARA INOVAÇÃO.............................................................................
15
2. TEORIA E PRÁTICA SEMPRE ANDAM JUNTAS!.......................................................
19
3. MODELAGEM FÍSICA : ESTUDO APLICADO AO SOPRO COMBINADO DO CONVERTEDOR LD.................................................................................................
23
4. MODELAMENTO FÍSICO DO SOPRO COMBINADO NO CONVERTEDOR LD....
27
4.1
Introdução...................................................................................................................
27
4.2 Metodologia................................................................................................................
30
4.2.1 Número adimensional de vazão mássica..............................................
32
4.2.2 Cálculos para determinar a vazão do modelo......................................
32
4.2.3 Experimentos................................................................................................
33
4.3 Resultados e discussão...........................................................................................
34
4.4 Conclusão....................................................................................................................
36
Referências............................................................................................................................
36
8
Inovação em refratários para siderurgia: casos reais de solução de problemas
5. ANÁLISE DO COLAMENTO DO TAMPÃO DO LINGOTAMENTO CONTÍNUO.... 5.1
37
Introdução...................................................................................................................
37
5.1.1
Diagramas de fases......................................................................................
38
5.2 Metodologia................................................................................................................
40
5.2.1 Determinação das propriedades físicas do refratário.......................
40
5.2.2 Determinação do calor específico..........................................................
40
5.2.3 Análise química.............................................................................................
41
5.2.4 Difração de raios X.......................................................................................
41
5.3 Resultados e análises...............................................................................................
42
5.3.1 Análise da geometria...................................................................................
42
5.3.2 Análise do glaze.........................................................................................
42
5.3.3 Análise da pressão do tampão..................................................................
43
5.3.4 Análise térmica dos materiais...................................................................
43
5.3.5 Composto químico das fases atuais.......................................................
44
5.3.6 Difração de raios X da amostra casca-reação e casca-proteção....
45
5.4 Conclusões..................................................................................................................
46
Referências............................................................................................................................
46
6. AUMENTO DA PRODUTIVIDADE DO CONVERTEDOR LD USANDO NOVO DESIGN DE VENTANEIRAS PARA O SOPRO COMBINADO......................
47
6.1
Introdução...................................................................................................................
47
6.2 Desenvolvimento.......................................................................................................
50
6.3 Metodologia................................................................................................................
50
6.3.1 Modelagem matemática.............................................................................
50
6.3.2 Modelagem física..........................................................................................
52
6.3.3 Experimentos................................................................................................
53
6.4 Resultados...................................................................................................................
54
6.4.1 Resultados da simulação numérica........................................................
54
6.4.2 Tempo de mistura.........................................................................................
57
6.4.3 Desgaste das ventaneiras..........................................................................
58
6.5 Conclusões..................................................................................................................
58
Referências............................................................................................................................
59
Sumário
9
7. MELHORIA DA QUALIDADE DO AÇO POR MEIO DO AUMENTO DA TAXA DE CIRCULAÇÃO DO RH VIA NOVO DESIGN.................................................................
61
7.1
Introdução...................................................................................................................
61
7.2
Taxa de circulação..................................................................................................... 7.2.1 Taxa de desidrogenação.............................................................................
63 63
7.3 Mecanismos de desgaste........................................................................................
63
7.4
Desenvolvimento.......................................................................................................
64
7.4.1
Detalhamento da solução proposta.......................................................
65
7.4.2 Inovação (duplo cone)................................................................................
66
7.4.3 Validação da proposta por meio de simulação computacional.....
66
Resultados e discussões.........................................................................................
67
7.5.1 Taxa de circulação........................................................................................
67
7.5.2 Taxa de abrasão da parede refratária.....................................................
68
7.6 Equação proposta para determinar a taxa de circulação.............................
69
7.6.1 Efeito de mistura...........................................................................................
69
7.6.2 Determinar o tempo de residência do gás.............................................
71
7.6.3 Fator de expansão dos gases.....................................................................
71
Conclusões..................................................................................................................
72
Referências............................................................................................................................
73
8. AUMENTO DA PRODUTIVIDADE DO CONVERTEDOR LD POR MEIO DO ISOLAMENTO TÉRMICO........................................................................................
75
7.5
7.7
8.1
Introdução...................................................................................................................
75
8.2 Desenvolvimento.......................................................................................................
76
8.2.1 Avaliação das perdas térmicas.................................................................
77
8.2.2 Montagem do isolamento térmico..........................................................
80
8.3 Resultados termográficos do convertedor LD..................................................
81
8.3.1 Resultados do modelo térmico do convertedor LD............................
81
8.3.2 Ensaios termográficos do convertedor 4..............................................
83
8.3.3 Desgaste do refratário.................................................................................
84
8.3.4 Consumo de massa de reparo (gunning)..............................................
85
8.4 Conclusões..................................................................................................................
86
Referências............................................................................................................................
86
10
Inovação em refratários para siderurgia: casos reais de solução de problemas
9. AVALIAÇÃO DO DESGASTE REFRATÁRIO DO RH UTILIZANDO GEOESTATÍSTICA........................................................................................................... 9.1
87
Introdução...................................................................................................................
88
9.1.1
Mecanismos de desgaste...........................................................................
89
9.1.2 Geoestatística: modelagem espacial......................................................
90
9.1.3 Influência do entupimento dos bicos: desgaste localizado.............
91
9.2 DESENVOLVIMENTO................................................................................................
92
9.2.1 Materiais e métodos....................................................................................
92
9.3 Resultados e discussão...........................................................................................
93
9.3.1 Perfil de desgaste do RH.............................................................................
93
9.3.2 Resultado do modelo geoestatístico......................................................
94
9.4 Conclusão....................................................................................................................
96
Referências............................................................................................................................
97
10. REGRAS DE DILUIÇÃO: AVALIAÇÃO DE MISTURAS DENTRO DE REATORES DINÂMICOS......................................................................................................................
99
10.1 Introdução...................................................................................................................
99
10.2 Desenvolvimento de uma equação para diluição de fluidos........................
101
10.2.1 Regras de renovação...................................................................................
101
10.2.2 Definições.......................................................................................................
102
10.2.3 Estudo aplicado das regras de diluição..................................................
105
Referência..............................................................................................................................
106
11. DESIGN DE FUNDO DE PANELA PARA MELHORIA DO FLUXO DE AÇO E AUMENTO DO RENDIMENTO METÁLICO – SELF...................................................
107
11.1 Introdução...................................................................................................................
108
11.2 Desenvolvimento.......................................................................................................
110
11.3 Metodologia................................................................................................................
111
11.3.1 Experimentos................................................................................................
112
11.3.2 Simulação numérica....................................................................................
112
11.3.3 Procedimento de monitoramento e medição durante testes de campo........................................................................................................
113
11.3.4 Método 1: análise visual do material descarregado............................
114
11.3.5 Método 2: determinação do teor metálico via medição do pote de escória........................................................................................................
114
11
Sumário
11.3.6 Método 3: determinação do conteúdo metálico por meio de balanço de massa.........................................................................................
115
11.3.7 Método 4: determinação da retenção de material (aço + escória)....
115
11.4 Resultados...................................................................................................................
116
11.4.1 Resultados da modelagem física.............................................................
116
11.4.2 Resultados da modelagem numérica.....................................................
117
11.4.3 Fundo reto (plano)........................................................................................
118
11.4.4 Fundo SELF.....................................................................................................
119
11.5 Resultados industriais..............................................................................................
120
11.5.1 Rendimento metálico..................................................................................
120
11.5.2 Perfil de desgaste.........................................................................................
121
11.6 Conclusões..................................................................................................................
121
Referências............................................................................................................................
122
12. MODELO GERAL DE DESGASTE DE REFRATÁRIOS..............................................
123
12.1 Introdução...................................................................................................................
125
12.2 Desenvolvimento do modelo de desgaste.........................................................
125
12.2.1 Teste 1: ensaio de abrasão em pastilha refratária...............................
126
12.2.2 Teste 2: ensaio de desgaste de ventaneira de gesso/NaCl...............
129
12.2.3 Modelagem geral..........................................................................................
130
13. ANÁLISE DO DESGASTE DE CANAIS DE CORRIDA DE ALTO FORNO...............
133
13.1 Analítica: quando a matemática precisa se ajustar ao processo................
135
13.1.1 Como surgiu a Analítica..............................................................................
135
13.1.2 O limite da estatística clássica na análise de processos...................
136
13.1.3 A ideia central: números que comandam o processo........................
136
13.1.4 O que é a Analítica........................................................................................
137
13.1.5 Os três pilares da Analítica.........................................................................
137
13.1.6 Um exemplo prático de aplicação...........................................................
138
13.1.7 Analítica, inovação e inteligência artificial............................................
138
13.1.8 O que a Analítica devolve à engenharia..................................................
139
13.2 Conclusão....................................................................................................................
139
Referências............................................................................................................................
139
12
Inovação em refratários para siderurgia: casos reais de solução de problemas
14. CASO 1: PROBLEMA DA BORDA LIVRE DA PANELA DE AÇO...............................
141
15. CASO 2: O PROBLEMA DE MONTAGEM DA SOLA DO CONVERTEDOR............
145
16. CASO 3: DESENVOLVIMENTO DA COLA CERÂMICA.............................................
149
Prefácio
Este livro foi escrito para quem busca inspiração e método para resolver problemas do dia a dia. Diferente de um texto acadêmico tradicional, ele não pretende explicar a teoria da siderurgia ou dos refratários em profundidade. Parto do princípio de que o leitor já possui algum conhecimento prévio. Meu objetivo principal é compartilhar experiências reais acumuladas ao longo de 25 anos atuando como engenheiro de Solução de Problemas. Ao longo dessa trajetória, enfrentei desafios de diferentes dimensões – pequenos, médios e grandes – e tive o privilégio de desenvolver tecnologias que hoje fazem parte do cotidiano da indústria siderúrgica. Este livro mostra como esses desafios surgiram, quais caminhos trilhei e qual método utilizei para superá-los. Gosto de dizer que a palavra “problema” não descreve bem o que enfrentei. Prefiro chamá-los de oportunidades. Sem essas oportunidades, não teria evoluído profissionalmente nem colecionado tantas vivências marcantes. Cada desafio resolvido, que posteriormente se transformou em tecnologia aplicada, reforçou minha convicção de que vale a pena insistir no desconhecido. O método que adotei tem origem no método científico, com algumas adaptações pessoais. A primeira e mais importante etapa é simples na teoria, mas difícil de atingir: definir qual é o verdadeiro problema. Sem essa clareza, perde-se tempo, energia e motivação. Minha inspiração veio, em parte, da biografia de Einstein, que usava a imaginação como ferramenta de investigação. Ele se colocava mentalmente
14
Inovação em refratários para siderurgia: casos reais de solução de problemas
entre átomos, luzes e planetas. De alguma forma, faço algo semelhante: imagino moléculas de aço líquido atravessando válvulas e interagindo com paredes de refratários, buscando entender onde está a origem do fenômeno que observo. Sempre que possível, realizo uma prova de conceito: um experimento simples, rápido, com poucos recursos, capaz de indicar se estou no caminho certo. Muitas dessas provas nasceram literalmente na cozinha ou na oficina improvisada: panelas, termômetros, balanças, micro-ondas, multímetros. Às vezes precisei recorrer a clipes, Durepoxi e Superbonder para montar protótipos. Até já queimei um forninho de pão de queijo da minha esposa – devidamente reposto depois. Um dos meus casos favoritos foi um calorímetro construído com uma garrafa de café, criado em 2010, que apresentou resultados extremamente consistentes com a literatura. Grande parte das minhas descobertas surgiu em ambientes simples – em casa ou no sítio dos meus pais. Com criatividade, rigor científico e alguns equipamentos de precisão, é possível avançar muito. É claro que, para desafios mais complexos, utilizo laboratórios terceirizados. Com o tempo, acabei até adquirindo um forno mufla de 1.200 ºC para meus experimentos particulares. Cada um investe seu dinheiro no que gosta; eu invisto no prazer de descobrir coisas novas. Minha especialidade se concentra em Fenômenos de Transporte, Termodinâmica, Refratários e Modelagem de Processos Industriais. A matemática sempre esteve no centro das minhas análises, guiando decisões e revelando caminhos. Vivenciei projetos ligados ao escoamento de aço líquido, comportamento de gases inertes, formação de vórtices, balanços energéticos, design inteligente de equipamentos e diversas reações termodinâmicas em reatores controlados. Muitos desses casos estarão detalhados nos capítulos seguintes, mostrando como criatividade e conhecimento técnico podem gerar soluções industriais de impacto. Espero que este livro desperte no leitor o desejo constante de se atualizar, de enfrentar desafios com curiosidade e de buscar soluções inovadoras que contribuam para o avanço da siderurgia nacional. Que cada página convide você a enxergar o problema não como obstáculo, mas como oportunidade de criar algo valioso.
CAPÍTULO 1
METODOLOGIA PARA INOVAÇÃO
Quando cursava engenharia metalúrgica em Ouro Preto, durante as aulas de siderurgia um assunto me chamou a atenção. No processo de refino secundário dos aços no Desgaseificador RH (Ruhrstahl-Heraeus),1 utiliza-se o gás inerte argônio para promover a taxa de circulação. Perguntei ao professor como esse gás era obtido e se era caro. Ele respondeu que sim: era raro e caro, obtido pela destilação fracionada do ar. Na hora eu pensei: “se ele é raro e caro, por que não reciclar?”. O professor achou interessante, mas comentou que não conhecia nenhum projeto com esse objetivo. Sugeri: “E se a gente patentear essa ideia?”. Ele disse: “Ótimo, faça isso!”. No caminho de volta da universidade, fiquei pensando nessa solução. Imediatamente fiz um rascunho e comecei a visualizar o que poderia ser feito. O argônio é um gás inerte: entra no reator RH e sai livre pela chaminé. E se eu capturasse os gases de saída, limpasse as impurezas e comprimisse novamente o argônio para reutilizá-lo no processo? Aquilo me pareceu uma solução perfeita. 1
O processo RH é uma etapa de refino secundário utilizada na produção de aço. Nessa etapa, o aço líquido passa por um reator metalúrgico operando sob vácuo, condição que favorece a remoção de elementos indesejáveis, como hidrogênio, nitrogênio e carbono. Esses elementos são eliminados principalmente na forma de gases, contribuindo para a purificação do aço. Como resultado, obtêm-se aços mais limpos, com maior qualidade e melhor desempenho para aplicações que exigem maior controle de composição química.
CAPÍTULO 2
TEORIA E PRÁTICA SEMPRE ANDAM JUNTAS!
Durante meus estudos na universidade, uma pergunta sempre pairava no ar: onde vou usar toda essa teoria? Para que serve o cálculo integral? Vou derivar o quê? Como assim, fluidos não newtonianos? Matrizes, números complexos, cálculo numérico. Eram muitas dúvidas e muita coisa para aprender. Em algum momento, deixei essas perguntas de lado e passei a me concentrar em aprender. Se tudo aquilo estava no currículo, algum motivo havia. O problema é que nem sempre havia a preocupação de mostrar a origem de cada disciplina: por que ela existia e onde se aplicava. Todas elas, sem dúvida, foram desenvolvidas por pessoas brilhantes que encontraram problemas reais pelo caminho, e a criação dessas ferramentas tornou mais fácil construir soluções. Quando leio livros sobre a história da matemática, fico encantado. De problemas do dia a dia surgiram a numeração, a aritmética, o cálculo e tantas outras ferramentas da matemática. Com a física e a química aconteceu o mesmo. Dos alquimistas aos químicos modernos, quão importante foi essa trajetória para que ganhássemos qualidade de vida. Quando me formei e fui atuar como engenheiro em campo, sempre procurei enxergar a aplicação das ferramentas teóricas nos problemas do dia a dia. Era muito bom ver isso acontecer na prática. Algumas pessoas, sem informação alguma, diziam que engenharia metalúrgica era receita de bolo e uso de regra de três. Era triste ouvir comentários assim. Um engenheiro pode nunca usar cálculo integral e, ainda assim, conseguir um bom emprego. Mas, se quiser ir além do que foi
CAPÍTULO 3
MODELAGEM FÍSICA: ESTUDO APLICADO AO SOPRO COMBINADO DO CONVERTEDOR LD
Meu primeiro contato com o tema da modelagem física aconteceu há muitos anos. Quando eu ainda cursava engenharia em Ouro Preto, lembro que havia um laboratório dedicado à simulação física, vinculado à disciplina Fenômenos de Transporte. Nesse laboratório, eram construídos modelos em escala reduzida de diversos equipamentos industriais, geralmente confeccionados em acrílico transparente. Por meio dessas montagens, era possível reproduzir no ambiente acadêmico os mesmos efeitos fluidodinâmicos observados nos processos industriais. Essa técnica sempre me chamou muita a atenção. Imagine representar o comportamento do aço líquido a aproximadamente 1.600 °C utilizando simplesmente água como fluido substituto. A partir da visualização das linhas de fluxo e de medições baseadas em condutividade elétrica, tornavase viável compreender o comportamento do escoamento antes mesmo de intervir no forno real. Esse tipo de estudo dependia rigorosamente do atendimento a certos critérios de similaridade, fundamentais para garantir a fidelidade entre o modelo e o fenômeno industrial. Afinal, para que um modelo físico possa representar de forma confiável um protótipo industrial – e, assim, permitir que os resultados dos ensaios em laboratório sejam aplicados ao equipamento em escala real –, é indispensável assegurar essa condição. Na modelagem física, essa equivalência é alcançada quando se respeitam três categorias principais de similaridade: similaridade geométrica, similaridade cinemática e similaridade dinâmica.
CAPÍTULO 4
MODELAMENTO FÍSICO DO SOPRO COMBINADO NO CONVERTEDOR LD
4.1 INTRODUÇÃO O processo de fabricação do aço em convertedores LD (tipo de forno Lins Donawitz) se inicia com o carregamento de gusa líquido, sucata de aço, cal e fundentes. Por meio do sopro de oxigênio, elementos como carbono, silício, manganês e o próprio ferro transformam-se em óxidos que vão para a escória ou se incorporam ao gás (CO e CO2). Esse processo, também chamado de refino primário, é o pulmão das aciarias modernas. Existem três métodos de operação no convertedor LD: 1. Sopro pelo topo através de uma lança refrigerada: o oxigênio a alta pressão e velocidade penetra no banho metálico, promovendo a retirada de carbono, fósforo e outros elementos. 2. Sopro pelo fundo através de ventaneiras submersas no banho metálico: o oxigênio e o gás inerte penetram no banho. Em algumas práticas são também injetados cal, carvão e hidrocarbonetos (óleo e/ou gás natural). 3. Sopro combinado: caracterizado pelo sopro de oxigênio pelo topo e injeção de gás inerte pelo fundo, através das ventaneiras. O sopro exclusivamente pelo topo promove uma agitação suave e a mistura do metal com a escória não é intensa. Em consequência disso, são obtidas altas taxas
CAPÍTULO 5
ANÁLISE DO COLAMENTO DO TAMPÃO DO LINGOTAMENTO CONTÍNUO
5.1 INTRODUÇÃO Em agosto de 2006 começou um problema com as válvulas, referente ao colamento do tampão com o colo da válvula. Esse colamento sem causa aparente impedia a partida do veio, afetando a produtividade da máquina. Esse problema se iniciou com uma série de mudanças na válvula para combater inclusões não metálicas até então presentes no produto final. As válvulas anteriormente eram de Zr2O-C, passaram para MgO-C e depois para a atual, de Al2O3-C, com ponta de tampão à base de MgO-C, com duas fases. Foi alterado o glaze, de G40 para de G95, com duas camadas. Outra modificação foi a adição do anti-stick como forma de prevenção do colamento. Esse material surgiu do colamento em outras usinas. Ele é utilizado como uma camada entre o tampão e o colo, evitando a fusão dos dois glazes. As principais razões para o colamento estabelecidas em reuniões foram: ●
●
●
●
●
Qualidade do aquecimento (fusão do glaze). Composição química (características dos materiais nesse sistema). Geometria do tampão/colo. Características do glaze. Pressão de contato tampão/colo (facilita a interação entre os dois materiais).
CAPÍTULO 6
AUMENTO DA PRODUTIVIDADE DO CONVERTEDOR LD USANDO NOVO DESIGN DE VENTANEIRAS PARA O SOPRO COMBINADO 6.1 INTRODUÇÃO Durante o processo de fabricação de aço em convertedores LD, o sopro combinado, que consiste na injeção de gás inerte pelo fundo através das ventaneiras, garante maior rendimento metálico, melhores taxas de desfosforação e melhor qualidade final do aço. O problema é que garantir maior eficiência das ventaneiras até o final da campanha do convertedor é um dos maiores desafios para a operação. Ou seja, garantir residual de segurança e alta eficiência de agitação por parte das ventaneiras até o final. Existem três métodos de operação no convertedor LD:[4] ●
●
●
Sopro de oxigênio pelo topo através de uma lança refrigerada: o oxigênio, a alta pressão e velocidade, penetra no banho metálico, promovendo a retirada de carbono, fósforo e outros elementos. Sopro de oxigênio pelo fundo através de ventaneiras submersas no banho metálico: o oxigênio e um gás inerte são injetados. Em algumas práticas são também injetados cal, carvão e hidrocarbonetos (óleo e/ou gás natural). Sopro combinado: caracterizado pelo sopro de oxigênio pelo topo e uma agitação adicional causada pela injeção de gás inerte pelo fundo, através de ventaneiras.
CAPÍTULO 7
MELHORIA DA QUALIDADE DO AÇO POR MEIO DO AUMENTO DA TAXA DE CIRCULAÇÃO DO RH VIA NOVO DESIGN
7.1 INTRODUÇÃO Dentre os diversos processos de refino secundário, destaca-se o desgaseificador RH (Ruhrstal Heraeus). O RH tem a função de promover a eliminação de elementos indesejáveis do aço, como carbono, hidrogênio e nitrogênio. O processo consiste em circular o aço dentro de um recipiente (vaso do RH) através de um vácuo e, posteriormente, injetar argônio na perna de subida. O RH é um equipamento constituído por uma carcaça metálica, revestido internamente de refratários à base de MgO-C e MgO-Cr2O3. A parte inferior que entra em contato com o aço apresenta duas pernas refratárias, por onde o aço circula. A perna de subida contém em seu interior bicos para a injeção de argônio. Na de descida o aço passa pelo efeito da gravidade. O processo RH consiste na circulação contínua do aço através de um recipiente revestido com refratários, no qual há um vácuo interno. Essa circulação é feita através de dutos, duas pernas (snorkel) que são imersas no aço líquido dentro da panela de aço. Ao se reduzir a pressão interna (vácuo), a própria pressão atmosférica irá empurrar o aço para dentro do vaso, subindo mais ou menos 1,5 m. A Figura 7.1 mostra o processo de desgaseificação RH.
CAPÍTULO 8
AUMENTO DA PRODUTIVIDADE DO CONVERTEDOR LD POR MEIO DO ISOLAMENTO TÉRMICO
8.1 INTRODUÇÃO O convertedor LD é um reator para o processo de fabricação de aço em siderúrgicas. Sua estrutura é composta basicamente por uma carcaça metálica, que é revestida com materiais refratários. Dentre os mais utilizados, destaca-se a linha magnésia-carbono. A escolha desses materiais foi resultado de muita pesquisa e desenvolvimento para atingir altas performances, garantindo segurança, estabilidade do processo, aumento de produtividade e custos menores. A Figura 8.1 mostra o corte do convertedor LD. Após o vazamento do aço do convertedor para a panela, o aço líquido é submetido a sucessivas rotas de tratamento para ajuste da composição química e térmica. Os objetivos são garantir a composição química final e uma temperatura estável durante o lingotamento. Logo, o material do revestimento não poderá interferir de forma negativa nesse processo, ou seja, não afetará a composição química, e garantirá a conservação da energia térmica do aço líquido. Para a melhoria do processo de fabricação do aço, o controle das perdas térmicas é de vital importância, envolvendo desde a redução do número de retornos de aço do lingotamento contínuo até a diminuição do elevado consumo de eletrodos e energia elétrica no forno-panela. Cerca de 80% das perdas térmicas do aço ocorrem pela superfície da parede refratária,[3] de modo que a definição do tipo de revestimento é fundamental evitar tais perdas.
CAPÍTULO 9
AVALIAÇÃO DO DESGASTE REFRATÁRIO DO RH UTILIZANDO GEOESTATÍSTICA
Tive uma experiência bastante interessante relacionada aos desgaseificadores RH. Em uma das rotinas operacionais que acompanhei, houve um longo período de espera para o início de uma montagem – a manhã inteira, em pé na área, sem qualquer previsão de começo. Nesse intervalo, fiquei observando alguns vasos de RH parados próximos a mim. Foi então que algo me chamou a atenção (Figura 9.1).
Figura 9.1
Perfil de desgaste do RH.
CAPÍTULO 10
REGRAS DE DILUIÇÃO: AVALIAÇÃO DE MISTURAS DENTRO DE REATORES DINÂMICOS
10.1 INTRODUÇÃO Certa vez, visitando uma fábrica de cerveja artesanal, me deparei com um projeto a ser desenvolvido. Reciclar o CO2 gerado durante a fermentação da cerveja para depois ser usado na etapa posterior de carbonatação. O ciclo da fermentação do malte dura cerca de uma semana. O início é lento, mas depois ocorre uma aceleração, até estabilizar e cair novamente. Por meio do acompanhamento da fermentação, aferido o Plato (ºP), que mede a quantidade de açúcares durante o acompanhamento, foi possível estimar a geração de CO2 à medida que evoluía a quantidade de açúcares (Figura 10.1).
Figura 10.1
Evolução da fermentação da cerveja.
CAPÍTULO 11
DESIGN DE FUNDO DE PANELA PARA MELHORIA DO FLUXO DE AÇO E AUMENTO DO RENDIMENTO METÁLICO – SELF
A tecnologia Steel Enhancement Ladle Flow (SELF) surgiu em 2019 durante uma visita a um cliente, quando discutíamos a possibilidade de desenvolver um fundo monolítico para panelas. No Brasil, a maioria das panelas ainda utiliza revestimento de tijolos, e essa mudança representaria um avanço significativo tanto tecnológico quanto operacional. Durante minha apresentação, o cliente comentou: “Por que você não faz um fundo inclinado para melhorar o escoamento?”. Na época, eles inclinavam a panela na torre de lingotamento – uma operação arriscada. Respondi que poderia elaborar o projeto, mas continuei refletindo sobre o tema nos dias seguintes. Ao pensar sobre o processo de escoamento, lembreime de dois fenômenos importantes. O primeiro era o vórtice (o redemoinho), que arrastava escória para o distribuidor. O segundo, menos conhecido, era o dreno, que ocorria nos minutos finais do lingotamento, quando a escória colapsava. Esse fenômeno permitia grande passagem de escória, obrigando o operador a fechar a válvula, o que acabava retendo aço na panela e reduzindo o rendimento metálico. Com isso em mente, passei alguns dias buscando uma solução mais eficiente, capaz de mitigar esses efeitos. A ideia surgiu após muita reflexão (e bastante café): criar canais interligando zonas mortas à válvula, gerando um fluxo direcional voltado para ela. Esse fluxo adicional ajudaria a quebrar o vórtice e a sustentar a escória por mais tempo, além de manter os canais do SELF constantemente renovados, prolongando sua eficiência ao longo de toda a vida da panela.
CAPÍTULO 12
MODELO GERAL DE DESGASTE DE REFRATÁRIOS
Sempre me interessei pelos fenômenos envolvendo desgaste de materiais. Por qual motivo um material suporta certa vida sem comprometer nossa segurança, seja o desgaste do pneu do carro, seja da sola do sapato, ou mesmo o desgaste dos refratários que suportam cargas líquidas a altas temperaturas? Saber os mecanismos envolvidos, determinar os seus limites e com isso prever o comportamento é de grande importância para quem trabalha com refratários. Saber os limites de trabalho, a fim de obter o maior número de corridas, sem comprometer a segurança, é um dos maiores desafios envolvendo refratários. Isso afeta custos, produtividade, qualidade e segurança do ativo. Um dos primeiros trabalhos que fiz sobre desgaste foi quando trabalhava como engenheiro de aplicação em canais de corrida de alto forno, em 2004. Na época, era tudo mais difícil. Tínhamos menos dados do que temos hoje. Comecei como trainee, e meu primeiro desafio era levantar dados de campo para elaborar relatórios por campanha. Cada campanha de canal durava 28 dias, com uma preventiva em 21 dias para drenagem e inspeção das paredes. Usávamos na época um gabarito de medição, que eram duas hastes concêntricas, que representavam um tipo de “paquímetro”. Medir o canal quente, naquelas condições de área, não era tão preciso assim, mas era a única coisa que tínhamos. Isso serviu de base para monitorarmos os nossos resultados. Consegui montar um banco de dados enorme durante um ano de coleta de dados. Organizei cada campanha em linhas, e montei uma tabela-resumo com dados operacionais (temperatura do gusa, composição química da escória etc.), dados dos
CAPÍTULO 13
ANÁLISE DO DESGASTE DE CANAIS DE CORRIDA DE ALTO FORNO
Minha primeira experiência profissional foi como engenheiro trainee. Naquele momento, tudo era novidade, e o principal desafio era organizar as campanhas dos canais de corrida por meio de relatórios de desempenho. Recém-formado, recorri bastante ao que havia aprendido na faculdade: introdução, objetivos, metodologia, resultados e conclusões – em outras palavras, um formato de relatório científico. Quando finalizei o primeiro documento, orgulhoso, apresentei ao meu gestor. Ele leu, folheou e ficou em silêncio por alguns instantes. Em seguida, veio a observação que me pegou de surpresa: “Esse relatório está com muita cara de universidade; não é um relatório de engenheiro”. Eu pensei: “acabei de me formar, era exatamente isso que eu considerava importante”. De fato, o modelo que eu havia seguido era o método científico, cujo foco é estruturar uma pesquisa para produzir um estudo robusto sobre um tema. Ele então me mostrou alguns relatórios de quase cem páginas, elaborados por um engenheiro alemão, cheios de fotos, gráficos, tabelas e dados operacionais. Eram completos, mas difíceis de sintetizar e pouco práticos para chegar a conclusões rápidas. A partir daí, comecei a buscar um modelo mais objetivo, simples de preencher e útil no dia a dia. Na época, eu era fã do Excel. Decidi listar o que realmente importava para interpretar cada campanha: o que era viável de coletar e, ao mesmo tempo, tinha impacto na análise. Montei uma planilha para cada relatório. Cada aba tratava de um tema específico. Na primeira, registrei dados gerais, como início e fim da campanha, e a quantidade de gusa
CAPÍTULO 14
CASO 1: PROBLEMA DA BORDA LIVRE DA PANELA DE AÇO
Certa vez, me deparei com um problema envolvendo o aumento de produção de uma aciaria. A ideia era investir no aumento do volume do convertedor e, com isso, aumentar mais 12 t por corrida. Para isso, havia a necessidade de mudar todo o processo: aumento da carcaça, investimento no sistema de lavagem de gases e aumento da carcaça da panela de aço. Tudo isso estava caminhando muito bem. As panelas com carcaça maior chegaram dentro do prazo, porém a troca da carcaça nova do convertedor estava com certo atraso. Logo, a produção ainda era a mesma, mas com um detalhe: com a carcaça maior, o volume do aço ficava mais baixo do que o normal. A borda livre da panela ficou em torno de 1 m (antes era 300 mm). Com isso, uma série de problemas ocorreram em sequência: dificuldade de acoplar os eletrodos do forno-panela no banho metálico e dificuldades de refino pelo RH. Ou seja, tudo virou um caos. Nesse momento, as equipes precisavam resolver o problema. Chegou a surgir a ideia de cortar a borda metálica de uma carcaça nova para reduzir a altura e facilitar o refino – uma ideia fruto do desespero, já que, em momento oportuno, a carcaça nova do convertedor iria entrar em operação. Quando o problema chegou ao meu conhecimento, logo tentei controlar os ânimos. Acreditei que seria possível achar uma solução emergencial sem a necessidade de cortar a carcaça da panela (que depois teria que ser soldada novamente). Neste caso, a solução teria que usar geometria e cálculos de volume.
CAPÍTULO 15
CASO 2: O PROBLEMA DE MONTAGEM DA SOLA DO CONVERTEDOR
Durante a montagem do refratário do convertedor, temos que organizar a área conforme a sequência de montagem. Há vários paletes com tijolos, com formato e composição específicos para cada região do convertedor. Os formatos seguem um padrão; algumas peças são especiais, pois compõem a virada do cone ou o entorno do furo de corrida. Entretanto, no projeto é definida a composição por anel, seguindo o projeto da carcaça do cliente. Mesmo seguindo a combinação, o fechamento nunca fica idêntico, necessitando de cortes no local. Por meio da marcação do supervisor de montagem, cada tijolo de fechamento por anel é assim conduzido. Na região da sola, onde ficam as ventaneiras, há um grande dispêndio de tempo devido à complexidade de montar em uma superfície de tipo domo invertido (semiesférica), conforme a Figura 15.1. Garantir a estanqueidade das peças nos dá um diferencial de montagem (segurança e desempenho). Devido a essa dificuldade, surgiram ideias ao longo das montagens para fazer o corte antecipado da sola, em local externo e bem antes do dia da parada do convertedor. Um dos primeiros protótipos dessa solução foi feito em madeira e recoberto com folha de alumínio. Esse fundo, com as mesmas dimensões da carcaça, foi fabricado e disponibilizado para o teste-piloto.
CAPÍTULO 16
CASO 3: DESENVOLVIMENTO DA COLA CERÂMICA
Certa vez, durante a campanha dos convertedores, me deparei com um problema operacional que evidenciou um ponto frágil do projeto: o travamento dos tijolos da boca. O último anel precisa “travar” toda a estrutura montada, garantindo a integridade do conjunto e a segurança do equipamento. Essa última fiada é recoberta por uma chapa metálica, colada com resina epóxi. Durante a operação, a chapa dilata e promove o travamento do conjunto, contribuindo para a estabilidade do revestimento refratário. Entretanto, em uma das operações que acompanhamos, durante o processo de limpeza (rotina operacional), esse sistema não suportou o impacto/arranque da calha de sucata. Com isso, os tijolos da boca se desprenderam, gerando uma reação em cadeia: queda de tijolos na boca e no cone. Foi necessário intensificar os reparos com gunning para alcançar a meta das 3 mil corridas. Em geral, o princípio de funcionamento se baseia no travamento estrutural pela dilatação do conjunto e na formação de magnésio-wustita, resultante da reação entre o FeO da chapa oxidada e o MgO do tijolo (a chamada “solda cerâmica”). O que ocorreu, na prática, foi que, após a parada do convertedor para a preventiva, o equipamento resfriou. No retorno, o aquecimento não garantiu a dilatação efetiva das chapas; assim, os tijolos da boca ficaram com folga. Durante a limpeza, acabaram se soltando e expondo o permanente do convertedor. Isso gerou paradas para projeção e, consequentemente, perda de produção.
LIMA
COLEÇÃO DE LIVROS
Ao longo dessa trajetória, ele enfrentou desafios de diferentes dimensões e desenvolveu tecnologias que hoje fazem parte do cotidiano da indústria siderúrgica. A obra mostra como esses desafios surgiram, quais caminhos foram trilhados e quais métodos foram utilizados para superá-los.
INOVAÇÃO EM REFRATÁRIOS PARA SIDERURGIA INOVAÇÃO EM REFRATÁRIOS PARA SIDERURGIA
Este livro é para quem busca inspiração e método para resolver problemas do dia a dia. Diferentemente de um texto acadêmico, ele não pretende explicar a teoria da siderurgia ou dos refratários em profundidade, mas sim dialogar com o leitor que já tem algum conhecimento sobre o tema. O objetivo principal é compartilhar experiências reais do autor acumuladas ao longo de 25 anos atuando como engenheiro de solução de problemas.
SUMÁRIO Prefácio
abm
HAYSLER A. AMOROSO LIMA Engenheiro metalúrgico graduado na Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) e mestre pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), tem mais de 25 anos de experiência na indústria, com atuação em refratários, fenômenos de transporte e termodinâmica. Consultor do Banco Interamericano de Desenvolvimento (BID) durante a pandemia de covid-19, atua como gerente de projetos de inovação, focado em tecnologias para eficiência, rendimento e redução da pegada de carbono. Obteve reconhecimento técnico no Brasil e no exterior, com trabalhos apresentados, patentes e transferência de know-how.
HAYSLER A. AMOROSO LIMA
CASOS REAIS DE SOLUÇÃO DE PROBLEMAS
1. Metodologia para inovação 2. Teoria e prática sempre andam juntas! 3. Modelagem física: estudo aplicado
ao sopro combinado do convertedor LD
4. Modelamento físico do sopro
combinado no convertedor LD
5. Análise do colamento do tampão do lingotamento contínuo
6. Aumento da produtividade
do convertedor LD usando novo design de ventaneiras para o sopro combinado
7. Melhoria da qualidade do aço por meio
do aumento da taxa de circulação do RH via novo design
8. Aumento da produtividade
do convertedor LD por meio do isolamento térmico
9. Avaliação do desgaste refratário do RH utilizando geoestatística
10. Regras de diluição: avaliação de
misturas dentro de reatores dinâmicos
11. Design de fundo de panela para
melhoria do fluxo de aço e aumento do rendimento metálico – SELF
12. Modelo geral de desgaste de refratários 13. Análise do desgaste de canais de corrida de alto forno
14. Caso 1: Problema da borda livre da panela de aço
15. Caso 2: O problema de montagem da sola do convertedor
16. Caso 3: Desenvolvimento da cola cerâmica
Saiba mais sobre o livro
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11/08/2026 14:22