Forno a arco elétrico vs alto-forno: emissões de CO2, custos e o futuro da siderurgia
Definição de forno a arco elétrico vs alto-forno
Um alto-forno (BF) utiliza minério de ferro e carvão metalúrgico para produzir ferro gusa, que é então convertido em aço em um convertedor a oxigênio (BOF). Um forno a arco elétrico (EAF) utiliza arcos elétricos de alta voltagem para fundir sucata de aço em aço líquido. A rota de alto-forno emite aproximadamente 2,33 toneladas de CO2 por tonelada de aço; a rota de arco elétrico emite aproximadamente 0,77 toneladas. A produção global de aço é dividida em aproximadamente 70% BF-BOF e 30% EAF, mas esse equilíbrio está mudando à medida que a pressão pela descarbonização cresce.
Índice
- A rota de alto-forno: do minério de ferro ao aço
- A rota de forno a arco elétrico: da sucata ao aço
- Comparação de emissões de CO2
- Comparação de custos: custos de capital e operacionais
- O que o EAF não consegue produzir: limitações de tipos de aço
- Participação global: por que a divisão 70/30 existe
- DRI com hidrogênio verde: a terceira rota
- O que isso significa para o comércio de commodities
- Perguntas frequentes
- Principais conclusões
A rota de alto-forno: do minério de ferro ao aço
O alto-forno tem sido a tecnologia siderúrgica dominante há mais de 150 anos. É um processo massivo e contínuo que funciona 24 horas por dia, todos os dias, por até 20 anos entre grandes reformas.
O minério de ferro — normalmente pelotas de minério de ferro ou sínter (uma aglomeração cozida de minério fino) com teor de ferro de 62-65% Fe — é carregado no topo do alto-forno juntamente com coque (um material de carbono poroso produzido pelo cozimento do carvão metalúrgico em fornos sem oxigênio) e calcário (um fundente que remove impurezas).
Ar quente (às vezes enriquecido com oxigênio) é injetado na base através de bocais chamados ventaneiras. O coque queima e gera temperaturas superiores a 1.500°C. O monóxido de carbono da queima do coque reduz o óxido de ferro no minério a ferro fundido. O calcário reage com as impurezas (sílica, alumina) para formar a escória — um líquido mais leve que flutua sobre o ferro e é retirado separadamente.
O ferro fundido — chamado de ferro gusa ou metal quente — é drenado da base do forno para vagões torpedo e transportado para o convertedor a oxigênio (BOF). No BOF, oxigênio puro é soprado através do metal quente em alta velocidade. Isso queima rapidamente o excesso de carbono e outras impurezas (em cerca de 20 minutos), convertendo o ferro gusa em aço líquido.
O aço é então fundido em placas, blocos ou tarugos para laminação e fabricação subsequentes.
Um único alto-forno grande pode produzir 10.000-12.000 toneladas de metal quente por dia. Grandes siderúrgicas integradas (alto-forno + BOF) incluem as plantas da ArcelorMittal na Bélgica e Alemanha, a fábrica de Port Talbot da Tata Steel (Reino Unido) e as enormes instalações da POSCO e NSSMC na Coreia do Sul e Japão.
A rota de forno a arco elétrico: da sucata ao aço
Um forno a arco elétrico (EAF) é fundamentalmente mais simples que um alto-forno. É essencialmente um grande recipiente revestido com tijolo refratário, equipado com três grandes eletrodos de grafite. Quando a eletricidade de alta voltagem passa pelos eletrodos, arcos elétricos surgem entre eles e a carga metálica — temperaturas próximas ao arco excedem 3.500°C.
O principal material de carga é a sucata de aço — cortada, triturada e classificada por tipo:
- Sucata pesada (HMS 1&2): Aço estrutural grande, equipamentos industriais demolidos
- Sucata triturada: Carros triturados e eletrodomésticos
- Sucata industrial nova: Sobras de operações de estampagem, retalhos de construção
- Ferro de redução direta (DRI) / ferro briquetado a quente (HBI): Usado para diluir elementos residuais (veja a seção de limitações abaixo)
A sucata é carregada no forno, os eletrodos são baixados e o arco aquece e funde o material em 40-60 minutos. Oxigênio é injetado para queimar carbono e impurezas. Adiciona-se cal para formar a escória. Ligas (manganês, silício, cromo) são adicionadas para atingir a composição química desejada do aço.
O resultado é o aço líquido, que é vertido em uma panela e processado posteriormente em um forno panela para ajuste de temperatura e química antes do lingotamento contínuo.
Os EAFs são menores e mais flexíveis que os altos-fornos. Um EAF típico produz 200-400 toneladas de aço por corrida (ciclo de fusão), com várias corridas por dia. Plantas EAF podem ser desligadas durante períodos de preços elevados de eletricidade e reiniciadas — algo impossível com um alto-forno em funcionamento contínuo.
Comparação de emissões de CO2
É aqui que as duas rotas divergem mais drasticamente.
| Rota | Intensidade de CO2 | Fontes de emissão |
|---|---|---|
| BF-BOF (integrada) | ~2,33 t CO2 por tonelada de aço | Combustão de carvão metalúrgico, redução de minério de ferro, uso de energia |
| EAF (baseada em sucata) | ~0,77 t CO2 por tonelada de aço | Geração de eletricidade (rede), consumo de eletrodos, fundentes |
| DRI-EAF (baseada em gás) | ~1,0-1,4 t CO2 por tonelada de aço | Gás natural para redução de DRI, eletricidade |
| H2-DRI-EAF (hidrogênio verde) | <0,1 t CO2 por tonelada de aço | Apenas eletricidade renovável |
A rota BF-BOF emite aproximadamente 2,33 toneladas de CO2 por tonelada de aço bruto, de acordo com dados da World Steel Association. A grande maioria dessas emissões vem do carvão metalúrgico — o carbono é quimicamente necessário no processo de alto-forno tanto como combustível quanto como agente redutor. Não é possível remover o carvão de um alto-forno e ainda produzir ferro.
A rota EAF emite aproximadamente 0,77 toneladas de CO2 por tonelada de aço, principalmente através da eletricidade usada para alimentar o arco. Esse número depende criticamente da intensidade de carbono da rede elétrica. Um EAF operando com 100% de eletricidade renovável emite quase zero de CO2 direto. Um EAF operando com eletricidade de origem termelétrica a carvão emite mais.
No contexto da UE: a precificação de carbono do EU ETS (atualmente €50-70/tonelada de CO2) significa que a produção siderúrgica integrada BF-BOF agora carrega um custo de carbono embutido de aproximadamente €115-165 por tonelada de aço. Esta é uma desvantagem competitiva significativa em relação aos produtores de EAF ou importações de países sem precificação de carbono — que é precisamente por que o CBAM (Mecanismo de Ajuste de Carbono na Fronteira) da UE foi projetado.
Comparação de custos: custos de capital e operacionais
As duas rotas possuem estruturas de custos opostas.
Custos de capital (construção da fábrica):
| Rota | Custo de capital típico | Notas |
|---|---|---|
| BF-BOF integrado (nova construção, 3-4 Mtpa) | $2-4 bilhões | Inclui alto-forno, coquerias, BOF, laminadores |
| Mini-mill EAF (nova construção, 1-2 Mtpa) | $300-600 milhões | Muito menor por tonelada de capacidade |
Um alto-forno requer um complexo integrado completo: coqueria, unidade de sinterização, alto-forno, laminador a quente ou de chapas e toda a infraestrutura associada. O custo de capital por tonelada de capacidade anual gira em torno de $600-$1.000 por tonelada.
Uma mini-mill EAF pode ser construída por $300-400 por tonelada de capacidade anual. É por isso que a tecnologia EAF permitiu que “mini-mills” — empresas como Nucor, Steel Dynamics e Commercial Metals nos EUA — construíssem plantas siderúrgicas regionais a custos muito menores do que as siderúrgicas integradas.
Custos operacionais:
As plantas BF-BOF possuem custos elevados de matéria-prima (minério de ferro + carvão metalúrgico), mas uma economia de unidade relativamente previsível uma vez que o forno está em funcionamento. O carvão metalúrgico representa tipicamente 30-40% dos custos operacionais BF-BOF. O alto-forno não pode ser desligado e reiniciado de forma barata — ele opera continuamente ou não opera.
As plantas EAF possuem custos menores de matéria-prima (a sucata é mais barata do que unidades de ferro virgem por tonelada de ferro contido), mas são altamente sensíveis aos preços da eletricidade. A eletricidade pode representar 25-35% dos custos operacionais do EAF. Quando os preços da eletricidade disparam — como na Europa em 2022 — as plantas EAF absorvem o custo ou reduzem a produção. Vários siderúrgicos EAF europeus cortaram a produção em 2022 especificamente porque os preços da eletricidade tornaram a produção de aço antieconômica.
O EAF também oferece flexibilidade operacional: as plantas podem ser paradas durante períodos de altos preços de eletricidade e reiniciadas. Esta é uma vantagem significativa em mercados de eletricidade com alta volatilidade de preços.
O que o EAF não consegue produzir: limitações de tipos de aço
A rota EAF possui uma limitação metalúrgica fundamental: contaminação por elementos residuais provenientes da sucata.
A sucata de aço não é ferro puro. Ela contém elementos de liga residuais da composição original do aço: cobre, estanho, níquel, molibdênio, cromo. Esses elementos sobrevivem ao processo de fusão e não podem ser removidos por oxidação (ao contrário do carbono, silício e enxofre, que podem ser eliminados). Eles se acumulam no banho metálico.
O principal culpado é o cobre. O cobre no aço acima de certos limites (geralmente 0,1-0,2%) degrada a trabalhabilidade a quente — a superfície do aço racha durante a laminação a quente. Isso é chamado de fragilidade a quente. Para tipos de aço commodities (vergalhões, perfis estruturais, fio-máquina), as tolerâncias de cobre são flexíveis e a produção baseada em sucata EAF funciona bem. Para produtos de aço plano como painéis de carroceria automotiva, aço elétrico e aço para embalagens revestido de estanho, o cobre deve ser muito baixo — frequentemente abaixo de 0,04%.
Não existe um método economicamente prático para remover cobre do aço líquido uma vez que ele está no banho. A única solução é a diluição — adicionando unidades de ferro virgem (ferro gusa, DRI ou HBI) que são isentas de cobre. Plantas EAF que produzem aço plano de qualidade (como a fábrica de chapas da Nucor em Crawfordsville) fazem exatamente isso, misturando ferro gusa comprado ou DRI com sucata.
A consequência prática: os mercados de aço automotivo, aço elétrico e aço plano de alta qualidade permanecem em grande parte atendidos por produtores integrados BF-BOF porque utilizam minério virgem sem contaminação por elementos residuais. O EAF se destaca em produtos longos (vergalhões, perfis, fio-máquina) e produtos planos de grau inferior.
Essa limitação se tornará cada vez mais importante à medida que as taxas de reciclagem de sucata aumentam e a qualidade da sucata se degrada ainda mais com o acúmulo de elementos residuais.
Participação global: por que a divisão 70/30 existe
A produção global de aço bruto é de aproximadamente 1.900 milhões de toneladas por ano (dados de 2023). A divisão:
- BF-BOF: aproximadamente 70% (~1.330 milhões de toneladas)
- EAF: aproximadamente 29% (~550 milhões de toneladas)
- Outros (fornos a cadinho aberto, fornos de indução): ~1%
A razão para o domínio do BF-BOF é a China. A China produz mais de 50% do aço do mundo — aproximadamente 1.000 milhões de toneladas por ano — e cerca de 90% da produção chinesa utiliza a rota BF-BOF. A China construiu uma enorme base de siderúrgicas integradas nos últimos 30 anos, e o suprimento de sucata tem sido limitado pelo estoque industrial relativamente jovem da China (a maioria das infraestruturas e edifícios foi construída recentemente e ainda não atingiu a disponibilidade de sucata de fim de vida).
Fora da China, a participação do EAF é muito maior:
– Estados Unidos: ~70% EAF, 30% BF-BOF. Nucor, Steel Dynamics e Commercial Metals são grandes produtores de EAF.
– UE: ~40% EAF (varia de acordo com o país — Itália próxima de 70% EAF; Alemanha ainda com forte presença de BF devido à demanda automotiva)
– Turquia: ~70% EAF (grande importador de sucata utilizando fluxos de sucata do Mediterrâneo)
À medida que a base industrial da China envelhece e a disponibilidade de sucata cresce, espera-se que a participação do EAF na China aumente de ~10% para 20-25% até 2035, uma mudança significativa na dinâmica do mercado global.
DRI com hidrogênio verde: a terceira rota
O desenvolvimento mais significativo na tecnologia siderúrgica para a próxima década é a redução direta de ferro baseada em hidrogênio (H2-DRI), combinada com a siderurgia EAF.
O Ferro de Redução Direta (DRI) é ferro produzido pela redução de pelotas de minério de ferro com um gás redutor (tradicionalmente gás natural — principalmente metano) a temperaturas abaixo do ponto de fusão (~800-1.100°C). O minério permanece sólido, mas é quimicamente reduzido de óxido de ferro para ferro metálico. O resultado é um material metálico esponjoso que pode ser alimentado diretamente em um EAF como substituto da sucata.
O processo DRI convencional (usando gás natural) produz aproximadamente 1,0-1,4 toneladas de CO2 por tonelada de DRI — melhor que o alto-forno, mas não é carbono zero.
O avanço é a substituição do gás natural por hidrogênio verde — hidrogênio produzido por eletrólise da água usando eletricidade renovável. Quando o hidrogênio reduz o minério de ferro, o único subproduto é a água (H₂O), não CO2. Combinado com a siderurgia EAF alimentada por energia renovável, a rota completa H2-DRI-EAF pode produzir aço com menos de 0,1 toneladas de CO2 por tonelada — uma redução de ~95% em relação ao BF-BOF.
Dois grandes projetos lideram essa tecnologia:
HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology): Uma joint venture entre a SSAB (Suécia), LKAB (maior produtor de minério de ferro da Suécia) e Vattenfall (empresa de energia sueca). A HYBRIT produziu o primeiro aço reduzido a hidrogênio do mundo entregue a um cliente (Volvo AB) em 2021. A produção em escala comercial está prevista para a planta da SSAB em Luleå entre 2026-2030.
H2 Green Steel (agora Stegra): Uma nova instalação “greenfield” em construção em Boden, Suécia. Visando 5 milhões de toneladas por ano de aço verde até 2030, alimentada por energia hidrelétrica e eólica sueca e utilizando a tecnologia H2-DRI-EAF.
Outras empresas que buscam rotas semelhantes incluem a ArcelorMittal (plantas DRI baseadas em MIDREX com transição para hidrogênio), thyssenkrupp (projeto tkH2Steel em Duisburg) e Salzgitter (programa SALCOS).
O desafio comercial: o hidrogênio verde custa atualmente $4-8/kg, versus gás natural a um equivalente energético de $1-2/kg. O aço verde produzido via H2-DRI carrega um custo premium de $100-300/tonelada em relação ao aço BF-BOF convencional. Se esse prêmio pode ser repassado aos compradores através de “prêmios verdes” ou absorvido através da precificação de carbono é a questão comercial central da descarbonização da indústria siderúrgica.
O que isso significa para o comércio de commodities
A divisão EAF/BF-BOF tem implicações diretas para os fluxos comerciais de commodities que sustentam cada rota.
Demandas de BF-BOF: Minério de ferro (enviado da Austrália, Brasil) e carvão metalúrgico (enviado da Austrália, EUA, Canadá, Rússia). Estes são dois dos comércios de granéis sólidos marítimos de maior volume no mundo. Uma mudança para longe do BF-BOF reduz diretamente a demanda por carvão metalúrgico e pelotas de minério de ferro de alta qualidade — um vento contrário de longo prazo para esses mercados de commodities.
Demandas de EAF: Eletricidade e sucata de aço. O comércio global de sucata é significativo — a Turquia é o maior importador de sucata de aço do mundo, comprando dos EUA, UE e Reino Unido. O aumento da produção global de EAF significa um aumento na demanda por sucata, o que eleva os preços da sucata e torna o abastecimento de sucata mais competitivo.
Demandas de H2-DRI: Pelotas de minério de ferro de alto grau (o DRI requer maior teor de ferro — 67%+ Fe — do que o minério de alto-forno BF-BOF padrão). Isso cria um mercado premium para pelotas de minério de ferro de alto grau da LKAB (Suécia), CVRD/Vale (Brasil) e Bahrain Steel. A transição para H2-DRI é otimista para minério de ferro de alto grau e pessimista para minério de ferro de médio grau para alto-forno.
Perguntas frequentes
Qual é mais barato de operar, um alto-forno ou um EAF?
Depende do custo das matérias-primas em cada localidade. Onde a sucata é barata e a eletricidade é acessível, o EAF é mais barato de operar. Onde a sucata é escassa e a eletricidade é cara, o BF-BOF tem a vantagem. Mini-mills EAF nos EUA têm custos consistentemente menores do que os produtores integrados de BF-BOF dos EUA porque a sucata americana é abundante e relativamente barata. Produtores EAF europeus foram pressionados em 2022 quando os preços da eletricidade dispararam devido à crise do gás.
Um forno a arco elétrico consegue fazer aço automotivo?
Alguns conseguem, com ressalvas importantes. O aço plano de alta qualidade para aplicações automotivas requer níveis muito baixos de cobre (abaixo de 0,04%) para evitar a fragilidade a quente durante a laminação. Plantas EAF que produzem aço de grau automotivo devem diluir a sucata com unidades de ferro virgem isentas de cobre — ferro gusa, DRI ou HBI. As fábricas de chapas da Nucor em Gallatin e Crawfordsville fazem exatamente isso. Mas o teto de qualidade para aço plano EAF é menor do que para plantas integradas BF-BOF sem adição significativa de DRI.
O que é aço verde e quanto ele custa a mais?
O aço verde é aço produzido com emissões de CO2 significativamente menores do que a siderurgia convencional — tipicamente definido como abaixo de 0,5 toneladas de CO2 por tonelada de aço. O caminho principal é o H2-DRI-EAF usando hidrogênio verde alimentado por renováveis. O aço verde atual carrega um custo premium de $100-300/tonelada em relação ao aço convencional, dependendo do custo do hidrogênio verde. À medida que os custos da energia renovável caem, espera-se que esse prêmio diminua.
Por que a China domina a rota BF-BOF?
A China construiu a maior parte de sua capacidade siderúrgica nos últimos 30 anos usando a tecnologia BF-BOF porque era a maneira mais barata de ampliar rapidamente a produção, porque o carvão metalúrgico estava disponível e porque a sucata era escassa em uma economia em rápida industrialização. A China produz mais de 1 bilhão de toneladas de aço por ano, ~90% via BF-BOF. À medida que a base industrial da China envelhece e a disponibilidade de sucata aumenta, sua participação EAF está aumentando gradualmente dos ~10% atuais.
O que é HYBRIT e por que isso importa?
HYBRIT é uma joint venture entre SSAB, LKAB e Vattenfall destinada a produzir aço livre de combustíveis fósseis usando redução direta de hidrogênio. Em 2021, entregou o primeiro aço livre de fósseis do mundo — produzido sem carvão metalúrgico ou gás natural — para a Volvo AB. O HYBRIT importa porque demonstra que a rota H2-DRI-EAF pode funcionar comercialmente. Se escalado, poderia eliminar aproximadamente 2,33 toneladas de CO2 por tonelada de aço em toda a indústria BF-BOF.
Principais conclusões
- A rota alto-forno-BOF (BF-BOF) usa minério de ferro e carvão metalúrgico; o forno a arco elétrico (EAF) usa sucata de aço e eletricidade. Estas são cadeias de suprimento de matéria-prima fundamentalmente diferentes.
- O BF-BOF emite aproximadamente 2,33 toneladas de CO2 por tonelada de aço; o EAF emite aproximadamente 0,77 toneladas — uma redução de 67%.
- O EAF tem custos de capital muito menores do que o BF-BOF (~$300-400 por tonelada de capacidade versus $600-1.000) e maior flexibilidade operacional, mas é sensível aos preços da eletricidade.
- O EAF não consegue produzir facilmente tipos de aço plano de alta pureza para aplicações automotivas sem adicionar unidades de ferro virgem para diluir elementos residuais — particularmente o cobre — que se acumulam da sucata.
- A produção global de aço é de aproximadamente 70% BF-BOF e 30% EAF; a participação do EAF está aumentando à medida que a disponibilidade de sucata cresce e a pressão pela descarbonização se intensifica.
- O preço do carbono do EU ETS (~€50-70/tonelada de CO2) adiciona €115-165/tonelada de custo de carbono embutido ao aço BF-BOF, criando pressão competitiva que o EAF e importações sem precificação de carbono não enfrentam da mesma forma.
- O DRI com hidrogênio verde (H2-DRI-EAF) é a rota siderúrgica de menor carbono, reduzindo o CO2 em até 95% em comparação com o BF-BOF; HYBRIT e Stegra na Suécia são os principais projetos em escala comercial.
- A mudança do BF-BOF para EAF/DRI-EAF é pessimista para o carvão metalúrgico e minério de ferro padrão no longo prazo, e otimista para pelotas de minério de ferro de alta qualidade e sucata de aço.
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