PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO DO ALTO-FORNO A CARVÃO VEGETAL
1- OBJETIVO O ALTO-FORNO é um reator que tem por objetivo produzir gusa líquido, que é a matéria prima principal para Aciaria transformar em aço. A composição típica do gusa no AF à Carvão Vegetal é: C Si Mn P S
4,5% 0,4% 0,3% 0,07% 0,005%
2- DESCRIÇÃO SUMÁRIA DO AF - ASPECTOS CONSTRUTIVOS Carga topo
Saída dos gases de
(carvão, minérios, fundentes ) CH4, N2)
(CO, CO2, H2, H2O,
e pó de coletor
GOELA
CUBA
VENTRE
RAMPA
Região das ventaneiras (injeção de carvão + ar quente+oxigênio) drenagem
CADINHO gusa/escoria 2
de
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3- CARGA A carga típica utilizada no AF1 da ACESITA para fabricar 1 tonelada de gusa, é: CARGA METÁLICA (50% hematita, 50% sinter) 755 kg hematita (lavada) 755 kg sinter (peneirado em malha quadrada de 4,76 mm) FUNDENTES 50 kg quartzo( sem beneficiamento na Acesita) TERMO-REDUTOR 410 kg carvão úmido (5% H 2O) peneirado em 19 mm, carregado pelo topo 150 kg carvão pulverizado, injetado nas ventaneiras .
3.1- FUNÇÕES ESPECÍFICAS 3.1.1- CARGA METÁLICA •
•
Hematita, Sinter ou Pelota com teores de Ferro (Fe) entre 56 e 68% ligados ao Oxigênio, tem por objetivo fornecer Fe ao gusa. Minério de Mn com teor de Manganês (Mn) de 20%, tem por objetivo fornecer Mn ao gusa. Atualmente não é necessário devido presença suficiente deste elemento principalmente no sinter.
3.1.2- FUNDENTES Tem por objetivo fornecer óxidos para combinar com a ganga (CaO, SiO2, Al2O3, MgO) presentes nas hematitas, sinter e pelota, e assim formar uma escória com baixo ponto de fusão e boa fluidez. •
•
•
QUARTZO com teor de SiO2 de 95%, tem por objetivo fornecer este óxido para a formação da escória. CALCÁRIO (atualmente fora de uso devido a utilização de 50% de sinter na carga metálica) contém cerca de 54% de CaO, e é usado para introduzir o óxido CaO para a formação da escória. DOLOMITA(atualmente fora de uso devido a utilização de 50% de sinter na carga metálica) tem por objetivo fornecer tanto CaO quanto MgO para a formação da escória.
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3.1.3- CARVÃO A composição básica do carvão é: C fixo H2O cinzas mat. volátil
75% 5% 2% 23%
3.1.3.1- FUNÇÕES DO CARVÃO dentro do AF são:
combustível fornecer calor ao processo através da queima do Carbono segundo uma reação do tipo: C + O2 CO2 (GERA CALOR) redutor gerar gás redutor CO através da reação: CO2 + C 2CO ( CONSOME CALOR) O gás redutor CO reage com os óxidos de ferro presentes removendo O2 e liberando o Fe para que este se incorpore ao gusa. •
•
•
•
permeabilizante na zona seca e na zona de amolecimento facilita a passagem dos gases formados a partir das ventaneiras em especial através da zona de amolecimento da carga metálica/fundentes. Cerca de 70% da perda de carga é devida a passagem dos gases pela zona de amolecimento, e quanto maior a granulometria do carvão ao atingir esta zona, mais facilmente os gases atravessarão esta região crítica para a marcha do AF. O carvão carregado na goela do AF com tamanho médio 40 mm vai sofrendo degradação a medida em que desce com a carga, gerando frações finas e diminuindo o seu tamanho médio. Este fato leva a redução na permeabilidade. permeabilizante no cadinho o carvão que fica depositado no cadinho tem importância fundamental para permitir a drenagem do gusa e da escória durante a corrida. É conhecido que o gusa e a escória ocupam os vazios existentes na massa de carvão que repousa no cadinho. Cerca de 50% do volume do cadinho está ocupado permanentemente com carvão e quanto menor a granulometria do carvão no cadinho mais difícil será a drenagem.
3.1.3.2- CARACTERÍSTICAS DESEJÁVEIS NO CARVÃO PARA ALTO-FORNO •
Resistência Mecânica deve ser a maior possível para poder suportar o esfoço de compressão e assim poder manter o tamanho médio principalmente nas regiões inferiores do alto-forno como zona de amolecimento e cadinho. 4
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•
•
Carbono fixo o mais elevado possível para permitir aumento na densidade da carga metálica com consequente aumento de produtividade do AF. Densidade deve ser elevada para permitir aumento na densidade da carga metálica por unidade de volume interno do alto-forno.
Estas são características desejáveis no carvão vegetal para torná-lo competitivo quando comparado com o coque metalúrgico.
4- PRINCÍPIOS DA PRODUÇÃO DE GUSA 4.1- ZONA DE COMBUSTÃO É identificada como região 1 na figura anexa ao final da apostila, e é onde o oxigênio (O2) do ar quente soprado nas ventaneiras a 1000 oC, reage com o Carbono ( C ) do carvão vindo da região 2 (zona de carvão ativo) o qual chega nesta zona a 1400oC, e com o C da ICP injetado frio a 25oC. Todo o CO2 gerado será transformado em gás redutor (CO) segundo as reações: C + O2 CO2 ( gera 100 % do calor ) CO2 + C 2CO ( consome 45 % do calor gerado na reação acima ) O balanço de calor é favorável e os gases quentes formados deixam esta zona com temperatura entre 1800 e 2000oC, que é chamada temperatura de chama, e vão aquecer a carga, permitir as reações de redução dos óxidos de ferro e a formação de escória. Os principais gases que saem da zona de combustão são: CO reage com os óxidos de Fe dos minérios, sinter ou pelota. H2 reage com os óxidos de Fe dos minérios, sinter ou pelota N2 existe no ar soprado na proporção de 79% de N 2 para 21% de O2. Não reage ao longo de sua passagem pelo reator. Por apenas 1 centésimo de segundo uma partícula de carvão pulverizado permanece dentro da zona de combustão e esse é o tempo que ela tem para ser oxidada. Aquelas partículas que não forem oxidadas, sairão da zona de combustão junto com os gases e serão gaseificadas através das reações: CO2 + CICP 2CO H2O + CICP H2 + CO FeO + CICP Fe + CO Para que a combustão do carvão pulverizado seja eficiente,certas condições são necessárias ou são úteis:
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•
•
•
As partículas devem ser micro-pulverizadas até 0,074 mm (200 mesh) para facilitar a queima. O enriquecimento do ar com Oxigênio aumenta o poder de queima na zona de combustão A temperatura do ar soprado deve ser alta o suficiente para promover a queima do carvão
Uma representação esquemática do que acontece na zona de combustão, está mostrada abaixo:
carvão a 1400 0C (vindo da zona
carvão ativo)
gases a 2000 0 C (CO,
H2) ICP a 25oC + ar a 1000oC + oxigênio de enriquecimento injetado nas ventaneiras
Determina-se o comprimento da zona de combustão de um AF pela introdução de um vergalhão através do tampão da culatra do algaraviz, com a AF em marcha normal, até que seja encontrada resistência mecânica oposta pelo carvão. Mede-se então o comprimento do vergalhão além do bico da ventaneira, e essa medida é considerada como comprimento da zona de combustão. Normalmente o valor encontrado em experimentos feitos no AF1 está entre 1000 e 1200 mm.
4.2- ZONAS DE AMOLECIMENTO
PREPARAÇÃO,
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RESERVA
TÉRMICA
E
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Os óxidos de ferro da hematita, sinter ou pelota normalmente na forma de Fe2O3, vão sendo reduzidos pelo CO do gás à medida em que descem ao longo do corpo do AF, tanto na zona de preparação ( região 5 ) quanto na zona de reserva térmica (região 4), segundo reações do tipo: (1) 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 (2) Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 (3) FeO + CO Fe + CO2
(Fe2O3 tem 30% de oxigênio) (Fe3O4 tem 27,5% de oxigênio) (FeO tem 22% de oxigênio)
As reações (1) e (2) ocorrem em temperaturas menores que 800 oC e a reação (3) ocorre normalmente em temperaturas maiores que 800 oC. Existe uma reação muito importante que ocorre no AF e é denominada REGENERAÇÃO DO CO2 , que já foi citada anteriormente: (4)
CO2 + C 2CO
(reação de solution loss)
Esta reação (4) só ocorre em temperaturas acima de 800 oC e como pode ser visto, consome C, ou seja, consome carvão. Nas reações (1) e (2) os óxidos de ferro são reduzidos em seus teores de oxigênio via gás redutor CO porém o CO 2 gerado não reage mais com C porque a temperatura em que as reações (1) e (2) ocorrem é inferior a 800oC. É interessante, particularmente do ponto de vista econômico, que todos os óxidos de ferro sejam reduzidos a FeO dentro da região do AF em que reine temperaturas até 800oC para diminuir a ocorrência da reação (4). Portanto o ideal é que ocorram dentro das regiões 4 e 5 mostradas na figura anexa ao fim deste trabalho. A carga metálica ao atingir a zona de amolecimento (região 3) encontra temperatura suficiente para fundir os óxidos de ferro reduzidos e os demais óxidos que formam a escória (CaO, SiO 2, Al2O3, MgO, MnO). Como já foi dito, na zona de amolecimento é grande a importância do carvão para facilitar à passagem dos gases formados na zona de combustão (região 1) De todo o CARBONO carregado no AF tem-se aproximadamente a seguinte distribuição:
56% é para a REGENERAÇÃO DO CO2 (solution loss) 33% é para a QUEIMA COM OXIGÊNIO na zona de combustão ( fornece calor )
11% é para INCORPORAR AO GUSA 4.3- DRENAGEM DO GUSA E ESCÓRIA NO CADINHO
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A remoção do gusa e escória do cadinho é uma operação fundamental para o bom funcionamento do AF. No cadinho estão presentes o carvão sólido e aquecido a aproximadamente 1400oC, e nos vazios existentes entre os grãos de carvão tem-se o gusa/escória líquidos com temperatura variando entre 1350 e 1450oC. Como já foi dito, o carvão carregado na goela do AF com um tamanho médio de 40 mm vai sofrendo degradação à medida em que vai descendo ao longo da cuba, ventre e rampa, e consequentemente o seu tamanho médio vai sendo diminuindo. Quando este carvão é de baixa qualidade o tamanho médio pode ser severamente reduzido e quando chega ao cadinho (zona de carvão estagnado) passa a ocupar o lugar do carvão de melhor granulometria, e as consequências são:
Diminuição da fração de vaziosaumento da dificuldade de escoamento do gusa escória até o furo de corrida muitas vezes ocorre arraste do carvão, o que torna a corrida com obstruções , sopro, retenção de escória também pode acarretar aumento na pressão de sopro e em casos mais graves perda da reserva térmica e daí ao esfriamento do reator. nível das ventaneiras escória retida
furo de corrida
carvão fino
nível das ventaneiras furo de corrida
escória retida
carvão
grosso
5.- PRODUTOS DO ALTO-FORNO Do AF saem três produtos, todos eles com valor econômico.
GUSA
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O principal produto do AF, é a matéria prima mais importante na Aciaria para a fabricação de aço, e na Acesita alguns aços como o G.O. e o inox 409 tem exigências específicas quanto a determinados elementos e temperatura do gusa. O aço G.O. por exemplo, precisa de gusa com temperatura acima de 1445ºC, Mn<0,25% e Si entre 0,4 e 0,8%. O aço inox 409 precisa de gusa com Mn < 0,40%. Para que o gusa chegue à Aciaria dentro das especificações de temperatura, é necessário que os carros torpedos utilizados para transporte estejam em boas condições de limpeza e aquecidos. É necessário também que haja bom fluxo de informações entre a Aciaria e a área de Redução, pois atraso no horário de vazamento do AF certamente trará como conseqüência aumento na pressão de ar quente nas ventaneiras, devido congestionamento de líquidos abaixo da zona de amolecimento quando o cadinho já está cheio de gusa/escória. O custo direto do gusa do AF1 tem estado por volta de R$ 115,00/t.
ESCÓRIA Objetiva-se trabalhar com um volume de escória o menor possível visto que é necessário consumo de calor para formação e aquecimento da escória. Calor significa energia, e no AF energia vem basicamente da queima do carvão na zona de combustão, portanto quanto menor o volume de escória possível, melhor tanto do ponto de vista de custo, quanto do ponto de vista técnico/operacional pois quanto maior o volume de escória mais congestionadas ficam as regiões 2 e 6 com líquidos que descem para o cadinho em contra-corrente com os gases que saem da zona de combustão. Normalmente a consequência será um aumento na pressão do ar soprado nas ventaneiras. A composição da escória é calculada para proporcionar uma “ temperatura de liquidus” baixa e a melhor “fluidez” possível para facilitar a drenagem do cadinho. Temperatura de liquidus é aquela a partir da qual a escória está liquida, e abaixo desta temperatura começam a aparecer os primeiros critais sólidos. Uma função importante da escória no AF1 é a remoção de ÁLCALIS que são compostos de K 2O e Na2O presentes na carga metálica e
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carvão, muito corrosivos, e que ficam recirculando dentro do AF, facilitando a formação de cascão nas paredes refratárias do reator. A escória ácida (CaO/SiO2<1) do AF a carvão vegetal tem facilidade para remover álcalis, tornando a operação de um AF a carvão vegetal menos sujeita à formação de cascão que num AF a coque. Quando granulada através de choque térmico com água, a escória passa a ter valor econômico, podendo ser utilizada por fábricas de cimento. Seu valor comercial está por volta de R$5,00 a R$6,00/t.
GÁS DE ALTO-FORNO O gás gerado no processo de redução de minério de ferro e que sai no topo do AF é utilizado como combustível na USINA, tendo portanto valor econômico. Como arrasta poeiras, o gás deve ser limpo através de ciclone (coletor de pó) e lavagem onde o nível de impurezas sólidas é reduzido até 10 a 30 miligramas/Nm3 de gás. A quantidade de pó de coletor gerado no AF1 é cerca de 35 kg/t gusa . Eventualmente até mesmo o “pó de coletor” é comercializado para uso em sinterização de minério de ferro como combustível e para “input” de óxidos.
Cerca de 33% do gás gerado é consumido no aquecimento dos cowpers, e o restante fica a disposição da USINA para uso em caldeiras e em fornos de reaquecimento nas laminações. A composição típica é CO CO2 H2
20 a 23% 19 a 20% 3 a 4%
O poder calorífico (PCI), valor que indica a qualidade do gás sob o ponto de vista de geração de energia quando totalmente queimado, é de 780 a 800 Kcal/Nm3, sendo considerado gás pobre se comparado ao gás do FER que tem 2600 Kcal/Nm3, ou o GLP que tem 22000 Kcal/Nm3. O valor de venda do gás de AF é cerca de R$ 9,00/ 1000 Nm3. 10
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66% para rede gás da USINA
34% para aquecer
CARGA METÁLICA COWPER 755 kg hematita 755 kg sinter FUNDENTES 50 kg quartzo CARVÃO GRANULADO 410 kg
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GÁS DE ALTO-FORNO 1800Nm3 Temperatura=150 oC PCI=780 Kcal/Nm3
PÓ COLETOR
35 kg
ALTO-FORNO
GUSA 1000 kg Temperatura=1400 oC
AR 1250 Nm3 Temperatura=1000 oC
ESCÓRIA 185 kg
CARVÃO PULVERIZADO
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GUSA DE ALTO-FORNO A CARVÃO VEGETAL
TEORES TÍPICOS ELEMENTOS
4,5%
C
0,4%
0,3%
Si
Mn
0,005%
0,06%
S
P
vem do C presente no carvão vegetal
vem da SiO2 do quartzo, minérios, pelota, sinter, cinzas do carvão e cinzas da ICP
vem dos residuais de S presentes nos minérios de ferro, sinter, e pelota
vem do minério de Mn e de residuais de Mn existentes em outras matérias primas
vem do P2O5 que existe nos minérios de ferro, pelota e sinter
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