Praticas modernas paraoperac;ao de alto-fornos

Praticas modernas paraoperag8o de alto-fornos

Maarten GeerdesCor van der VlietHisko Toxopeus

Fernando Tadeu Pereira de Medeiros

COORDENACAo DA EDICAo BRASILEIRAFabio Mayrink

Keiner AlvarengaJose Borges de Araujo Neto

Magid Saab

Prefacio

o alto-forno pode ser descrito com base em varios pontos de vista. Urn engenheiromecanico descreveria 0 forno como uma carcac,;a de ac,;o resistente com urnrevestimento refratario e urn sistema de refrigerac,;ao, continuamente submetido adesafios operacionais. Urn engenheiro quimico enfatizaria a abundancia dereac,;6es qUlmicas que ocorrem dentro do forno. Urn operador salientaria osdisturbios frequentemente encontrados ao operar 0 alto-forno. 0 presente livrotenta conciliar os varios pontos de vista. 0 processo do alto-forno, ou seja, 0 queesta acontecendo dentro do reator, e tornado como ponto de partida.

A motivac,;ao para escrever este livro fOI que, em nossa visao, a otimizac,;ao daoperac,;ao de urn alto-forno nao esta apenas baseada em experiEmcias quemostram as melhores praticas, mas tambem no entendimento conceitual do porquealguma coisa funciona ou nao. Em outras palavras, a melhoria operacional naoesta baseada somente em know-how (saber como), mas tambem em know-why(saber porque).

Esta e a abordagem por nos usada no presente livro. Os autores tern sidoenvolvidos em muitos programas de melhoria operacional e situac,;6es especiais dealtos-fornos em todo 0 mundo. Eles desenvolveram seus proprios entendimentosdo processo.O presente livro esta baseado na experiencia deles em transferir seusconhecimentos para os operadores de altos-fornos.

Nos queremos expressar nossa imensa gratidao as pessoas com quemtrabalhamos. 0 livro nao teria sido escrito sem 0 forte apoio da Danieli Corus BV eCorus IJmuiden em promover entendimento operacional do alto-forno. Somostambem imensamente gratos aos nossos diversos colegas em todo 0 mundo,especialmente aqueles da Vale.

Outubro de 2007Maarten GeerdesCor van der VlietHisko Toxopeus

Fernando Tadeu Pereira de Medeiros

Conteudo

Capitulo 1 IntrodUl;;ao ao processo de alto-fomo 1_ 1.1 0 que impulsiona 0 forno? 3

1.2 0 Equipamento...... 5•• 1.3 Visao geral do Livra 9

1.4 Exercicios 9

Capitulo 2 0 alto-fomo: carga e fluxo de gas.............................................. 112.1 Gera<;:aode gas e permeabilidade da carga ,....................................... 112.2 Eficiencia do forno 152.3 Exercicio: f1uxo de gas e 0 conteudo de um alto-forno 15

Capitulo 3 A carga de minerio: sinter, pelotas e minerio granulado......... 173.1 Intradu<;:ao........... 173.2 Exigencias de qualidade para a carga do alto-forno 183.3 Sinter......................................................................................................... 213.4 Pelotas 293.5 Minerio granulado...................................................................................... 32

Capitulo 4 Coque 334.1 Fun<;:6esdo coque 344.2 Qualidade do coque 344.3 Produ<;:ao de Coque 364.4 Qualidade do coque no alto-forno 37

Capitulo 5 Inje~ao de carvao e outros combustlveis auxiliares 395.1 Inje<;:aode carvao: equipamento 405.2 Especifica<;:ao de carvao 415.3Inje<;:ao de carvao pelas ventaneiras 415.4 Controle de processo com inje<;:aode carvao pulverizado 435.5 Contrale do f1uxo de gas 455.6 Simetria circunferencial da inje<;:ao 455.7 Outros combustiveis 46

V

Capitulo 6 Calculo da carga e balan~o de massa 476.1 Introdugao 476.2 Calculo da carga: pontos de partida :..................................................... 476.3 Um exemplo de calculo de carga 486.4 Calculos de processo: um balango de massa simplificado 49

Capitulo 7 0 processo: descida da carga e controle do f1uxo de gas 557.1 Descida da carga: onde e criado 0 vazio? 557.2 Descida da carga: sistema de forgas verticais 577.3 Fluxo do gas no alto-forno 587.4 Fluidizagao e formagao de chamines......................................................... 667.5 Distribuigao da carga 677.6 Descida anormal da carga e f1uxo de gas 727.7 Instrumentagao do alto-forno 747.8 Controle operacional diario do alto-forno 74

Capitulo 8 Produtividade e efici€mcia do alto-forno 778.1 A zona de combustao 778.2 6xidos de carbona e de ferro 808.3 Perfil da temperatura 888.4 Simetria circunferencial e redugao direta 88

Capitulo 9 Gusa e esc6ria............................................................................... 919.1 Gusa e a aciaria 919.2 Composigao do gusa 929.3 Redugao do silicio 939.4 Enxofre no gusa........................................................................................... 949.5 Esc6ria 959.6 Interag6es do gusa e esc6ria: propriedades da esc6ria em situag6esespeciais 98

Capitulo 10 Opera~ao da area de corrida 10110.1 Objetivos da operagao da area de corrida 10110.2 Layout da area de corrida 10210.3 Pratica com cadinho seco e operagao com um furo de corrida 10310.4 Abertura e tamponamento do furo de corrida 10510.5 Nivellfquido do cadinho e operagao da area de corrida 107

Capitulo 11 Situa~6es especiais 10911.1 Paradas e partidas 10911.2 Abaixamento de carga 11011.3 Acendimento (blow-in) de um forno novo 112

Capitulo 12 Modelamento do processo......................................................... 11512.1 Modelos de avalia<;:ao termoquimica......................................................... 11512.2 Modelos f1uidodinamicos 11912.3 Modelos de avalia<;:ao integrada................................................................ 120

Anexos :................... 122Anexo I 122Leitura complementar........................................................................................ 122Anexo II ReferE'mcias 123Anexo III Respostas aos exercicios 124Anexo IV Regras gerais 127indice Rem issivo 128

82, 83, 84barCcntpCOC02CRICSR

FeGJH2H20HGIHOSIMHVIISIISOJISKkgkgmolktLVm3STPmmMnMtI-lmN2Na02PTACTSSiCoque padraottgusaTiVDEh

basicidade, relagao de dois, tres ou quatro componentesunidade de pressao = 0,9869 atmcarbonacondigoes normais de temperatura e pressao (O°C e 1 atm)mon6xido de carbonadi6xido de carbonacoke reactivity index (indice de reatividade de coque)coke strengh after reaction (indice de resistencia do coque ap6sreagaoferrogiga Joule = 103 JoulehidrogenioaguaHardgrove Grindability Index (indice de resistencia a moagem)hoogovens simulatie (ensaio de simulagao de alto-forno)alto indice de volateisInternational Iron & Steel InstituteInternational Organisation for StandardizationJapanese Industrial Standardpotassicquilogramaquilograma-molquilotonelada = 103 tbaixo indice de volateismetro cubico em temperatura e pressao normaismilimetromanganesmegatonelada = 106 tmicrometro = 10-6 mnitrogenios6diooxig€miof6sforotemperatura adiabatica da chama na zona de combustaotaxa de substituigao de coque por combustivel injetado (kg/kg)siliciocoque com 87,5% carbonatonelada metricatonelada de gusatitanioVerein Deutscher Eisenhutlenleute (Associagao dos siderurgistasalemaes)materia volatil

Capitulo 1Introdug80 ao

processo de alto-forno

Duas rotas diferentes de processo estao disponiveis para a prodUf;:ao de a90: arota de produ9ao de a90s por alto-forno-conversor a oxigenio e a rota de produ9aopor forno eh~trico a arco. As rotas diferem com rela9ao aos tipos de produtos quepodem ser feitos, da mesma forma que as materias-primas usadas. A rota deprodu9ao de a90s por alto-forno-conversor a oxigenio produz, na maioria doscasos, produtos pianos, ao passo que a produ9ao por forno eletrico a arco estamais voltada para produtos longos. A primeira usa, em especial, coque e carvaocomo combustiveis e sinter e pelotas como materiais contendo ferro, ao pas so quea segunda usa energia eletrica para fundir sucata de a90. A tendencia e que osfornos eletricos a arco evoluam para serem capazes de produzir tambem osprodutos pianos. A produ9ao via "alto-forno-conversor a oxigenio" e a principalfonte de a90 para 0 mundo, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1: Viseo geral das rotas de produgeo de agos e materias-primas(Fonte I/SI Steel Statistical Yearbook, 2008)

o ferro metalico Ifquido, ferro-gusa ou simplesmente gusa, e produzido em um alto-forno de onde e transportado para a aciaria. La ocorre 0 refino do gusa em a90 pormeio da rem09ao de elementos tais como enxofre, silfcio, carbono, manganes ef6sforo. 0 bom desempenho da aciaria requer uma qualidade consistente do gusa,sob uma dada especifica9ao. Tipicamente deseja-se um teor de silfcio entre 0,3% e0,7%, manganes entre 0,2% e 0,4%, f6sforo de 0,06% a 0,10% e uma temperaturaa mais alta possive!. 0 presente livro descreve como um gusa de qualidadeconsistente pode ser obtido no alto-forno.

No processo do alto-forno, mlneno de ferro e combustiveis/redutores (coque,carvao) sac transformados em gusa, esc6ria e gas. 0 gusa e a esc6ria nao semisturam, ficando separados um do outro no cadinho do forno. A esc6ria f1utuasobre 0 gusa, mais denso. 0 gusa pode ser separado da esc6ria na area decorrida.

Para entender como 0 gusa e a esc6ria sac formados, consideremos 0 conteudode um alto-forno em operagao. 0 minerio e 0 coque sac carregados em camadasseparadas pelo tope do forno. Com base em estudos de fornos resfriados edissecados, tornou-se claro que, as camadas de minerio e coque sac mantidas ateque as temperaturas atinjam um ponto em que 0 minerio comece a amolecer easefundir. Fornos resfriados sac "congelados em agao" com a ajuda de agua ounitrogenio. Um exemplo de alto-forno resfriado e mostrado na Figura 2. 0 alto-fornoresfriado mostra c1aramente a estrutura de camadas das camadas de coque eminerio e, por uma analise adicional, informagoes sobre 0 aquecimento e fusao dosmateriais de minerio, bem como 0 progresso das reagoes quimicas.

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Um alto-forno em opera<;'momento, de cima para I,

:onforme indi . 10na Figura 3, contem a qualquer):

o Uma zona de camadas l . mineno e :qo Uma zona onde 0 minerio comega a ,a., lecer e fundir (zona deamolecimento-fus80 ou zona de coes, ).o Uma zona onde existe apenas coque e gusa/esc6ria Iiquidos: zona de "coqueativo" ou zona de gotejamento.o 0 nucleo ou homem MOrtOo 0 cadinho do forno, com coque.

o alto-forno possui uma forma tipica de segmentos tronco-conicos e cilindros. Assegoes do topo para baixo S80: a goela, onde se encontra a superficie da carga; acuba; 0 ventre (rampa paralela); a rampa e 0 r'ldinho.

ZOIla die Coque fu'OHomem .'brto

ZOI1I:l die Comblasliio

CadinhoFuro e Oooulla

A forga impulsora do alto-forno esta ilustrada na Figura 4 (pr6xima pagina)o A alto-forno e cheio com camadas alternadas de coque e da carga contendominerio de ferro.o 0 ar quente (temperaturas ate 1.200°C) e soprado para dentro do alto-forno pelasventaneiras, uma pega de cobre refrigerada a agua - 300 mm de comprimento emfornos menores, 1000 mm em fornos maiores.

• 0 ar soprado queima 0 combustivel (coque, assim como os combustiveisauxiliares injetados via ventaneiras). Neste processo de queima, 0 oxigEmio dosopro e transformado em mon6xido de carbona (gas CO). 0 gas resultante possuiuma alta temperatura de chama (2.100 - 2.300°C). A combustao consome 0 coquena frente as ventaneiras, criando vazios.•0 gas quente ascende pelo forno e, durante sua ascensao, ele:

• aquece 0 coque na regiao da rampa/ventre.• causa a fusao do minerio de ferro na carga, criando vazios.• aquece 0 material na regiao da cuba do forno.• remove parte do oxigEmio da carga por reagoes quimicas.

• Em sua fusao, 0 minerio de ferro produz gusa e esc6ria, os quais gotejam caindopela zona de coque ate alcangar 0 cadinho, de onde sac removidos atraves de umfuro de corrida. Na zona de gotejamento, 0 gusa e a esc6ria consomem coque,criando vazios.

o alto-forno pode ser considerado como um trocador de calor e de massa emcontracorrente: 0 calor e transferido do gas para a carga, oxigenio da carga para 0

gas. 0 gas so be pelo forno, enquanto a carga e 0 coque descem. 0 gas transferecalor para a carga e simultaneamente 0 oxigenio e transferido da carga para 0 gas.Essa caracteristica de processo em contracorrente 0 faz extremamente eficiente.

Minerro consome coque.cna. .'j,,; ••.•azi ...

/Fusao de minerio.

/ _ ~lld:J /'OI.ZIO_

o gassobepelo

lorno

A cargaeo coquedescempelo lorno

Figura 4: Forr;a impulsora de um alto-forno. 0 processo de contra-corrente cria vazios nasareas indicadas fazendo com que a carga desr;a

Um exemplo tipico do perfil de temperatura no alto-forno e mostrado na Figura 5.Observa-se que a zona de amolecimento/fusao esta localizada numa regiao emque as temperaturas vaG de 1.100 a 1.450°C. As diferengas de temperatura sacgrandes. No exemplo, os gradientes de temperatura sao maiores na diregaohorizontal do que na diregao vertical, 0 que sera explicado no Capitulo 7.

Uma visao geral dos principais equipamentos usados no processo de um alto-fornoe apresentada na Figura 6. Estes incluem:• Regeneradores. 0 jato de ar quente (temperatura de 1.000 - 1.200°C) eproduzido nos regeneradores e e entregue ao forno por meio de uma linha principalde ar quente, pelo anel de vento e atraves das ventaneiras. 0 ar quente reage como coque e combustiveis auxiliares.• Casa de silos. Os materiais da carga e 0 coque sac descarregados na casa desilos. Os materiais sac peneirados antes de serem pesados para alimentagao doforno. A casa de silos e operada automaticamente. As corregoes de umidade nocoque sac feitas automaticamente. Por meios de cagambas de carregamento(skips), ou via correia transportadora, os materiais da carga e 0 coque sac levadosao topo do forno, onde sac descarregados para dentro do forno em camadasseparadas de carga de minerio e coque.• Limpeza do Gas. 0 gas do tope sai do forno e passa pelos coletores ascendentes(off-takers e up-takers) e pelo tubo de descida de gas (down-comer). Uma vez queo gas de tope contem particulas s6lidas, ele passa por um coletor de p6 e umsistema de lavagem.• Casa de Corrida. 0 ferro-gusa Iiquido e a esc6ria se depositam no cadinho doforno, de onde sac vazados atraves de canais e coletados em torpedos ou panelas.• Granulagao de Esc6ria. A esc6ria, na maioria dos casos, e granulada, 0 quesignifica resfria-Ia com agua. A esc6ria granulada pode ser usada para afabricagao de cimento.

o tope do alto-fomo e fechado, tendo em vista que opera em alta pressao. Existemdois sistemas diferentes:• 0 sistema de duplo cone. Para prop6sitos de distribuic;:ao de carga,frequentemente equipados com uma blindagem m6ve!.·0 tope sem cone (bell-less top), 0 qual permite uma distribuic;:ao mais eficiente dacarga.Ambos os tipos de tope sac esquematicamente mostrados na Figura 7.

Sistema de duplo conecom pJaca movel

tDlstnbuidor U

Cone Grande \ 1 (

Placa movel ····Jl r(coroade I

choque) ~

Sistema Paul Wurth(Topo sem cone)

SiloSuperior

1

II

[ (~

CalhaRotativa

Existem basicamente duas tecnicas de construgao para suportar altos-fornos. Noprojeto c1assico a cuba e suportada por meio da maratra (extremo mais baixo dacuba). 0 topo do forno se ap6ia no anel de suporte da cuba. A outra tecnica e umaconstrugao autoportante, permitindo uma sustentagao especial do to po do alto-forno e do sistema de gas. A expansao termica e a provocada pela pressao internasac absorvidas, nos fornos de maratra, abaixo do anel, ou seja, na regiao darampa/ventre, ao passo que nos fornos autoportantes sac absorvidas no topo,conforme indicado na Figura 8.

Constru~ao Constru~aocomauto-portante anelde suporte

Figura 8: Construr;6es de altos fornos

Os altos-fornos evoluiram consideravelmente em tamanho durante 0 seculo XX. Noinicio deste seculo, os altos-fornos tin ham um diametro de cadinho de 4 a 5 metrose produziam pr6ximo de 100 mil toneladas de gusa por ano, na maioria a partir deminerio calibrado e coque. Ao final do seculo, os maiores altos-fornos tinham de 14a 15 metros de diametro do cadinho e estavam produzindo de 3 a 4 Mt por ano.Uma evolugao tipica dos altos-fornos e mostrada na Tabela 1, como ocorreu nausina siderurgica de IJmuiden, na Holanda.

1 - Introdu~ao ao processo de alto-forno

Tabela 1: Evoluy80 dos altos-fomos na Corus IJmuiden, Paises Baixos

Alto forno nQ 2 3 4 5 6 7

Diametro Gadinho m 4,8:'5,6 4,8/5,6 5,2/5,9 8.5 8/9 10;11 13/13,8

Volume de lrabalfio m' 519 519 598 1.413 1.492 2.328 3.790

Ano 6e Gonstrul;ao 1924 1926 1930 1958 1961 1967 1972

ProdutMdade t'd 280 280 360 1.380 1.700 3.000 5.000lnici

Produtividade ma\s t'd 1.000 1.000 1.100 3.500 3.700 7.000 10.500recente

lJlma eforlna 2002 1991

Demciidoe 1974 974 1991 1997 1997

o tamanho de urn alto-forno e frequentemente expresso pelo diametro de seucadinho ou como seu "volume de trabalho" ou "volume interno". 0 volume detrabalho e 0 volume do alto-forno disponivel para 0 processo, ou seja. 0 volumeentre as ventaneiras e 0 nivel da carga. As defini<;:6es de volume de trabalho evolume interno sac apresentadas na Figura 9.

Fundodo cone' "\

Fundodo cone

Nivel da carga1m

abaixofundode

I 0 conei 0 I£:

E c ~..Q 2 cz:~ i£ ~§ E ~'0 ~ IE

I::> g .2g

Fundo daplaca

movel

NiveldasVentanelras

NiveldoFll~Ode Corrida

Tijolo SlJperiGfdofundo i

A produgao de ferro em altos-fornos pode ser discutida a partir de tres perspectivasdiferentes:• A abordagem operacional: discutindo 0 alto-forno e seus disturbios operacionais.• A abordagem da tecnologia quimica: discutindo 0 processo da perspectiva dotecnologista que analisa as rea90es quimicas e balan90s de calor e massa.• A abordagem da engenharia mecanica: focando no equipamento.A enfase do presente livro e a "visao do operador", com urn forte desejo deentender 0 que ocorre dentro do alto-forno. Dentro desta abordagem, os principiosdo processo sac discutidos (Capitulo 2) seguidos pelas exigencias de qualidade dacarga (Capitulo 3) e coque e combustiveis auxiliares (Capitulos 4 e 5). Calculossimplificados para a carga e gas de topo sac feitos (Capitulo 6). 0 controle deprocesso e discutido no Capitulo 7: descida da carga e controle de vazao do gas.As questoes pertinentes ao entendimento da produtividade e eficiencia do alto-forno sac apresentadas no Capitulo 8. Subsequentemente, a qualidade do gusa eda esc6ria (Capitulo 9), Opera9aO da casa de corrida (Capitulo 10) e situa90esespeciais como paradas e entradas em marcha (Capitulo 11) sac discutidas.

Os exercicios referem-se a urn alto-forno grande e moderno, operado com inje9aode carvao pulverizado, e equipado com alta pressao de topo e alta temperatura desopro. 0 forno possui urn volume de trabalho de 3.800 m3 e 4 furos de corrida.o forno esta produzindo 10.000 t/dia e urn volume de esc6ria de 250 kg/tgusa.Como combustivel, 0 forno usa 300 kg de coque por tonelada de gusa e 200kg/tgusa de carvao pulverizado injetado (ICP ou PCI).

Perguntas:1. 0 Instituto Internacional da Industria do A90 (IISI) estima que a produ9aomundial de ferro gusa foi de 575,7 Mt em 2001. Quantos "fornos modernos" sacnecessarios para produzir esta quantidade? E, se existirem 3 destes fornos emcad a usina, quantas usinas sac necessarias?2. Calcule 0 fluxo anual de pelotas e carvao para tal usina considerando aquantidade produzida de produtos acabados de a90:a) A partir de 1,0 t de ferro, 1,1 t de a90 Iiquido sac produzidas e 0,9 t de produtosacabados de a90.b) Para 1,0 t de ferro sac necessarias 1,6 t de pelotas.c) 0 coque e produzido em plantas locais de coque. 25% do carvao sacgaseificados na prodU9aO de coque.

, d) Suponha urn rendimento de 100% para a inje9ao de carvao.

Capitulo 2o alto-forno:

carga e fluxo de gas

o alto-forno e um reator em contracorrente. A forga impulsora e 0 f1uxo de arquente que queima 0 coque em frente as ventaneiras. Neste capitulo, e analisado 0

fluxo de gas atraves do forno em maiores detalhes.

A carga consiste de camadas alternadas de minerio (sinter, pelotas, mmenobitolado) e coque, carregada fria e umida no topo do forno. Em frente asventaneiras 0 ar quente queima 0 coque. Ao Iongo da altura do forno (22 a 25 mdas ventaneiras a superffcie da carga) a temperatura do gas decresce de 2.200°C(temperatura de chama) ate 100 a 150°C (temperatura de topo).

Ogassobepelo

forne

A cargaeo coquedescempelo forno

Figura 10: 0 a/fo-fomo como urn rea tor de contra correnteo processo comega com 0 jato de ar quente pelas ventaneiras, que queima 0coque e 0 carvao na zona de combustao (Figura 10). A queima do coque cria gasquente que e capaz de fundir a carga de minerio. A queima do coque e a fusao dacarga de minerio criam espago dentro do forno, 0 qual e preenchido com a carga e

11

o coque descendentes. A produc;:ao de um alto-forno esta diretamentecorrelacionada com a quantidade de coque queimada em frente as ventaneiras,porque uma quantidade fixa de carga de minerio e carregada para cada toneladade coque. Numa situac;:ao normal de operac;:ao, 0 gusa e produzido assim que 0

coque e usado.

o oxigE'mio do sopro ira queimar 0 coque gerando mon6xido de carbona (CO). Paracada molecula de oxigenio, sac formadas 2 moleculas de mon6xido de carbono,entao cada metro cubico (m3

) de 02 ira reagir para formar 2 m3 de CO. 0 ar contem21 % de oxigE'mio. Se 0 so pro for enriquecido para se atingir um teor de 25% deoxigenio, 0 teor de nitrogenio sera de 75%. Neste caso, 0 gas de ventaneiraconsistira de 75/(75+2x25) = 60% de N2 e 40 % de CO. Alem disto, uma enormequantidade de calor e gerada na zona de combustao pela queima do coque e docarvao (ou 6leo, gas natural). 0 calor gerado produz uma alta temperatura dechama, normalmente em torno de 2.000 - 2.300°C. Uma vez que esta temperaturae mais alta do que a de fusao do ferro e da esc6ria, a energia contida no gasquente pode ser usada para fundir a carga. A temperatura de chama sera discutidaem maiores detalhes na Sec;:ao7.1.3.

o gas quente so be pelas camadas de minerio e coque. Se houvesse apenas coqueno alto-forno, a composic;:ao quimica do gas nas zonas superiores nao mudaria,porem, 0 gas se esfriaria, devido ao fato dele estar em contato com as camadasmais frias de coque na parte mais alta do forno. Uma apresentac;:ao do gas flu indopor um alto-forno carregado de coque e apresentada na Figura 11. 0 f1uxo de gastem um carater de fluxo de sustentac;:ao. Para 0 operador de alto-forno experiente,um forno carregado apenas com coque pode parecer um conceito te6rico. Todavia,em algumas situac;:6es praticas, como 0 acendimento inicial (blow-in) de um novoforno ou ao tirar um forno de operac;:ao por um longo tempo (abafamento) 0 forno epreenchido quase que completamente com coque.

Figura 11: Fluxo de gas em forno carregado apenas com coque e carregado com camadasalternadas de coque e minerio.

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Na situa<;:ao normal de opera<;:ao, 0 forno e carregado em camadas alternadas decoque e minerio. Aproximadamente 35-45 camadas de minerio estao presentes noforno. E importante notar que a permeabilidade da camada de coque e muito maiorque a da camada de minerio. Isso e causado pelo fato do coque ser muito maisgrosse do que 0 sinter e pelotas, e devido a fra<;:aode vazio dentro da camada decoque que e mais alta. Por exemplo, 0 tamanho medio do coque num alto-forno etipicamente de 45-50 mm, ao passo que 0 tamanho medio do sinter e de 14 a 20mm e 0 das pelotas de 10 a 12 mm. ConseqQentemente, as camadas da cargadeterminam como 0 gas flui pelo forno, enquanto que as camadas de coquefuncionam como distribuidores de gas.

Se 0 gas flui da rampa para cima, 0 que acontece com 0 gas, a medida que elegradualmente se esfria?Primeiro: 0 calor acima de uma temperatura de aproximadamente 1.400°C - que ea temperatura de fusao da escoria - e transferido para as camadas da carga e decoque, fundindo a carga de minerio. 0 mesmo se aplica ao calor acima de um nivelde temperatura de 1.100°C. Porem, a carga nao se funde por completo, masamolece e os constituintes grudam uns nos outros. Na zona de amolecimento efusao 0 oxigemio restante e removido da carga. Tipicamente, para cada atomo deferro existe 0,5 atomo de oxigenio de resto. 0 oxigenio reage com 0 coque e geramonoxido de carbona adicional. Esta e a denominada rea<;:ao de redu<;:ao direta(Capitulo 8), que ocorre somente na parte mais baixa do forno.

o gas agora se esfriou para aproximadamente 1.100°C e gas adicional foi gerado.Uma vez que a rea<;:ao de redu<;:ao direta consome muita energia, a eficiencia doforno depende, em muito, da quantidade de oxigenio removido dos materiais dacarga antes de alcan<;:ar esta temperatura de 1.1OO°C . Em resumo:• 0 calor e transferido do gas para a carga, a qual se funde (>1.400°C) ou amolece(>1.100°C).• 0 oxigenio residual na carga e removido pela rea<;:§ocom 0 coque e CO adicionale gerado. Isto e conhecido como rea<;:aode redu<;:aodireta.

Ao se esfriar ainda mais, 0 gas e capaz de remover oxigenio do material da carga,produzindo dioxido de carbona (C02). Quanto mais oxigenio e removido, maiseficiente e 0 forno. Abaixo de temperaturas de 1.1OO°C ocorre 0 seguinte:• 0 calor e transferido do gas para a carga.• 0 gas C02 e gerado a partir do gas CO, enquanto a quantidade de oxigenio dacarga e reduzida. Nenhum gas adicional e gerado. Na literatura tecnica, ela asvezes e chamada de "redu<;:ao indireta" ao contrario da "redu<;:aodireta".• Uma rea<;:aosimilar ocorre com 0 hidrogenio. 0 hidrogenio pode remover oxigenioda carga formando agua (H20).

N parte mais alta do forno, a umidade na carga e no coque e evaporada eIlmln da da carga antes que as rea<;:6esquimicas ocorram.

Se n6s seguirmos a carga e 0 coque em seus percursos descendentes, a carga e 0

coque sac gradual mente aquecidos. Primeiramente a umidade se evapora e aaproximadamente 500°C, a remo<;:ao do oxigenio e iniciada. Um esquemasimplificado da remo<;:aode oxigenio da carga e mostrado na Figura 12.

o primeiro passo e a redu<;:ao da chamada hematita (Fe203) para magnetita(Fe304). A rea<;:ao de redu<;:ao gera energia, assim, ela ajuda a aumentar atemperatura da carga. Alem disto, a rea<;:ao de redu<;:ao cria tens6es na estruturacristalina da carga metalica que podera se fragmentar em particulas menores. 0fen6meno e chamado de degrada<;:ao sob redu<;:ao em baixa temperatura. Variostestes estao disponiveis para se quantificar sua magnitude (ver capitulo 3). Maisembaixo no forno, a temperatura da carga aumenta gradualmente ate que a cargacomece a amolecer e fundir na zona coesiva. 0 ferro e a esc6ria sob fusao saccoletados no cadinho.

Considerando a intera<;:ao entre 0 gas e a carga de minerio, quanta mais 0 gasremove oxigenio da carga de minerio, mais eficiente e 0 processo do alto-forno.Consequentemente, 0 contato entre 0 gas e a carga de minerio e muito importante.Isto significa que a permeabilidade da carga de minerio tem que ser boa, e que, ataxa do gas f1uindo pela carga de minerio e a quantidade de oxigenio a serremovido da carga tem que ser balanceada. Por outro lado, os 6xidos de ferro temque ser "razoavelmente" redutiveis. Porem, os 6xidos de ferro s6 sac reduzidos emcontato com 0 gas.

A experiencia tem mostrado que muitos problemas em altos-fornos sacconsequencia da permeabilidade deficiente das camadas de minerio. Assim, apermeabilidade das camadas de minerio e uma questao de grande relevancia. Elae, em muito, determinada pela quantidade de finos « 5 mm) na camada. Grandeparte dos finos vem do sinter. Isto pode ocorrer caso ele nao seja bem peneiradoantes de ser carregado ou se seu nivel de degrada<;:ao for elevado.

o problema com a quantidade de finos no forno e que eles tendem a se concentrarem aneis no forno. Os finos saG carregados no forno e concentrados no ponto deimpacto na camada superior, ou saG gerados por degradayao sob reduyao a baixatemperatura. Assim, e importante peneirar adequadamente os materiais da carga,normalmente com peneiras de 5 ou 6 mm e controlar as caracteristicas dadegradayao sob reduyao a baixa temperatura.

A eficiencia do processo do alto-forno (considerado como 0 consumo decombustivel por tonelada de gusa) e continuarnente monitorada medindo-se acomposiyao quimica do gas do topo. A eficiencia e expressa como a utilizayao degas: 0 percentual de gas CO que foi transformado em C02, como definido naseguinte expressao:

.. _, CO2%Utlhza9ao de gas CO = (C00 CO )

)/0+ 2%

Alem disto, em fornos modernos, a composiyao do gas ao longo do raio edeterminada semicontinuamente. Este controle mostra se ha ou nao um bomequilibrio entre a quantidade de gas de reduyao e a quantidade de minerio nacarga. A regiao da parede e especialmente importante porque nela ha umatendencia de aumento da espessura da carga metalica e de reduyao datemperatura do gas, dificultando a fusao da carga. Nesta regiao, a quantidaderelativa de coque nao devera ser baixa demais.

A composiyao do gas de topo proporciona uma indicayao de razoavel precisao emrelayao a eficiencia do forno. Ao comparar diferentes fornos, deve-se perceber queo H2tambem faz parte no processo de reduyao (Seyao 8.2.4).

A utilizayao do gas tambem depende da quantidade de oxigenio a ser removida.Uma vez que as pelotas tem aproximadamente 1,5 atomo de oxigenio por alomade Fe (Fe203) e 0 sinter tem aproximadamente 1,45 (mistura de Fe203 e Fe304), autilizayao do gas do topo sera mais baixa ao se usar sinter. A diferenya naeficiencia do gas do topo e de aproximadamente 2,5% quando se compara cargascompostas de 100% de pelotas com cargas compostas de 100% de sinter.

conteudo de um alto-for: pode ser derivado dos resultados operacionais.unto tempo a carga e 0 ga, ficam dentro do forno? Considere 0 exemplo de umII ·f rno grande e de alta produtividade, com diametro de cadinho de 14 m. Em

pr dw;: normal ele opera a 6.500 m3 cntp/min com 25,6% de oxigenio no sopro e

tem uma produc;:ao diaria de 10.000 t de gusa, com um consumo especifico decoque (coke rate) de 300 kg/t gusa e uma taxa de injec;:ao de carvao de 200 kg/tgusa. a volume de trabalho das ventaneiras ao nivel da carga e de 3.800 m3 dosquais 500 m3 sac usados para a zona ativa de coque. A umidade no sopro e asperdas de rendimento SaD desprezadas. Alguns dados adicionais sac fornecidos naTabela 2.

Consumo Peso especlfico CarbonoMinerio 1.580 kg/tgusa 1.800 kg/m'Coque 300 kg/tgusa 470 kg/m' 87%Carvao 200 kg/tgusa 78%Sopro 6.500 m' cntp 1,3 kgl m' cntpO2 no sopro 15,6 %Volume de trabalho 3.800 m'Diametro da qoela 10 mCarqa 94,8 t minerios 18 t coqueGusa 945 kq Fe 45 kq carbonoVazios 30 %

Perguntas (Respostas em Anexo III):1. Quanto de oxigemio no sopro e usado por tonelada de gusa?2. Com que frequencia 0 conteudo do forno e substituido?3. Quantas camadas de minerio existem no forno em um dado momento?4. a que acontece com 0 coque e 0 carvao?5. Qual 0 volume de gas de topo obtido?6. Estime quanta tempo 0 gas permanece no forno.7. Se voce obtiver uma grande quantidade de gas de topo, existe um forte sopro noforno?

Capitulo 3A carga de minerio: sinter,

pelotas e minerio granulado

Nos prim6rdios da fabricac;:ao de ferra, os altos-fornos eram frequentementelocalizados pr6ximos as minas de minerio. Naquele tempo, os altos-fornos usavamminerio local e carvao vegetal (posteriormente, coque). Na maioria das regi6esindustriais daquela epoca, seculo XIX, muitos altos-fornos se encontravam emoperac;:ao na Alemanha, Inglaterra e nos Estados Unidos. Ap6s a aplicac;:ao daturbina a vapor em navios e no transporte, 0 centro da atividade industrial mudoudas jazidas de minerio para os rios de grande importEmcia, assim como 0 Reno, eposteriormente, das margens dos rios para a costa. Esta tendencia podera parecer6bvia no presente, mas e de hist6ria recente. Em 1960 havia 60 altos-fomos emoperac;:ao na Belgica e Luxemburgo. No presente (2007), apenas 2 estao emoperac;:ao, que gozam da favoravellocalizac;:ao litorEmea.

A tendencia no sentido de se ter menos altos-fornos, porem maiores, fez daescolha de uma carga rica em ferra uma opc;:ao natural. Uma carga rica em ferrasignificando um alto teor de Fe. Como alimentac;:ao de fornos, finos de minerio naopod em ser usados, uma vez que sac muito impermeaveis ao gas. Desta forma, osmateriais preferidos como carga sac sinter, pelotas e minerios granulados. 0 sintere as pelotas sac aglomerados de finos. Os finos vem das minas de minerio enormalmente passaram por um processo de enriquecimento, 0 qual nao seradescrito aqui. Primeiramente, sac descritas as exigencias de qualidade para acarga do alto-forno. Subsequentemente, sac discutidos sinter, pelotas e mineriogranulado.

Uma boa carga de alto-forno consiste, em sua maioria, de sinter e/ou pelotas. Asrgas de sinter sac comuns na Europa e Asia, enquanto que as cargas de pelotaso usadas na America do Norte e Escandinavia. Muitas empresas usam sinter,

1mcomo pelotas, contudo, em proporc;:6es muito diferentes.

•,a minerio granulado" e relativamente escasso e, geralmente, possui propriedadesdeficientes para a carga. Ele e usado como uma alternativa barata as pelotas. Parase obter uma operagao de alto-forno de alta produtividade e baixo consumoespecifico de coque, a proporgao maxima do minerio granulado fica na faixa de10% a 15%. A proporgao depende da qdalidade do minerio granulado pois existemcasos de exito do uso de maiores proplJrgoes.

As exigencias para a carga do alto-forno se estendem a:o A composigao qufmica da carga: ap6s os processos de redugao e fusao, acomposigao correta do ferro e esc6ria tem que ser alcangada. A composigao dacarga e discutida no Capitulo 6.o A permeabilidade ao f1uxo de gas: boa permeabilidade versus degradagao einchamento do material.o As propriedades de amolecimento e fusao: rapida transigao do estado s61ido parao liquido.

A redugao da carga e determinada pelo contato entre 0 gas e as partfculas dacarga, bem como pela difusao do gas nas partfculas. Se uma adequada redugaosera ou nao obtida no alto-forno, isto sera ditado pela "estrutura de camadas" dacarga no forno, pela permeabilidade das camadas e pelo f1uxo interne de gas doalto-forno. as efeitos do fluxo de gas dentro do forno se sobrepoem aspropriedades de redutibilidade dos componentes da carga pura.

Na zona da cuba a permeabilidade da carga ao gas e determinada pela quantidadede finos (veja a Figura 14). Consideram-se finos 0 material < 5 mm. Caso haja finosem demasia, a fragao de vazios usada para 0 transporte do gas de redugao Iradiminuir e afetara 0 f1uxo bruto de gas pela carga. Existem duas fontes de finos:finos carregados no forno e finos gerados pelo processo no interior da cuba.

<J)o'N:'J!~ 0.21o,'"<>-~ I

VgDistribuiyao de Tamanho --

Vg+Vp

Figura 14: A permeabilidade ao fluxo de gas depende da frageo de vazios, que por sua vezdepende da taxa entre particulas menores e maiores. Exemplo de dois tipos de particulas

esfericas que entram na proporgeo: Pequeno volume (Vp) e Grande volume (Vg).

Durante 0 primeiro passo da redUf;:aOde hematita para magnetita, a estrutura dosmateriais da carga se enfraquece e os finos sac gerados. Em particular, 0 sinter eo minerio granulado sac propensos a esta, assim chamada, degradar,:ao sobredur,:ao. Um requisito importante para a carga do alto-fomo e manter os finos emum nivel baixo, ou seja:

• Um peneiramento adequado dos materiais da carga antes do carregamento.Peneiras com orificios de 5 - 6 mm fazem parte da pratica normal de operayao .• Boas propriedades de degradayao sob redur,:80.

o t6pico e de importancia especial, uma vez que durante 0 carregamento do fomoos finos nos materiais da carga tendem a se concentrar sob 0 ponto de impacto, nasuperficie da carga. Nao obstante, quanta mais lento for 0 aquecimento e aredur,:ao do material, mais se aumenta a degradayao por redur,:80: de forma que,um anel no nivel da carga com uma concentrar,:ao relativamente alta de finos Iraimpedir 0 f1uxo de gas, mas tambem, sofrer uma alta degradar,:80 por redur,:80,porque 0 aquecimento e lento: um circulo vicioso.

Assim que a carga comer,:a a amolecer e fundir, a permeabilidade ao gas ficaaltamente reduzida. Desta forma, 0 desejavel e que esse processo ocorra aI mperaturas relativamente altas. As propriedades de fus80 da carga sacd t rminadas pela sua composir,:80 quimica e mineral6gica. 0 inicio do processo

m p Iotas e minerios granulados se da a temperaturas de 1.000 a 1.1oooe, ao

passo que 0 sinter basico geralmente comec;:a a se fundir a temperaturas maisaltas.

• Composic;:ao quimica.• Distribuic;:ao de tamanho.• Propriedades metalurgicas com relac;:aoa:

• Resistencia a frio,• Degradac;:ao sob reduc;:ao,• Propriedades de amolecimento e fusao.

E importante para a permeabilidade ter baixa proporc;:ao de finos «5% abaixo de5mm) e ter uma faixa restrita de tamanho. A medic;:ao da frac;:ao de finos ap6s 0

peneiramento na casa dos silos - embora dificil de fazer - podera dar indicac;:6esse uma quantidade excessiva de finos foi ou nao carregada no forno. Umadescric;:ao sucinta dos testes usados para caracterizac;:ao dos materiais 13 dadaabaixo. 0 objetivo 13 entender a terminologia. Em muitas situac;:6es, osdenominados testes de tamboramento saD usados. Uma amostra de material 13tamborada dentro de um cilindro rotativo por um numero determinado de rotac;:6es.A distribuic;:ao de tamanho ap6s 0 teste 13 determinada e usada como indicador dequalidade (Figura 15).

A resistencia a frio 13, em sua maioria, caracterizada por um teste detamboramento: uma quantidade de material 13 rolada em um tambor rotativo e aquantidade de finos 13 analisada ap6s 0 tamboramento. Para pelotas, a resistenciaa compressao a frio 13 determinada. Ela 13 a forc;:a necessaria para quebrar umapelota.

Os testes de degradagao sob redugao sac executados aquecendo-se umaamostra da carga a 500°C, reduzindo a amostra com gas contendo CO (e as vezesH2). Apos 0 teste a amostra e resfriada, tamborada e a quantidade de finos edeterminada. 0 resultado e 0 percentual abaixo de 3,15 mm.

o teste HOSIM (teste que simula a redugao na zona superior do alto-forno)pro move a redugao da amostra segundo um perfil temperatura / composigao degas semelhante ao existente na zona superior do alto-forno. A amostra etamborada apos 0 teste. Os resultados sac: redutibilidade (grau de redugao aposcompletar 0 cicio) e degradagao por redugao (percentual de finos abaixo de 3,15mm apos 0 tamboramento).

A fabricagao de sinter comegou como uma maneira eficiente de utilizar finos deminerio e reciclar os subprodutos da usina no alto-forno. 0 processo desinterizagao e usado para fundir parcial mente e agregar os finos de minerio deferro. A resistencia mecanica do agregado dependera da quantidade e tipo dematerial fundido entre as particulas.

Dwight e Lloyd construiram em 1906 as primeiras sinterizag6es continuas. Umaapresentagao esquematica e mostrada na Figura 16. A qualidade do sintermelhorou de forma progressiva e, em varios paises (Europa, Japao, Brasil, Coreia),o sinter e a carga predominante dos altos- fornos.

Os subprodutos das plantas como 0 po, proveniente do coletor de po do alto-forno,os finos com origem no peneiramento do sinter/pelota/minerio, carepas delaminagao e outros materiais sac reaproveitados na fabricagao de sinter.Atualmente, as grandes maquinas de sinter possuem 5 metros de largura epossuem um comprimento de 120 metros, com uma area uti I de 400 m2

. Aprodutividade tipica e de 30 - 45 tlm2/dia.

o sinter e produzido conforme a seguir. Ap6s a entrega dos finos de minerio para asiderurgica, esses sac armazenados e misturados em propon;;6es selecionadas. Ahomogeneiza<;;ao (blending) poden'! ser feita misturando quantidades apropriadasnuma correia transportadora antes da sinteriza<;;ao ou por aplica<;;ao de uma pilhade homogeneiza<;;ao, a qual e depositada numa dire<;;ao longitudinal e consumidaem cortes transversais. A carga de sinter contem calcario, finos de sinterretornados e finos de coque. A homogeneiza<;;ao e feita em um tambor rotativo,onde a agua e adicionada em 5 - 7% para a liga<;;ao(aglomera<;;ao) primaria entreas particulas de minerio. E importante que a mistura tenha uma boapermeabilidade, para facilitar a passagem do ar que e sugado atraves dela, e osfinos de coque (e magnetitas) possam gerar 0 calor necessario para 0 processo desinteriza<;;ao.

A mistura e depositada em camadas de 350 - 650 mm de altura na esteira.Primeiramente, uma pequena camada de sinter (numa faixa tipica de tamanho de15 a 25 mm) e depositada, a qual impede que a frente de queima alcance a grelha(camada de prote<;;ao). 0 processo de sinteriza<;;ao come<;;a com a igni<;;ao dacamada superior. Os exaustores sugam 0 ar atraves do leito de mistura. Oscombustiveis no leito geram 0 calor para fundir parcial mente a esc6ria e aglomeraras particulas de minerio. No final da esteira, a frente de queima passou por toda amistura ate a parte inferior. 8ubsequentemente, 0 sinter e descarregado, quebrado,resfriado e peneirado em fra<;;6es apropriadas. Os finos de sinter « 5 mm) sacreusados; parte do produto retorna (15-25 mm) para a camada de prote<;;ao e 0

restante e enviado para os silos do alto-forno. A evolu<;;ao do processo e mostradana Figura 17.

Frente deSecagem, Chama

Mistura Fria Pre-Aquecimento Sinter Plastico

Figura 17: Evoluq80 da Produq8o de Sinter: perfil da temperatura dahomogeneizaq8o durante a sinterizaq80

Do ponto de vista quimico, e importante observar que a cal (CaC03, CaO)adicionada ao sinter e importante como fundente para 0 alto-forno. N6sdiscriminamos 0 sinter acido, 0 sinter autofundente e 0 sinter superfundente. 0sinter autofundente adiciona a cal necessaria para neutralizar seus componentesacidos (8i02). 0 sinter superfundente adiciona CaO extra para 0 alto-forno. Avantagem de se adicionar cal no sinter e que a rea <;;130 de calcina<;;ao (CaC03 -7CaO + C02) que consome 117 kJ/mol, ocorre fora do alto-forno e nao impacta 0

balan<;;otermico do forno.

No sinter contendo fundente, a cal abaixa a temperatura da sinteriza<;:ao e, sobtemperaturas relativamente baixas (1.100 - 1.300°C), fortes aglomera<;:6esacontecem. Isto compensa a energia requerida para a rea<;:ao de calcina<;:ao Atemperatura da frente de queima de urn sinter contendo fumJente e mais baixa doque a de urn sinter acido, proporcionando gastos menores com manuten<;:ao.Finalmente, se C02 for removido fora do alto-forno, ele nao interferira com asrea<;:6es de redu<;:ao. 0 sinter possui uma resistencia minima quando suabasicidade (CaO/Si02) e de aproximadamente 1.3. A uma basicidade > 2; 0 sintere mais forte e a produtividade da sinteriza<;:ao e mais alta.

Os pontos basicos que influenciam a produtividade, custos e opera<;:ao da maquinade sinter sac:• A sele<;:ao da mistura apropriada da alimenta<;:ao de sinter e importante do pontode vista de custo. A maioria das empresas usa modelos "valor-em-uso" atribuindopremios e penalidadeS' para todos os aspectos do minerio para sinter. Nao apenaso seu valor de Fe, mas tambem 0 valor de outros elementos como 0 f6sforo. Esteultimo tendo uma penalidade.• A mistura apropriada inclui a distribui<;:ao de tamanho dos varios materia is.Materiais muito finos nao podem ser facilmente sinterizados, por causa do impactonegativo para a permeabilidade do leito de sinter. 0 tamanho e a quantidade dosfinos de coque sac importantes para a qualidade do sinter.• A composi<;:ao quimica do sinter e importante. Se a basicidade for mais alta, aprodutividade da sinteriza<;:ao aumenta. 0 teor de MgO tern que ser acima de 1,4%para uma adequada degrada<;:ao sob redu<;:ao.• Uma vez que e necessario calor para calcinar 0 calcario, 0 uso de cal aumenta aprodutividade da maquina de sinter, tambem por aumento da permeabilidade.• As preocupa<;:6es com 0 meio ambiente tern urn impacto local de peso naopera<;:ao da sinteriza<;:ao. Nao apenas a partir da perspectiva de uso de materiaistipo "residuos", mas tambem as preocupa<;:6es que poderao ser geradas comrela<;:aoas emiss6es de uma sinteriza<;:ao.

o sinter e feito em tres tipos diferentes: sinter acido, autofundente e superfundente. 0 sinter autofundente e 0 mais comum. Uma vez que as propriedades dasinter variam com 0 tipo de mistura e composi<;:ao quimica, somente algumasobserva<;:6es qualitativas podem ser feitas.

A qualidade tern a ver com:• A distribui<;:ao de tamanho: 0 tamanho medio do sinter varia de 17 a 30 mmconforme medido ap6s a sinteriza<;:ao. Quanto mais basi co e 0 sinter, menor e 0

I manho medio. 0 sinter degrada durante 0 transporte e 0 manuseio e por issod v ser repeneirado nos altos-fornos. 0 sinter estocado no patio podera ter suaspr prid des alteradas. Caso ele tenha que ser usado no alto-forno, devera ser

nrr 9 do m pequenas propor<;:6es, diluido no sinter recem produzido.

• Resistencia a frio: normalmente medida par meios de um teste de tamboramento.Quanta mais combustivel e usado, mais forte e a sinter. A resistencia a frioinfluencia a produtividade da sinterizagao, uma vez que uma baixa resistencia a frioresulta numa alta taxa de reciclagem de finos.• Propriedades de degradagao par redugao. A redugao de hematita para magnetitacausa tensao na particula de sinter. Quanta mais forte for a sinter, maior sera aresistencia a estas tensoes. As propriedades de degradagao par redugaomelhoram com uma estrutura mais densa do sinter, au seja, quando a sinter e feitocom mais finos de coque. Como consequencia do aumento de finos de coqueusado, a tear de FeO do sinter Ira aumentar. A partir de correlagoes experimentaissabe-se que, para um dado tipo de sinter, a degradagao par redugao aumenta coma tear de FeO.• Na usina siderurgica da Corus, na cidade de IJmuiden, a sinter e caracterizadopelo teste denominado HOSIM, que quer dizer "teste de simulagao do alto-forno".No teste, a sinter e exposto ao padrao de temperatura-redugao experimental menteobservado no forno. A redugao e continuada ate a final da etapa de redugao gas-solido. Ap6s a tamboramento, a quantidade de finos « 3,15 mm) e a redutibilidadesao medidos.• A fusao do sinter e determinada pela composigao quimica, au seja, a composigaoquimica local. 0 mais importante e a basicidade, a presenga de FeO e de Si02.Estes dais ultimos funcionando como componentes que abaixam a temperatura defusao. A temperaturas de 1.200 - 1.250°C, a sinter comega a amolecer e a fundir.As partes muito basicas (CaO/Si02>2) se fundem a temperaturas mais altas, mascontinuarao tendo temperaturas de fusao pr6ximas de 1.300°C na presenga deFeO suficiente. Se a FeO for baixo, entao poderao ser observadas temperaturas defusao excedendo 1.500°C. Todavia, a fusao em um alto-forno difere da fusao demateriais puros da carga, uma vez que fortes interagoes entre diferentescomponentes da carga sao observadas. Um resumo dos para metros aceitaveis dequalidade do sinter sao e dado na Tabela 3.

Tabe/a 3: CaracterizaQ80 do sinter e minerio aranu/ado

o que e medido resultadosfaixa de referencia

aceitacaotamanho distribui<;:ao tamanho medio 15-25 mm ISO 4701

medio qranulometrica < 3,15 mm <2%distribui<;:ao > 6,3 mm > 70-80% ISO 3271

resistencia a granulometricafrio apos < 10 mm >52% JIS

tamboramentodistribui<;:ao

degrada<;:aogranulometricaapos redu<;:aoa <3,15mm < 28% ISO 4696

sob redu<;:ao 500°C etamboramento

redutibilidade perda de massa %/minuto > 0,8% ISO 4695

crepita<;:aoefeito do < 6,3 mm <8% ISO 8371

choque termco

o sinter e um tipo de material muito heterogfmeo. Pesquisas conduzidas em variostipos de sinter, em fornos resfriados, tem deixado claro que varias fases estaopresentes simultaneamente (Figura 18). As fases presentes mais importantes sao:• Magnetita primaria e secundaria (Fe304). A magnetita secunda ria e formadadurante a sinterizac;:ao sob alta temperatura, reduzindo areas no veio de sinter, ouseja, pr6ximo ao coque.• Hematita primaria e secundaria (Fez03). A hematita secundaria e formada no veiode sinter durante 0 resfriamento do sinter na presenc;:a de ar (oxigenio).• As ferritas de calcio sao estruturas formadas a partir da cal (CaO) e 6xidos deferro.

Fica claro pela Figura 18 que, sob uma basicidade em elevac;:ao, uma frac;:aoaumentada de ferritos de calcio podera ser encontrada. Isto tem conseqOencias degrandes propon;:6es para 0 processo de sinterizac;:ao, bem como para 0 usa desinter no alto-forno.

100

Outros

80

Ferritade Calcio

l 60~8OJ) HematitaE

~ 40 Primaria

MagnetitaPrimaria

oo 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

.. . CaO+MgOBaslcldade: "'0

01 2

Primeiramente consideremos as temperaturas da curva liquidus dos materiais portipo de sinter. as materia is dos tipos acidos possuem uma temperatura de curvaliquidus muito mais alta do que a do sinter basico. Isto e devido ao fato de que asestruturas do tipo ferrita de calcio possuem uma temperatura de liquidus da ordemde 1.200°C (Figura 19), ao passo que 0 sinter acido possui esta temperaturasituada bem acima de 1.400°C. Isto significa tambem que a sinteriza980 do sinter •fundente ou superfundente podera ser conseguida com temperaturas mais baixasdo que e necessario para a sinteriza980 de uma mistura para sinter mais acido. Porisso, 0 sinter acido e geralmente mais grosseiro e possui uma resistencia a friomais alta do que 0 sinter basico.

2 CaO·AI20;·Si021590'C

FeOB80'C

Tepgratultt d" liquidus com %FgO1500 valiando 30 10090 d3 linha P.-A(C30'Si02= 1). ~

'---------". .•.._-~-.....---.. ...•

Em segundo lugar, consideramos as propriedades degrada9ao sob redu9ao dosinter. A for9a motriz da degrada9ao sob redu9ao a baixa temperatura do sinter e apassagem da estrutura cristalina de hematita para magnetita, 0 que causa tensaointerna na estrutura cristalina dos 6xidos de ferro. Assim, a degrada9ao sobredu9ao do sinter esta relacionada a sua fra9ao de hematita. Conforme mostradona Figura 18, existem hematitas primarias e secundarias no sinter. Em particular,estas ultimas causam degrada9ao sob redu9ao, uma vez que sao mais facilmentereduzidas na parte superior do forno do que as hematitas primarias.

Quanto mais alto for a fra9ao de hematita no sinter, mais 0 sinter estara propensoa degrada9ao sob redu9ao. Ou vice-versa: ha uma rela9ao forte entre 0 teor deFeO do sinter e a degrada9ao sob redu9ao: quanta mais alto 0 teor de FeO, menosdegrada9ao Ira ocorrer. 0 teor de FeO do sinter podera ser aumentadoadicionando-se mais combustivel (finos de coque) a mistura a sinterizar. Todavia, arela9ao precisa entre 0 teor de FeO do sinter e a qualidade do sinter depende damistura de minerios usados. As propriedades de degrada9ao sob redu9aodependem do tipo de FeO presente na estrutura cristalina. Como exemplo: umaalta fra9ao de magnetita na mistura a sinterizar tambem da um sinter com uma altafra9ao de magnetita (primaria). Alem do mais, na presen9a de suficiente Si02, aschamadas estruturas fayalita (2FeO.Si02) poderao ser formadas. Estas estruturassao muito estaveis e dificeis de reduzir. Elas sao reduzidas sob altas temperaturas,ou seja, as chamadas rea96es de redu9ao direta (veja a se9ao 8.2.1). Por outrolado, na presen9a de MgO, estruturas de espinelio contendo grandes quantidadesde FeO poderao ser formadas (espinelio: MgO.A1203 com FeO). As estruturas deespinelio sao relativamente faceis de reduzir. Finalmente, 0 sinter que foi formadosob altas temperaturas (sinter acido), ira conter estruturas do tipo vidro e 0 FeO erelativamente dificil de se reduzir.

E possivel suprimir a forma9ao de hematitas secundarias resfriando 0 sinter com arde baixo 02 (12 a 14%). Isto e feito na Corus IJmuiden com um sistema dereciclagem de gas. Como resultado 0 teor de FeO do sinter fica relativamente alto,devido ao fato de uma quantidade menor de hematita secundaria ser formada. Istoproporciona um grande beneficia para as propriedades de degrada9ao sob redu9aodeste tipo de sinter. Alem disto, 0 valor calorifico do gas de topo do alto-fornoaumenta, uma vez que uma quantidade menor de oxigemio tera que ser removidada carga de minerio, 0 que proporciona tambem uma clara vantagem financeira.Durante 0 processo de sinteriza9ao existe uma diferen9a de peso entre 0 usa deCaO e MgO como fundentes. Ambos os materia is sao normalmente adicionadoscomo carbonatos (calcario: CaC030u dolomita CaC03.MgC03). Os carbonatos saodecompostos na maquina de sinter, 0 que consome muita energia. Contudo, asfus6es contendo quantidades substanciais de cal CaO possuem uma temperaturad liquidus baixa, cerca de 1.100°C para misturas de 20 a 27% CaO e 6xidos def rro. Para as fus6es contendo MgO - as estruturas de espinelio mencionadas

elm - as temperaturas de fusao sao muito mais altas. Desta forma, e mais facilf rm r lig 9"0 de esc6ria no sinter com a ajuda de CaO do que com MgO. E

r 1m nl: produ9ao de sinter com CaO pode ser feita sob temperaturas mais

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baixas. Porem, 0 sinter com alto MgO e mais resistente contra a degrada<;:ao sobredu<;:ao.

Para 0 resultado final do sinter produzido, e importante notar que a mistura asinterizar e bastante heterogemea. Ela contem varios tipos de materiais e existem,localmente, composi<;:6es variadas. As particulas de minerio podem ter umtamanho de ate 5 mm, finos de coque ate 3 mm e calcario e dolomita ate 2,5 mm.Todos os tipos de composi<;:6es quimicas estao presentes numa escala micro, ondea sinteriza<;:ao acontece. Os tipos de materiais usados, a distribui<;:ao de tamanhodos varios materiais, a homogeneiza<;:ao da mistura, a quantidade de Iiga<;:6es deesc6ria formando materiais na mistura, bem como a quantidade de combustivelusada para a sinteriza<;:ao, todos tem seus pr6prios aspectos negativos para aqualidade do sinter. Isto torna a otimiza<;:ao da qualidade do sinter um desafiotecnol6gico especifico da usina.

Nas se<;:6esacima n6s. enfatizamos a importancia da degrada<;:ao sob redu<;:ao dosinter. Quanto mais baixa for a degrada<;:ao, mais deficiente sera a redu<;:ao dosinter. As estruturas tipo agulha de ferritas de calcio sac relativamente abertas eficam facilmente acessiveis ao gas de redu<;:ao no alto-forno. A frio, 0 sinter e forte(ou seja, bons resultados no ensaio de tambor), a degrada<;:ao durante 0 transportetambem e boa, porem, a redu<;:ao relativamente rapida no alto-forno faz com que 0sinter seja muito propenso a degrada<;:ao sob redu<;:ao. As estruturas mais s61idasno sinter possuem propriedades melhores neste aspecto. A degrada<;:ao sobredu<;:ao leva a uma permeabilidade mais deficiente das camadas da carga deminerio no alto-forno e impede uma redu<;:aoapropriada dos 6xidos de ferro.

A produc;:ao de pelotas e um processo de desenvolvimento relativamente recente ee foi motivado pela gerac;:ao de frac;:6es muito finas de minerio, resultado dosmetodos de enriquecimento de minerio usados. Uma planta de pelotizac;:ao emostrada na Figura 20. A maioria das plantas de pelotizac;:ao esta localizadaproximo as minas. A produc;:ao de pelotas ocorre em 4 passos.

E feita uma mistura de minerios muito finos, a qual poderao ser adicionados finosde coque (maximo de 1%). A mistura e pre-aglomerada em pelotas denominadasverdes em discos ou tambores rotativos. Neste passo, agua e um aglutinante sacadicionados a mistura. a mecanisme se da conforme a seguir: Na superficie deuma particula de minerio, uma camada fina de agua esta presente, permitindo aparticula formar uma ponte de agua com uma outra particula. Quando a pelota gira,mais e mais particulas poderao aderir. a controle da granulometria e feito porpeneiramento. as finos sac retornados para os tambores ou discos rotativos.

As pelotas verdes sac carregadas via uma peneira para uma grade de transporte etem que secar. A agua de ligac;:ao tem que ser substituida por um aglomerantequimico que pode ser mineral (bentonita) ou organico. Na secagem, as pelotas sacgradualmente aquecidas a 300 - 350°C.

As pelotas secas sac aquecidas a uma temperatura de 1.250 - 1.350°C e os finosde minerio sac aglomerados. a calor necessario vem dos queimadores, bem comoda queima dos finos de coque adicionados aos finos originais. Essa fase echamada tambem de "endurecimento".

As pelotas queimadas tem que ser resfriadas. Durante 0 processo, 0 resfriamento econtrol ado, de forma a impedir a degradac;:ao das pelotas. Para 0 tratamentoI rmico das pelotas, varias instalac;:6es estao disponiveis. Um leito movel, um fornod lib, ou um sistema de forno de calcinac;:ao com grade poderao ser usados.

Com a composiyao quimica e 0 endurecimento apropriado, as pelotas geralmentepermanecem intactas no alto-forno. Desta forma, ao julgar a qualidade das pelotas,os aspectos principais sao:• Resistencia a frio, medida como resistencia a compressao e os finos gerados notamboramento.• As propriedades de inchamento. Com uma composiyao incorreta da escoria, aspelotas tendem a ter propriedades de inchamento extremas. Tendo em vista que 0fen6meno e bem conhecido, ele normalmente nao acontece com pelotasdisponiveis comercialmente.• As propriedades de degradayao sob reduyao. Estas propriedades representammenos problemas com pelotas do que com sinter e minerio granulado.• 0 amolecimento e fusao. As pelotas tendem a fundir em temperaturas maisbaixas do que 0 sinter.

Seu volume e composiyao de escoria e as foryas de ligayao, em sua malona,determinam a qualidade das pelotas. Os tres principais tipos de pelota sao:• Pelotas acidas,• Pelotas autofundentes ou Msicas,• Pelotas tendo olivinas como fundente.

As propriedades tipicas dos tres tipos de pelotas sao mostrados na Tabela 4 eTabela 5.

a ea : gera as propne a es apeoa

tipo de pelota compressao redutibilidade inchamento

acida ++ - -basica/autofundente + + +

olivinica + + +

a ea na Ise e compressao Iplcas e vanos mos e pe 0 astipo de CaO/Si02 %Fe %Si02 %MgO compressaopelota kg/pelotaacid a < 0,15 64-67 2-5 <0,2 250-300

olivinica < 0,15 64-67 2,5-5 1,3-1,5 150-200basica 0,8-1,0 60-64 3,5-5,5 1,3 200-250

autofundente 1,1-1,3 60-63 3,5-5,5 1,5 200-250

As pelotas acidas sao fortes, porem, tem propriedades metalurgicas moderadas.Elas possuem uma boa resistencia a compressao (> 300 kg/pelota), porem, umaredutibilidade relativamente deficiente. Alem disto, as pelotas sao muito sensiveis

30

ao teor de GaO. A um teor de GaO/Si02 > 0,3 as pelotas tem uma forte tendenciaao inchamento, 0 que poden) interferir negativamente com a operagao adequadado alto-forno.

As pelotas basicas possuem boas propriedades metalurgicas para a operagao doalto-forno. Adicionando-se calcario a mistura, a necessidade de energia para aqueima/endurecimento aumenta par causa da reagao de calcinagao. Por estemotivo, a capacidade de produgao de uma planta de pelota podera ser de 10 a 15% mais baixa quando estiver produzindo pelotas basicas.

As pelotas com olivinas possuem MgO ao inves de GaO e nao tem a desvantagemde perda de produgao. Todavia, estas pelotas se mostram mais fracas ao seremtestadas com relagao a resistencia de compressao a frio.

A diferenga na resistencia a compressao podera parecer muito grande. Entretanto,no alto-forno as pelotas saD reduzidas e a diferenga diminui durante a redugao.Ap6s 0 primeiro passo de redugao para Fe304, a resistencia a compressao a friocai para 45 - 50 kg no caso das pelotas acidas, e para 40 - 45 kg no caso daspelotas com olivina.

Alem da composigao quimica, a qualidade da pelota pod era ser influenciada pelataxa de produgao: quanta mais lento a grade se mover mais forte podera ser aqueima, 0 periodo de endurecimento aumentara e as pelotas ficarao mais fortes.Uma conclusao final sobre as propriedades 6timas das pelotas ainda nao foialcangada. Um resumo das faixas aceitaveis de parametros de qualidade e dadona Tabela 6.

o que e medido resultadosfaixa de referencia

aceitacaotamanho distribuigao 6-16 mm > 90% ISO 4701

medio aranulometrica < 6,3 mm <5%forga de fratura forga media 150 kg/ppor compressao < 60 kg/p <4% ISO 4700resistencia a distribuigao

frio granulometrica > 6,3 mm > 95% ISO 3271ap6s < 0,5 mm < 5%

tamboramentodistribuigao reistencia

,degradagao granulometrica > 6,3 mm < 80%ap6s redugao a ISO 13930

sob redugao 500°C e abrasao < 15%

tamboramento < 0,5 mm

r dutlbllidade perda de massa %/minuto > 0,8% ISO 4695(dR/dt)40

Os minerios granulados sac materiais natural mente ricos em ferro, os quais sacusados diretamente das minas. As minas normalmente produzem mineriogranulado, bem como finos para sinter (sinter-feed). As maiores jazidas de mineriogranulado estao presentes na Australia (Hamersley, Mount Newman), America doSui (Quadrilatero Ferrifero do Brasil), Africa do Sui (Sishen). Em muitos outroslugares, quantidades limitadas de minerio granulado sac produzidas.

Os minerios granulados sac mais baratos que as pelotas. Por esta razao, emmuitos altos-fomos 0 uso de grandes quantidades de minerio granulado esta sendoconsiderado. 0 custo mais baixo do minerio granulado comparado ao custo daspelotas e contrabalanc;:ado pelas qualidades metalurgicas mais pobres. De umaforma geral, em comparac;:ao as pelotas, 0 minerio granulado:

• gera mais finos durante 0 transporte e manuseio,• possui propriedades mais pobres de degradac;:ao sob reduc;:ao,• possui uma temperatura mais baixa de fusao.

o minerio granulado e usado numa frac;:ao apropriada de tamanho, por exemplo,8-30 mm. Para operac;:ao de alto-fomo em alta produtividade e altos niveis deinjec;:ao de carvao, 0 minerio granulado e um tipo mais pobre de material de carga.Todavia, considerando que 0 minerio e um material natural, as propriedadespod em diferir de um tipo de minerio para 0 outro. Por exemplo, 0 alto-fomo daSiderar na Argentina opera, com exito, com um minerio granulado brasileiro que

.comp6e ate 40% da carga, com alta produtividade. Os parametros de qualidadepara minerios granulados sac semelhantes aos parametros para 0 sinter.

Capitulo 4Coque

o alto-fomo e carregado com camadas altemadas de coque e materiais da carga.o coque forma uma estrutura pela qual 0 gas se distribui atraves do interior dofomo e penetra nas camadas de minerio. Tendo em vista que 0 coque e queimadodurante 0 pracesso, 0 termo "combustivel" e frequentemente aplicado. Entretanto,o coque gera 0 monoxido de carbono, 0 qual e necessario as rea<;:6es de redu<;:ao.o coque e mais um reagente quimico do que um combustivel. Tambem pode serchamado de redutor porque gera 0 gas que faz a redu<;:aodos oxidos de ferra.

Desde 0 seculo XVIII, 0 coque tem side a fonte mais importante de carbona para 0

processo do alto-fomo. Desde 1960, combustiveis auxiliares tem side usados deforma cada vez mais frequente, tais como oleo, alcatrao, finos de carvao e gasnatural. Os combustiveis auxiliares sac injetados atraves das ventaneiras. Uma vezque com a inje<;:aoa temperatura de chama cai, um enriquecimento do sopro comoxigenio e frequentemente usado simultaneamente a inje<;:ao auxiliar decombustivel, compensando 0 efeito sobre a temperatura de chama.

Nos ultimos 50 anos, 0 consumo especifico de coque (coke-rate) do processo doalto-fomo caiu consideravelmente. Isto se deve a aplica<;:ao da inje<;:ao decombustivel auxiliar, e tambem a fatores tais como qualidade aprimorada da carga,I mperaturas mais altas do sopra, fomos maiores e um contrale de processom Ihorado. Isto esta ilustrado na Figura 21. Atualmente, as taxas de combustiveld gr ndes altos-fomos estao bem abaixo de um valor equivalente de coque der. 0 kg/lgu

Carvao (+ Oleo)

~

As funyoes mais importantes do coque ficam c1aras a partir dos seguintes fatos:• 0 coque queima gerando mon6xido de carbona (CO) e calor necessario parafundir a carga,• 0 mon6xido de carbona e usado para remover 0 oxigenio da carga. 0 carbono etambem usado para reduyao dos 6xidos de ferro,• 0 coque prove a estrutura atraves da qual 0 gas sobe e se distribui pela carga. 0coque e um material s61ido e permeavel ate temperaturas bem altas (> 2.000°C).Ele e de uma importancia especial no cadinho, zona de fusao e zona deamolecimento. 0 coque e 0 unico material s61ido na area abaixo da zona de fusao.o peso do conteudo do alto-fomo se ap6ia na estrutura de coque. 0 leito de coquetem que ser permeavel, de forma que 0 ferro e a esc6ria possam fluir para 0 furode corrida .• 0 coque proporciona 0 carbona solubilizado no gusa.

A qualidade do coque pode ser descrita dentro de duas amplas categorias: suacomposiyao e sua resistencia mecanica a frio e a quente. Os aspectos relevantesda composiyao tem a ver com 0 seu uso como combustivel e redutor no fomo: 0

teor de cinzas e 0 teor de umidade. Ambos deverao ser os mais baixos possiveis.Os teores de cinzas geralmente vaG de 8 a 11%, mas dependem da situayao local.A umidade e uma consequencia do resfriamento e do subsequente manuseio docoque. Outros aspectos da composiyao quimica do coque sac os teores de enxofree de alcalis. Os motivos sac descritos mais adiante. A qualidade fisica do coque ecaracterizada por:• Tamanho e distribuiyao do tamanho. 0 tamanho medio do coque metalurgico ficatipicamente dentro da faixa de 45 a 55 mm. A distribuiyao devera ser restringida deforma a propiciar uma boa permeabilidade do coque. Em especial, uma grandefrayao de coque > 100 mm e uma indicayao de um controle deficiente do processode produyao de coque.

• A resistencia a fragmental;ao devido ao transporte e outros esforl;os mecanicos.Os parametros usados para esta propriedade saD: 140, M40, 01 e estabilidade.• A resistencia a abrasao. Ela e caracterizada pelo resultado do teste denominado110e M10.• A reatividade do coque. A real;ao do C02 com 0 coque provoca um ataque de suamatriz e pode elevar seu consumo especifico. 0 coque que possui reatividade maisbaixa (CRI, indice de reatividade do coque) e resistencia ap6s a real;ao mais alta(CSR, resistencia do coque ap6s a real;ao) apresenta menor degradal;ao nasregi6es inferiores do forno.• 0 aspecto da consistencia diaria da qualidade do coque, em especial 0 adistribui~o granulometrica, e uma area muitas vezes negligenciada na operal;aode altos-fornos.

A inconsistencia na qualidade do coque leva a irregularidades na distribuil;ao dacarga e podera influenciar 0 f1uxo gasoso interno do alto-forno.Os varios resultados de testes para caracterizar 0 coque e a relevancia para 0

processo estao indicados na Tabela 7 e na Figura 22.

Tabea 7: alxa de aceitabilidade oara as oarametros de aualidade do coaue

a que e medido resultadosfaixa de melhor

referenciaaceitaC80tamanho 45-60mm

tamanho distribuir;80 medio ISO 4701medio granulometrica <40 mm <25%< 10 mm <2%

distribuir;80 140: >40mm >45% 55% IRSID120: >20mm >75%

resistencia a granulometrica 110: < 10mm >19% 16%frio ap6s M40: >40mm >80% 87% MICUMtamboramento M10: <10mm <7% 5,5%distribuir;80

degradar;80 granulometrica

sob redUr;80 ap6s rear;80 > 10 mm >58% > 70% JIScom CO2 e

tamboramento

reatividade perda de% < 29 < 24 JISmassa

Os testes IRSIO, MICUM e ASTM diferem em suas preparar;oes de amostras. 0 teste Irsidusa uma amostra de coque > 20mm. 0 teste MICUM pega uma amostra de coque > 63mm.o teste ASTM usa uma amostra de coque de 2"-3". Referencia: ap6s Kolijn (2001), Vandere

colaboradores (1996)

-- Distri tlli,;:ao de k1.manhf) 3pds estabi Iiza"fao• 140, M40, Estabilidade

R8sist~rda a 3brasao.~ ·I10,MiQ

~ -- Resisten:ia a quente do coqu e• CSR, fl£6ist,;,ncia do coJque 3pc,s f~ao

(percentag8m abaixo de 25 mill ap<:isrear~,J a HOO·C. 002, 2 h Ii! r'JIa-gem)

• CRI, (ndiO'?de reatividad@do<x"lu.;.l(percentagem do? perda ~ peoso,apcis f~ao mencionada anteliormente

A qualidade do coque e, em sua maioria, determinada pela mistura de carvaousada. Todavia, a preparagao do carvao, 0 tempo de carbonizagao, 0 equipamentoe 0 resfriamento tambem influenciam a qualidade do coque.A composigao quimica do carvao influencia em muito a composigao quimica docoque. Normalmente uma mistura de varios tipos de carvoes e usada para 0 alto-forno. Os carvoes coqueificaveis sac tipos de carvoes adequados a fabricagao decoque e possuem um prego mais alto do que os carvoes nao adequados afabricagao de coque. A otimizagao da mistura de carvoes em si e uma arte. Osfatores importantes a serem levados em consideragao sac: a materia volatil doscarvoes e a pressao do gas gerada durante a carbonizagao. 0 coque resultantedevera se encolher 0 suficiente de forma que possa ser removido da camara decoque, e devera ter uma pressao de gas suficientemente baixa, de forma a naodanificar as paredes da camara de coque. A taxa de carbonizagao dependera dastemperaturas da parede da camara de coque. Quando mais alta for a taxa decarbonizagao, mais fissuras ocorrerao e menor sera 0 coque resultante.Geralmente, os tempos de carbonizagao em coquerias de fornos verticais estaoentre 16 e 24 horas.

o coque e produzido a partir de uma mistura de carvoes. 0 carvao e aquecido aaltas temperaturas (1200°C) em um ambiente isento de ar, conforme mostrado naFigura 23. A medida que a temperatura aumenta, a materia volatil do carvaoescapa e uma matriz s6lida de carbona e formada: carbonizagao do carvao. Umprocesso de produgao simplificado de coque esta mostrado na Figura 24. 0 carvao

e aquecido da parede para 0 centro, formando a chamada zona plastica. Quandoesta zona atinge 0 centro do forno, 0 processo de coqueificayao esta concluido.

H:xrq;P-l1E'lZl:l?30(10 ca.I'taO(4--8 tiF~)s"l

Moagem C8Jl11og3JlleiltO Aqufldnwnto· EJllJ)(.IIlW

doG31\'f-o nofomo (11)-24h.1.W"G)

Figura 24: Programa de produgao de coque

R~--niaJnfllltO(;3qL-k9)

o coque esta sujeito ao ataque mecanico e qu[mico durante sua descida do niveld carga ate 0 cadinho. 0 tamanho medio do coque diminui durante sua descida,

onforme apresentado na Figura 25. Quanto mais grosse for 0 coque carregado noforno, mais grosso ele chegara as ventaneiras.

100

80EE~." 60

"'$~E~$.I 40~~ff.

20

Pe.rlEilasCoqu13lia

Pereiras,Ajfu FoIl'"lO

Nh@fcla:>\/13ntanei las

A qualidade do coque no cadinho e uma questao especial. Os liquidos tem que servazados do cadinho e a permeabilidade do leito de coque tem que ser boa.Todavia, a velocidade de reagao no cadinho e baixa, uma vez que 0 coque s6 eusado pelas reagoes de redugao direta e carbonizagao de ferro. Por conseguinte, 0tempo de residencia do coque no cadinho e longo. A fragao de vazios dentro docoque pode ser bem pequena.

o desgaste do refratario do cadinho pela exposigao as correntes perifericas deferro ao longo de sua parede podera ser afetado pela qualidade do coque: quantamenor a fragao de vazios, mais fortes serao as correntes perifericas. Considera-seque 0 coque carregado no centro do forno e aquele que chega ao cadinho.Algumas empresas tem se empenhado muito para carregar 0 coque grosse e forteno centro do alto-forno, numa tentativa de se manter uma boa permeabilidade donucleo de coque.

A reatividade do coque e determinada pela temperatura na qual 0 coque comega areagir com 0 di6xido de carbono (C + C02 ~ 2 CO). A temperatura dependeespecialmente da presenga de catalisadores tal como os alcalis (Na, K) e dacomposigao das cinzas do coque: quanta mais Fe na cinza do coque, maior areatividade. Uma reatividade maior do coque leva, em principio, a um consumo decoque maior no alto-forno.

Capftulo 5Inje<;ao de carvao e outros

combustfveis auxiliares

o uso de combustiveis auxiliares, que saG injetados pelas ventaneiras, podeabaixar 0 custo do gusa. Os combustiveis auxiliares quase sempre saG 0 carvao eo gas natural, porem, 0 6leo, 0 alcatrao e outros materia is podem tambem serusados. 0 balan<;:ofinanceiro preciso depende muito das situa<;:oes locais.

Ate 0 inicio dos anos 80, a inje<;:aode 61eo era mais comum. Isto mudou devido aaltera<;:ao nos pre<;:os relativos do carvao e do 6leo. Observe que a prepara<;:ao docarvao envolve um custo de investimento bem alto e, desta forma, ele se tornaviavel, na maioria dos casos, para plantas com uma produ<;:ao significante de gusa.Os argumentos mais importantes para a inje<;:aode carvao (ou gas natural) em alto-forno saG:• Con sumo especffico de coque mais baixo. 0 custo do coque e substancialmentemais alto que 0 custo do carvao. Nao obstante, 0 uso de uma substancia injetavelpermite a opera<;:ao do forno numa temperatura alta de sopro, 0 que tambem leva abaixar 0 consumo especifico de coque;• Aumento da produ<;:ao pelo uso de um sopro enriquecido com oxigenio.o motivo da versatilidade aparente do alto-forno em consumir todos os tipos decombustiveis e que, nas ventaneiras as temperaturas de chama saG tao altas quetodos os materiais injetados saG convertidos em moleculas simples como H2 e CO.

A inje<;:ao de carvao foi aplicada no alto-forno Amanda da empresa ARMCO(Ashland, Kentucky) nos anos 60. Nos prim6rdios da inje<;:aode carvao, niveis de60 - 100 kg de carvao por tonelada de gusa eram comuns. Atualmente, 0 padraoIndustrial e alcan<;:ar um consumo especifico de coque de 300 kg/tgusa, com n[veisd Inje9ao de 200 kg de carvao/tgusa. 0 entusiasmo inicial de que consumo

p clfico de coque bem abaixo de 250 kg/tgusa era possivel, gradualmente se(;II Ip u,

A concepgao basica para instalagoes de injegao de carvao requer que as fungoesapresentadas sejam realizadas:• Moagem do carvao: 0 carvao ter que ser moido em particulas bem pequenas. 0mais comumente usado e 0 carvao pulverizado: mais que 60% do carvao e < 7511m.0 carvao granular e algo mais grosse com tamanhos de ate 1 - 2 mm.• Secagem do carvao: 0 carvao contem quantidades substanciais de umidade, de8% ate mais de 10%. Uma vez que a injegao de umidade aumenta a taxa decombustivel, a umidade deve ser removida ao maximo possivel.• Transporte do carvao pelas tubulagoes: Se 0 carvao for pequeno demais, 0

transporte pneumatico sera mais dificil. Isto pod era resultar na formagao depequenas incrustagoes (cascoes) nas paredes e ate mesmo levar a um vazamentode carvao nos tubos de transporte.• Injegao de carvao pulverizado: 0 carvao tem que ser injetado em quantidadesiguais em todas as ventaneiras. Particularmente, em condigoes de baixo consumoespecifico de coque e uma alta produtividade, a simetria circunferencial da injegaodevera ser mantida.

Existem muitos fornecedores de instalagoes de injegao de carvao pulverizado(Pulverized Coal Injection - PCI) disponiveis, os quais se comprometem com asfungoes mencionadas acima. A confiabilidade dos equipamentos e extremamenteimportante uma vez que 0 alto-forno tem que ser parado caso a interrupgao dainjegao se estenda por mais de uma hora.

Disl1ibuidN

/

Vosos dElPf=urizo~ao(2Ctl3)

Figura 26: Exemplo de Insfa/ar;Ew de PCI40

Os tipos de carvoes sac discriminados de acordo com 0 indice de materia volatil. 0indice de materia volatil e determinado pesando-se 0 carvao antes e ap6s 0

aquecimento por 3 minutos a 900°C. Os carvoes baixo volateis possuem um indicede materia volatil de 6 - 12%. Ja os carvoes alto volateis, 30% ou mais. Todos ostipos de carvoes tem side usados com exito. As propriedades mais importantes docarvao para injec;:ao sac:

• Alta taxa de substituic;:ao (T8) do coque: a composic;:ao e 0 teor de umidade docarvao injetado determinam a quantidade de coque substituido para urn dado tipode carvao. Uma simples f6rmula para a taxa de substituic;:ao (comparada corn urncoque tendo 87,5% de carbona) e:

T8= 2* C%(carvao)+ 2,5*H%(carvao)- 2*umidade%(carvao)-86 +0,9*cinza%( carvao)

(Toxopeus e colaboradores, 1991)

• Composic;:ao: urn alto enxofre e alto f6sforo poderao levar a custos adicionais naaciaria e deverao ser considerados antes da compra de certos tipos de carvoes.Carvoes jovens (corn alto teor de oxigenio) sac tambem conhecidos por seremmais susceptiveis ao auto-aquecimento e ignic;:ao ern atmosferas contendooxigenio. Este e tambem urn ·fator importante que devera ser consideradodependendo das limitac;:oes do sistema de manuseio de carvao moido.• Dureza: a dureza do carvao, caracterizada pelo HGI (Hardgrove GrindabilityIndex) - precisa corresponder as especificac;:oes do equipamento de moagem. 0tamanho resultante do carvao moido e tambem fortemente dependente desteparametro e precisa corresponder aos limites do sistema de manuseio e injec;:ao decarvao.• Teor de umidade: Tanto 0 teor de umidade do carvao ern estado natural (bruto),quanta 0 teor de umidade de superficie no carvao moido tem que serconsiderados. A umidade de superffcie no carvao moido Ira causar agarramento eproblemas de manuseio. Esta parcela da umidade precisa ser removida. 0 carvaoem estado natural precisa tambem estar dentro das especificac;:oes doequipamento de secagem.

Carvoes com potencial para injec;:ao deverao ser avaliados com base no "valor-em-uso". onde todos os efeitos sobre 0 custo sac levados em conta. Frequentemente epossivel usar misturas de dois ou mais tipos de carvoes de injec;:ao, de forma queas propriedades nao favoraveis possam ser diluidas.

o carvao e injetado por meio de lanc;:as para dentro dos algaravizes. entra emignic;:ao e e gaseificado. 0 carvao tem um tempo muito curto (5 milisegundos) naregiao da zona de combustao por isso suas caracteristicas de combustibilidade sac

41

muito importantes para 0 desempenho do processo. A gaseifical;ao do carvaoconsiste de varios passos conforme delineado na Figura 27. Primeiramente 0carvao e aquecido e umidade se evapora. Em seguida ocorre um aquecimentoadicional do carvao e a gaseifical;ao dos componentes volateis. Estes entaoentram em combustao causando um aumento de temperatura. Por fim, 0 carbona equeimado. Todos estes passos ocorrem em sequencia com alguma sobreposil;ao.

Umidade se evapora

Temp:> (ms)Figura 27: Gaseificaqao do Carvao

Os efeitos do projeto da lanl;a, 0 oxigenio extra e 0 tipo de carvao na combustaotem side analisados. Originalmente, as lanl;as de carvao eram lanl;as retas de al;oque ficavam posicion ad as na interface ventaneira/algaraviz, ou pr6ximo dela,conforme indicado na Figura 28. De uma forma geral, 0 arranjo simples funcionabem. Todavia, ocasionalmente 0 "char" (carvao nao queimado e desgaseificado) ou"fuligem" (carbono muito fino formado a partir do gas) escapa do alto-forno atravesdo topo. Para contornar este problema - especialmente em altas taxas de injel;ao -as empresas tem instalado diferentes tipos de sistemas de injel;ao nas ventaneiras,tais como:o Lanl;as coaxiais com f1uxo de oxigenio e fluxo de carvao,o Lanl;a com ponta especial para se obter mais turbulencia na ponta da lanl;a,o 0 usa de duas lanl;as por ventaneira,o Pre-aquecimento do carvao.

Ao usar Injel;ao de Carvao Pulverizado (ICP), ocasionalmente poderao serencontrados dep6sitos de cinzas de carvao na ponta da lanl;a ou dentro daventaneira. Os dep6sitos poderao ser removidos pela purga peri6dica da lanl;a, ouseja, cortando 0 carvao enquanto 0 f1uxo de ar (ou nitrogenio) e mantido.

Figura 28: Injeqao de carvao pelas ventaneiras e posicionamento da lanqa

42

A gaseifica<;:ao do carvao sera mais rapida:• quanta mais alto for 0 indice de volateis dos carvoes,• quanta menores forem as particulas de carvao,• quanta melhor for a mistura entre carvao e sopro.Nao obstante, quanta mais alto for 0 nivel de inje<;:ao maior sera a quantidade decarvao deixando a zona de combustao sem ser gaseificado.

A gaseifica<;:ao do carvao tambem depende do indice de materia volatil. Se carvoesbaixo volateis (5 - 10% MV) forem colocados em combustao, uma fra<;:aorelativamente alta de carvao nao entrara em combustao na zona de combustao esera transportada com 0 gas para a zona ativa de coque. Esse carbonanormal mente sera usado no processo, porem pod era afetar a distribui<;:ao de gas.Carvoes alto volateis (HV, MV > 35%) e carvoes ultra-alto volateis (MV > 40%)produzem uma grande quantidade de gas na zona de combustao e uma pequenaquantidade de carbono. Caso a combustao do gas nao for concluida, fuligempodera se formar. Assim, existe uma vantagem de fazer uma homogeneiza<;:ao devarios tipos de carvao, especialmente os alto volateis (HV) e os baixo volateis (LV).

Foi constatado que 0 coque na borda entre a zona de combustao e 0 nucleo(homem-morto) contem mais finos de coque ao trabalhar em altas taxas de inje<;:ao.E chamado de bird's nest (ninho de passaro).

Numa opera<;:ao com uma alta inje<;:ao de carvao pulverizado, aproximadamente40% do combustivel e injetado atraves das ventaneiras. Desta forma, e importantecontrolar a quantidade de carvao por tonelada de gusa. 0 carvao possui duasfun<;:oes: ele gera gas redutor (CO e H2), 0 qual e usado para tirar oxigenio dosmateriais da carga, e gera tambem 0 calor para fundir a carga. Os vasos dealimenta<;:ao da inje<;:aode carvao sac pesados continuamente e 0 f1uxo de carvaopode ser controlado. Isto pode ser feito com pressao de nitrogenio nos vasos deinje<;:aoou por meios de um sistema de dosagem por parafuso sem-fim ou valvularotativa. De forma a calcular um fluxo apropriado de carvao (em kg/hora) aprodu<;:ao tem que ser conhecida. Existem varias maneiras de calcular a produ<;:ao.A taxa de produ<;:ao podera ser derivada da quantidade de material carregada noforno. Corre<;:oes de curto prazo poderao ser feitas calculando 0 consumo deoxigenio por tonelada de gusa a partir dos parametros do sopro num periodoestavel e em seguida calculando a produ<;:ao real a partir dos dados do sopro. Errossistematicos e/ou a exigencia de carvao extra, poderao ser colocados no modelede controle.

o requerimento de calor da parte mais baixa do forno e um t6pico especial ao seL1sarcarvao de inje<;:ao. 0 carvao nao e apenas usado para produzir os gases dereduyao, sua queima tem um efeito sobre 0 balan<;:o de calor na parte mais baixado forno. 0 calor do gas da rampa tem que ser suficiente para fundir a carga:entellda "calor de fusao" como sendo 0 calor necessario para fundir a carga. A

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necessidade de calor da carga e determinada pelo "grau de preredugao": quantaoxigemio ainda tem que ser retirado da carga durante a fusao (a remogao desteoxigemio custa muita energia) e tambem pela eficiencia da transferencia de calor dogas para a carga. A "capacidade de fusao" do gas e definida como sendo 0 calordisponivel com 0 gas da rampa sob uma temperatura> 1.400°C. A capacidade defusao do gas depende:• da quantidade de gas de ventaneira disponivel por tonelada de metal.(especialmente ao usar carvao alto volateis ),• da temperatura de chama na zona de combustao.A temperatura de chama em si e determinada pela taxa de carvao, pelo tipo decarvao, pela temperatura do sopro, pela umidade do sopro e pelo enriquecimentode oxigenio.

Das colocag6es acima, 0 teor de oxigenio no sopro pode ser usado para equilibraras necessidades de calor nas partes mais altas e mais baixas do forno. 0 equilibrio(balango) e dependente da situagao local. Ele depende, por exemplo, da qualidadeda carga e do coque, e do tipo de carvao usado. Para 0 equilibrio existem algumaslimitag6es tecnicas e tecnol6gicas, as quais sac apresentadas como um exemplona Figura 29. Para taxas de injegao mais altas, e necessario mais oxigenio. Aslimitag6es sac dadas por:• uma temperatura muito baixa do gas do topo. Se a temperatura do gas do topo setornar muito baixa, a carga levara muito tempo para se secar e 0 comprimentoefetivo do alto-forno encurtara,• uma temperatura de chama muito alta. Se temperatura de chama se tomar muitoalta, a descida da carga podera ficar descontrolada,• limitag6es tecnicas com relagao ao enriquecimento de oxigenio permitido oudisponivel para 0 sopro, tal como as de seguranga.

Figura 29: Fatores de limitac;ao que afetam as condic;i5es da zona de combustao com Injec;aode Carvao Pulverizado (/CP) em func;ao do teor de oxigenio no sopro no eixo vertical e da

taxa de injec;ao no eixo horizontal (TAC = Temperatura Adiabatica da Chama)

Em particular, observe 0 efeito do uso da injegao de carvao extra para arecuperagao de um forno Elm resfriamento. Colocando carvao extra no fomo a taxade produgao diminui: com aproximadamente 2,5% para cada 10 kg de carvao extrapor tonelada de gusa. Simultaneamente, a temperatura de chama cai emaproximadamente 32°C. Oesta forma, dependendo da situagao especifica, a"capacidade de fusao" por tonelada de gusa podera ate mesmo diminuir. Se atemperatura de chama cair de 2.050 para 2.018°C, a "capacidade de fusao" diminuiem 5% (32/2.050-1.400) e a produgao diminui em 2,5%, resultando numadiminuigao do calor de fusao por tonelada de gusa de 2,5%. Se 0 fomo sobresfriamento tiver uma capacidade de fusao insuficiente do gas, um volume extrada ICP podera deteriorar a situagao. Em tal situagao, a efici€mcia do processo temque ser melhorada, ou seja, por uma taxa de produgao mais baixa e um volumemais baixo de sopro.

Para um processo otimizado do alto-forno, 0 controle do f1uxo de gas intemo doalto-fomo e muito critico. Uma discussao detalhada e apresentada no Capitulo 7.De uma forma geral, foi constatado que 0 equilibrio entre 0 fluxo de gas central efluxo de gas na parede tem que ser mantido. Na usina siderurgica da Carus, emIJmuiden, a presenga de uma coluna sem minerio e usada para distribuir 0 gas darampa de forma apropriada pelas incisoes de coque. Como conseqOencia, a raiz dazona de fusao podera descer para bem pr6ximo das ventaneiras. 0 risco associadoa uma raiz baixa da zona de fusao e 0 danG as ventaneiras (vazamento e/ouqueima). Uma alta injegao de carvao pulverizado requer uma simetriacircunferencial melhor do processo, nao apenas por parte do carregamento, mastambem da distribuigao do sopro e injegao de carvao pelas ventaneiras.

Se cada ventaneira num alto-fomo for considerada como uma parte da "pizza" doalto-fomo e for responsavel pelo processo ate 0 nivel da carga (stockline), ficaevidente que a simetria circunferencial do processo tem que ser assegurada parase alcangar bons resultados e alto desempenho. Os varios sistemas de injegao emusa possuem metodos diferentes para assegurar uma boa distribuigao.

Todavia, 0 maior desvio da simetria circunferencial ocorre quando nenhum carvaoe injetado numa dada ventaneira. Se nenhuma injegao for aplicada, a taxa deprodugao na ventaneira em particular ira dobrar. Por conseqOencia, 0 operador doalto-fomo tera que tomar cuidado para que todas as ventaneiras estejam injetandocarvao. Em especial, na situagao on de duas ventaneiras pr6ximas uma da outranao estejam injetando carvao, e 0 fomo estiver operando sob altas taxas deinjeyao, a situagao sera bem seria e agoes de curto prazo terao que ser tomadaspara corrigir a situagao.

Este ponto pode ser ilustrado atraves da Tabela 8 e Figura 30. 0 calculo mostracomo 0 coque e consumido em frente a ventaneira na qual nao existe inje<;ao. Aaltas taxas de inje<;ao, a produ<;ao de gusa pode dobrar.

-r~'"r..-1_ --Opera~aoNORllal Uma Ventaneira Bloqueada

Figura 30: Apresentar;ao esquematica do efeito da ausencia de ICP em uma ventaneira

Tabela 8: Consumo de co uePCI em todas as ventaneirasConsumo especifico de coquePCI 200 x 0,85 (TR)total de coqueprodu ao de usaEquilibrio de C por ventaneira:• coque• carvao• total• carbonetayao do gusa• reduyao direta• usado na ventaneira

• do coque• do carvao

3.000 kg/h1.700 kg/h4.700 kg/h- 500 kg/h- 900 kg/t3.300 kg/t1.700 kg/t1.600 kg/t

aumento da produr;ao naventaneira sem carvao3.300/1.600 = 205%

Conforme informado, todos os tipos de materia is de inje<;ao (hidrocarbonetos)podem ser usados como combustivel auxiliar. Uma compara<;ao de composi<;aoquimica tipica e efeito na temperatura da chama saD apresentados na Tabela 9.

Tabela 9: Dados troicos de combustrveis de iniecaocombustivel taxa de

%C %H %umidadeefeito na

de iniecao sustiuicao TACcarvao 0,80 76-82 4,0-5,5 1-4 -32

oleo 1,17 87 11 2 -37qas natural 1,05 57 19 -45

alatrao 1,0 87 6 2 -25

Capitulo 6Calculo da carga

e balanyo de massa

o alto-forno e carregado com pelotas, sinter, minerio calibrado e coque, enquantoque 0 combustivel adicional podera ser injetado pelas ventaneiras. A aciaria requeruma qualidade definida para 0 metal e a esc6ria tem que ser escolhida pelaspropriedades 6timas com relagao a fluidez, capacidade de dessulfuragao e assimpor diante. Desta forma, 0 operador do alto-forno tem que fazer calculos paraescolher a carga do alto-forno. 0 presente capitulo primeiramente indica ascondigoes para 0 calculo da carga, as quais estao ilustradas com um exemplopratico. Na segao 2, 0 calculo da carga e levado a um passo a frente para indicaros resultados do processo. Para esta finalidade, e usado um balango simples demassa de unico estagio.

Os pontos de partida para os calculos da carga sac as exigE'mcias de qualidadepara 0 metal e a esc6ria.• Qualidade do metal: silicio, tipicamente 0,4 - 0,5%. Baixo enxofre «0,03%) eniveis definidos de f6sforo (os quais variam devido a variagao nos materiais dacarga de 0,05% a 0,11%).• Qualidade da esc6ria: geralmente, quanta mais baixo 0 volume de esc6ria melhor.Tipicamente os quatro principais constituintes da esc6ria compoemaproximadamente 96% do volume total. A1203: 9 - 12%, MgO: 6 -11%, 8i02: 28-34% e CaO: 32 - 40%. Os requisitos para a esc6ria serao discutidos no Capitulo11.

A carga tem que preencher os requisitos com relagao a:• Maxima admissao de P - uma vez que quase todo 0 f6sforo deixa 0 fornojuntamente com 0 ferro.

• Maxima admissao de alcalis, especialmente 0 potassio, os quais podem atacar 0

refratario e afetar 0 processo. Tipicamente, um limite de 1,0 - 1,5 kg/tgusa e usado .• Maxima admissao de zinco: 0 zinco pode condensar e - de forma semelhante aosalcalis - estabelecer um processo acumulativo dentro do forno. Tipicamente, oslimites saD 100 - 150 g/tgusa. Note que, com altas temperaturas do gas central, 0

zinco e os alcalis saD removidos pelo topo.

Composicao quimicacinzas umidade perdas Fe Si02 CaO MoO Ab03

Coque 9% 5% 2% 0,5% 5,0% 3,0%Carvao 6% 1% 0 0,2% 3,0% 1,5%Sinter 1% 1% 58% 4,0% 8,3% 1,4% 0,6%Pelotas 1% 1% 65% 3,5% 1,3% 0,8%Minerio 3% 1% 61% 4,0% 1,0%

massa ap6s perdascarga kg/tgusa kg/tgusa kg/tgusaCooue 300 294 1 15 0 0 8Carvao 200 200 0 6 0 0 8Sinter 1.000 990 575 40 0 0 8Pelotas 500 495 322 17 0 0 8Minerio 80 70 49 3 0 0 8Total 1.580 947 81 0 0 8corre<;ao do Si do gusa [Si]x1 000X60/28 -10 82 20 23Esc6ria 71 82 20 23Volume (kg/t usa) e composicao da esc6ria 204 (*) 35% 40% 10% 11%8asicidade 82 = CaO/Si02 1,16

83 - (CaO+MgO)/Si02 1,4584 = (CaO+MgO)/(Si02+AI203) 1,10

Relacao mirerio/coque 5,3(*) - 1,04 (CaO + Si02 + MoO + AI203)

o calculo da carga usa como parametros de entrada a composir;ao quimica embase seca e os pesos dos varios materiais numa carga. Uma carga consiste decamadas de minerios e de coque, junta mente com seus combustiveis auxiliaresinjetados pelas ventaneiras. De forma a ter condir;oes de fazer os calculos, asperdas de rendimento ao carregar 0 forno saD tambem levadas em considerar;ao.o exemplo atual e restrito aos componentes necessarios para calcular acomposir;ao da esc6ria. Os 4 componentes principais (Si02, CaO, MgO e A1203)representam 96% do volume total de esc6ria. A perda dos materiais carregadospelo topo no alto-forno e levada em considerar;ao e normalmente e baseada emamostras de material do coletor de p6 e sistema de lavagem de gas. Os calculossaD apresentados na Tabela 10.

o gas no forno e distribuido pelas camadas de coque. A espessura da camada decoque na goela fica tipicamente na faixa de 450 a 550 mm. Em nosso exemplo nasec;ao 2.3 a espessura e de 450 mm. 0 diametro do ventre e mais de 45% maiordo que 0 diametro do da goela.

Oai, a superficie mais do que dobra durante a descida da carga e a espessura dacamada e reduzida para menos da metade da espessura da camada na goela. Asregras gerais no Japao indicam que a espessura da camada no ventre nao deveser inferior a 180 mm. Todavia, os autores tem tido exito trabalhando com umaespessura da camada de coque no ventre de 140 mm.

Os calculos da sec;ao anterior podem ser estendidos para incluir 0 sopro. Assim sefazendo, a produc;ao do forno podera ser calculada: nao apenas 0 gusa e a massae a composic;ao da esc6ria mas tambem a composic;ao do gas de topo. 0 calculoda composic;ao do gas de topo e feito de uma maneira gradual, na qual osbalanc;os dos componentes do gas (nitrogenio, hidrogenio, oxigenio, CO e C02) edo ferro sac feitos. Para os calculos, sac usados os dados do exercicio do Capitulo2 e a abordagem gradual indicada na Tabela 11.

Elemento Nitrogenio Hidrogenio Ferro Carbono Oxigeniode entrada N2 H2 Fe C O2

Principais sopro Injeyao carga coque carga (52%)fontes sopro iniecao sopro (48%)

que saber N2/sopro H /iniecao Fe/carqa C/redutores 02/soprosaida gas de topo gas de topo gusa gas de topo gas de topoprincipal qusa (15%) (CO,CO"H,O)

que saber N2/gas topo eficiencia composiyaodo H2 do gusa

calculado Volume do H2/gas de entrada de composiyaopor: qaSde topo toPO oxiqenio do qaS

A abordagem e conforme a seguir:Passo 1 balanc;o de N: do balanc;o de nitrogenio, 0 volume total do gas do topo e

timado.P sso 2: balanc;o de H: da admissao de hidrogenio e de uma utilizac;ao dehidrogenio -40%, 0 hidrogenio do gas do topo pode ser estimado. Na pratica sac

ncontradas utilizac;6es de hidrogenio de 38-42%.so 3: balanc;o de Fe e C: 0 usa de C/tgusa e conhecido a partir da composic;ao

qulml do gusa e consumo especifico de coque e carvao.P 4: balanc;o de 0: a composic;ao da carga fornece a quantidade de oxigenioI r t n I d de gusa carregada no topo, enquanto que a quantidade de oxigenio

pr dL t: mMm conhecida por tonelada de metal.

Passo 5: os balanc;;os podem ser combinados para calcular a composiC;;o3odo gasdo topo.

as calculos sac baseados em calculos quimicos basicos. as pontos de partidapara os calculos sac:·12 kg de C e um numero definido de atomos de carbona definidos como um kmol,• Cad a mol de uma substancia possui uma certa massa definida na "tabelaperi6dica dos elementos quimicos",• 1 kmol de gas sob presso3o atmosferica e a DOC ocupa 22,4 m3 cntp.As propriedades dos varios componentes usados para os calculos esto3o indicadasna Tabela 12. a balanc;;o atual e usado com prop6sitos didaticos. As cifras e ascomposic;;6es sac numeros arredondados. as efeitos da umidade no carvo3opulverizado e 0 argonia no sopro sac desprezados.

ropne a es e ma enals usa as l ara ca cu osN2 28 Fe 56

O2 32 Si 28

H2O 18 Mn 55

CO 28 P 31

CO2 44 5 32- _0

a nitrogemio no3oreage no alto-forno, assim, ele escapa intacto atraves do gas dotopo. Numa condiC;;o3oestavel, a entrada e igual a saida e 0 volume do gas do topopode ser calculado com um balanc;;o de nitrogenio, dada a admisso3o de nitrogenio ea concentrac;;o3o de nitrogenio no gas de topo. as dados de entrada para ummodele simplificado esto3o mostrados na Tabela 13 e 0 volume do gas de topo ecalculado na Tabela 14.

a ea m/ssao 0 aan 0 e massaVolume de sopro 6.500 m" cntp02/sopro 25,6 %Umidade do sopro 10 q/m' cntpProducao de qusa 6,9 UminutoConsumo esoecifico de carvao 200 kg/tgusaConsumo especifico de coque 300 kg/tgusa

CO2 CO H2 N2Gas de topo 22,0% 25,0% 4,5% 48,5%

C H 0 NCarvao 78% 4,5% 7% 1,4%Coque 87% 0,2% 1,4%

Tabela 14: Balanco de nitroaenio e volume do aas de tOOON2/sopro (1-0,256)x6.500 4.836 m cnlp/minuloN2/carvao 16 m cnlD/minuloN2/coaue 23 mJ cnlD/minuloTolal 4.836 mJ cnlD/minuloN2/aas de 1000 48,5 %Volume de aas de lopo 10.051 m' cnlD/minulo

Todo hidrogenio no carvao e no coque e convertido em H2 no forno. Uma vez que 0

volume do gas de topo e conhecido, assim como a admissao de hidrogenio, 0hidrogenio no gas de topo podera ser calculado, caso se assuma uma utilizagao de40%. Existem maneiras de verificar a utilizagao de hidrogenio, porem estas estaoalem da abrangencia do presente exercicio. A Tabela 15 mostra a admissao ecalcula 0 hidrogenio no gas de topo.

Tabela 15: Balan 0 de hidrogeniokg/lgusa m3 cnlp/minulo

Sopro 7Carvao 56Coaue 4Tolal 67 75040% de ulilizacao:Volume de aas de lono 10.051H2/aas de lopo 4,5%

o metal contem 945 kg de Fe por tonelada. 0 balango e tirado pelo carbona (45kg), silicio, manganes, enxofre, f6sforo, titanio e assim por diante. 0 teor precise deFe do metal depende ligeiramente do estado termico do forno e qualidade daadmissao. Para 0 balango n6s usamos 945 kg Fe/tgusa Isto da um total de947/55,6 = 17 kmol.o balango de carbona e mais complicado. 0 carbona e queimado na frente dasventaneiras e e usado durante a reagao de redugao direta. 0 carbona deixa 0 fornovia 0 gas de topo e com 0 ferro. 0 balango de carbona e feito por tonelada demetal. A Tabela 16 mostra os resultados. 0 carbona via 0 gas de topo e tambemdado em kg-atomo por tonelada de metal.

a ea a anco e car, oneC usado kq/tqusa kq-atomo/tqusaCoque 261Carvao 156Gusa -45Gas de topo 372 31,0

a balango de oxigemio e ainda mais complicado. a oxigfmio e trazido para dentrodo fomo com 0 sopro, com a Injegao de carvao pulverizado, com a umidade e coma carga. Ele deixa 0 fomo pelo topo. A carga com sinter nao contem apenas Fe203(proporc;ao a/Fe 1,5), mas tambem um pouco de Fe304 (proporgao a/Fe 1,33). Aproporgao a/Fe usada e 1,46. a balanc;o e dado na Tabela 17.

Tabe/a 17: Ba/ango de oxigeniomO cntp/min kg O/tgusa kg-atomo/tg usa

Entrada sopro 240 342umidade do sopro 8

earvao 14earqa 397Total 762

Saida qas de topo 762 47,6

a oxigemio no gas de tope deixa 0 fomo em tres estados diferentes:• Ligado ao hidrogenio. A quantidade e conhecida, uma vez que nos sabemos aquantidade de hidrogenio que foi convertida em agua de processo,• Ligado ao carbono sob a forma de CO,• Ligado ao carbono sob a forma de C02.Uma vez que 0 oxigenio no gas de tope esta deixando 0 fomo nos tres estadosacima, nos podemos agora, a partir da combinac;ao do balanc;o de carbono e dobalango de oxigenio, derivar a utilizagao do gas de topo, conforme mostrado naTabela 18.

Tabe/a 18: Ca/cu/o da uti/izagao do gas de topokg-atomo/tgusa

C via qas de to po 31,0o via qas de topo 47,6o liqado ao H -1,9o liqado ao C 45,7Balanco de 0 CO + 2COz 14,7Balanco de C CO + COz 16,3Utilizacao COzlCO + COz) 0,473Volume COz 2.283 mO entp/minuto 22,7 %Volume CO 2.539 mO entp/minuto 25,3 %

Os calculos podem ser usados para verificar os dados corretos de entrada.Modelos mais avan9ados estao disponfveis, os quais tambem levam emconsidera9ao 0 balan90 de calor das rea90es qufmicas. Os modelos sao uteis paraanalise, especialmente questoes como "nos estamos produzindo de formaeficiente?" e para previsao: "E se a taxa de inje9ao for aumentada?", "E se atemperatura do sopro for aumentada?" e assim por diante.

Capitulo 7o processo: descida da carga

e controle do fluxo de gas

A carga no alto-fomo se desloca de cima para baixo. A Figura 31 mostra umarepresentaC;:80 grafica da descida da carga. Ela e indicada pelas sondas de nivelsuperior da carga (stock rods), as quais se ap6iam na superficie da carga edescem com a carga entre carregamentos. A superficie da carga desce a umavelocidade de 0,08-0,15 m/minuto.

1. Sonda desce2. Sonda na sliperlicie da carga3. Sonda desce com a carga4. Sonda Siobepara

carregamento

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IkD(~ @\

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.. /""'-"" ......•

Para que a carga desc;:a,vazios tem que ser criados em algum lugar do forno.Onde estes vazios ocorrem?• Primeiro: a coque e queimado em frente as ventaneiras, par conseguinte, criandovazios.• Segundo: a gas quente so be pelo forno e funde a material da carga. Desta forma,a volume da carga comec;:a a desaparecer na zona de fusao.• Terceiro: a gusa consome carbona. Ele e usado para a carbonetac;:ao do ferrobem como para as reac;:oes de reduc;:ao direta. Assim, abaixo da zona de fusao,coque e consumido.

E possivel indicar quanta cada um dos 3 mecanismos contribui. Veja indicac;:ao naFigura 32. A maior parte dos vazios e criada na zona de fusao e na areaimediatamente abaixo dela. Em um alto-forno tipico, aproximadamente 25% dosvazios sao criados como uma conseqOencia da queima do coque em frente asventaneiras.

Minerio con some coquepor perda por soluyiiocriando vazios

Flisao de minerio../ criando vazios

Coqlle gaseifica nafrente das ventaneiras.

criando vazios

o gassobepelo

forno

A cargaeo coquedescempeloforno

Isto implica no fortalecimento do fluxo da massa de materiais em direc;:ao ao anelno qual a maior quantidade de minerio e carregada no forno. Desta forma, sobcoke-rates mais baixos, uma alta concentrac;:ao de minerio em qualquer anel dacircunferencia, especialmente na regiao da parede, tem que ser evitada.Os materiais granulares da carga e a coque fluem bem facilmente, conforme podeser observado na casa dos silos de um alto-forno. Dai, na area do alto-forno onde amaterial e granular, a massa flui com uma facilidade similar para as areas devazios. Nao obstante, as operadores de alto-forno estao familiarizados com cargasde descida deficiente (Figura 33 como exemplo).

Da mesma forma, os fenomenos de "engaiolamento" (quando nao ha descida dacarga) e "arriamentos" (descida rapida e descontrolada da carga) sac familiares. Apartir da analise nesta sec,;ao, segue-se que, falando de uma forma geral, a causada descida deficiente da carga tem que ser encontrada na configurac,;ao da zona defusao (uma outra possibilidade e a formac,;ao de casc6es na parede).Perceba tambem que os vazios sac criados no forno mesmo se a carga nao estiverdescendo. As forc,;as de ac,;ao contraria que impedem uma descida apropriada dacarga sac discutidas na proxima sec,;ao.

'~/..-f'-' :~(..._.L~..Jl : m •••• : •••••• , ••••••••••••••••••••••••• :.: ••

A carga desce devido ao fato das forc,;as descendentes da carga excedem asforc,;as de ac,;aocontraria, ascendentes.A forc,;a descendente mais importante e 0 peso da carga, a forc,;aascendente maisimportante e a diferenc,;a de pressao entre 0 sopro e a pressao do topo.o lade mais baixo da zona de fusao e a area com a mais alta perda de carga, etambem com a mais alta forc,;aascendente. Se esta diferenc,;a de pressao se tornarmuito alta, a descida da carga podera sofrer disturbios (Figura 34). Alem disto, 0

coque submerso no gusa exerce tambem uma alta forc,;a ascendente na cargadevido as forc,;asde flutuac,;ao (Figura 35).

Peso de carga acima de___----- zona de fusao---

Diferen9a de pressOes • 2.450 I

enlre zona de fusao e lopo

Na pratica operacional uma descida irregular da carga e frequentemente umindicador de um processo deficiente no alto-forno. As raz6es podem ser:• A fori;:a ascendente esta alta demais. Operadores experientes tem ciencia dadifereni;:a maxima de pressao atraves da carga que proporciona uma operai;:aoestavel.• E sabido tambem que um forno quente apresenta uma descida mais irregular dacarga. Isto se deve ao fato de que a zona de fusao esta localizada numa parte maisalta no forno, 0 que aumenta a area sobre a qual a difereni;:a de pressao exercefori;:a ascendente, sendo que a fori;:a descendente fica menor, devido ao menorpeso da carga acima da zona de fusao.• A descida da carga pode ser muito sensivel a operai;:ao da casa de corrida porcausa da fori;:a ascendente mencionada do coque submerso.• A fori;:a descendente e contida pelo material sendo amolecido e fundido na zonade fusao, levando a formai;:ao de ponte. Este problema pod era ser resolvidoatraves de ajustes na distribuii;:ao da carga.

o gas gerado nas ventaneiras e na zona de fusao, possui um curto tempo deresidemcia de 6 a 8 segundos no alto-forno. Durante este tempo, 0 gas se resfria da

temperatura de chama para a temperatura do gas de topo, de 2.000-2.200oe para100-150oe, enquanto que, 0 oxigenio e simultaneamente removido da carga.A distancia vertical entre as ventaneiras e a linha do nivel da carga (stockline) e deaproximadamente 22 metros. Desta forma, a velocidade do gas no forno e bemlimitada: numa distancia vertical ± 2 a 5 mIs, 0 que e comparavel com umavelocidade de vento de 2 a 3 na escala de Beaufort. Agora a questao e: como 0gas gerado na zona de combustao e distribuido pelo forno.

Primeiramente considere a diferen<;:a entre as camadas de coque e de minerio. Eimportante notar, conforme indicado na Figura 36, que a camada de minerio possuiuma resistencia mais alta a vazao do gas do que a de coque. a perfil da resistenciado forno determina como 0 gas flui pelo forno. a fluxo de gas pela parede pode serderivado das perdas de calor ou das temperaturas da face quente, uma vez que 0

gas aquece a parede.

Assim que a carga de minerios come<;:aa amolecer e a fundir, em torno de 11oooe,a camada de minerio se contrai e se torn a praticamente impermeavel ao gas. Seisto acontece no centro do forno 0 fluxo central de gas e bloqueado.

pequeno

grande

r 1 Iii r r

A Figura 37 mostra a temperatura na face quente da parede do forno. Tem sideobservado em muitos fornos, que a temperatura sobe repentinamente em minutose diminui durante as pr6ximas horas. Isto e frequentemente atribuido aodesprendimento de casc5es (solidifica<;:5es) na parede do forno.

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A explica<;:ao apresentada neste livro e que tais varia<;:5es bruscas de temperaturasac devido a presen<;:a de curtos circuitos do gas junto a parede do forno. Estescurtos circuitos sac devidos a forma<;:ao de aberturas ao Ion go da parede do fornocriando uma area muito perm eave I pela qual os gases quentes iraQpreferencialmente fluir. Foram observadas baixas concentra<;:5es de C02 na parededurante tais situa<;:5es que confirmam a presen<;:a de curtos circuitos. A premissabasica do presente livro e que as perdas termicas pela parede sac causadas pelof1uxo de gas ao longo das paredes.

o o 3Tempo (horas)

Porque 0 gas f1ui ao longo da parede? 0 gas tom a a rota que oferece a resistenciamais baixa. A resistencia para a vazao do gas num alto-forno carregado estalocalizada nas camadas de minerio, tendo em vista que a permeabilidade inicialdelas e de 4 a 5 vezes inferior a permeabilidade das camadas de coque. Existemduas areas no alto-forno que possuem a mais alta permeabilidade: 0 centro doforno, caso ele contenha coque suficiente, e a regiao da parede. No centro do fornopodera haver uma alta propor<;:ao de coque e minerio relativamente grosse devidoa segrega<;:ao. Entre a parede e a carga descendente tambem pode haveraberturas (espa<;:osvazios).

A eficiencia do forno e determinada pela quantidade de energia usada no processo.As perdas termicas na parede e 0 excesso de temperatura do gas do topo sacexemplos de perdas de energia. 0 gas do topo contem CO e H2, possuindo um altopoder calorifico. Desta forma, a eficiencia de um alto-forno e determinada peloprogresso das rea<;:6esquimicas e, por conseguinte, 0 f1uxo de gas pelo forno.

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Dois tipos basicos de distribui<;:ao de gas pod em ser discriminados: 0 forno com"marcha central" e 0 forno com "marcha periferica". 0 estudo destas c1assifica<;:6esfoi desenvolvido para explicar as diferen<;:as na opera<;:ao. Padr6es intermediariostambem podem ser observados.

No forno com "marcha central", 0 fluxo de gas e direcionado em dire<;:aoao centro.Neste caso, 0 centro do forno contem apenas coque e materiais grossos da cargae e de boa permeabilidade. A zona de fusao assume uma "forma de V invertido".Num forno com "marcha periferica", 0 f1uxo do gas pelo centro e bloqueado, porexemplo, pelo material da carga em amolecimento e fusao. 0 gas fluipreferencialmente pela zona com a melhor permeabilidade, ou seja, a regiao daparede. Neste caso, a zona de fusao assume a "forma de um W'. A Figura 38mostra ambos os tipos de fluxo de gas que pod em ser usados para operar um alto-forno, cada um com suas vantagens e desvantagens. 0 controle do f1uxo de gas ealcan<;:ado com a distribui<;:ao da carga.

1I

--~Figura 38..Dois tipos de zona de fusao,

marcha central e marcha periferica

Na Figura 39 a propor<;:ao minerio / coque pelo raio e mostrada para um forno commarcha central. Na figura, 0 centro do forno s6 contem coque. Desta forma,n nhuma zona de fusao e formada no centro do forno e 0 gas e distribuido atravesd Incis6es de coque, a partir do centro e em dire<;:aoao raio externo do forno. Az n d fu 0 sume a forma de um V ou ate mesmo a de um U invertido. A

coluna de coque central nao apenas age como um distribuidor de gas, mastambem como um tipo de valvula de pressao: ela funciona para estabilizar apressao do sopro.

o;slribuiqAo da oarga. ni~",1gooIa

100

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___ ~l Paled" C<>ntro

Figura 39: Forno com marcha central

A forma na qual 0 coque e colocado no centro do forno dependera do tipo deequipamento de distribuigao de carga usado. Com um topo sem cone (bell-lesstop), as posig6es da calha de carregamento mais dirigidas para 0 centro poderaoser usadas. Com um sistema de duplo cone, 0 coque tem que ser levado ao centrodo forno pelo rolamento do coque (veja abaixo) e pela escolha da espessuracorreta da camada de minerio, de forma a impedir 0 preenchimento do centro comminerios.

Em um forno funcionando com marcha central existe uma quantidade relativamentepequena de gas quente na parede do forno: por conseguinte, baixas perdastermicas. Como resultado, a fusao da carga na regiao da parede ocorre proximo asventaneiras. Oai, a raiz da zona de fusao fica baixa no forno. 0 risco deste tipo deprocesso e que a carga de minerio nao e completamente fundida antes de passarpelas ventaneiras, 0 que pod era ser observado pelos visores das ventaneiras. Istopodera levar a condig6es que vaG de um ligeiro resfriamento do forno (peloaumento da redugao direta) e qualidade irregular do gusa, ate a resfriamentosseveros e danos as ventaneiras.

o risco de uma raiz da zona de fusao muito baixa tem que ser control ado atravesdo gas e da distribuigao da carga. As medidas operacionais saD apresentadas aseguir:• Manter um percentual de coque suficientemente alto na parede. Pode-seconsegui-Io tambem atraves do usa de coque mais fino na regiao da parede.Perceba que uma camada de minerio de 550 mm na goela necessita deaproximadamente 200 a 220 mm de coque para a carbonizagao e redugao direta.Assim, se 0 percentual de coque na parede for inferior a 27%, uma coluna continuade carga sera feita na parede .• Assegurar um fluxo de gas minima pela parede na rampa e ventre, 0 que poderaser observado pelas medig6es de perdas termicas e/ou leituras de temperatura.

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Se 0 f1uxo de gas pela parede se tomar muito pequeno, podera ser aumentado pormeio da distribui<;ao da carga (mais coque carregado junto a parede ou um f1uxomenor de gas no centro do fomo) ou atraves do aumento do volume do gas portonelada de gusa (pela diminui<;ao do oxigenio) .

• Controlar 0 fluxo de gas central. Note que 0 f1uxo de gas pelo centro deixa 0 fomocom um alto teor de CO e H2 e com uma alta temperatura. A propor<;ao de energiado gas central nao e eficientemente usada no processo e, por consequencia, 0fluxo do gas central devera ser mantido a um minimo.o fomo funcionando com marcha central podera proporcionar resultados muitobons de processo com rela<;ao a produtividade, qualidade do gusa e consumoespecffico de combustivel. Ele leva tambem a uma campanha de longa dura<;ao dofomo acima das ventaneiras. Todavia, 0 processo fica muito sensivel aos desviosnos materiais da carga (especial mente a distribui<;ao de tamanhos), a opera<;ao daarea de corrida e a consistencia operacional, em particular com rela<;ao a simetriacircunferencial.

Na Figura 40 e mostrado 0 fomo funcionando com marcha periferica. A carga deminerio sob fusao bloqueia 0 centro do fomo e 0 f1uxo de gas e direcionado para aregiao da parede.

Parede

Figura 40: Forno com marcha periferica

o fluxo de gas causa altas perdas termicas na area do fomo onde uma abertura(espa<;o vazio) possa se formar entre a carga e a parede, por exemplo, na cubainferior e media. A zona de fusao assume a forma de um W ou ate mesmo a formade um disco. Nesta situa<;ao, a raiz da zona de fusao fica mais alta, acima dasv ntaneiras, 0 que toma 0 processo menos sensivel a inconsistencias. 0 processopodera ser operado bem eficientemente. Todavia, devido as altas perdas termicas,

gaste do refratario na cuba e muito mais acentuado do que no caso do fomo

funcionando com marcha central. 0 gas passando pela parede podera tambem seresfriar rapidamente e, ao assim ocorrer, perdera sua capacidade de redu<;ao. Naoobstante, as flutuar;6es na diferenr;a de pressao pela carga sac mais acentuadas, 0que leva a limitar;6es de produtividade.

IIII\I1

Figura 41: Apresentaq80 esquematica da distribuiq80 do gas pelas camadas de coque

,;I

--eI ,, .

As camadas da carga sac responsaveis, em princfpio, por aproximadamente 80%da resistencia ao fluxo de gas. 0 processo de redur;ao ocorre dentro das camadasde minerio.o que determina 0 contato entre 0 gas e as camadas da carga?o fator mais importante na determinar;ao da permeabilidade para 0 fluxo de gas e aquantidade de vazios entre as particulas. Conforme mostrado na Figura 41 osvazios entre as particulas dependem fortemente da frar;ao de particulas grossas epequenas (VgNp). Quanto mais am pia for a distribuir;ao dos tamanhos, menor seraa quantidade de vazios. Nao obstante, quanta mais finos forem os materia is, maisbaixa sera a permeabilidade (Capitulo 3).

Na pratica operacional, a permeabilidade dos materiais da carga e determinadapela quantidade de finos (% < 5 mm). Os finos sac distribuidos de forma bastanteheterogenea ao longo do raio do forno.Na Figura 42 um exemplo tipico da distribuigao de finos pelo raio e indicado. Osfinos se concentram ao longo da parede, especialmente sob 0 ponto de impacto danova carga com a superficie da carga no topo.

Sinter e pelotas<10mm

Sinter e pelotas<Smm

Se for usado um topo sem cone, os pontos de impacto podem ser distribuidos aolongo do raio. Com um sistema de carregamento de duplo cone os finos seconcentram num anel estreito na superficie da carga e proximo da parede. Quandoa carga esta descendo, os materiais mais grossos na carga acompanham aparede, enquanto que os finos preenchem os vazios entre as particulas maiores enao acompanham a parede na mesma proporgao que as particulas mais grossas.Desta forma, durante a descida, os finos na carga tendem a se concentrar aindamais.

Alem disso, 0 sinter e 0 mlneno granulado pod em degradar-se em particulasmenores durante 0 primeiro passo da redugao (de hematita para magnetita). Esteefeito sera mais acentuado quanta mais lentamente 0 material for aquecido. Porconseguinte, quanta mais lentamente 0 material for aquecido, maior sera aquantidade de finos gerados. Em suma:• A permeabilidade da camada de minerio e determinada pela quantidade de finos .• A quantidade de finos e determinada por:

• eficiencia do peneiramento na casa dos silos,• degradagao fisica durante 0 transporte e 0 carregamento,• metodo de distribuigao de carga usado,• propriedades de degradagao sob baixa temperatura.

65

Os efeitos mencionados - concentra<;:ao de finos no carregamento e durante adescida, e degrada<;:ao sob redu<;:ao a baixa temperatura - causam, em muitosaltos-fomos em opera<;:ao, um "anel" de material de carga com uma permeabilidadedeficiente. Em particular, este anel de material causa muitos disturbiosoperacionais.

A velocidade media do gas acima da carga e bem baixa, conforme mostrado nocapitulo 2. Entretanto, num fomo funcionando com marcha central, a velocidade dogas podera alcan<;:ar local mente 10 mIs, ou mais especificamente no centro dofomo. Isto esta bem acima das velocidades te6ricas do gas na qual a fluidiza<;:§opode ser observada. 0 coque fluidiza muito mais facilmente do que a carga deminerio devido a sua densidade mais baixa (Figura 43). Aparentemente, 0 minerioda carga fixa as particulas de coque no centro. De qualquer forma, se asvelocidades do gas local estiverem se tomando muito altas, podera ocorrer afluidiza<;:ao. A fluidiza<;:ao do coque tem side observada na opera<;:ao dos altos-fomos e prevista em modelos matematicos. Tambem foi observado que as pelotaspenetram nas camadas de coque fluidizadas.

Se a fluidiza<;:ao se estender para a parte mais baixa do fomo, podera ocorrer aforma<;:ao de chamines, 0 que cria curto circuitos entre a parte mais baixa do fomo(ou ate mesmo a zona de combustao) eo topo. As chamines sac observadas comosendo uma consequelncia de problemas operacionais. Por exemplo, vazamentos(corridas) atrasados podem criar velocidades mais altas do gas local e pod em levara forma<;:ao de chamines. Neste caso, 0 gas pod era escapar pelo topo com umatemperatura muito alta e uma baixa utiliza<;:ao, uma vez que 0 gas nao tera umcontato apropriado com a carga.

15 Condi90es notn' centro do fomo110 r---""·12 -~V)0vQ)

1\ 5v·00 4~

3

10 20 30 40 60Diametro da particula (mm)

Figure 43: Velocidades de gas para f1uidizaqao de minerio e coque. A area indicada varia de800·e a 300·e, pressao de 1 atm. (Base: Biswas, 1981)

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A distribuic;:ao da carga pode ser usada para controlar 0 fluxo de gas do alto-forno.A plataforma conceitual de uso da distribuic;:ao da carga e bem complexa, uma vezque ela e consequemcia da interac;:ao das propriedades dos materiais da carga como equipamento de carregamento. No caso da fluidizac;:ao, 0 fluxo de gas podetambem afetar a distribuic;:ao da carga.

A Figura 44 mostra os angulos de repouso dos varios materiais usados num altoforno. 0 coque possui 0 angulo mais acentuado (ingreme) de repouso. As pelotaspossuem 0 mais baixo angulo de repouso e 0 sinter fica entre os dois. Dai, em umforno carregado com pelotas, as mesmas tem tendencia a rolar para 0 centro.

Coque: 35-380 Sinter: 29-33° Pelotas: 25-26°Figura 44: Segregac;ao e angulos de repouso

as finos se concentram no ponto de impacto: as particulas grossas f1uem "morroabaixo" ao passo que as particulas finas permanecem abaixo do ponto de impacto.Este mecanisme conhecido como segregac;:ao e ilustrado na Figura 45.

1""11'1"'111Figura 45: Efeito do rolamento do coque com a flux a de gas

1I ndo a carga e carregada no forno, as particulas grossas de coque no topo daAm deslocam em direc;:ao ao centro. Este efeito e chamado rolamento do

coque e e mais acentuado quando 0 forno esta sob sopro. Ele e ilustrado na Figura45.

o tipo de sistema de carga tem grande impacto na distribui9ao dos finos. A Figura46 mostra os sistemas de topo sem cone (bell-less top) e de duplo cone (doublebell). Em um topo sem cone, existe a possibilidade de distribuir os finos da cargapelos varios pontos de impacto movendo a calha para diferentes posi90es verticais.o coque pode ser trazido para 0 centro atraves da programa9ao do cicio decarregamento.

Com um sistema de carregamento de duplo cone existe uma possibilidade menorde varia9ao dos pontos de impacto e os finos ficarao concentrados em aneis maisestreitos. Os altos fornos modernos com sistemas de carregamento de duplo cone,na maioria dos casos, sac equipados com uma armadura movel, 0 que da umacerta flexibilidade com rela9ao a distribui9ao de finos e para a propor9ao minerio /coque ao longo do raio. Contudo, sua f1exibilidade e inferior a do sistema maisversatil de to po sem cone.

Figura 46: Carregamento com tapa sem cone e carregamento com duplo cone: comparar;aoda segregar;ao de finos na /inha de nivel da carga (stock line)

A linha de raciocinio aplicada ate aqui considera camadas isoladas de minerio ecoque como ponto de partida. Todavia, uma vez que 0 diametro medio do coque,de 45 a 55 mm, e muito maior do que 0 das pelotas e sinter (tipicamente < 15 mme < 25 mm respectivamente), os componentes da carga jogados numa camada decoque tenderao a formar uma camada mista. Esta camada mista tera umapermeabilidade comparavel a da camada de minerio. A forma9ao das camadasmistas e tambem produzida pelas partes salientes ou recuadas da parede: taiscomo placas de refrigera980 salientes, placas ausentes na coroa de choque,

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desgaste do refratario na goela e assim por diante. As camadas mistas possuemuma permeabilidade diferente e podem culminar no surgimento de uma assimetriacircunferencial de processo.

o fluxo de gas otimizado em um fomo modemo, operado com alta produtividade ecom baixo consumo especifico de coque, possui a zona de fusao na forma de um Vinvertido, conforme descrito acima. Contudo, 0 gas que escapa pelo centro (semminerio) deixa 0 fomo com uma baixa utilizac;:ao. Esta perda de gas "nao usado"deve' ser minimizada.

Se 0 f1uxo de gas central for muito alto, a raiz da zona de fusao se aproximademais das ventaneiras. Nesta situac;:ao, a taxa de combustivel sera alta e haverauma grande chance de danG as ventaneiras. E essencial que 0 gas fluindo pelocentro se distribua pelas incisoes de coque ate as camadas da carga. Desta forma,a permeabilidade da coluna de coque central nao devera ser muito alta. istosignifica que 0 diametro da coluna central de coque nao podera ser muito grande.Se 0 fluxo do gas central for (parcialmente) bloqueado, 0 gas escapara ao longo daparede e se resfriara. 0 resultado e que 0 contato entre 0 gas e a carga ficainsuficiente. Nesta situac;:ao 0 fluxo de gas central e pequeno e as perdas termicassac altas.

Nossa experiencia tem mostrado que 0 fluxo de gas pela pare de e 0 fluxo de gascentral estao fortemente correlacionados. 0 controle do f1uxo gasoso esta baseadona manutenc;:ao do equilibrio entre os fluxos de gas central e periferico.

A dificuldade no controle do fluxo gasoso e que ele e influenciado por muitasmudanc;:as nos componentes da carga, para metros de processo e especificidadesda instalac;:ao. Em particular, a variac;:ao no percentual de finos proximo da (masnao na) parede, e as propriedades de degradac;:ao sob reduc;:ao a baixatemperatura sac importantes.

Para se controlar 0 f1uxo gasoso faz-se um intenso monitoramento. Ainstrumentac;:ao do alto-fomo se encontra descrita na proxima sec;:ao. Osparametros mais importantes para definir a real situac;:ao do fluxo gasoso sac:• A descida da carga (sondas de nivel da carga, tomadas de pressao) e a queda depressao pela carga,• As perdas termicas da parede ou temperaturas na parede,• A composic;:ao do gas na linha do nivel da carga e 0 perfil da temperatura.

o controle do fluxo de gas e uma distribuic;:ao de carga otimizada sac encontradosp r metodos tentativos, e tem que ser desenvolvidos para cada fomo de formaIndividu I. Algumas observac;:oes gerais podem ser feitas.

1. 0 f1uxo de gas e controlado, em sua maioria, pela proporgao coque I minerio aolongo do raio. Urn exemplo de uma distribuigao calculada da carga e mostrado naFigura 47. Perceba 0 centro sem minerio.2. 0 centro do fomo devera ser permeavel e nenhuma, ou uma quantidade minima,de carga de minerio grosse devera estar presente.3. 0 percentual de coque na parede nao devera ser muito baixo. Note que 550 mmde minerio na goela consome aproximadamente 200 mm de coque para redugaodireta e carbonizagao. Uma coluna vertical continua de material da carga deveraser evitada. Uma incisao de coque devera ser mantida entre todas as camadas deminerio.4. A concentragao de finos proxima a parede devera ser evitada.5. 0 f1uxo de gas central e comandado pela quantidade da carga de minerio quealcanga 0 centro. Esta quantidade depende fortemente da espessura da camadade minerio e da quantidade de coque grosso. Para se alcangar urn f1uxo gasosoestavel, quando forem necessarias mudangas na proporgao minerio I coque, acamada de minerio devera ser mantida constante em primeiro lugar. Isto e deespecial importancia quando se altera 0 nivel de injegao de carvao. Nesta situagao,sac feitas grandes mudangas na espessura relativa da camada de minerio e decoque.

Na pratica, pequenas mudangas na espessura da camada de mlneno poderaoinfluenciar fortemente 0 fluxo de gas central. Este efeito e geralmente mais forte emfomos com duplo cone e armadura movel que em fomos com topo sem cone.

Urn exemplo de urn esquema para controle da distribuig80 da carga e apresentadona Tabela 19. Se for necessario urn f1uxo maior de gas central, a programag80Coque 2 e substituida pela Coque 3. Urn fluxo menor de gas central e obtido pelasubstituigao da programag80 Coque 2 pela Coque 1.

Tabela 19: Programas de carregamento do tapa sem cone com f1uxo de gas central sob~ -anacao

% posicao 11 I 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1parede centro

coaue 1 + central 14 14 16 14 14 14 6 8coque 2 normal 14 14 14 14 14 14 6 10coque 3 - central 14 14 12 14 14 14 6 12minerio 16 16 16 12 10 10 10 10 0

Programagoes semelhantes poderao ser desenvolvidas para urn sistema decarregamento de duplo cone. Neste sistema, 0 uso da espessura da camada deminerio podera tambem ser aplicado: uma camada menor de minerio proporcionaurn fluxo de gas central mais alto e vice- versa.

Se for necessaria uma grande mudanga no consumo especffico de coque, 0operador tera a Opg80 de mudar a base de minerio e manter a base de coque

constante, ou mudar a base de coque e manter a base de mmeno constante.Ambas as filosofias podem ser aplicadas com exito. Os operadores que mantem abase de coque constante indicam 0 papel essencial do coque para a manutenc;:aoda permeabilidade do alto-forno.

Os autores sac a favor de urn sistema no qual a base de mlneno e mantidaconstante. A distribuic;:ao do gas e comandada pelo padrao de resistencia dascamadas da carga de minerio e - conforme mencionado acima - pela quantidadeda carga de minerio que chega ao centro. Esta ultima podera mudarsubstancialmente ao alterar a base de minerio, especialmente em fornos equipadoscom 'sistema de carregamento de duplo cone.

Urn exemplo ilustrativo mostrando uma mudanc;:a no coke-rate de 350 para 300kg/tgusa e apresentado na Tabela 20. A base de minerio e mantida constante e abase de coque e reduzida. A experiencia tern mostrado que serao necessariasmudanc;:as relativamente muito pequenas na distribuic;:ao da carga para aotimizac;:ao do fluxo de gas central (ou seja, distribuic;:ao do coque). Os ajustes nadistribuic;:ao da carga podem ser aplicados como urn segundo passo, senecessario.

Tabela 20: Mudan a na base de co ue uando a taxa da ICP se a/teraSitua ao anterior Nova situa ao

350 30021 1890 90

nao mudar

As mudanc;:as na distribuic;:ao da carga deverao estar baseadas numa analise dascausas das mudanc;:as no fluxo de gas. 0 fluxo de gas podera tambem serinfluenciado por problemas operacionais, tais como urn nivel baixo da carga ouproblemas na casa de corrida. Nesta situac;:ao, os ajustes na distribuic;:ao da carganao iraQ proporcionar resultados satisfat6rios. As perdas termicas pela paredeestao muito ligadas a descida da carga. Desta forma, a causa de altas cargastermicas devera ser analisada no contexto de outros dados de processo.Urn exemplo de uma distribuic;:ao de carga e mostrado na Figura 47.

Figura 47: Exemplo de distribuir;ao de carga com centro sem minerio e penetrar;ao de mineriona camada de coque.

Algumas vezes a descida de carga pode ocorrer de maneira irregular (Figura 33).o que pod era acontecer quando houver arriamento/engaiolamento de carga noforno? Isto esta indicado na Figura 48.

Primeiro, 0 engaiolamento ocorre porque a for<;;a Iiquida descendente torna-semuito baixa. Isto pode ser causado por altas for<;;asde fricgao. Note que 0 coque, apelota e 0 sinter fluem facilmente para baixo. Portanto, as for<;;asde fricgao ocorremna zona coesiva onde 0 material fundido forma pontes.

Segundo, quando ha um engaiolamento, 0 processo continua. 0 coque econsumido e 0 minerio funde, formando, portanto, vazios abaixo da zona coesiva.

Terceiro, quando os vazios se tornam muito grandes ocorre 0 arriamento da carga.A estrutura de camadas e completamente destruida e 0 f1uxo de gas atraves dela eimpedido. Isto leva nova mente a redugao insuficiente do minerio e 0 prolongamentoda zona de fusao. Estas areas formam novas pontes para 0 pr6ximoengaiolamento.

o problema s6 pode ser resolvido com 0 re-estabelecimento da estrutura decamadas dentro do forno, 0 que significa que todo 0 conteudo do forno precisa serrenovado: 0 forno deve ser operado com sopro reduzido por 5 a 10 horas.

A - Opera9aO NormalAneis do minerio fundindo e incisoesde coque alternam na zona coesiva,

B - Problema: engaiolamentol

Nenhuma descida da carga,

C-CausaMaterial coesivo na estrutura dOlponte,

Como 0 processo continua, sac criacJosvazios e os mesmos alllllentam,

D - Arriamento cJacarga\lazios desmoronam. rOl11pi111ento severo

dOlestrulura cJacall1ada, Fluxo do 9'\Simpedido e jatos do gas ao lon90 da parede,

o controle operacional diario do alto-fomo e discutido nesta sey80. Todos os dias,ou ate mesmo em todos os turnos de trabalho, 0 processo tem que ser controlado.Os alvos do controle S80:

• Composiy80 correta do gusa e da escona: a carga metalica e 0 coque S80ajustados para se obter a composiy80 quimica correta do gusa e da esc6ria. Comrelay80 a esta ultima, em particular a basicidade da esc6ria, ela e importante porcausa do seu efeito sobre 0 teor de enxofre do gusa. Uma composiy80 correta dogusa e da esc6ria tambem implica no controle do nivel termico, uma vez que 0silicio do gusa esta correlacionado com a sua temperatura.Assim, existe a necessidade diaria de se fazer calculos para a carga com umaanalise qui mica atualizada dos componentes da carga, e ajustes frequentes donivel termico do forno. Este ultimo podera ser alcanyado atraves do ajuste doconsumo especifico de coque ou da injey80 auxiliar de combustivel pelasventaneiras .• Controle de processo: a descida da carga (conforme medida pelas sondas denivel da carga ou tomadas de press80 Figura 50), a produtividade e a eficiencia doalto-forno S80 avaliadas com base em dados horarios. Um exemplo de avaliay80diaria de processo e apresentado na Figura 48. As condiyoes da zona de

combustao (por exemplo, a temperatura da chama) saD monitoradas ou calculadas.A visao geral total do processo fornece uma indicac;:ao da necessidade ou nao deajustes .

• Controle do fluxo de gas: a questao do controle do f1uxo de gas e discutida emmelhores detalhes abaixo.

As medic;:6es e os dados necessarios para 0 controle diario do fluxo de gas saDmostrados na Figura 51.o f1uxo de gas pelo forno podera ser monitorado com a ajuda da composic;:aoglobal do gas do topo, composic;:ao do gas do topo pelo raio, perdas termicas efluxo do gas pela parede. Este ultimo podera ser medido com as sondas curtas nacarga: as sondas medem a temperatura a aproximadamente tres metros abaixo donivel da carga penetrando ate 0,50 m na carga. Se as temperaturas estiverembaixas « 100°C) a carga ainda nao estara seca e sera necessario um fluxo de gasainda maior na regiao da parede para aumentar a capacidade de secagem nestaregiao.

Se 0 forno estiver com necessidade de um ajuste do fluxo de gas, 0 usa dadistribuic;:ao da carga podera ser considerado. Todavia, uma analise compreensivada situac;:ao real tera que ser feita. Por exemplo, considere a situac;:ao onde saDobservadas altas temperaturas centrais. Se isto ocorre juntamente com baixasperdas termicas e uma baixa utilizac;:ao do gas, aparentemente 0 f1uxo de gascentral estara muito alto e mudanc;:as na distribuic;:ao de carga poderao serconsideradas para diminui-Io. Se, por outro lado, as altas temperaturas centraisestiverem combinadas com uma boa utilizac;:ao do gas e um bom fluxo de gas pelaparede, entao nao havera necessidade de mudar as camadas de minerio e coque.A ac;:aoapropriada, neste caso, devera ser a operac;:ao com um volume de gas maisbaixo por tonelada de gusa, isto e, com um enriquecimento maior de oxigenio.

Perceba tambem que as perdas termicas saD muito sensiveis a descida da carga.Uma decida irregular da carga leva a aberturas (espac;:os vazios) na parede e aaltas perdas termicas. Assim, se um forno estiver apresentando altas perdastermicas, mais uma vez, a causa devera ser investigada em detalhes antes de seajustar a distribuic;:ao da carga. Por exemplo, se um alto-forno for levado aos seuslimites maximos de produc;:ao e a descida da carga for sacrificada devido a altadiferenc;:a de pressao pela carga, a soluc;:ao para as altas perdas termicas sera areduc;:ao do nivel de produc;:ao (ou melhor: volume de gas) e nao ajustar adistribuic;:ao da carga.

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Figura 50: Apresentaq80 de dados do processo num forno em operaq8o. 0 grafico semanalfornece uma ViS80 geral da estabilidade e desenvolvimento do processo. De cima para baixo:Tope - Utilizaq80 de CO (%), temperatura do skin flow (fluxo superficial) (OC) e temperatura

do topo (OC); Flujo T - Perda termica total e soma dos campos (GJ/hr); Arrabio - Temperaturado gusa (OC) e silicio (%); Viento - Volume do sopro (Nm3/min) e press80 do topo (bar).

~tlFigura 51: Exemplo de controle do fluxo do gas. A distribuiq80 radial do gas e medida com

sondas acima da carga. A utilizaq80 reduzida do gas no centro do fomo (ponto 1 e 2, laranja everde) mostra uma march a central aumentada.

Capitulo 8Produtividade e eficiencia

do alto-forno

A produc;:ao rJe um alto-forno esta diretamente correlacionada com a quantidade decoque queimado em frente as ventaneiras em uma situac;:ao estavel, devido ao fatode que, no topo do forno, toda carga de coque traz uma quantidade de materiais dacarga de minerio. Numa situac;:ao estacionaria, 0 gusa e produzido assim que 0coque e consumido. A produtividade do alto-forno aumenta a medida que aquantidade de combustivel usada por tonelada de gusa diminui. No presentecapitulo os principios que regem a produtividade do alto-forno, as reac;:5esqufmicas e a eficielncfa sao discutidos.

Na zona de combustao e formado 0 gas quente que funde 0 material da carga e eusado para efetivar as reac;:5es quimicas no forno. A partir de uma dad a quantidadede coque e carvao, usada por tonelada de gusa, a taxa de produc;:ao de um alto-forno e determinada pela quantidade de oxigenio soprado atraves das ventaneiras.Quanto mais oxigenio for soprado para dentro do forno, maior sera a quantidade decoque e carvao queimados em mon6xido de carbona (CO) e mais alta sera a taxade produc;:ao. Alem disto, quanta mais baixa for a quantidade de combustivelnecessaria por tonelada de gusa, mais alta sera a taxa de produc;:ao. Um exemploquantitativo e indicado abaixo. 0 coque (e 0 carvao) nao apenas entra emcombustao na frente das ventaneiras, mas e tambem usado para a carbonizac;:aodo gusa (0 metal contem 4,5% C) e para as reac;:5es de reduc;:ao direta (sec;:ao8.2).o consumo especifico de coque e expresso com base no coque padrao, ou seja,coque com um teor de C de 87,5%.

Consumo de coqueInjegao de carvao 200 kg/tgusaTotal

300 kg/tgusa 300 kg/tgusataxa de substituigao 0,85 170 kg/tgusa

470 kg/tgusa

Necessario para carbonizagaoNecessario para redugao diretaCombustao em frente as ventaneiras

50 kg/tgusa100 kg/tgusa320 kg/tgusa

A quantidade de 320 kg/tgusa do coque padrao que queima em frente asventaneiras consiste de 170 kg/tgusa equivalente de carvao e, por conseguinte,uma quantidade de 150 kg (320 - 170) de coque por tonelada de metal. Observe aquestao da eficiencia: se a mesma quantidade de oxigenio for soprada, mantendoo mesmo volume e condig6es do sopro e 0 consumo especffico de combustivel for10 kg/tgusa menor, a taxa de produgao ira aumentar em 10/320 = 3%. Caso umaquantidade extra de carvao for colocada no forno, por exemplo, porque esta frio, ataxa de produgao ira cair se as condig6es do sopro forem mantidas.

o calor do sopro e 0 calor gerado pela queima do coque (e carvao/combustiveisauxiliares) na zona de combustao sac usados para fundir a carga. 0 calordisponivel para fundir a carga depende da quantidade de gas produzida e datemperatura da chama (TAC). A quantidade e composigao do gas da zona decombustao podem ser calculadas considerando as seguintes reag6es que laacontecem:

Na zona de combustao e diretamente ap6s ela, todo 0 oxigenio e convertido emmon6xido de carbona e toda a agua e convertida em hidrogenio e mon6xido decarbono.

Considere 0 exemplo a seguir. 0 alto-fomo na segao 2.3 tem um volume de soprode 6500 m3 cntp com 25,6% de oxigenio. Ignorando os efeitos da umidade dosopro e na injegao de carvao, como ficaria 0 volume e composigao do gas na zonade combustao?

(1-0,256) x 6.5000,256 x 6.500

= 4.836 m3 cntp/min= 1.664 m3 cntp/min

o oxig€mio gera 2 moleculas de CO para cada molecula de 02. Assim, a volume degas e 8.164 m3 cntp/min (4,836+2x1,664). 0 gas consiste em 59% de nitrog€mio(4,836/8,164) e 41% de CO (2x1 ,664/8,164).

o calculo pode ser estendido para incluir a umidade do sopro e da injegao decarvao (au outros combustiveis). Isto foi feito na segao 5.4.

A temperatura da chama na zona de combustao e a temperatura que a gas alcangaassim que todo a carbona, oxigenio e agua tiverem side convertidos em CO e H2. Atemperatura de chama e um conceito te6rico, uma vez que nem todas as reagoessao concluidas na zona de combustao. Do ponto de vista te6rico, ela devera sercalculada a partir do balango termico na zona de combustao. Para prop6sitospraticos, f6rmulas lineares foram derivadas. A temperatura de chama normalmenteesta na faixa de 2.000 a 2.300°C e e influenciada pelas condigoes da zona decombustao.

o a temperatura do sopro aumentar,• a teor de oxigenio no sopro aumentar,

• a umidade aumentar no sopro,o a taxa de injegao de combustivel aumentar, tendo em vista que as combustiveisfrios serao queimados ao inves do coque quente. 0 efeito preciso dependeratambem da composigao do combustivel auxiliar.

A Tabela 21 fornece algumas regras gerais com relagao aos efeitos da temperaturade chama.

a e a elos a empera ura a c ama. earas aeralsunidade mudanca TAC(°C) T topo(°C)

T sopre °c + 100 + 65 - 15carvao ka/t + 10 - 30 +9

oxigenio % + 1 + 45 - 15umidade g/m3 cntp +10 -50 +9

A temperatura de gas de tapa e governada pela quantidade de gas necessaria aoprocesso. Quanto menos gas e usado menor a temperatura do gas de tapa e vice-versa. Quanta menor a geragao de gas par tonelada de gusa menor disponibilidadede gas para pre-aquecer e secar a carga.

Na se<;:ao anterior foi descrita a forma<;:ao de gas na zona de combustao. 0 queacontece com 0 gas quando ele so be pelo forno e se resfria? Primeiramente,considere 0 que acontece com 0 monoxido de carbo no.

C + 1/2 02 ~ CO + calor (111 kJ/mol).C + 02 ~ C02 + calor (391 kJ/mol).

A primeira rea<;:aoocorre na zona de combustao. A segunda nao ocorre e e maiscomum em uma planta de geragao de energia eletrica, por exemplo.

Note que na segunda rea<;:aoe gerado muito mais calor do que no primeira. Destaforma, vale a pen a converter a maior quantidade possivel de CO em C02 noprocesso. A razao C02/(CO+C02) e chamada de utiliza<;:ao do gas, ou eficiElncia dogas, e e usada extensivamente na opera<;:ao do alto-forno.

Na Figura 52, 0 equilibrio CO ~ C + C02 e apresentado para varias temperaturas.A linha tra<;:ada indica 0 equilibrio das chamada rea<;:ao de Boudouard. Atemperaturas acima de 1.1aaoc todo 0 C02 (em contacto com coque), e convertidoem CO. Desta forma, nas altas temperaturas presentes na rampa e zona de fusaodo alto-forno, somente 0 monoxido de carbona esta presente. A temperaturasabaixo de 5aaoC todo CO tem tendencia de se decompor em C+C02. 0 carbonaformado desta maneira e muito fino e e chamado de carbona Boudouard.

Na pratica operacional, a decomposi<;:ao do monoxido de carbona podera serobservada no material refratario, onde existe uma atmosfera contendo CO naregiao de temperatura correta. Esta e uma rea<;:aomuito lenta.

%CO o;;,C02CO2

no gas no gas CO+C02

0 50 100

10 40 80

20 30 60CO2 CO

30 20 40

40 10 20

50 0 0400 600 800 1000 1200

Temper<l!ura ("C)Figura 52: Rear;ao de Boudouard: a Iinha trar;ada indica a equilfbrio

A medida que os gases quentes redutores produzidos na zona de combustaosobem pel a parte mais baixa do forno eles transferem calor para a carga deminerio, fundindo-a no lade mais baixo da zona de fusao. Estes gases tambemremovem oxigemio dos oxidos de ferro, isto e, eles reduzem os oxidos de ferro, osquais contem aproximadamente um oxigenio para cad a dois atomos de ferro. 0C02 produzido a partir da rea~ao imediatamente reage com 0 carbono do coquepara produzir CO. A rea~ao total e conhecida como redu~ao direta, uma vez que nobalan~o, 0 oxigenio e removido diretamente dos oxidos de ferro pelo carbo no docoque.

FeO + COC02+ CFeO+ C

Fe + C022COFe + CO

A rea~ao de redu~ao direta requer uma quantidade enorme de energia, que efornecida pelo calor sensivel contido no gas quente da zona de combustao.

A rea~ao de redu~ao direta e muito importante para 0 entendimento do processo.Em um alto-forno moderno, a redu~ao direta remove aproximadamente um ter~o dooxigenio da carga, enquanto a redu~ao por gas remove ou outros dois ter~os. Aquantidade de oxigenio a set removida em altas temperaturas, assim que a cargacome~ar a se fundir, depende em muito da eficiencia do processo de redu~ao nacuba (8.2.2).

rc b duas observa~6es importantes:81

• A reac;;aodireta usa carbona (coque) e gera gas co extra,• A reac;;aodireta consome muita energia.

Na pratica operacional, a reduc;;ao direta podera ser monitorada. Em muitos altos-fornos, a taxa de reduc;;ao direta (frac;;ao do oxigEmio removido da carga pelareduc;;ao direta) ou pela reac;;aode Boudouard ( quantidade de coque usada para areac;;ao) sac calculadas em tempo real. as operadores experientes estao bemcientes de que assim que a taxa de reduc;;ao direta aumenta, a descida da cargacomec;;a a ficar mais rapida (devido ao coque extra usado) e se resfriara. Quandoapropriadamente observado, 0 resfriamento podera ser evitado, por exemplo, pelouso de uma injec;;ao extra de combustivel.

Vale a pena quantificar os efeitos da reac;;ao de reduc;;ao direta. Considere umarazao de a/Fe de 0,5 antes da reduc;;ao direta. Qual e a quantidade de coquenecessaria para a reduc;;ao direta (ou perda de soluc;;ao)?

Para 1 mol de FeO e necessario 1 mol de C, 0 que corresponde a 12 kg de carbona(0 peso atomico do ferro e 55,6, do oxigenio 16 e do carbona 12). Uma tonelada demetal contem 945 kg de Fe, 0 que corresponde a 945/55,6 = 17 kmol. Se metadedo ferro estiver na forma de FeO, por tonelada de gusa sac necessarios 17*12*0,5= 102 kg de carbono. A perda por reac;;aode Boudouard e, se 0 C no coque for 87,5%, 102/0,875 = 116 kg de coque. Alem desta ultima, 0 carbona e tambemdissolvido no gusa (chamado carbonetac;;ao do ferro). a metal contem 4,5% de C,ou seja, 45 kg/tgusa, 0 que corresponde a urn consumo de coque de 45/0,875 = 51kg/tgusa.

Assim que a temperatura do gas se torna menor, 0 C02 se torn a estavel e asreac;;6es de reduc;;ao poderao ocorrer de acordo com:

Hematita:Magnetita:Wustita:

6 Fe203+ 2 CO4 Fe304+ 4 CO6 FeO + 3 CO

~ 4 Fe304 + 2 C02 gera calor 8 kJ/mol Fe~ 12 FeO + 4 C02 absorve calor 5 kJ/mol Fe~ 6 FeOo5 + 3 C02 absorve calor 6,5 kJ/mol Fe

A reduc;;ao e chamada de "reduc;;ao por gas" porque 0 oxigenio e removido dosmateriais da carga com gas CO. a H2 reage de uma forma similar. A reduc;;ao deFeOo50corre atraves da reduc;;ao direta, conforme mencionado na sec;;aoanterior.

Em seguida a descida da carga da linha de nivel da carga, a reduc;;ao de hematitapara magnetlta comec;;a aproximadamente a 500°C. A reduc;;ao de magnetita parawustita ocorre numa zona com temperatura de 600 a 900°C, enquanto que areduc;;ao de wustita para ferro ocorre numa regiao com temperatura entre 900 e1.100°C. No comec;;o da fusao (1.100 a 1.150°C) normal mente FeOo5 e alcanc;;ado.

Aqui 0 FeO e usado como um simbolo para a wustita. A composic;;ao mais estavele, contudo, FeOo.95.As reac;;6es estao mostradas na Figura 53.

Monoxidode carbono

Q fj)0° +

(1) IRedu~aoHematita (FS203)

o ~opalo gas " @>

! +0 IRedu~ao

Magnetita (Fe304)

pelo gas 0 @00° + Q 0

@ IRedu~aoWustita (FeO)

I)elo gas e ~+ (1 0

G IRedu~aoFeOl~

t direta 0 (ill)+

0 Fe

Monoxidode carbono

Dioxidode carbono

"'I.GO %C02CO2

110 gas 110 gas 00+C02

0 50 100

M . ----10 40 '- .g,,,~~-~ 80

20 30 60---~_. Wustita

30 20 40-.._--------------40 10 Ferro 20

50 0 0400 600 800 1000 1200

Temperatura ("C)Figura 54: Apresentagao esquematica da relagao entre temperaturas, composigao do gas

CO/C02 e oxidos de ferra. As linhas tragadas indicam 0 equilibrio.

a equilibrio entre os varios 6xidos de ferro e 0 gas e mostrado na Figura 54. AFigura mostra os limites de reduc;;ao em func;;ao da temperatura e composic;;ao dogas.

A reduc;;ao de wustita para ferro requer a mais alta concentrac;;ao de CO. Observe,na Figura 54, que a reduc;;ao de wustita requer um gas com um teor relativamentealto de CO. A utilizac;;ao do gas devera ficar abaixo de 30%. Se 0 C02 ficar maisalto, a wustita nao sera mais convertida em ferro. A partir das medic;;6es na Figura54 fica claro que a reduc;;ao de wustita para ferro chega pr6ximo do equilibrio.

a progresso da reduc;;ao num alto-forno pode ser detectado de duas maneirasdiferentes:• Carga: uma visao geral do progresso da reduc;;ao podera ser derivada de fornosresfriados. Um exemplo e mostrado na Figura 55.• Gas: enviando dispositivos de amostragem de gas para dentro do forno, 0progresso da temperatura/composic;;ao do gas podera ser monitorado. A Figura 56mostra um exemplo tipico de uma amostragem de gas. as dados poderao serrepresentados num grafico de equilibrio entre 0 gas e os 6xidos de ferro (Figura56). a gas normalmente mostra uma "zona de reserva termica": isto e, uma zonana qual a temperatura nao muda rapidamente, e uma "zona de reserva qui mica":uma zona na qual a composic;;ao quimica nao muda. A zona de reserva termicadiminuira e podera desaparecer quando 0 forno for levado a operar com altasprodutividades.

100

M"gn.Utn\

eo\ .-'--\ //

60 y'1\.•• ' I WUstlt"

I'. _r9S 40

~o FQrro\'- 0

100 NO &'0 - 600 BOO 1.000 1.200

T.mp~ T.m""'''1"'''toe)Figura 56: Composir;ao do gas num forno em operar;ao. CO, C02, H2 e temperatura foram

medidos com sondas em descida (Chaigneau e colaboradores, 2001). As medir;i5es tipicas devarios fornos estao hachuradas. Base: McMaster, 2002.

A rea<;:ao de redu<;:ao direta e redu<;:ao pelo gas se convergem em um pracessomuito eficiente. Suponha que todo 0 oxigenio seja removido por redu<;:ao direta.Entao a rea<;:aomostrada a seguir ira ocorrer:

Quanto coque seria necessario para a rea<;:ao? 0 gusa contem aproximadamente945 kg de Fe por tonelada. 0 coque contem apraximadamente 87,5% de carbono.Os pesos atomicos do Fe e do C sac 55,6 e 12 respectivamente. Uma (1) toneladade ferra contem 945/55,6 = 17 kmol. Para cada atomo de ferro precisamos de 1,5kg-atomo de carbono. Assim, 0 carbona necessario e 1,5*17 = 25,5 kmol, que e25,5*12 = 306 kg de carbono.

Alem disso, um total de apraximadamente 4,5% de carbona e dissolvido no ferro.No total, 351 kg de carbona sac usados por tonelada de gusa, 0 que corresponde a401 kg de coque. Esta e um consumo de coque muito baixo e um alto-forno nao irafuncionar, devido ao fate da energia gerada nesta rea<;:ao neste caso serinsuficiente.

Agora considere que todas as rea<;:6es de redu<;:ao sejam feitas por meio daredu<;:ao pelo gas. Qual e a taxa de coque necessaria nesta situa<;:ao? Assume-seque a combustao do coque gere 0 CO necessario. A rea<;:aoe:

Do exposto acima nos sabemos, contudo, que para a redu<;:aopelo gas a utiliza<;:aomaxima do gas e de 30%. Para se obter 30% de utiliza<;:ao de gas, sera necessariomais CO e a rea<;:aose torna:

Desta forma, a necessidade de coque e calculada conforme acima: cada toneladade gusa contem 17 kmoles de Fe. Existe uma necessidade de 10 atom os decarbona por 2 atomos de Fe. Assim, a necessidade de carbona e de 10/2*17 = 85moles, 0 que corresponde a 85*12 = 1.020 kg de carbono. Novamente, os 4,5%extra de carbona no gusa tem que ser adicionados, dando um con sumo decarbona de 1.065 kg/t e um consumo de coque de 1065/0,875 = 1.217 kg de coquepor tonelada de metal. A energia gerada nesta situa<;:aoestara em excesso.

A conclusao das considera<;:6es acima e que 0 carater de contra-corrente do alto-forno funciona eficientemente para reduzir 0 consumo de combustivel, combinando

as real;oes de redul;ao direta e pelo gas. Um teor de 60 a 65% do oxigenio eremovido pelo gas e 0 oxigenio restante e removido pel a redul;ao direta. Note queestas consideral;oes nao levam em conta as varial;oes da proporl;ao minerio/coquepelo raio. Desta forma, a aplicabilidade da abordagem do balanl;o de massa e calorpara 0 controle operacional diario e bem limitada.

o hidrogenio pode reagir como um agente de redul;ao formando agua. A real;ao ecomparavel com 0 monoxido de carbona:

• A Figura 57 mostra 0 equilibrio dos oxidos de ferro e hidrogenio. 0 hidrogenio emais eficaz para a redul;ao sob temperaturas abaixo de 800DC.• 0 atomo de hidrogenio e muito pequeno e se difunde facilmente para 0 centro dominerio. Dai, a redul;80 pelo hidrogenio pode ser importante para os minerios debaixa porosidade, tais como 0 minerio granulado.• A utilizal;ao de hidrogenio no gas do tope normal mente fica em tome de 40%,enquanto que a utilizal;ao de CO fica proxima de 50%.

%00 %0°2no gas no gas

0 50

10 40

20 30

30 20

40 10

50 0

CU2 H2UN~~Q-- ou --00+002 (H2+H20proc~)

100

o1.200

Temperatura ("C)Figura 57: Equilibrio dos 6xidos de ferra com hidragenio

Perceba que a utilizal;ao do hidrogemio nao pode ser medida. 0 H20 formado noprocesso nao poden:'! ser discriminado da agua colocada no forno com a umidadedo coque e da carga.

A utilizal;ao de hidrogEmio do gas do tope e definida como H2/(H2 + H20processo). Aooperar com um alto hidrogemio no gas do topo, a competil;ao entre as real;oes deredul;ao ira levar a uma utilizal;ao mais baixa do C02 do gas do topo. Uma situagaosimples quantificada para a mesma utilizal;ao total do gas do tope esta mostradana Tabela 21. Deve-se manter isto em mente ao comparar a utilizal;ao de CO sobniveis baixos e altos de injel;ao de carvao e gas.

o perfil da temperatura e as real;oes quimicas num alto-forno estao intimamenterelacionados. Isto encontra-se resumido na Figura 58. A redul;ao dos oxidos emwustita ocorre a temperaturas de 800 a 900°C. A partir dai, numa faixa detemperatura de 900 a 1.100°C, a wustita podera ser ainda mais reduzida,indiretamente, sem interferencia da real;ao de Boudouard. Esta zona depreparal;ao quimica pod era tomar ate 50-60% da altura do forno, possuindo umatemperatura relativamente constante. Desta forma, ela e chamada de zona dereserva termica.

WlJstila (FeO) •• 0.FeOl. • • •• ••

Fe • • • •

Uma operal;ao com alto desempenho do alto-forno requer que toda acircunferencia do forno contribua igualmente para 0 processo. 0 forno pod era ser

dividido em setores, de maneira que cada ventaneira forme um setor. Veja 0

exemplo na Figura 59. Se todos os setores nao contribuirem igualmente para 0

processo, Ira surgir assimetria na zona de fusao, conforme mostrado na Figura 59.Uma escassez de calor local Ira deslocar a zona de fusao para baixo em certossetores e, para cima em outros. Isto podera resultar num aumento da redul;aodireta em alguns setores. 0 aumento do nivel termico do forno como um todo,afetando sua eficiencia geral, s6 podera compensar 0 efeito e nao tratara da causa.

• Da injel;ao de carvao. Especialmente ventaneiras sem injel;ao de carvao (sel;ao5.2).

• Da distribuil;ao do sopro: se a velocidade do sopro for muito baixa « 100 m/s), asventaneiras nao iraQ funcionar eficientemente como distribuidoras de sopro. Istopod era ser observado especialmente nas ventaneiras opostas a entrada entre atubulal;ao principal de sopro e 0 anel de vento. A distribuil;ao do sopro poderatambem ser afetada por ventaneiras obstruidas (acima do furo de corrida ou pontosquentes no refratario) e os dep6sitos de esc6ria na ventaneira.• Pela assimetria do carregamento. Com um to po sem cone ela podera ser evitada

It rn ndo entre os silos de coque e minerio do tope e mudando a direl;aor l cion I da colher. Com um sistema de duplo cone e possivel alternar a ultima

mba ( kip) num descarregamento. Perceba que as mudanl;as tem que ser

feitas numa escala de tempo menor que 0 processo do alto-forno, ou seja, maisfrequentemente do que a cada 6 horas .• Do desgaste do refratario ou placas da coroa de choque no tope do forno .• Do desvio da linha de centro do forno da linha vertical. Em particular, em fornosmais antigos.

Existem medidas disponiveis para corrigir desvios de simetria circunferencial, porexemplo, removendo a injegao de ventaneiras especificas. Contudo, e preferiveleliminar as causas da assimetria circunferencial, ao inves de corrigi-Ia.A assimetria no f1uxo de gas podera ter origem na distribuil;:ao da perda termicaradial. Na figura 60, as perdas termicas sac medidas em 8 segmentos do forno por4 sel;:oes verticais. Uma assimetria estendida podera ser investigada com a ajudadestes tipos de dad os e graficos.

•--I~· II-

01--""IFigura 60: Oistribuir;ao da perda termica em 24 horas (azul). Note uma leve assimetria de

processo.

Capitulo 9Gusa e esc6ria

As composi<;:oes tipicas do gusa e da esc6ria estao apresentadas na Tabela 22. 0gusa deixa 0 fomo com uma temperatura tipica na faixa de 1.480 a 1.520°C.

abela 22: om/Jos/cao t//J/ca do Qusa e da escona

Gusa Escoria

tipico (%) faixa(%) tipico(%) faixa(%)

Fe 94,5 93-96 CaO 40 34-42

C 4,5 3,8-4,7 MgO 7 5-12

Si 0,40 0,3-1,5 Si02 36 28-36

Mn 0,30 0,2-0,5 AI203 12 8-20

P 0,07 0,03-1 soma 96,5 96-97

Ti 0,5 0,3-0,7 S 1,0 0,8-1,2

o gusa e usado para a produ<;:ao do a<;:o. Na aciaria 0 gusa e refinado de talmaneira que a composi<;:ao quimica e ajustada aos requerimentos metalurgicos. 0processo de refino normal mente e desenvolvido em dois passos:

• Remo<;:ao do enxofre do gusa por meio da dessulfurac;:ao. Na maioria dos casos, 0enxofre e removido com carbeto e cal, ou magnesio, de acordo com:

(Colchetes significam que 0 material e dissolvido no gusa; parenteses, significamque 0 material e dissolvido na esc6ria.)• Remo<;:aodo carbono, silicio, manganes e f6sforo. Estes elementos reagem como oxigenio soprado no conversor. A afinidade com 0 oxigenio decresce na

qO ncia Si>Mn>C>P>Fe. Nesta sequencia, 0 material e refinado no processo do

conversor. Ao final do processo de refino, 0 ferro podera ser re-oxidado, 0 que asvezes e necessario para aquecer 0 a<;:oantes do lingotamento. Os elementos Si,Mn, P e parte do Fe saD removidos na fase da esc6ria, 0 C na fase do gas. Asconsidera<;:6es importantes para uma aciaria saD:

• Qualidade consistente: 0 controle do processo do conversor ajusta asconfigura<;:6es de processo com base no resultado esperado versus 0 resultadoobtido. Quanto mais consistente for a qualidade do ferro, melhores serao osresultados na aciaria.• 0 silicio, 0 manganes, 0 titanio e 0 calor sensivel do gusa saD importantes fontesde energia para 0 processo do conversor e efetivam a formagao da esc6ria.• 0 f6sforo do gusa: possui uma grande influencia na qualidade do metal. No alto-forno, 97 - 98% do f6sforo deixa 0 forno com 0 gusa.• 0 enxofre do gusa: 0 enxofre e dificil de ser removerido no processo doconversor. Para tipos de a<;:ossuperiores, e usado urn nivel maximo de enxofre de0,008% (e inferior), enquanto que 0 alto-forno produz gusa com urn teor de enxofrede 0;030% e mais alto. Desta forma, uma etapa externa de dessulfura<;:ao efrequentemente necessaria.

A composi<;:ao final do gusa e 0 resultado de urn processo complexo de intera<;:6esmetal-esc6ria. Os varios elementos saD divididos pela esc6ria e ferro liquidos. Adispersao de urn elemento pelas duas fases depende da composigao da esc6ria edo gusa, bem como da temperatura, conforme discutido abaixo. Como ilustra<;:ao,os teores tipicos dos elementos que entram nas fases da esc6ria e do metal estaoindicados na Tabela 23. Os pontos apresentados a seguir deverao ser observados:

• silicio, titanio e enxofre ficam concentrados na esc6ria,• manganes fica concentrado no gusa,• parte do potassio e eliminada pelo topo,• quase todo 0 f6sforo vai para 0 gusa.

abela 23: Distn uicoes tfoicas dos elementos oelo erro e esc6ria

Elemento entrada Gusa Esc6ria

kg/tgusa kg/gusa % kg/tgusa %

Si 46 5 11 41 89

Mn 6 4,5 75 1,5 25

Ti 3 0,7 23 2,3 77

S 3 0,3 10 2,7 90

P 0,5 0,48 96 0,02 4

K 0,15 0 0 0,11 73%

Os 6xidos de siHcio, manganes e f6sforo sao reduzidos atraves da reac;ao deredU<;:aodireta. As reac;oes do silicio sao de interesse em particular. 0 silicio nogusa e um indicador sensivel do estado termico do forno, e a variac;ao do siliciopod era ser usada para analisar a consistencia do processo. Desta forma, asreac;oes do silicio sao discutidas em maiores detalhes. A redU<;:aodo silicio ocorreatraves de tres passos, conforme mostrado na figura 61:

• A formac;ao de SiO gasoso na zona de combustao. 0 primeiro passo de reduc;aoocorre nas temperaturas de chama muito altas da zona de combustao. 0 silicio

. vem da cinza do coque (e do carvao). Quanto mais alta for a cinza do coque, maisalto sera 0 silicio inicial no gusa.• Reduc;ao adicional por meios da redU<;:ao direta com 0 ferro. 0 gas SiO emcontato com 0 ferro pode ser reduzido conforme a seguir: SiO + [C] [Si] + COo• Quanto mais intenso for 0 contato entre 0 ferro e 0 gas, mais alto sera 0 silicio nogusa. Quanto maior for 0 comprimento do gotejamento do ferro, mais intenso serao contato entre os gases quentes e metal liquido, 0 que leva a temperaturas maisaltas do gusa. 0 contato mais prolongado permite que mais gas SiO reaja com 0

carbona no gusa, 0 que leva a teores mais altos de silicio no gusa. Desta forma,uma zona de fusao numa posic;ao mais alta esta relacionada com uma temperaturaalta do gusa e um silicio alto no gusa.• 0 equilibrio na troca entre esc6ria e ferro. 0 silicio do gusa esta em equilibrio coma esc6ria. Os aspectos importantes sao:

• Quando as gotas de ferro descem e passam pela camada de esc6ria, 0 siHciopodera ser re-oxidado se houver FeO presente na esc6ria, de acordo com:

• Quanto mais basica for a esc6ria (quanto mais baixo for 0 Si02 na esc6ria),mais baixo sera 0 silicio no gusa.

• 0 gusa formado no centro possui um alto silicio, enquanto que 0 gusa formadona parede possui um baixo silicio. 0 resultado no metal vazado e um valor medio.

Ambos 0 silicio e 0 man ganes no gusa sao indicadores do estado termico do forno.o manganes mostra uma res posta mais rapida quando ha mudanc;as no processo,pelo fato do equilibrio com a esc6ria restante no forno ser mais rapido para 0

manganes, devido a frac;ao menor de manganes na esc6ria.

Si02na esc6ria

Sino terro

GasSiOno zona decombustao

o enxofre no gusa e regido pela entrada de enxofre, pela composi~ao da esc6ria epelo estado termico do forno. Os parametres mais importantes sac:• Entrada de enxofre: a entrada de enxofre fica tipicamente entre 2,5 e 3,5kg/tgusa. As principais fontes sac 0 coque e 0 combustivel auxiliar, tais como 0

carvao ou 6leo.• A divisao do enxofre pelo ferre e esc6ria. Ela e indicada pela razao (8)/[8].Esta razao e muito sensivel a basicidade da esc6ria e ao nivel termico do forno(temperatura do gusa ou silicio do gusa).• 0 volume da esc6ria: quanta mais baixo for 0 volume de esc6ria por tonelada degusa, mais alto sera 0 enxofre do gusa na mesma razao para uma mesma rela~ao(8)/[8].A maioria das empresas possui suas pr6prias correla~5es entre (8)/[8] e abasicidade da esc6ria e 0 nfvel termico. As correla~5es sac derivadas com basenos dad as hist6ricos para urn alto-forno. Como regra geral, para reduzir 0 enxofreno gusa em 5% e necessario:• reduzir a entrada de enxofre em 5%• aumentar 0,02 na basicidade (basicidade definida como CaO+MgO/8i02) au• Aumentar a silicio no gusa em 0,06%.

A esc6ria e formada a partir do material da ganga da carga e da cinza do coque ecombustlveis auxiliares. Durante 0 processo, a esc6ria primaria evolui para aesc6ria final. As faixas de composic;:ao sac apresentadas na Tabela 25. Quatrocomponentes principais comp6em aproximadamente 96% da esc6ria (8i02, MgO,CaO e AI203). 0 balanc;:o vem com componentes tais como 0 6xido de manganes(MnO), enxofre (8), titania (Ti02), potassa (K20) e 6xido de f6sforo (P20s).

Estes componentes tem uma tendencia a abaixar a temperatura de liquidus daesc6ria. As definic;:6es da basicidade sac apresentadas na Tabela 24.

B2 CaO/SiO::!

B3 CaO+MgO/Si02

B4 (CaO+MgO)!(Si02+AJ!P3)

Tabela 25:Composig6es tipicas da esc6ria (% massa)

Tlplca Falxa

CaO 40% 34-42%

MgO 10% 6-12%

SI02 36% 28~38%

A!203 10% ~20%

Total 96% 96%

A esc6ria possui temperaturas de fusao muito mais altas do que as do gusa. Napratica, e mais correto pensar em termos de temperaturas de liquidus do que empontos de fusao, tendo em vista que as esc6rias compostas possuem umatrajet6ria de fusao, ao inves de um ponto de fusao. A temperatura de liquidus e atemperatura na qual a esc6ria esta completamente fundida.

Em temperaturas abaixo da temperatura de liquidus, cristais s61idos estaopresentes. Estes cristais s61idos aumentam a viscosidade da esc6ria. Dentro danossa experiencia, 0 comportamento das esc6rias pode ser bem compreendidocom base em suas temperaturas de liquidus. As temperaturas de liquidus saoapresentadas em diagramas ternarios, conforme mostrado na Figura 62. Estesdiagramas foram desenvolvidos para componentes puros e, na pratica operacional,as temperaturas de liquidus ficam um pouco mais baixas. Uma vez que nosdiagramas ternarios apenas 3 componentes podem ser indicados, um dosprincipais componentes da esc6ria e considerado como fixo, ou seja, AI203 = 10%.Os diagramas com teores diferentes de AI203 estao apresentados na Figura 63. Acomposigao tipica de esc6ria de alto-forno esta tambem indicada (Tabela 19). Noteque a temperatura de liquidus esta acima de 1.400°C e que a temperatura deliquidus aumenta quando CaO aumenta (isto e, quando a basicidade aumenta).

Na Figura 64 a composigao da esc6ria resultante de uma carga de sinterautofundente e pelotas e indicada. As temperaturas de liquidus dos componentes"puros" dao altas temperaturas de liquidus para a esc6ria, bem acima de 1.500°C.Como e possivel 0 material se fundir na zona coesiva?

o segredo por tras da fusao do sinter e das pelotas e que a carga de mlnenocontem muito FeO, 0 que abaixa a temperatura de fusao ou, conforme mencionadoanteriormente, abaixa a temperatura de liquidus e temperatura de s6lidus. Aesc6ria prima ria, ou seja, a esc6ria formada durante 0 processo de fusao e antesda solugao dos componentes das cinzas do coque na esc6ria, e liquefeita atravesdo FeO dissolvido. A esc6ria final e liquefeita atraves da solugao de 8i02 conformeindicado na Figura 65.

--1.300"C1.400"C

- - - - - 1.500':'C1.600"C1.800"C

Figure 63: Apresentar;ao das temperaturas de liquidus da esc6ria sob varios niveis de AI203(Base: slag atlas, 1981.)

Si02

-- 1.300"C Cl Escoria do alto fomo

1AOOuC cD Pelotas fundentes olivinas

1.500"C ® Pelotas.basicas tipicas

1.600uC ® Sinter super-fundente

1.800"C ® Sinter fundente

Figura 64: A composir;ao da esc6ria para as qualidades tipicas das pelotas e sinter

97

/Escoria final fundente por Si02---~.....-//'--

9.6 Interayoes entre gusa e esc6ria: propriedades da esc6ria emsituayoes especiais

Durante situag6es especiais no alto-forno, como no acendimento (blow-in) ou umforno muito quente, 0 silicio no gusa podera se elevar a valores muito altos. Umavez que 0 silicio no gusa e retirado do Si02 na esc6ria, a consequemcia e que abasicidade da esc6ria aumenta. Isto leva a uma alta temperatura de liquidus daesc6ria. Numa situagao com uma basicidade muito alta, a esc6ria final ja nao emais Iiquida no forno e nao podera ser vazada. Ela fica no forno, onde poderaformar um anel de esc6ria, especialmente na rampa. A descida da carga e 0

vazamento sofrerao grande disturbio. Desta forma, para situag6es especiais onde 0

silicio no gusa possa ser muito alto, a esc6ria devera ser trabalhada para funcionarcom 0 alto silicio do gusa. Para este fim, uma quantidade extra de Si02 tem que sertrazida para dentro do forno. 0 metodo preferido e utilizar um minerio granuladosilicoso.

Algumas empresas usam quartzito, 0 qual e adequado para corrigir a basicidadesob operagao normal. Entretanto, ele nao e adequado para situag6es desfriamento, tendo em vista que a temperatura de liquidus da silica em si e muitoalta (1.700°C). 0 efeito do uso de um minerio silicoso pode tambem ser mostradono diagrama ternario, na Figura 67: trabalhando-se com uma basicidade m ibaixa, a temperatura de liquidus diminui ao longo da linha indicada.

Sino gusa

83

T liquidus (0C)1.371420

1.531460

1.731528

1.300°C1.400°C

1.500°C

1.600"C

1.800"C

Esc6ria doalto fomo

-- Cargacom30 basicidade

baixa

CaG 10 20 30 40 50 60 70 80 MgOFigura 67: Ereita da carga com baixa basicidade nas temperaturas de liquidus da esc6ria

Capitulo 10Operag8o da area

de corrida

Resultados operacionais excelentes num alto-fomo s6 poderao ser alcangados setres condigoes forem satisfeitas:

• boa qualidade da carga e do coque;• bom controle do fluxo de gas;• boa pratica de vazamento do fomo.

o capitulo presente trata das boas praticas de vazamento do fomo.

o gusa e a esc6ria Ifquidos sac recolhidos no cadinho do forno, bem abaixo dasventaneiras. 0 gusa e a esc6ria nao se misturam: a esc6ria possui uma densidademais baixa (2,3 tlm3) do que 0 gusa (7,2 tlm3) e f1utua so be ele. Isto implica que, asgotas de gusa passam pela camada de esc6ria. 0 metal e a esc6ria chegampr6ximo ao equilibrio termico e quimico. Uma representagao esquematica de umcadinho e um furo de corrida e apresentada na Figura 68. 0 furo de corrida e umapega refrataria. Um "cogumelo" refratario e formado pelo lado de dentro do cadinhocom massa de tamponamento do furo de corrida solidificada.

o alto-fomo e vazado de 8 a 14 vezes por dia atraves do furo de corrida. A duragaomedia de um vazamento e 1,5 a 3 horas. Neste tempo, 0 fomo produz uma parteconsideravel do seu volume de trabalho. Conforme mostrado no capitulo 2, 0

tempo de residencia da carga e de 5 a 6 horas. Desta forma, para um vazamentode 2 horas, aproximadamente 1/3 do conteudo do fomo e fundido em ferro eesc6ria. Espirros no vazamento devido ao gas da zona de combustao indicam 0

final do vazamento.

o nivel do Iiquido no cadinho possui dois efeitos principais no processo do alto-forno:• Os Iiquidos no cadinho afetam a descida da carga: quanta mais alto for 0 nivel doIiquido, mais fortemente 0 coque submerso empurrara a carga em sentidoascendente (Figura 35),• Se a esc6ria alcan<;:ar 0 nivel das ventaneiras e nao puder ser drenada para 0

cadinho, 0 fluxo de gas sera severamente afetado. Isto podera resultar numaredu<;:aodeficiente da carga e, desta forma, num forno mais frio.

De forma a prevenir os efeitos, 0 nivel do liquido no cadinho tem que ser mantidosob controle e preferivelmente num nivel constante e baixo. 0 objetivo da opera<;:aoda casa de corrida e extrair 0 liquido do forno sem interferencia com 0 processo doalto-forno. Note que a capacidade de armazenamento do cadinho depende dafra<;:ao de vazios do coque no cadinho, que pode ser muito baixa. Uma fra<;:ao devazios de 25% pode ser esperada. Em areas de coque estacionario no cadinho, afra<;:aode vazios e, em geral, muito mais baixa.

Um alto-forno moderno possui pelo menos 2 furos de corrida. Os fornos grandes,com cadinhos de 14 m de diametro, possuem ate mesmo 4 furos de corrida. Umlayout esquematico de uma casa de corrida incluindo 0 sistema de canais estamostrado na Figura 69. 0 gusa e vazado no canal principal. 0 gusa e a esc6riapodem ser facilmente separados porque eles nao se misturam, e tambem devido adiferen<;:a de densidade entre eles (Capitulo 7). A Figura 70 mostra os fluxos dogusa e da esc6ria pelo canal principal e em dire<;:ao a barragem (skimmer), esteultimo permitindo que 0 gusa flua, porem desviando a esc6ria para 0 canal deesc6ria.

A esc6ria e normalmente granulada atraves de agua ou despejada em baias deesc6ria. 0 ferro e coletado em carros-torpedo ou panelas. 2 carras-torpedo sacposicionados pr6ximos a cada canal de corrida e poderao ser enchidos por meiosde uma calha basculante. A calha basculante permite ao operador trocar de carra-torpedo.

GnlOula'f80de escoria

_Granula~o. deeS1:oria

Figura 69: Exemplo de layout de area de corrida (3 fums de gusa)

Adam -=====IJL

A maioria dos fomos de alta produtividade e vazada de forma altemada, ou seja,quando um furo de corrida e tamponado, 0 outro e aberto. 0 intervalo de tempoentre vazamentos pode ser reduzido ate mesmo para zero. Um vazamentocontinuo e possive!. A vantagem do metodo e que 0 nivel do Iiquido no cadinhopode ser mantido consistentemente num nivel baixo e a interferencia com 0

processo podera ser evitada. Seja por incidente ou de prop6sito, as vezes apenas

um furo de corrida fica disponivel e 0 Iiquido e vazado por ele. Nesta situal;ao,havera um intervalo de tempo entre as operal;oes de vazamento de 20 a 45minutos. 0 tempo e necessario para limpar a regiao do furo de corrida e para curara massa do furo de corrida. Como consequemcia da operal;ao com 1 furo decorrida, 0 nivel do Iiquido dentro do forno ira variar. 0 controle do comprimento dofuro de corrida e mais dificil. Parece haver uma produl;ao maxima de gusa, quepodera ser vazada na operal;ao com 1 furo de corrida. Estima-se como sendo6000 Udia para um forno com cadinho de 11 m de diametro, e 8000 Udia para umforno com cadinho de 14 m de diametro.

A operal;ao "ideal" da area de corrida para um forno grande e de alta produtividadee 0 vazamento continuo e de forma alternada, com tempos de vazamentossemelhantes para as corridas (10 corridas/dia) e um fluxo de esc6ria quasecontinuo. Figura 71.

8 10 12 14 16 18 20 22 0 2

Tempo (horas)

Figura 71:Apresentaqao do vazamento para um forno de 4 furos de corrida, onde 1 e 3 sacoperados de forma alternativa e sem atrasos.

I escorial Iferrol

II

minutosFigura 72: Variaqao do nfvel de Ifquido no cadinho (em metros)

para vazamentos alternados,

104

Os fluxos de gusa e esc6ria de urn furo de corrida sac determinados pelascaracteristicas do furo de corrida, ou seja:

• 0 comprimento do furo de corrida, 0 qual e afetado pela forma detamponamento e qualidade da massa;• 0 diametro do furo de corrida. E, especialmente 0 desgaste do furo decorrida com 0 tempo;• A aspereza da superficie;• A pressao intema, que e resultante da pressao do sopro e a pressao"hidrostatica" .

Uma vez que urn furo de corrida se desgasta continuamente, especialmente peloataque da esc6ria, os f1uxos de gusa e esc6ria nao sac constantes. Alem disto, noinicio de uma operagao de vazamento somente 0 gusa podera ser vazado. Urnpadrao tipico de fluxo de vazamento de urn alto-fomo esta mostrado na Figura 71.Mesmo com uma boa pratica de vazamento, existe uma variagao no nivel liquidodo cadinho de ate 1 m dentro do forno. A qualidade da massa usada em urn furo decorrida determina a resistencia ao ataque da esc6ria, sendo assim, uma escolhaapropriada da massa tern que ser feita. Isto nao sera discutido aqui.

Dois metodos sac aplicados para a abertura do furo de corrida: abertura porperfuragao (broca) e cravamento de barra. Com a pratica por cravamento de barra,uma barra e colocada na massa de tamponamento imediatamente ap6s 0

tamponamento. A barra e extraida para abrir 0 furo de corrida. A vantagem e que aabertura do furo de corrida se toma muito rapida e e tida como confiavel. Estapratica e especialmente adequada para operagoes com 1 furo de corrida. Muitasempresas tern experimentado a tecnica da barra cravada, porem, a maioria delasusa 0 metodo da perfuragao. A pratica por cravamento de barra tern urn grandeimpacto nos tijolos e blocos do furo de corrida.Uma boa perfuragao tern que atender aos seguintes requerimentos:

• a posigao da broca tera que ser reproduzivel e na mesma posigao: 0 centro dofuro de corrida e para este fim, a broca usada devera ser automaticamente presaao fomo;• diametro da broca: uma selegao de diametros de broca devera estar disponivel(40 - 60 mm). 0 diametro do furo devera ser constante por todo seucomprimento. Para este fim, a broca devera ser guiada e a forga de avango, avelocidade de rotagao e 0 martelamento (impacto) deverao ser apropriadamentecontrolados. 0 desgaste da segao de trabalho da broca devera ser prevenido, 0

que pod era ser conseguido pelo uso do nitrogemio ou nitrogenio/agua para apurga e refrigerac;:ao durante a perfurac;:ao,• 0 comprimento do furo de corrida: a perfurac;:ao diretamente para dentro dobanho de gusa devera abrir 0 forno. E contraproducente tentar economizar umabroca e haste atraves da interrupc;:ao antecipada da perfurac;:ao.

Em algumas situac;:6es a perfurac;:ao nao podera abrir 0 furo de corrida. Entao 0 usamanual de lanc;:asde oxigenio e aplicado. 0 usa de lanc;:asdevera ser 0 ultimo dosrecursos, tendo em vista que a reprodutibilidade e pobre e existem riscos de danose ruptura para 0 furo de corrida.

A qualidade da massa e 0 tamponamento apropriado saG muito importantes para 0comprimento do furo de corrida e para as taxas de vazao de gusa e esc6ria. 0tamponamento tem que atender aos requerimentos apresentados a seguir:

• 0 tamponamento tem que ser feito na mesma posic;:ao que a broca deforma a evitar 0 derramamento da massa. 0 derramamento da massapodera levar a um fluxo "secundario" de vazamento. Ele podera serobservado quando a abertura do furo de corrida nao for suave.• A velocidade do pistao e a pressao da massa tem um efeito direto nainjec;:aoapropriada da massa no furo.• Ao usar uma massa ligada com alcatrao 0 tempo de cura devera sersuficientemente longo para assegurar um condicionamento adequado damassa. Para este fim, 0 canhao de tamponamento tem que serposicionado e pressurizado em frente ao furo de corrida por 15 a 30minutos.• 0 comprimento do furo de corrida e determinado pela quantidade dainjec;:ao de massa. Desta forma, uma quantidade de massa alem dasuficiente e injetada para encher 0 furo de corrida. 0 excesso de massa eusado para formar 0 cogumelo no lado de dentro do furo de corrida.Quanto maior for 0 forno, mais comprido sera 0 furo de corrida, ou seja,2,5 m de comprimento de furo de corrida para um forno com diametro decadinho de 11 me 3 metros para um forno com diametro de cadinho de 14m. 0 comprimento maior do furo de corrida e necessario para manter 0fluxo de gusa afastado da parede do forno de forma a prevenir 0 desgastedo refratario.• Estanqueidade ao gas. Ap6s a perfurac;:ao do furo, a pasta do furo decorrida devera ficar suficientemente estanque ao gas para prevenir aocorrencia de spray no material vazado. A repressurizac;:ao da mass a dofuro de corrida imediatamente ap6s 0 tamponamento podera ajudar amelhorar a estanqueidade ao gas.

10.5.1 0 efeito do vazamento em um unico lade e comparayao comvazamentos alternados

Na Figura 73, 0 efeito da operagao da casa de corrida no nivel Iiquido do cadinho ecomparado entre vazamentos alternados e vazamento em um unico lado. Tendoem vista que no caso do vazamento em um unico lado existe uma lacuna de tempode 30 a 40 minutos entre vazamentos, 0 nivel Iiquido do cadinho sobe muito maisdo que numa situagao com vazamentos alternados. 0 calculo feito para 0

vazamento em um unico lado mostra que 0 nivel de Iiquidos do cadinho poderaalcangar de 2 a 3 m acima do furo de gusa. Isto tambem tem um efeito navelocidade de descida da carga: nao e incomum no final do vazamento que adescida da carga, e par conseguinte a taxa de carregamento, aumentem. A razao eque a forga em sentido ascendente, a partir do metal Iiquido no cadinho, diminui.Veja a Figura 35.

O~I' ~i ~ ~

Ii:: I~.~1~Ii'uo~~§ 0 6l) 120 100 240 300 360 60 120 100 240 300 300

minutos minutos

Figure 73: Nivel do metalliquido no cadinho comparado para vazamentoalternados (esquerda) e vazamento em um t1nico lado (dire ita)

As consequencias dos atrasos na casa de corrida podem ser bem severas.Primeiramente, se a corrida sofrer um pequeno atraso - digamos, tempos deatrasos de 45 a 75 minutos - a descida da carga sera afetada: a forga mais alta emsenti do ascendente impedira que a carga desga conforme mostrado na Figura(capitulo 6). A descida mais lenta da carga sera seguida de um periodo comdescida mais forte, no qual havera menos calor disponivel para fundir a carga e aconsequencia sera que a temperatura do gusa e 0 silicio iraQ diminuir. Do ponto devista operacional, e importante ter condigoes de manter a casa de corrida sempresob controle. E recomendado diminuir 0 nivel de produgao num estagio inicial paraprevenir efeitos mais severos.

Em segundo lugar, se a corrida for atrasada ate um momenta em que a esc6riaalcance 0 nlvel das ventaneiras, a esc6ria sera empurrada para dentro e irabloquear parte do fluxo de gas. Como conseqOencia, se 0 forno estava sendooperado com marcha central, 0 padrao do fluxo do gas sera redistribuido emdiregao a parede. Quando a esc6ria alcanga as ventaneiras percebe-se umaumento gradual da pressao do so pro / resistencia da carga ou diminuigao doindice de permeabilidade (fator K). Nesta situagao 0 esfriamento do forno sera maissevero do que no cenario acima. A situagao muito grave podera surgir, na qual atemesmo 0 gusa atinge 0 nivel das ventaneiras. Se for este 0 caso, 0 gusa Ira fluirpara dentro das ventaneiras e dos algaravizes, que podera se queimar causandouma parada de emergencia do forno.

Calcule 0 tempo necessano para encher 0 cadinho, do furo de corrida ate asventaneiras. Use os dados mostrados a seguir: 0 forno produz ferro (6,7 t/min ou400 t/h) e esc6ria (100 t/h). A massa especifica do gusa e 7,2 t/m3 e a da esc6ria2,3 t/m3. 0 vazio e de 20%. 0 diametro do cadinho: 14 m. Distancia furo decorrida-ventaneiras: 4,2 m.

Capitulo 11Situagoes Especiais

Quando um alto-fomo em plena opera<;ao e paralisado, alguns dos processoscontinuam. Enquanto 0 sopro e cortado, as rea<;6es de redu<;ao direta dentro dofomo continuam, bem como as perdas termicas na parede. A consequencia e quea temperatura do material na zona de fusao e reduzida para aproximadamente1.050 a 1.1OO°C, que marca 0 inicio da rea<;ao de Boudouard, a qual requer muitaenergia (Capitulo 6). A temperatura decrescente causa a resolidifica<;ao osmateriais sob fusao. Desta forma, ap6s uma parada, leva um tempo para a cargacome<;ar a descer. A descida da carga come<;a novamente assim que a zona defusao "antiga" e fundida (Figura 74). A falta de calor para a parada de um fomooperando com inje<;ao de carvao e ainda pior: durante 0 procedimento de parada ainje<;ao de carvao e cortada do fomo e, durante a partida, leva um tempo para partirnova mente a inje<;ao. Como resultado, ha uma falta adicional de combustive!.

Forno em operaQl!o Para.da

1.1000Ct

;',f"L

Zona de fusao scl idificada:FeD + C - Fe + CO - calor

Alem disto, ap6s uma parada, 0 silicio do gusa as vezes sobe para valores mUltoaltos, especialmente se durante 0 procedimento de parada/partida 0 forno estiveroperando sob um baixo volume de sopro. Conforme mostrado na Figura 65, abasicidade da esc6ria sera afetada pelo alto silicio do gusa e a esc6ria podera atemesmo solidificar dentro do forno. Isto resulta numa descida irregular da carga. 0aquecimento da esc6ria e a (Jnica solugao, por exemplo, entrando com uma cargaespecial de coque dentro do forno.

Assim, de forma a compensar as perdas termicas durante uma parada, e 0 risco deum alto silicio no gusa, as medidas a seguir terao que ser aplicadas:• Combustivel extra no forno. E possivel 0 usa do coque, assim como oscombustiveis auxiliares. 0 combustivel adicional e necessario para 0 periodo noqual 0 forno nao e operado com a injegao,• Desenvolver uma composigao de esc6ria para um alto silicio no gusa. 0 usa deum minerio granulado de alta silica e recomendado,Mesmo se uma parada nao for planejada, vale a pena tomar as medidasmencionadas ap6s a parada.

Para uma entrada em marcha ap6s uma parada, as maiores armadilhas sac:• Uma entrada em marcha rapida demais. A zona de fusao solidificada Ira levartempo para fundir durante a partida. Se 0 tempo for insuficiente, a diferenga depressao podera aumentar demasiadamente, levando a um escape do gas pelaparede (perdas termicas altas) e a uma descida deficiente da carga.• Uma reentrada rapida demais da injegao. Uma vez que a zona de fusao estarasolidificada, existe um risco dos aglomerados s61idos bloquearem 0 sopro saindopelas ventaneiras. Se isto acontecer, 0 carvao continuara sendo soprado paradentro do algaravizes, onde ele podera causar a falha destes. Desta forma,recomenda-se entrar novamente com a injegao de carvao apenas quando a cargacomegar a descer.• Uma basicidade muito alta da esc6ria.

Abaixar a carga de um alto-forno e operar 0 forno sem 0 seu carregamentosimultfmeo. Desta forma, todo 0 material carregado no forno e exposto as mesmastemperaturas e processos de redugao, como se 0 forno estivesse completamentecarregado.

Todavia, uma vez que a temperatura do gas da cuba nao e transferida para a cargafria, as temperaturas do gas de saida aumentam e a composigao do gas se altera.Uma vez que 0 equipamento nao foi projetado para suportar altas temperaturas degas de topo, elas sac mantidas sob controle atraves de chuveiros de agua. A aguados chuveiros acima da carga devera ser impedida de alcangar a superficie dacarga, diretamente via descida no tope da carga ou indiretamente via a parede.Bicos especiais de atomizagao sac necessarios e 0 sucesso do abaixamento da

carga depende em muito de um chuveiro adequado. 0 progresso do processo doabaixamento de carga podera ser medido a partir do nivel da carga bem como apartir da analise da composic;:ao do gas do topo. Tendo em vista que cada vezmenos oxigemio e removido do minerio, 0 percentual de C02 decresce e 0

percentual de CO aumenta (Figura 75).

40

.... +- + +.,.30

0 - +

I 20

~• • •10

0

0

:[ -10

••~:z ·20 --- I---30

-J1 2 3 4 5 6 7

horasFigura 75: Progresso tfpico de urn abaixarnento de carga

Alem disso, 0 H2 geralmente aumenta como uma conseqOencia do (inevitavel)contato da agua de chuveiro com 0 coque quente. Ao final do abaixamento dacarga, quando 0 nivel do coque estiver chegando pr6ximo das ventaneiras, 0 C02formado nas ventaneiras tem pouca chance de ser transformado em CO e 0percentual de C02 no gas do to po aumenta. Assim que a metade do oxigenioestiver em C02 (% de C02 = 0,5 CO%), 0 fomo devera ser isolado do sistema degas.

Normalmente um abaixamento de carga leva de 10 a 12 horas, ap6s uma paradade preparac;:ao, para chegar ao nivel das ventaneiras. Antes do abaixamento dacarga, 0 forno contem coque na zona ativa de coque e do nucleo de coque ecamadas alternadas de coque e minerio na zona de fusao e zona granular. Umavez que, durante 0 abaixamento da carga, 0 coque da zona ativa de coque e donucleo sera queimado, existe um excesso de coque no alto-forno. Durante osestagios posteriores do abaixamento da carga, as reac;:6es de reduc;:ao ja foram emmuito paralisadas, desta forma, qualquer injec;:ao de combustivel auxiliar (carvao,6leo, gas), podera ser interrompida durante os estagios iniciais do abaixamento da

carga. 0 momenta e indicado pela analise do gas: assim que a percentual de C02comegar a decrescer abaixo de 10%, indica que existe pouco ferro para reduzir.

o nivel da carga no fomo e dificil de ser medido com as c1assicas sondas de nivelda carga. Elas precisam estar equipadas com correntes alongadas e tem que serrecalibradas para este prop6sito. As sondas de nivel da carga deverao ser usadassomente em intervalos, uma vez que as altas temperaturas acima da cargapoderao causar ruptura da corrente. Poderao ser usados indicadores de nivel tiporadar, se forem confiaveis. As indicag6es de nivel da carga poderao tambem serobtidas:• das tomadas de pressao,• da operagao da area de corrida, au seja, da qualidade do gusa vazado,• dos calculos de queima e usa do coque

A condigao exigida para a fomo ap6s a abaixamento da carga dependera doobjetivo do abaixamento da carga e do reparo que se seguira. Normalmente asparedes tem que ser limpas. A limpeza do cadinho e um outro t6pico importante.Caso seja esperada a existencia de blocos e casc6es s61idos no cadinho, tendoestes que serem removidos antes do abaixamento da carga, a fomo tera que seroperado par um periodo prolongado de tempo num alto nivel termico, numa baixataxa de injegao de carvao pulverizado e sem adigao de titanio.

o acendimento de um fomo novo podera ser considerado em duas fases:Fase 1: Aquecimento do cadinho.Fase 2: Inicio dos process as de redugao e produgao de ferro.

As duas fases sao discutidas separadamente abaixo.

o calor e gerado atraves da queima do coque em CO. A queima de coque gera 55kJ/mol C, a que corresponde a 3,9 MJ/t de coque. 0 calor exigido nos estagiosiniciais do acendimento e necessaria para a seguinte:• Aquecimento do coque no cadinho, nucleo e zona ativa do coque para 1.500°C,• 0 aquecimento necessaria para a evaporagao da umidade da carga de coque,• 0 calor necessaria para compensagao da umidade do sopro e sua dissociagaoem hidrogenio

Uma analise detalhada do requerimento de calor para encher a cadinho, nucleo ezona ativa de coque, com coque numa temperatura de 1.500°C, indica a seguinte:

112

• A umidade no coque podera ser desprezada,• 0 calor necessario requer uma quantidade de coque queimado em CO deaproximadamente 2/3 do volume estimado do cadinho, homem morto e zona ativade coque,• As exigelncias de calor adicional surgem da reayao de dissociayao da agua e dasperdas termicas pela parede. Por exemplo, se forem necessarias 300 t de coquepara encher 0 cadinho, nucleo e zona ativa de coque, sera necessaria uma cargaespecial de coque com uma massa total de 600 t: As 300 t adicionais para levar 0

coque a uma temperatura de 1.500°C,• Nos estagios iniciais de um acendimento, a temperatura do sopro devera sermaximizada e a umidade do so pro minimizada,• 0 aquecimento do cadinho requer de 7 a 8 horas apos 0 acendimento. 0 calor egerado pela queima do coque na regiao das ventaneiras.

o ponto de partida e que 0 cadinho esteja aquecido. Durante os estagios iniciais daentrada em marcha, a reduyao dos oxidos de ferro nao tera acontecido, devido astemperaturas serem baixas demais. Desta forma, tera que se considerar aquantidade de reduyao direta. A situayao podera se tomar dificil se a reduyaodireta for alta demais, (e a reduyao do gas for baixa). Esta situayao se manifesta:

• da utilizayao do gas,• da reduyao direta, percebida quando CO+C02 excede valores "normais".

A utilizayao do gas e uma indicayao da quantidade de reduyao de gas ocorrendo,enquanto que 0 teor de CO+C02 e uma indicayao para a reduyao direta.

Em geral, durante uma entrada em marcha, a escoria tem que ser desenvolvidapara um silfcio alto. Todavia, com 0 metodo proposto, 0 silicio do metal deveraestar sob controle. Se continuarmos a seguir esta abordagem de entrada emmarcha em "duas fases", durante a primeira fase da entrada em marchaaproximadamente 350 t de coque serao queimadas em 8 horas e a escoriaformada vira apenas das cinzas de coque. Assumindo 10% de cinzas e 30% deAI203 nas cinzas, nos obteremos durante as 8 primeiras horas, 35 toneladas deuma escoria de alta A1203. Isto nao causara um problema no fomo devido aopequeno volume. As cinzas de coque poderao ser diluidas, por exemplo, usandoum minerio de alto silicio na carga especial de coque. De forma a diluir para 20%de A1203, umas 30 t de um minerio de alta silica terao que ser adicionadas a cargaespecial de coque de 350 1.

Assim que 0 cadinho estiver aquecido, a temperatura do metal Ifquido excedera1.400°C. Assim que a temperatura do topo exceder 0 ponto de orvalho, todo 0

excesso de umidade tera side removido do forno e 0 processo tera comer;:ado. 0calor necessario ao aquecimento e secagem dos refratarios e pequeno, secomparado com as exigencias de calor do processo em si. Desta forma, assim quea temperatura do gusa alcanr;:ar 1.400 °C e a temperatura do topo exceder 90°C, 0

processo tera que ser trazido de volta as condir;:6es de operar;:ao normal.

Entretanto, nesta situar;:ao, 0 coke-rate no forno ainda continua muito alto e 0 siliciono gusa ira subir para 4 a 5%. 0 silicio no gusa podera ser reduzido com um coke-rate "normal" no forno que e da ordem de 520 kg/tgusa numa operar;:ao all coke.Ao se fazer assim, contudo, leva-se um tempo consideravel para consumir todo 0excesso de coque que se encontra presente no forno. Uma diminuir;:ao mais rapidado silicio no gusa podera ser alcanr;:ada, se uma quantidade de coque mais baixafor carregada e se a injer;:ao auxiliar for usada assim que necessaria. A injer;:ao eligada assim que 0 silicio no gusa cair abaixo de 1%.Um exemplo de tal acendimento (blow-in) rapido de um forno esta apresentado naFigura 76. 0 forno partiu com oito ventaneiras (de um total de 36). Ap6s a aberturade todas as ventaneiras, uma carga "pesada" (coke-rate de 450 kg/tgusa) foicolocada no forno 50 horas ap6s 0 acendimento e entrou-se com a injer;:ao de finosde carvao no forno 58 horas ap6s 0 acendimento inicial. 0 silicio no gusa atingiu amarca de 1% 60 horas ap6s 0 acendimento inicial. No quarto dia ap6s 0

acendimento, 0 silicio medio no gusa estava em 0,95% e a produtividade em 2,1t/d/m3 WV.

Capitulo 12Modelamento do processo

Reichardt (1927), propos um metodo de analise do desempenho de altos-fomosbastante avanlYado para a epoca e que e usado ate hoje, isoladamente, QU contidoem modelos mais amplos. Consiste na divisao do fomo em 5 zonas e no calculo de

•• um balanlYo termico para cada uma delas. As zonas sac aproximadamente aquelasapresentadas no Capitulo 2, com excelYao da zona de coesao, conceito naoexistente na epoca. Em um diagrama cartesiano, Reichardt designou 0 eixohorizontal para a entalpia e calor sensivel acumulados na carga e disponivel nosgases. 0 eixo vertical referencia a temperatura do gas e da carga. Na Figura 77 umdiagrama simplificado e apresentado para um alto-fomo hipotetico.

E 1000Co

E(!!. 1500

2500o 345

MJ/t gusa

No espalYo em R2 aparecem duas linhas, uma para a carga e outra para os gases.o ponto A representa 0 gas como produzido na zona de combustao, comt mp r tura acima dos 2000 °c e cerca de 8 MJ de calor, ental pia e calor sensivel,

r d r p r a carga. No ponto B a gas esta na zona de reserva termica e tem

um menor potencial para transferir calor para a carga. No ponto C 0 gas esta acerca de 25°C e ainda nao recebeu calor do gas. A medida que se aquece e reageacumula calor e atinge 0 ponto E. No cadinho, a carga representada pelo ponto Festa no estado liquido na forma de gusa e esc6ria. Esses segmentos de retapodem ser trac;:ados com maiores detalhes se 0 balanc;:o termico for tambemcalculado em maior numero de estagios. No exemplo foram considerados 3estagios, a zona de combustao, a zona de elaborac;:ao e a zona de preparac;:ao.

a ponto a observar e a distancia entre as retas do gas e da carga, principalmentena zona de reserva termica. a modelo constitui uma forma simples e eficiente paraa analise das condic;:6es de trocas termicas no processo. A Figura 26, no Capitulo5 engloba os conceitos desse modelo ao considerar 0 efeito do enriquecimento natemperatura do gas de topo.

Rist e Meysson (1967) desenvolveram 0 chamado diagrama operacional quequantifica e representa graficamente 0 regime de troca de atomos de oxigemioentre gas e s61idos no alto-forno. Esse modelo e bastante util e tem sido a base demuitos modelos mais recentes.

1,5

1,0 --0)

l"y

a

0,5Q)

LL 0,0-0b -0,5

-1,50,0 0,5 1,0 1,5 2,0

O/(C+H2)Figura 77 - Oiagrama de Rist

A Figura 77 exemplifica a aplicac;:ao do modelo de Rist a um alto-forno atraves deum diagrama generico. No eixo horizontal e representado 0 grau de oxidac;:ao dogas de processo atraves da relac;:aoatomica O/(C+H2). No eixo vertical e indicada arelac;:aoentre kg-atom os de oxigemio e de ferro. Na sec;:aopositiva do eixo esta a

116

parcela de oxigemio fornecida pela carga e na se<;ao negativa, 0 oxigemio do arsoprado e dos outros elementos reduzidos da carga, com silicio, manganes ef6sforo. 0 coeficiente angular da reta operacional, (C+H2)/Fe, representa 0

consumo de redutor do processo, Ji .. 0 ponto W indica as condi<;5es de equilibrioquimico entre 0 gas e a carga a temperatura em que come<;a a rea<;ao deSoudouard. Esse ponto representa 0 limite inferior da chamada zona de reservaquimica. 0 ponto W' pertence a reta operacional AS e representa a composi<;ao dacarga em contato com 0 gas quando este atinge a composi<;ao de equilibrio. Adistancia W'-W, ou m, quantifica 0 excesso de oxigenio da carga e portanto 0

desvio da idealidade da operagao. Este modelo, dada a sua engenhosidade, aindae um dos mais usados na pratica. Areta operacional AS retrata 0 desempenhotermoquimico do processo.

Por exemplo, se 0 forno for carregado com minerio total mente hematitico, a rela<;aoO/Fe no topo sera 3/2 = 1,50. Esse e a abscissa do ponto A. A coordenada doponto A e dada pela composi<;ao do gas de topo, apenas considerando CO, C02,H2 e H20. Como foi visto em capitulo anterior 0 teor de H20 de processo naoaparece na composi<;ao do gas. Apenas os outros tres gases sac conhecidos. 0valor de H20 pode ser estimado, fixando-se a rela<;ao H20/(H2 + H20) em 0,40 ouconsiderando H2/H20 = 25 (CO/C02). Supondo que tem-se um gas com 22% CO,20% CO2 e 2% H2 e 0 resto N2 chega-se a um valor relativo de H20 de 3%. Entao0/(C+H2) = (22 + 20 x 2 + 2) / (22 + 20 + 5 + 1,3) = 1,41.

A abscissa do ponto W e igual a rela<;ao 0/(C+H2) do gas em equilibrio com awustita. Seu valor sera uma media ponderada entre 1,3, que e a rela<;ao apenaspara 0 carbono, e 0,4 que seria a do hidrogenio. Os pesos sac as propor<;5es decarbono, C, e hidrogenio, H2. A ordenada de We igual a 1/y, sendo y rela<;ao Fe/Ona wusita em torno de 950°C, tipicamente y = 0,95. Se 0) e igual a 0,02, a ordenadade W seria 1/0,95 + 0,02 = 1,07.

Geralmente w e calculado indiretamente atraves das coordenadas do ponto A e deJi, cujo calculo sera exemplificado a seguir.

Suponha-se que um forno opere com um "coke-rate" de 360 kg/t, com 88% decarbona e praticamente sem hidrogenio, 150 kg/t de "coal-rate", tendo 0 carvao86% de carbona e 6% de hidrogenio, Pode-se calcular 0 valor de m da seguinteforma

Ji = ((360xO,88 + 150xO,86 - 1000xO,045)/12 + 150xO,06/2)/(1 000xO,95/56) == 2,23

Foi considerado que 0 gusa teria 96% de ferro. 12,2 e 56 sac massas atomicas oumoleculares. Para um calculo mais precise seria necessario adicionar tambem 0

hldrogenio introduzido pela umidade do sopro.

A quantifica<;:ao de indice m serve para identificar a<;:6esa serem tomadas. Se m emaior que 0,05 ha deficiemcias de redu<;:ao na zona de prepara<;:ao. Deve-semelhorar a distribui<;:ao de carga ou eliminar minerio granulado muito grosse (> 40mm).

Outra aplica<;:ao do modele e 0 calculo do sopro especifico, ou "wind-rate" em m3

cntp/tgusa. No diagrama da Figura 77 observa-se que ha duas por<;:6esde O/Fe naproje<;:i'jo da reta AB. Uma, acima do eixo do eixo horizontal, a, e outra abaixo doeixo horizontal, b.. 0 ponto B representa as condi<;:6es nas ventaneiras, onde todosos 6xidos de ferro, exceto 0 FeO residual da esc6ria, ja foram reduzidos a metal,portanto O/Fe =0. A por<;:aoa corresponde ao oxigemio que chegou ao fomo ligadoao ferro. A por<;:aob corresponde as outras contribui<;:6es; a do sopro, ados 6xidosque foram reduzidos cujo metal se incorporou a gusa e a da escoria. a esc6rialibera um atomo de oxigemio para cada atomo de enxofre que recebe devido area<;:ao:

Conhecendo-se a contribui<;:ao do gusa e da esc6ria pelas suas massas ecomposi<;:6es qu[micas, por diferen<;:a, pode-se calcular 0 oxigemio do so pro e 0

"wind-rate".

Por exemplo: supondo que 0 gusa tem 0,5% de Si, 0,4% de Mn, 0,1% P, acontribui<;:ao desses elementos em oxigenio para 0 gas seria.

para cada tonelada de gusa. Os numeros 2, 1 e 2,5 vem da rela<;:aoentre oxigenioe cada metal em Si02, MnO e P20S, enquanto 28, 55 e 31 sac as respectivasmassas atomicas.

A contribui<;:ao da escona, caso 0 "slag-rate" ou gera<;:ao especifica de esc6riafosse de 250 kg/t e 0 teor de enxofre na esc6ria 1,2%, seria:

A ordenada do ponto B pode ser calculada por geometria analftica consirenado adecliyidade da reta, f.J, e as coordenadas de A. 0 calculo seria:

o numero 1/1800 converte gramas em kg-moles de H20, portanto de kg-atom os de0.0 fator 1/22,4 converte m3 cntp em kg-moles.

Depois do diagrama de Rist, surgiu 0 diagrama C-TRD ou R-TDR, representandotambem em plano cartesiano a relayao entre taxa de reduyao direta na zona deelaborayao e 0 consumo de carbona ou de redutor (C+H2) . Este ultimo modelerequer calculos mais detalhados que extrapolam os objetivos desse livro.

Os modelos f1uidodinamicos foram os que menos penetraram no meio industrial.Muitos sac baseados na equayao original de Ergun (1952) e Tek (1957).

-LIP/LIz = 150 (1 - e/j.J./ gc(l/Jdp/e3pg Gg2 + 1,75 (1 - c) / gc(l/Jdp)e3pgG/ (2.1)

em que:P pressao total dos gasesz coordenada verticale indice de vaziosj.J.g viscosidade dos gasesgc fator gravitacionalep fator de formadp tamanho das particulaspg densidade da fase gasosaGg velocidade modular massica dos gases

Ajustada para 0 sistema de coordenadas cilindricas a equayao e aplicada aoespayo interne de um alto-forno. A equayao pode ser bastante simplificada

dotando a forma:

em que:VgvPsPtK

vazao de gas de ventaneiraspressao absoluta de sopropressao absoluta de toporesistencia fluidodinamica do fornomesmo significado da expressao anterior

Na maioria dos casos os dois ultimos fatores nao sac considerados e ficamembutidos na con stante K. Essa equac;:ao tem a desvantagem gerar um indice, K,que e comparavel apenas para dados gerados por um mesmo forno. Com maiorestem sopro maiores, tem Vgv maiores e portanto valores de K menores.

Os metodos mais precisos sac descritos na literatura. A sua aplicac;:ao consideramo diametros de particula, fatores de forma, indices de vazios e temperaturas nasdiferentes camadas e zonas no interior do forno. Uma vez que essas variaveis naosac conhecidas, mas estimadas a partir de caracteristicas dos materiais medidasfora do reator, antes de sua degradac;:ao fisica e quimica, esse tipo de modele temtido pouco uso. E justamente a identificac;:ao dos parametros-problema, entre os jacitados, 0 que 0 modele deve fazer para explicar qualquer disfunc;:ao do processo.

A regiao de maior impacto sobre 0 campo de velocidade e distribuic;:ao de pressaoe a zona coesiva, tambem chamada de zona de amolecimento e fustio. A suaposic;:ao e forma geometricas dentro do reator depend em fortemente dacomposic;:ao mineral6gica dos elementos da carga e de sua interac;:ao com 0 campointerne de temperatura. As tentativas de modelamento do escoamento gasosonesta zona tem tido pouco sucesso, embora haja na literatura muitas referencias acaracterizac;:ao dos fen6menos que ocorrem ali.

Uma serie de trabalhos surgidos na decada passada aplica ferramentasmatematicas e tecnicas experimentais concentrando-se, porem, em algunssubprocessos especificos. Depois esses subprocessos sac integrados atraves deintera<;oes matematicas.

A analise critica dos modelos de processo evidencia que a maior dificuldade nasimula<;ao numerica do processo reside no elevado numero de variaveis incidentes.Alem disso, raramente 0 equilibrio quimico e alcan<;ado nos subprocessos. Aefici€mcia das trocas termicas e as perdas de calor tambem variamsignificantemente. 0 problema aponta para a necessidade de tecnicas que sejamcapazes de estimar os desvios quimicos e termicos. Modelos de f1uxo eescoamento de solidos, associ ados a algoritmos que estimam a evolu<;ao dasrea<;oes quimicas que ocorrem nas diversas fases do processo estao sendodesenvolvidos utilizando tecnicas computacionais que VaG alem da pro posta desselivro.

Anexos

1. Biswas, A.K.: Principles of Blast Furnace Ironmaking, Cootha PublishingHouse, Brisbane, Australia, 1981.

2. Committee on Reaction within Blast Furnace, Omori, Y. (chairman): Blasturnace phenomena and modelling, Elsevier, London, 1987.

3. IISI website: worldsteel.org.4. McMaster University: Blast Furnace Ironmaking Course (cada 2 anos),

Hamilton, Ontario, Canada, 2002.5. Meyer, K.: Pelletizing of iron ores, Springer Verlag, Berlin, 1980.6. Peacy, J.G. and Davenport, W.G.: The iron blast furnace, Pergamon Press,

Oxford, UK, 1979.7. Rist, A. and Meysson, N.: A dual graphic representation of the blast-furnace

mass and heat balances, lronmaking proceedings (1966), 88-98.8. Rosenqvist, T.: Principles of extractive metallurgy, McGrawHill, Singapore,

1983.9. Schoppa, H.: Was der Hochofner von seiner arbeit wissen muss, Verlag

Stahleisen, Dusseldorf, Germany, 1992.10. Turkdogan, E.T. (1984), Physicochemical aspects of reactions in ironmaking

and steelmaking processes, Transactions ISIJ, 24, 591-611.11. Wakelin, D.H.: The making, shaping and treating of steel, 11th edition, AISE

Steel Foundation, 1999.12. Walker, R.D.: Modern lronmaking Methods, Institute of Metals, London, UK,

1986.

1. Biswas, A.K.: Principles of Blast Furnace lronmaking, Cootha PublishingHouse, Brisbane, Australia, 1981.

2. Bonnekamp, H., Engel, K., Fix, W., Grebe, K. and Winzer, G.: The freezing withnitrogen and dissection of Mannesmann's no 5 blast furnace. lronmakingproceedings, 1984, Chicago, USA, 139-150.

3. Chaigneau,R., Bakker, T., Steeghs, A. and Bergstrand, R.: Quality assessmentof ferrous burden: Utopian dream? 60th Ironmaking Conference Proceedings,2000, Baltimore, 689-703.

4. Committee for Fundamental Metallurgy of the Verein DeutscherEisenhuttenleute: Slag atlas, Verlag Stahleisen, Dusseldorf, Germany, 1981.

5. Exter, P. den, Steeghs, A., Toxopeus, H. Godijn, R., Van der Vliet, C.,Chaigneau, R. and Timmer, R.: The formation of an ore free blast furnacecenter by bell charging, 56th lronmaking Conference Proceedings, 1997, Vol56,531-537.

6. Geerdes,M., Van der Vliet, C., Driessen,J. and Toxopeus,H.: Control of highproductivity blast furnace by material distribution, 50th Ironmaking ConferenceProceedings, 1991, Vol 50, 367-378.

7. Geerdes, M., Toxopeus, H., Tijhuis, G. and Veltman, P.: Blast FurnaceOperations for Long Hearth Campaigns, 3rd IAS Ironmaking conference,Buenos Aires, Argentina, 2001,97-105.

8. Grebe, K., Keddeinis,H. and Stricker, K.: Untersuchungen uber denNiedrigtemperaturzerfall von Sinter, Stahl und Eisen, 100, (1980), 973-982.

9. Hartig, W., Langner, K., Lungen, H.B. and Stricker, K.P.: Measures forincreasing the productivity of blast furnace, 59th Iron making ConferenceProceedings, Pittsburgh, USA, 2000, vol 59, 3-16.

10. Kolijn, C.: International Cokemaking issues, 3rd McMaster CokemakingCourse, McMaster University, Hamilton, Canada, 2001.

11. Pagter, J. de and Molenaar, R.: Taphole experience at BF6 and BF7 of CorusStrip Products IJmuiden, McMaster Ironmaking Conference 2001, Hamilton,Canada.

12. Schoone, E.E., Toxopeus, H. and Vos, D.: Trials with a 100% pellet urden, 54th

lronmaking Conference Proceedings, Nashville, USA, 1995, vol 54, 465-470.13. Toxopeus,H., Steeghs, A. and Van den Boer, J.: PCI at the start of the 1st

century, 60th Ironmaking Conference Proceedings, Baltimore, USA, 2001, vol60,736-742.

14. Vander, T., Alvarez, R., Ferraro, M., Fohl, J., Hofherr, K., Huart, J., Mattila, E.,Propson, R., Willmers, R. and Van der Velden, B.: Coke quality improvementpossibilities and limitations, Proceedings of 3rd International CokemakingCongress, Gent, Belgium, 1996, vol 3, 28-37.

10.000 Ud fornecem cerca de 3,5 MUano (a uma disponibilidade de 96%). Logo, aprodUl;:ao total mundial de 575,7 Mt pode ser produzida em 165 fornos. Com tresdestes fornos operando por planta, 0 mundo teria a necessidade de 55 destasgrandes usinas siderurgicas, cada uma produzindo 10,5 Mt. 0 fluxo anualresultante dos materiais seria:• Produc;:ao de ac;:o:0,9 x 10,5 = 9,45 MUano de produtos de ac;:o.• Pelotas necessaria: 1,6 x 10,5 = 16,8 MUano.• Carvao necessario:Para coqueria: 10,5 x 0,3 1 0,75 = 4,2 MUanoPara injec;:ao: 10,5 x 0,2 = 2,1 MUano

o oxigenio do volume de sopro e 0,256x6500 m3 cntp/min= 1.664 m3 cntpoxigenio/min. Taxa de produc;:ao = 10.000/(24x60)= 6,94 tgusa/min. Oxigenio usado1664/6.94= 240 m3 cntp oxigenio/tgusa.

Para produzir uma tonelada de gusa 0 forno e carregado com:300 kg coque = 0,6 m3

1570 kg sinter 1 pelotas = 0,78 m3

Total por tonelada de gusa 1,38 m3

A produc;:ao e de 10.000 Udia. 0 que e 10.000 x 1,38 m3 = 13.800 m3 par dia. 0conteudo do forno e 13.800/(3800 - 500) = 4,2x renovado por dia.

A carga entrada no tope chega as ventaneiras em 5,7 horas. Verifique que, duranteo abaixamento de carga do forno, 1.800 toneladas de ferro sac vazadas, seoperado com uma carga composta de apenas coque, com uma taxa de coque de520 kg/t gusa.

2.3.3 Quantas camadas de minerio existem no fomo a qualquerdado momento?

o numero de camadas de minerio depende da espessura da camada ou da mass ade 1 camada na carga. Ele pode variar de fomo para fomo e depende do tipo decarga usado, assim, existe uma grande variedade de espessuras apropriadas decarga. Uma faixa tipica vai de 90 a 95 t de carga por camada. Se uma camadacontem 94 toneladas, ela contem aproximadamente 60 toneladas de gusa. Em 5,7horas 0 fomo produz 2.400 t, 0 que corresponde a 40 camadas de minerio. Emnosso exemplo, tomando um diametro da goela de 10 m: uma camada de minerio ede 0,60 m e uma camada de coque 0,46 m, em media, na goela.

Uma tonelada de gusa requer:300 kg de coque, teor de C de 87%200 kg de carvao, teor de C de 78%Total de carbona

= 261 kg C= 160 kg C= 417 kg C

Aproximadamente 45 kg de carbona se dissolvem no gusa. 0 balango ((421- 45 =372 kg» deixa 0 fomo pelo topo, na forma de CO e C02,.

o nitrogemio soprado no fomo deixa 0 fomo sem reagoes quimicas. A entrada denitrogenio e:6500 m3 cntp sopro/min x (100 - 25,6) = 4836 m3 cntp/min.o nitrogenio no gas do tope e 48,5% (Tabela 2.1).o volume total do gas de tope e 4836/0.485= 9970 m3 cntp/min. Correspondendo a153% do volume de sopro.

o calculo pode tambem ser feito com base nos pesos.A produgao e: 10.000/(24x60) = 6,94 tgusa/min

Para 1 tonelada de gusa 6500/6,94= 936 m3 cntp de sopro sac usados, 0 que pesa1.218 kg (Tabela 2.1).0 balango e apresentado na Tabela 26. A massa do gas detope corresponde as admissoes conhecidas men os a produgao de gusa e esc6ria.o peso total do gas do tope e duas vezes 0 peso do ferro-gusa!

Entrada kq/tqusa producao kq/tqusaSopro 1.218 qusa 1.000Coque 300 esc6ria 240Carvao 200 gas de topo 2.058Carqa 1.580

3.298 3.298

o volume de gas na zona de combustao e 8.164 m3 cntp/min (6.500 x (1 + 0,256)),e 0 volume de gas do topo e 9.987 m3 cntp/min (2.058/1,43 = 1.439 m31 tgusa).Logo, 0 volume de gas das reag6es de redugao direta e aproximadamente 1.800m3 cntpl min (9.987 - 8.164).

Considerando urn volume de sopro de 6500 m3 cntp/min, com 25,6% de oxigenio, aprodugao de gas na rampa e 6500x(1 +0,256)=8164 m3 cntp/min. Este gas possuiuma temperatura mais alta (decrescendo de 2.200°C para uma temperatura de gasde topo de 125°C), 0 fomo e operado sob uma pressao mais alta (digamos 4,8 barnas ventaneiras e 3,0 ba'r no topo) e ha a formagao de gas extra pela reagao deredugao direta. Se todos estes efeitos forem desprezados, 0 exercicio fica bemsimples:Suponha que a fragao de vazios na carga seja de 30%, assim, 0 volume no fomo e(3800-100) x 0,30= 1.100 m3

, atraves do qual 8.164 m3 cntp de gas e soprado porminuto. Desta forma 0 tempo de residencia do gas e 1.100/8. 164x60= 8 segundos.E possivel fazer as correg6es mencionadas acima. Tome uma temperatura mediado gas de 900°C e uma pressao media de 4,0 bar, e entao os efeitos serao:•0 aumento do tempo de residencia pela alta pressao do topo e 4/1 = urn tempo deresidencia 4 vezes mais alto.• Diminuigao do tempo de residencia pela temperatura mais alta do gas273/(273+900)= urn tempo de residencia 0,23 vez mais curto.• A diminuigao do tempo de residencia devido ao gas extra da redugao direta e de8.164/9.970= urn tempo de residencia 0,89 vez mais curto (veja 2.3.1.5).• No total 4 x. 0,23 x 0,89 = urn tempo de residencia 0,82 mais curto. Assim, 0

tempo de residencia correto e 8 x 0,82=6 segundos.

2.3.7 Se voce obtiver uma grande quantidade de gas de topo, existeum forte sopro no fomo?

Nao. Nas ventaneiras existem ventos em alta velocidade (> 200 m/s), mas 0

volume do gas de topo e de aproximadamente 9.970 m3 cntp/min. Pelo diametro dagoela, sob uma temperatura do gas de 120°C e uma pressao de tope de 2,0 bar, avelocidade do gas de topo e de 1,0 m/s: na escala de Beaufort, trata-se de umavelocidade de vento 1.

A produgao de liquido e:• Gusa: 6,7 Umin = 400 Uh = 400/7,2 m3/h = 89 m3/h• Esc6ria: 0,25 x 6,7 Umin = 100 Uh = 100/2,4 m3/h = 42 m3/hLogo, no total, 0 Ifquido formado por hora (sem corrida) e de 131 m3/h.Quantidade de Iiquido que pode ser colocada no cadinho:

• A area do cadinho e 3,14/4 x 14 x 14 = 154m2.

. as vazios correspondem a 20% e a altura, 4,2 m. Entre 0 furo de corrida e asventaneiras, podemos colocar 0,2 x 4,2 x 154 = 129 m3 de Iiquido, os quais SaDsuficientes para 1 hora de produc;:ao sem corrida!

unidade mudan9a t1coke-rate[Si] % +0,1 +4

umidade q/m'cntp +10 +6pressao do topo bas +0,1 -1,2

carvao kQ/tqusa +10 -961eo kQ/tQusa +10 -11

oxiQenio % +1 +1Temp sopro °c +100 -9

esc6ria kq/tqusa +10 +0,5perdas termicas GJ/h +10 +1,2

utilizacao qas % +1 -7

(volume constante de sooro)unidade mudanca TAC eC) T topo (oC)

Temp sopro °c +100 +65 -15carvao kg/tqusa +10 -30 +9

oxigenio % +1 +45 -15umidade q/m'cntp +10 -50 +9

abaixamento de cargaacendimentoacendimento ppos uma paradaalcaliangulos de repousoarriamentobalanc;;o de massacalculo da cargacamada mistachaminecarbonetac;;aocasa de corrida, pratica comfuro de corridacasa de corrida, pratica comcadinho secochargas de ventaneirascompressao de pelotasconstruc;;ao de alto-fomocoque, degradac;;aocoque, praduc;;aocoque, qualidadecoque, testesCRICSRcrepitac;;aodescida da cargadessulfurac;;ao do gusadistribuic;;ao da cargadistribuic;;ao da carga (finos)distribuic;;ao dos elementos peloferra e escoriadolomitaengaiolamentoenxofre no gusaescoria, basicidade, definic;;aoescoria, basicidade, situac;;6esespeciais 98,

307

3736353653524

55, 71916665

110112109486757497686634

1107

10342

Indexescoria, propriedadesfayalitaf1uidizac;;aofluxos termicos pela paredeforc;;asverticaisforc;;asverticais, de coque nocadinhofomos resfriadosfura de corrida 105hematita 14 '-110 35140 35HGI 41injec;;aode carvao, enriquecimentocom oxigenio 44injec;;aode carvao, equipamento 40injec;;aode carvao, gasefficac;;ao 42injec;;ao de carvao, lanc;;as 42injec;;aode carvao,selec;;ao de carvaoinjec;;aode carvao,taxa de reposic;;aoinstrumentac;;aolayout da area de corridaM10M40magnetitaminerio granuladoparadaspelotas, qualidadeperfil de temperaturapermeabilidadeproduc;;ao de pelotasqualidade do gusareac;;6es de Boudouardreduc;;ao de oxidos de ferrareduc;;ao de oxidos de ferro,com hidrogenio

4174

10335351432

10931

5, 8718, 59 •

29928079