Tecnologias para melhorar o desempenho operacional do alto-forno

Tecnologias para melhorar o desempenho operacional do alto-forno

Um alto-forno (BF) é um investimento no futuro. Por isso é necessário que haja o dimensionamento adequado de todos os equipamentos, sistemas e componentes, bem como a incorporação de tecnologias que assegurem a produção e a qualidade desejadas para que se obtenha um melhor desempenho do alto-forno. Isso é particularmente verdadeiro quando o alto-forno vai para reparos de capital. Durante os reparos de capital, a incorporação de tecnologias para melhorar o desempenho operacional do alto-forno também atende às novas demandas impostas ao desempenho do alto-forno, segurança do pessoal, menores requisitos de manutenção e conformidade ambiental.

Um dos principais desafios para os operadores de alto-forno sempre foi garantir um fornecimento contínuo e confiável de metal quente para a fundição de aço com qualidade uniforme e com os menores custos possíveis. Qualquer interrupção na produção de metal quente pode levar a potenciais paralisações nas instalações de produção e processamento a jusante. O tempo de inatividade deve ser reduzido ao mínimo, enquanto a vida útil da campanha do alto-forno deve ser estendida pelo maior tempo possível. Flutuações nos parâmetros operacionais do alto-forno devem ser evitadas para uma qualidade uniforme do metal quente, o que só é possível através da aplicação de tecnologias adequadas, bem como soluções sofisticadas de automação e controle de processos.





Existem diversas tecnologias (Fig. 1), que quando adotadas melhoram muito o desempenho operacional do alto-forno e aumentam sua eficiência tanto em termos de produtividade quanto de consumo de combustível. Isso resulta em melhor taxa de produção de metal quente por unidade de volume do alto-forno e redução do consumo de coque BF. Algumas das principais tecnologias são descritas abaixo.

Fig 1 Tecnologias para melhorar o desempenho operacional do BF

Aumento no volume interno do forno

Ao usar tecnologias avançadas para revestimento refratário do forno e resfriamento do forno, é possível reduzir a espessura do revestimento no forno durante os reparos de capital do forno e, ao mesmo tempo, aumentar a vida útil da campanha do forno. A redução da espessura do revestimento resulta no aumento do volume interno do alto-forno resultando no aumento da capacidade de produção do forno. Isso também fornece um perfil de temperatura do forno consistente durante toda a campanha do forno. Os refratários aprimorados usados ​​para o revestimento refratário do forno incluem refratários de alumina resistentes à erosão na pilha superior, refratários de carboneto de silício no bosh e na barriga e paredes de forno de carbono resistentes à erosão com almofada de cerâmica. Para o resfriamento do forno, as aduelas de cobre são usadas em zonas de alto fluxo de calor, enquanto as aduelas de ferro fundido são usadas em outras zonas. As aduelas de ferro fundido são normalmente com refrigeração independente.

Qualidade da carga ferrosa

Para garantir um alto-forno permeável, essencial para uma operação estável, é importante que a carga ferrosa seja forte, de tamanho aproximado e peneirada eficientemente para remover os finos. Não deve se desintegrar excessivamente na pilha, o que gera multas adicionais. Deve ser suficientemente poroso, redutível e de tamanho adequado para permitir que o material seja reduzido adequadamente ao atingir a zona de amolecimento. Desta forma, a zona coesiva é menos restritiva, com menos escória rica em FeO, e a carga térmica nas regiões inferiores do forno é menor, favorecendo o funcionamento suave. Os requisitos sobre as propriedades físicas e metalúrgicas do sinter, minério granulado calibrado e/ou pellets para operação eficiente devem ser atendidos. As propriedades de amolecimento e fusão dos componentes ferrosos têm um efeito importante na operação do alto-forno. Restrições na zona coesiva e características de fusão ruins podem resultar em descida errática da carga, operação instável e flutuações térmicas.

Um aspecto importante a ser considerado ao selecionar componentes de carga individuais são suas características de amolecimento e fusão. A maior parte da queda de pressão em um alto-forno está na região onde a carga ferrosa está amolecendo, derretendo e escorrendo pelo leito de coque através do qual os gases estão ascendendo. Uma ampla faixa de fusão e amolecimento resulta em uma queda de pressão aumentada e uma grande raiz da zona coesiva colidindo com a alvenaria do eixo inferior.

Qualidade do coque

Para uma operação estável do alto-forno com produtividades razoáveis, coque de boa qualidade é essencial. É uma das razões mais citadas para um mau período de operação. O coque deve ser forte e estabilizado, para suportar o peso da carga com o mínimo de quebra mecânica. Deve ser suficientemente grande e de tamanho aproximado, com finos mínimos, para criar um leito permeável através do qual os líquidos possam escorrer para a lareira sem restringir os gases ascendentes. Um tamanho consistente é necessário para evitar variações indesejadas na permeabilidade e para apoiar o conceito de variação da espessura da camada de coque ao longo do raio do forno para controlar o fluxo de gás radial. O coque deve ser suficientemente não reativo à perda de solução (índice de reatividade do coque, CRI, valor normal de 20 % a 23 %), manter sua resistência nessas condições (resistência do coque após a reação, CSR, valor normal de 65 % a 68 %), e ser baixo teor de álcalis para minimizar a gaseificação de álcalis na pista, o que tem um efeito deletério na quebra do coque. O baixo teor de enxofre também é necessário para minimizar o enxofre do metal quente. As variações de umidade e teor de carbono do coque devem ser controladas para minimizar seu efeito no estado térmico do processo.

O coque no centro da fornalha substitui gradualmente o homem morto e o coque na fornalha, que deve permanecer permeável para permitir que os líquidos escoem pelo centro da fornalha. Isso evita o fluxo periférico excessivo de metal quente na lareira. Um aumento nas temperaturas do centro da fornalha geralmente é observado com um aumento no tamanho do coque de homem morto, o que indica aumento da atividade do centro da fornalha. O tamanho da abertura das telas de coque é um parâmetro importante para manter a permeabilidade do forno. Geralmente é benéfico aumentar o tamanho da tela e carregar o coque pequeno adicional que surge, misturado com a carga ferrosa, longe da linha central do forno.

O objetivo de especificar o coque de alta qualidade é garantir que o coque grande chegue às regiões mais baixas do forno. Para monitorar este objetivo a longo prazo, é aconselhável, ocasionalmente, coletar amostras de coque do nível da ventaneira para avaliar a quebra de coque através do forno. Isso geralmente é realizado durante a manutenção planejada, muitas vezes em conjunto com mudanças na ventaneira. Uma grande amostra de coque é retirada de uma abertura de ventaneira e suas propriedades comparadas com uma amostra do coque de alimentação correspondente.

Para minimizar as variações térmicas e químicas, é desejável uma carga homogênea. Os componentes da carga devem ser misturados o mais intimamente possível. Isso depende do número de componentes de carga e do sistema de carregamento individual, mas geralmente pode ser alcançado em um grau razoável pela seleção de bunkers de armazenamento e pela sequência de descarga do material.

Carregamento de coque de nozes

Um sistema de carregamento flexível permite o uso de coque de nozes. O tamanho do coque de nozes disponível para carregamento depende do tamanho e da eficiência das peneiras de coque do alto-forno na unidade de classificação de coque das baterias do forno de coque, mas normalmente está na faixa de 10 mm a 25 mm. O carregamento de coque de castanha misturado no material ferroso e posicionado ao longo do raio médio melhora a operação, melhorando a eficiência de redução e a permeabilidade da camada de minério na zona coesiva. O carregamento de coque de nozes também reduz a temperatura da barriga. O coque de porca também é carregado na parede, intercalado entre as duas cargas de minério para evitar uma região de parede inativa quando o minério fino está sendo carregado na parede.

Distribuição de encargos

A distribuição de carga é um dos principais fatores que não apenas afetam a estabilidade da operação, mas, ao determinar o fluxo radial de gás no forno, é um dos principais fatores que controlam a taxa de desgaste das paredes do forno. Como forma de obter um melhor controle da distribuição de carga na chaminé do alto-forno e, assim, melhorar o contato gás-sólido e a eficiência do combustível, vários novos desenvolvimentos têm sido utilizados nos últimos anos. Os dois tipos de sistema de distribuição que permitem controle suficiente para alta produtividade são o topo sem sino usando uma calha rotativa inclinável e um sistema de carregamento de sino com armadura de garganta móvel.

Principalmente, o fluxo de gás radial é controlado pela proporção de carga ferrosa para coque, uma vez que o coque é geralmente muito maior em tamanho. Isso é mais facilmente alcançado carregando o material em camadas discretas e variando a espessura da camada ao longo do raio do forno. A proteção das paredes do forno é, portanto, alcançada aumentando a proporção da camada de minério na parede, o que resulta em uma quantidade reduzida de calor removido pelo sistema de resfriamento da parede. No entanto, há um limite para a proporção de material ferroso próximo à parede do forno, caso contrário forma-se uma camada inativa, o que pode favorecer a formação de acreções nas paredes e permitir carga despreparada nas regiões inferiores do forno e aumentar as falhas nas ventaneiras. A proporção de coque no centro do forno deve ser suficiente para permitir a operação estável do forno no nível de produção desejado. Uma grande proporção de coque cria uma região relativamente permeável com menos líquidos descendentes, permitindo o uso do volume máximo de explosão sem grandes flutuações na pressão de explosão e descida errática da carga.

O coque no centro da fornalha substitui o coque na fornalha e um centro permeável rico em coque estimula uma fornalha permeável, que relaciona o fluxo de líquido através da fornalha. A chaminé central de coque não deve ser desnecessariamente larga, no entanto, ou resultará em ineficiência e danos podem ocorrer em certas partes do topo do forno devido à capacidade de calor excessivamente alta do gás ascendente.

Cobrança de tamanho dividido de materiais

Sistemas de distribuição mais sofisticados permitem um controle adicional da distribuição de carga utilizando mais de uma faixa de tamanho de um determinado material. Uma das práticas mais utilizadas é a carga de materiais ferrosos finos, muitas vezes a partir de peneiramentos da carga ferrosa principal. Os finos são carregados separadamente em pequenas quantidades perto da parede do forno, para dar uma redução localizada na permeabilidade e, assim, proteger as paredes. Carregar um pequeno lote separado de material mais fino normalmente reduz a capacidade de carga do forno. O carregamento de pequenos lotes com um sistema de blindagem de sino e garganta móvel causa menos atrasos do que com um topo sem sino devido ao tempo de descarga reduzido. Pode ser possível carregar pequenas quantidades de materiais mais finos na parede do forno, carregando-os primeiro na tremonha superior ou na tremonha grande e usando o ângulo inicial da calha correspondente ou configuração de armadura de garganta móvel. No entanto, a quantidade é limitada pelas características de descarga da tremonha àquela que passará pela tremonha sem se misturar com o restante da carga. Há também um benefício financeiro em usar esses finos ferrosos diretamente em vez de devolvê-los para serem resinterizados. De maneira semelhante, a carga ferrosa pode ser dividida em tamanhos grandes e pequenos que são então carregados em diferentes partes do raio do forno para controlar a permeabilidade radial.

Operação de alta pressão

Um dos fatores limitantes na tentativa de aumentar a taxa de volume do alto-forno é o efeito de elevação causado pelos grandes volumes de gases soprando para cima através da carga. Este efeito de elevação (a vazão mássica) evita que a carga desça normalmente e causa uma perda em vez de um aumento na produção. Para aumentar as taxas de produção acima do normal, o alto-forno é equipado com válvula de septo no sistema de gás superior para aumentar a pressão do gás de saída. Este aumento de pressão comprime os gases em todo o sistema e permite que uma maior quantidade de jato de ar seja soprada. Com este aumento na quantidade de ar soprado por minuto, há um aumento correspondente na taxa de produção. Além disso, isso também suprime a formação de SiO resultando na redução do teor de silício de metal quente.

Quando a pressão do gás de topo é aumentada, a pressão do jato de ar de entrada também deve ser aumentada proporcionalmente. Além disso, se a pressão de topo for aumentada, é necessário usar um soprador maior, capaz de fornecer o volume de sopro aumentado na pressão mais alta. A carcaça do forno, as carcaças do fogão, o coletor de pó, a lavadora primária e a rede de gás também precisam ter integridade estrutural para suportar o aumento da pressão. A válvula de estrangulamento que é usada para aumentar a pressão máxima está localizada além do lavador de gás primário, onde o efeito de jato de areia do gás foi reduzido pela remoção de uma grande parte da poeira transportada pelo gás do forno. A linha de saída de água da lavadora primária precisa ser equipada com um regulador para que a pressão do gás dentro da lavadora não destrua a vedação da água. Gás limpo ou nitrogênio é usado para a equalização da pressão no equipamento de carregamento do forno. Fornos com pressões máximas de 2 -2,5 kg/sq cm estão operando com sucesso. Em alguns desses fornos, turbinas de recuperação de alta pressão são usadas para recuperar parte da energia de compressão e produzir energia.

Temperatura de explosão quente

A temperatura de sopro quente melhora a eficiência de combustível do alto-forno e permite temperaturas mais altas do forno, o que aumenta a capacidade dos fornos. As altas temperaturas do alto-forno são essenciais para a operação eficiente do alto-forno, pois reduzem substancialmente a necessidade de coque do forno e facilitam a injeção de combustíveis auxiliares, como carvão pulverizado, em substituição ao coque do alto-forno. A economia total de energia possível por uma combinação de técnicas é da ordem de 0,12 milhões de kcal/ton de gusa. Isso resulta em custos operacionais mais baixos porque a proporção de coque reduz em 2,8% por 100 graus C de aumento na temperatura de explosão quando é mantida entre 1000 graus C e 1200 graus C. Muitos fornos modernos operam a uma temperatura de explosão quente superior a 1300 graus C .

Enriquecimento de oxigênio do jato de ar quente

O objetivo do enriquecimento de oxigênio na explosão é controlar a temperatura da chama adiabática da pista (RAFT), a geração de gás da lareira e a intensidade da fusão. Quando o ar de sopro é enriquecido com oxigênio, há um aumento na RAFT. Altas temperaturas de chama são normalmente incompatíveis com materiais de carga de qualidade relativamente baixa e precisam de materiais de carga de qualidade correta. Outras altas temperaturas de chama devido ao enriquecimento de oxigênio precisam ser controladas com umidade de explosão e injeção de combustível. Existem operações de forno que utilizam mais de 12% de enriquecimento de oxigênio. Para cada porcentagem de oxigênio acima do jato de ar normal (aproximadamente 21% de oxigênio), a taxa de produção aumenta em cerca de 2% a 4%. Nos casos em que os materiais de carga têm boa redutibilidade, isto é, eles reduzem rapidamente, a temperatura da chama pode ser aumentada significativamente e a eficiência do combustível pode ser melhorada. O uso criterioso de oxigênio fornece um meio de controlar a vazão mássica de gás bosh, de modo que a produtividade do forno possa ser maximizada enquanto se controla a qualidade do metal quente.

Injeção auxiliar de combustível

Com o desenvolvimento de técnicas para aumentar as temperaturas de explosão quente para a faixa de 1000 graus C a 1300 graus C e a necessidade de controlar o RAFT devido ao tipo de material de carga em uso, tornou-se possível injetar combustíveis de hidrocarbonetos na explosão forno através das ventaneiras para controlar a temperatura da chama, aumentar o poder redutor do gás bosh e ao mesmo tempo substituir parte do coque do alto-forno. Na presença de grandes quantidades de coque, os combustíveis de hidrocarbonetos podem queimar apenas em monóxido de carbono e hidrogênio; consequentemente, produzem menos calor do que o coque que substituem resultando no controle da temperatura da chama, mas o gás redutor que produzem é mais eficaz do que o produzido pela combustão do coque.

Muitos combustíveis diferentes foram testados – gás natural, gás de coqueria, petróleo, alcatrão e carvão pulverizado, até mesmo pastas de carvão em óleo. O carvão pulverizado é o injetor mais utilizado no alto-forno nos dias atuais devido à sua relativa abundância e baixo custo. Quando o carvão é usado, ele também é introduzido no jato de ar por uma lança que entra na corrente de ar pelas laterais dos maçaricos. É mais desejável ter o carvão injetado completamente gaseificado e queimado antes de deixar a pista dentro do forno. Ao injetar combustível, são necessárias precauções especiais para evitar o acúmulo de combustível no cano agitador ou maçarico e sua posterior combustão. O processo de injeção de carvão pulverizado é descrito abaixo.

A matéria-prima de carvão é transportada para uma planta de preparação de carvão, onde o material residual é removido por peneiramento e um ímã suspenso. O carvão é então triturado e simultaneamente seco em uma corrente de gás quente ou em uma unidade de moagem/secador combinada, seguida de extração através do sistema por meio de um ventilador de tiragem induzida. O carvão com a distribuição correta do tamanho do produto é extraído através de um separador de velocidade e capturado em uma unidade de filtro de mangas. O produto final é peneirado antes de ser transferido para um silo de armazenamento. Uma parte dos gases de exaustão é reciclada de volta ao gerador de gás quente na unidade de moagem/secador. Esse recurso de controle garante que o teor total de oxigênio do gás quente, em contato com o carvão, seja mantido abaixo de 12% para eliminar qualquer chance de ignição do carvão moído. O sistema de injeção de carvão é composto por tremonhas de bloqueio e unidades injetoras. A vazão de carvão para cada ventaneira pode ser controlada independentemente por um alimentador mecânico. Alternativamente, um sistema mais simples com menor precisão de controle de fluxo para cada ventaneira pode ser fornecido, usando um sistema baseado em divisor. O equipamento para PCI é bastante robusto hoje em dia, com disponibilidade superior a 98% e taxas de injeção de carvão precisas dentro de 2%.

Automação e controle

Atualmente, o sistema de automação e controle oferece a solução ideal para todos os aspectos da operação do forno. Estes incluem, a saber, (i) controle do topo do forno em topos carregados com esteira ou caçamba com padrões de carregamento complexos e distribuição de carga, (ii) sistema de carregamento em espiral exclusivo para topo sem sino para aumentar a porção de finos que podem ser carregados, (iii) armazém controle de materiais em lote sequencial com pesagem 'em voo' e camadas de material, (iv) controle de limpeza de gás, (v) controle de fogões para operação cíclica, paralela, paralela e escalonada de quatro fogões, (vi) controles do sistema de injeção de carvão, (vii) operação e controle da fundição e (viii) controle da planta de granulação de escória. Além da automação e controle também possuem recursos para segurança da planta e sequências de desligamento.

Para garantir a operação de alto-forno de alto desempenho a baixo custo, os altos-fornos atualmente são fornecidos com um sistema de otimização de circuito fechado. Este sistema funciona com base em modelos de processos avançados, inteligência artificial, aplicativos de software aprimorados, interfaces gráficas de usuário e know-how operacional. Excelente desempenho do processo e custos de produção significativamente mais baixos estão sendo alcançados nos fornos com sistema de otimização de circuito fechado. No sistema especialista em malha fechada os principais parâmetros do alto-forno a serem controlados são realizados sem a necessidade de interação do operador. Por exemplo, o controle da taxa de coque, basicidade, taxa de injeção de vapor e até mesmo a distribuição de carga podem ser executados simultânea e automaticamente em modo de circuito fechado para garantir operações de processo estáveis ​​e consistentes com baixos custos de produção. O controle preciso do alto-forno é obtido com base em modelos de processo avançados.

O sistema de gerenciamento de informações de processo fornecido no alto-forno atual coleta, prepara e armazena todos os dados relevantes para uso posterior.