Alto Forno Tuyeres e Estoques de Tuyère

Alto-Forno Tuyères e Estoques de Tuyère

O alto-forno (BF) tem como objetivo extrair o gusa (ferro líquido) do minério de ferro granulado, sinterizado e/ou pellet, coque e combustível injetado. um fluxo de ar quente enriquecido (ar quente de sopro) através da carga de minério e coque que desce na coluna interna do BF. O ar quente de sopro e o combustível auxiliar são injetados no alto-forno através de ventaneiras localizadas ao redor do perímetro do BF.

A zona superior da parede da fornalha do alto-forno contém as aberturas para as ventaneiras que são usadas para introduzir o ar quente no alto-forno. A camisa do forno na zona da ventaneira contém aberturas reforçadas com aço dentro das quais os elementos resfriados de cobre (Cu) são instalados, semelhante ao mostrado na Fig 1. Os reforços de aço na camisa são chamados de suportes do resfriador da ventaneira. O grande resfriador de Cu que é instalado dentro da superfície interna usinada do suporte do resfriador é chamado de resfriador de ventaneira. O resfriador de Cu que realmente introduz o ar quente no forno é chamado de ventaneira. Ele é instalado dentro de uma superfície de assento interna usinada no resfriador de ventaneira. O maçarico faz parte da tubulação de distribuição de ar de estoque da ventaneira, que fornece o ar quente de sopro do tubo de agitação e que se acopla com a ventaneira, para direcionar o ar quente de sopro para o forno. As paredes do peito da ventaneira são geralmente feitas de tijolos de carbono e o resfriamento é geralmente externo com canais de resfriamento encamisados ​​na parte externa do casco. Alguns fornos têm aduelas internas no peito de ventaneira entre os resfriadores de ventaneira como um projeto de resfriamento para o peito de ventaneira. A Fig. 1 também mostra a disposição do suporte do resfriador da ventaneira, que se encaixa na abertura do casco de aço, do resfriador da ventaneira que se encaixa no suporte e da ventaneira que se encaixa no interior do resfriador. As superfícies onde a ventaneira e o resfriador entram em contato são usinadas para dar um ajuste hermético.

Fig 1 Montagem de ventaneira e maçarico do alto-forno

Na zona da ventaneira, a explosão quente penetra através das ventaneiras no coque, criando zonas de combustão física que são chamadas de pistas. Tuyere raceway é uma espécie de cavidade entre o nariz da ventaneira (extremidade do maçarico) e o homem morto na parte inferior do BF com uma forma que lembra uma pêra dobrada para cima. O ar quente sopra no BF através do maçarico. O fluxo de gás forma cavidade. O comprimento da cavidade é a profundidade da pista. A profundidade da pista determina o tamanho e a forma do deadman BF. Por isso, afeta o fluxo de gás e a troca de calor. Na pista, o carbono (C) no coque e o combustível injetado reagem com o oxigênio (O2) em várias etapas, resultando em gás de bosh composto por CO, H2, N2 e pequenas quantidades de SiO, H2S, COS, Ar etc. O calor físico de sopro a quente e a oxidação do C são as principais fontes de calor no processo do alto-forno.

O ar quente soprado para o processo BF é fornecido pelos sopradores de ar. Eles sopram o ar da atmosfera para os fogões quentes e, nesse processo, a temperatura é aumentada para cerca de 200 graus C. Quando esse ar frio passa pelos fogões quentes, o ar frio é aquecido e a temperatura sobe para cerca de 1.200 graus C a 1250 graus C. O sistema de sopro de ar quente é composto por 3 a 4 fogões quentes trabalhando em paralelo ou em combinação. Os fogões fornecem ar de sopro quente para o tubo de agitação, que é o tubo circular de grande diâmetro que circunda o alto-forno acima do nível do manto. O tubo de agitação é revestido internamente com refratário para isolar e proteger o invólucro de aço externo do ar de alta temperatura interno. O bustle pipe tem a finalidade de distribuir o ar quente de sopro dos fogões quentes para o fundo do alto-forno através de uma série de bicos chamados ventaneiras BF. Os principais equipamentos deste conjunto são os tubos retos, os maçaricos, os resfriadores das ventaneiras e as próprias ventaneiras. Tanto as ventaneiras quanto os estoques de ventaneiras são componentes integrais do sistema de sopro a quente do alto-forno.

Ações de Tuyère

Os estoques de tuyère conectam o cano da azáfama às tuyeres. O objetivo dos estoques de ventaneiras é fornecer ar quente ao alto-forno. Os estoques de tuyere são normalmente fabricados em chapa de aço de qualidade de caldeira/liga e são revestidos com material refratário geralmente um concreto. Cada estoque de ventaneira é a montagem de pescoço de ganso, fole de expansão, tubo de conexão, cotovelo, olho mágico, tubo de sopro, arranjo de fixação e dispositivo de tensionamento. Os estoques de ventaneiras se adaptam aos movimentos relativos entre o sistema de entrega do jato quente e o alto-forno. Todos os componentes do estoque de ventaneira são geralmente conectados por flange. O maçarico, que conecta o sistema de jato quente à ventaneira, normalmente se encaixa em um assento esférico usinado na base da ventaneira.

Os principais componentes da ventaneira estão firmemente conectados com as superfícies cônicas polidas por meio do conseqüente arranjo próximo da próxima peça na anterior. Assim, as superfícies afuniladas fechadas proporcionam a integridade estanque da junta. Uma perturbação do ciclo de aquecimento operacional, bem como qualquer vazamento de uma das juntas no estoque da ventaneira, resulta na queima dos elementos construtivos e falhas.

Cada estoque de ventaneira normalmente tem um arranjo de fole duplo em fornos modernos, e cada unidade de fole articula em torno de +/- 3 graus. O nariz esférico no maçarico permite o movimento relativo entre o maçarico e a ventaneira. Os maçaricos geralmente são adequados para uso com diferentes tipos de injeção de combustível.

Os estoques de ventaneira são normalmente projetados para longa vida útil. Eles se adaptam aos movimentos relativos entre o sistema de entrega de jato quente e o forno. Eles são projetados para longa vida útil e fácil manuseio.

Os estoques Tuyere são geralmente projetados para minimizar juntas e dobras para melhorar a vida útil do revestimento refratário e minimizar a perda de pressão. A utilização de um sistema de articulação horizontal, conectado por meio de cunhas cônicas de liberação rápida, facilita a remoção rápida e fácil do maçarico e cotovelo. Os estoques de ventaneiras também são projetados para ter recursos como (i) ajuste para possíveis deslocamentos de dutos de anel de resfriamento e ventaneiras com suas juntas de cardan e (ii) ajuste de acordo com os parâmetros de mudança de jato de ar quente.

As características especiais do estoque de ventaneiras normalmente incluem (i) junta refratária esférica, (ii) unidade de fole com mancal esférico, (iii) conexão de lança de injeção de combustível, (iv) cotovelo com mira, (v) unidade de fole amarrada por tirantes com rolamentos esféricos, (vi) flange horizontal no cotovelo para troca rápida com cunhas, (vii) batentes físicos para limitar o movimento a +/- 3 graus e (viii) perna descendente com junta refratária esférica para permitir o movimento máximo.

Em alguns altos-fornos, o nariz do maçarico é resfriado a água, embora na maioria dos fornos isso não ocorra. A lança de injeção de combustível entra pela parede do maçarico e geralmente descarrega o combustível ligeiramente fora da linha central e cerca de 50 mm atrás do nariz do maçarico. Alguns altos-fornos são equipados com sistemas de injeção dupla que possuem duas aberturas no maçarico para facilitar o abastecimento de múltiplos combustíveis. No caso de carvão pulverizado como combustível de ventaneira, a colocação da lança de injeção é mais crítica para impedir o impacto no interior da ventaneira e para uma melhor combustão do carvão.

A zarabatana é mantida firmemente contra a ventaneira por tensão na haste do freio, que conecta a coronha da ventaneira à jaqueta da lareira. A mola do freio na extremidade da haste do freio permite movimento limitado à medida que o maçarico se expande e se contrai com as mudanças na temperatura do jato quente. O maçarico tem formato tubular e é revestido com material refratário para evitar que sua superfície fique muito quente.

O maçarico é um componente integral do sistema de sopro a quente de um alto-forno. Posicionado entre a perna do tubo de agitação e a ventaneira, o maçarico é geralmente um componente de duas peças, consistindo de um cotovelo e uma seção de cone, e normalmente é construído com um invólucro de aço externo revestido com um sistema refratário de dois componentes. Idealmente, um maçarico é projetado para suportar a passagem de jateamento enriquecido com O2 por longos períodos em temperaturas e pressões superiores a 1150 graus C e 3,5 kg/cm², respectivamente. O ambiente operacional e a localização também intensificam a tragédia de uma falha de maçarico, uma vez que as falhas de maçarico são frequentemente catastróficas. As consequências de falhas repentinas e descontroladas do maçarico incluem maiores riscos de segurança, danos aos ativos e perda de produção.

Na parte de trás da ventaneira, na linha central do maçarico e da ventaneira, há uma pequena abertura através da qual uma haste pode ser inserida para limpar o material do maçarico. A abertura é fechada por uma tampa que pode ser aberta quando necessário, mas é à prova de gás quando fechada. Nesta tampa, chamada de tampa de ventaneira ou postigo, há uma mira de vidro coberta que permite ao operador inspecionar o interior do forno diretamente na frente da ventaneira. A parte superior da coronha é conectada por uma junta giratória ao bocal revestido de refratário do pescoço de ganso ao qual é fixada por olhais e chaves que se encaixam nos assentos das barras suspensas. Cada pescoço de ganso, por sua vez, é conectado por flanges e parafusos a um gargalo que se estende radialmente a partir do diâmetro interno do tubo de agitação. O tubo de agitação é um tubo grande, circular, revestido de refratário e isolado que circunda o forno acima do nível do manto e distribui o jato aquecido da tubulação principal de jato quente para cada conexão da ventaneira. A disposição geral do cano agitador, ventaneiras e maçarico é mostrada na Figura 2.

Fig 2 Arranjo geral do buzina, ventaneiras e maçarico

Tuyeres e refrigeradores de tuyère

Tuyeres são pequenas tubulações que permitem que o ar quente da tubulação de agitação entre no alto-forno. São bicos de formato especial através dos quais o jato de ar quente é injetado no alto-forno. Eles são feitos de cobre e geralmente são resfriados a água, pois são expostos diretamente à temperatura do forno. Eles estão localizados ao redor do alto-forno. Existem quatro tipos de ventaneiras utilizadas em altos-fornos. São elas (i) ventaneiras de câmara única, (ii) ventaneiras de câmara dupla, (iii) ventaneiras de câmara múltipla e (iv) ventaneiras de câmara espiral. As ventaneiras de câmara dupla são as ventaneiras mais utilizadas.

A ventaneira, o resfriador da ventaneira e o tubo de sopro operam em caso de condições de temperatura mais pesadas. O resfriador de ventaneira é colocado no peito do forro do forno. O bocal é acoplado à ventaneira que já está com 250 mm a 350 mm de profundidade dentro do corpo do alto-forno.

As primeiras ventaneiras foram usadas em 1740 no alto-forno da fábrica de Nevyanskiy. O uso das ventaneiras na prática de alto-forno ganhou ampla aceitação no início do século XX. Desde então, o design da ventaneira foi ligeiramente alterado, embora sua técnica de fabricação tenha melhorado constantemente.

As ventaneiras são feitas de cobre. Anteriormente, as ventaneiras do tipo da técnica anterior eram feitas de folhas de cobre prensadas, com espessura de parede de até 8 mm. Atualmente, as ventaneiras de alto-forno são geralmente feitas de cobre fundido centrífugo, o que garante a máxima vida útil da ventaneira por meio da alta manufaturabilidade que proporciona a mais alta homogeneidade do material e a ausência de microporos. No entanto, este método é um pouco mais caro do que a fabricação de ventaneiras por meio de fundição a vácuo. Este último também é aplicado às vezes na produção das ventaneiras e tem um custo de conversão menor, mas existe a possibilidade de uma leve não homogeneidade do material. De qualquer forma, o método de fundição da produção das ventaneiras quase suplantou a aplicação da construção soldada das ventaneiras devido à sua menor capacidade operacional apesar do menor custo de produção que também está associado à fundição do resfriador de ventaneiras de cobre oco. O refrigerador de ventaneira também é fabricado por fundição e é feito de cobre (menos frequentemente de bronze). Ele é montado no peito do forro do forno e fixado através do flange com a solda adicional ao revestimento da fornalha.

O resfriador de ventaneira e a ventaneira são resfriados a água. Em altos-fornos modernos que utilizam temperaturas de jateamento quente em torno de 1200 graus C, as passagens de água do corpo da ventaneira são projetadas para manter a velocidade da água acima de 20 m/s. E as passagens de água do nariz da ventaneira são projetadas para manter a velocidade da água acima de 28 m/s para melhorar a taxa de transferência de calor. A Fig 3 mostra a ventaneira e o resfriador da ventaneira.

Fig3 Tuyère e refrigerador de tuyère

A ventaneira do alto-forno é resfriada pela água fornecida a uma taxa de 15 – 25 cum/hora diretamente para a face interna da ventaneira. A temperatura de aquecimento da água de resfriamento descarregada não deve exceder 15 graus C. A pressão da água de resfriamento fornecida à face da ventaneira e do resfriador da ventaneira não deve exceder 5 kg/cm² a 10 kg/cm². O uso do cobre (com uma pureza mínima de 99,5% ), pois o material de construção permite a remoção eficaz do calor do corpo cônico da ventaneira operando em condições extremamente quentes.

Feito predominantemente de cobre fundido, com canais refrigerados a água, a ventaneira é o dispositivo que permite que o ar aquecido seja soprado na pista de combustão do alto-forno. No meio ambiente, a região da ventaneira é dinâmica e complexa, contendo gases de combustão, óxidos líquidos (escórias), ferro líquido, coque, carvão pulverizado, carvão e temperaturas frequentemente superiores a 2.200 graus C. Embora reconhecida como um componente chave, uma ventaneira indestrutível para alto-forno ainda está para ser desenvolvido.A baixa confiabilidade da ventaneira não é um fenômeno recente.

Apesar de ser a rota dominante de fabricação de ferro, e após vários séculos de desenvolvimento, os altos-fornos ainda são propensos a sofrer falhas nas ventaneiras. Uma falha na ventaneira introduz um estado de coisas que todos os operadores tentam evitar, normalmente instabilidade do forno, aumento de custos e taxa de combustível, perda de produtividade e maior segurança e exposição ambiental.

A durabilidade das ventaneiras do alto-forno influencia a economia do processo do alto-forno. Uma durabilidade inadequada aumenta os custos do próprio material da ventaneira, por um lado, e leva, por outro, a reparos e paradas frequentes e, portanto, a uma redução da produção do alto-forno.

Reconhecida como um componente crítico, a confiabilidade da ventaneira é frequentemente rastreada como um indicador chave de desempenho (KPI) na operação do alto-forno. Uma revisão do desempenho das ventaneiras geralmente indica altas taxas de falha e descobre que interrupções não planejadas para substituir as ventaneiras se tornaram rotina.

Quando uma ventaneira falha, a água de alta pressão, que resfria a ventaneira, pode entrar no alto-forno. Essa entrada de água desencadeia uma cadeia de eventos que perturba a operação do forno. Isso inclui instabilidade do forno, aumento dos custos de combustível e material, perda de produtividade e aumento dos riscos ambientais e de segurança. Levada ao extremo, uma falha na ventaneira pode resultar na destruição do alto-forno com impactos de segurança sinistros.

Inicialmente, antes do advento do resfriamento a água, muitas falhas de ventaneiras estavam relacionadas a um “passar a ferro” de ventaneiras. Com a invenção da explosão quente em 1828, o design da tuyère evoluiu para eventualmente incluir resfriamento a água. No final do século 19, os benefícios de uma ventaneira refrigerada a água foram aceitos na indústria, assim como o reconhecimento do efeito de uma falha. Os efeitos relatados de falhas nas ventaneiras são (i) graus mais baixos de ferro (mais enxofre e menos silício), (ii) lareiras refrigeradas, (iii) explosões, (iv) 'gás selvagem' para os fogões (provavelmente alto teor de hidrogênio), ( v) aumento dos riscos de segurança (mudança de ventaneiras durante a detonação), (vi) aumento de custos e (vii) perda de produção. Em 1918, J.E. Johnson Jr., em seu texto sobre os princípios do alto-forno, aconselhou os operadores do '...efeito ruinoso da água na operação do forno...', enquanto também quantificava a perda de calor em termos de combustível para um vazamento (0,12 Fuga cum/hora correspondente a uma perda de 2 % no calor da lareira). Quase 100 anos depois, a confiabilidade da ventaneira ainda é um tópico de interesse e ainda é uma questão moderna.

As tentativas de melhorar a confiabilidade da ventaneira continuam a desafiar os operadores de alto-forno e os fabricantes de ventaneiras. Como os altos-fornos foram desenvolvidos para operar com maior produtividade, com taxas de coque mais baixas, principalmente por meio de injeção de carvão pulverizado, a atividade de investigação das causas de falhas nas ventaneiras concentrou-se na carga, nas práticas operacionais, no projeto da ventaneira e nos defeitos de fabricação.

Freqüentemente, as causas das falhas nas ventaneiras são auto-evidentes. Erosão, abrasão e queimaduras de metal quente são facilmente discerníveis a partir de uma inspeção visual superficial. No entanto, mais detalhes são necessários para completar a análise. Ao cortar seções de ventaneiras com falha, defeitos de fundição e fabricação tornam-se óbvios.

Prevenir falhas na ventaneira é uma das tarefas mais importantes dos produtores de ferro, pois é essencial manter uma operação estável e alta produtividade. Uma tuyère de longa vida foi desenvolvida no Japão. As características desta ventaneira são (i) a queda de pressão é baixa (economia de energia) e a vazão de água é alta (alta capacidade de resfriamento) porque a estrutura da ventaneira é excêntrica, (ii) a ventaneira é revestida com alguns materiais cerâmicos para proteger de queima e abrasão na superfície externa, e (iii) a ventaneira é projetada para reparar facilmente, o que diminuiria os gastos com manutenção.

Os danos nas ventaneiras dos altos-fornos são causados ​​essencialmente por sobrecarga térmica, ação mecânica e defeitos de construção e fabricação das ventaneiras. Muitos estudos foram realizados no passado sobre o carregamento térmico e ataque mecânico nas ventaneiras e vários conceitos foram desenvolvidos sobre o curso da destruição das ventaneiras do alto-forno; por exemplo, foi indicada a possibilidade de que o material da ventaneira possa ser destruído por contato direto com o metal quente através de depósitos de ferro abaixo da ventaneira.

A abrasão mecânica nas ventaneiras é atribuível aos sólidos que se movem na frente das ventaneiras. O fato de que a abrasão na parte superior do bocal da ventaneira é maior do que na parte inferior confirma essa suposição.

Além desses efeitos, causados ​​pela operação do alto-forno, defeitos de construção, materiais e fabricação têm sido apontados como causadores de danos na ventaneira. Os circuitos de água de refrigeração que não permitem uma boa transferência de calor são considerados defeitos de construção. Defeitos de fundição e desvios de projeto são defeitos de fabricação que podem ser reconhecidos por testes não destrutivos. Com circuitos de água de resfriamento aprimorados, como já incorporados em uma construção de ventaneira avançada, a durabilidade da ventaneira muito melhorada está disponível em tais ventaneiras.

Para reduzir o desgaste da tubeira, várias camadas de proteção foram tentadas. Óxidos metálicos, em particular óxido de zircônio, óxido de berílio e óxido de alumínio, têm sido frequentemente utilizados. Diz-se que o níquel ou as ligas de níquel são adequadas como camadas intermediárias. Os processos de difusão também levam a uma camada protetora resistente. No que diz respeito ao modo de ação e ao sucesso das camadas protetoras para aumentar a vida útil, existem afirmações até certo ponto contraditórias.

A abrasão mecânica nas ventaneiras é atribuível aos sólidos que se movem na frente das ventaneiras. O fato de que a abrasão na parte superior do bocal da ventaneira é maior do que na parte inferior confirma essa suposição. Estudos recentes sobre os movimentos em frente às ventaneiras também apontam para essa possibilidade de desgaste abrasivo das ventaneiras.

Além desses efeitos, causados ​​pela operação do alto-forno, defeitos de construção, materiais e fabricação têm sido apontados como causadores de danos na ventaneira. Os circuitos de água de refrigeração que não permitem uma boa transferência de calor são considerados defeitos de construção. Defeitos de fundição e desvios de projeto são defeitos de fabricação que podem ser reconhecidos por testes não destrutivos. Com circuitos de água de resfriamento aprimorados, como já incorporados em uma construção avançada de ventaneiras, pode-se obter uma durabilidade muito melhor da ventaneira.

Para facilitar a análise de falhas das ventaneiras em relação aos defeitos de fabricação, muitas vezes são realizados testes de condutividade elétrica. Com foco no ponto de falha comum, a condutividade da fundição é medida ao longo da linha de solda. De acordo com a lei de Wiedemann-Frantz, a condutividade elétrica é proporcional à condutividade térmica. Condutividades elétricas tão baixas quanto 16% do padrão internacional de cobre recozido (IACS) são algumas vezes observadas. Na solda circunferencial externa, onde as falhas são mais comuns, a condutividade térmica da zona de solda é geralmente apenas cerca de um terço da condutividade térmica do cobre puro. Isso forma um ponto fraco onde a peça fundida não é suficientemente resfriada e simplesmente derrete para uma eventual falha. Aumento nas especificações de condutividade elétrica e testes mais rigorosos são necessários nos fabricantes de ventaneiras, uma vez que este parâmetro desempenha um papel significativo no desempenho das ventaneiras.