Granulação de Escória de Alto-Forno na Casa de Vazamento: Visão Geral do Processo

Granulação de Escória de Alto-Forno na Casa de Vazamento

Um alto-forno (BF) é um sistema fechado no qual materiais ferrosos (minério de ferro em caroço, sinter e/ou pelotas), fundentes (formadores de escória) e agentes redutores (coque) são alimentados continuamente do topo através de sistema de carregamento. Os produtos do processo de redução no BF são ferro gusa (HM) e escória líquida. Estes acumulam-se no cadinho do BF. A escória flutua na superfície do HM devido à menor densidade. Os produtos líquidos coletados no cadinho são vazados periodicamente do furo de vazamento para um sistema de canais onde HM e escória são separados por sistema de vertedores e barragens. O HM é vazado para panelas (aberto ou torpedo) enquanto a escória líquida é vazada para grandes poços para resfriamento a ar em produto agregado, ou através de instalação de granulação de escória. Até os anos 1970, a escória de BF era considerada resíduo e depositada longe do BF.

Diferentes processos de granulação de escória líquida na casa de vazamento foram desenvolvidos no início dos anos 1970. Diferem no método de desaguamento da escória granulada úmida. Hoje, a granulação de escória líquida de BF é tecnologia bem aceita e usada em todos os BFs mundialmente.

A quantidade de escória líquida depende do material de carga: grau do minério, teor de ganga e fundentes adicionados para ajustar composição química da escória. Até 1940-1950, geração de escória no BF era ~980 kg/t HM. Atualmente, com melhor entendimento dos mecanismos de formação de escória e do processo BF, é possível controlar, otimizar e minimizar a geração. Hoje, quantidade específica de escória gerada varia entre 175-350 kg/t HM. A escória líquida está a 1.400-1.550°C.

Objetivo e Parâmetros de Qualidade

A escória de BF é subproduto não-metálico do processo de ferro-gusa. Consiste principalmente de silicatos, alumino-silicatos e cálcio-alumino-silicatos. A escória líquida absorve grande parte do enxofre (S) da carga. O principal objetivo da planta de granulação é processar escória líquida em matérias-primas valiosas para indústrias de cimento e construção. Parâmetros que afetam qualidade da escória granulada: (i) química da escória líquida, (ii) temperatura da escória líquida, (iii) teor de vidro da escória granulada, e (iv) distribuição média de partículas. Os dois primeiros relacionam-se à operação do BF, os dois últimos ao processo de granulação. Parâmetros do processo incluem temperatura e pressão da água de granulação, vazão e área de granulação disponível para transferência de calor.

O valor da escória depende de propriedades mineralógicas, químicas, físicas e mecânicas: basicidade, teor de vidro, estrutura e teor de umidade. Estas propriedades técnicas relacionam-se à carga e processo do BF, tecnologia de granulação aplicada e condições operacionais, tempo de armazenamento e desaguamento. Fig 1 mostra a complexa dependência das propriedades técnicas da escória.

Fig 1 Complexa dependência das propriedades técnicas da escória

A escória granulada tem aparência de areia de concretagem. É vítrea e fibrosa. Não há calor de cristalização em sua formação e o material tem propriedade hidráulica latente para formar produtos de hidratação sólidos como cimento. Porém, enquanto cimento é solúvel em água facilitando hidratação, a escória granulada só é solúvel em solução alcalina. Condição alcalina pode ser produzida por adição de ativador ou "catalisador" básico como cal. Propriedades típicas da escória granulada na Tabela 1.

Tabela 1 Propriedades típicas da escória granulada
Nº	Item	Unidade	Valor
Propriedades físicas
1	Estado		Grânulos sólidos
2	Tamanho	mm	Menor que 10
Propriedades químicas
3	SiO2	%	32-38
4	FeO	%	0,2-2
5	CaO	%	32-38
6	MnO	%	0,02-5
7	Al2O3	%	16-22
8	S	%	0,1-1,2
9	MgO	%	6-17
10	TiO2	%	0,5-1,2
11	CaO+MgO+Al2O3/SiO2		1-2
12	Teor de umidade	%	8-15
13	Resíduo insolúvel	%	0,7-5
14	Perda na ignição	%	Nulo
15	Teor de vidro	%	Maior que 90

O produto da escória líquida inclui principalmente: (i) escória de BF resfriada a ar, e (ii) escória de BF granulada.

A escória granulada é produzida por têmpera a estado vítreo resultando em pouca ou nenhuma cristalização. Resulta em fragmentos de tamanho de areia (ou tipo frita), geralmente com material friável tipo clínquer. A estrutura física e granulometria dependem da composição química da escória, sua temperatura na têmpera com água e método de produção. Da escória granulada, pode-se produzir escória granulada de BF moída (GGBS). GGBS tem propriedades cimentícias e pode ser usado como substituição parcial ou aditivo ao cimento Portland. A escória resfriada a ar é produzida se escória líquida é vazada em leitos e resfriada lentamente sob condições ambientes. Tem estrutura cristalina. Resfriamento a ar produz escória dura em blocos, subsequentemente britada e peneirada.

Agregado graúdo de escória de BF para concreto é produzido britando escória resfriada a ar e classificando por peneiras; agregado miúdo por britagem leve da escória granulada para controlar tamanho de grão e classificar. Fig 2 mostra fluxo de produção de escória de BF.

Fig 2 Fluxo de produção de escória de BF

Conceito de Granulação de Escória

O processo envolve vazamento da escória líquida através de pulverização de água de alta pressão em cabeçote de granulação, próximo ao BF. Granulação é o resfriamento controlado da escória em água fria que não dá tempo para crescimento cristalino. Grande volume de água necessário (~10 partes água para 1 parte de escória líquida sendo ótimo). Durante têmpera, a escória passa por resfriamento acelerado sob fluxo controlado e converte-se em areia vítrea com ~97% das partículas sólidas granuladas menores que 3 mm e tamanho médio ~1 mm. O ponto de impacto da escória e água de alta pressão depende do fluxo de escória, sua temperatura, inclinação e formato do canal quente.

A troca de calor entre escória líquida e água de granulação deve ocorrer muito rapidamente. Jatos de água quebram o fluxo de escória em lamelas que se decompõem inicialmente em filamentos e depois em gotas. A melhor transferência ocorre quando superfície de contato é máxima, ou seja, quando escória convertida em gotas e totalmente envolta por água. Tempo de solidificação depende do tamanho das gotas, diferença de temperatura entre escória e água, e ambiente de contato.

Dependendo da temperatura da água de granulação ao redor da gota, diferentes mecanismos de transferência de calor ocorrem: (i) remoção de calor apenas por liberação de vapor (água a temperatura de ebulição), (ii) remoção por liberação de vapor e transferência para água (maioria dos casos), (iii) remoção sem liberação de vapor, apenas transferência para água (água fria permitindo condensação imediata do vapor gerado).

Em geral, temperatura de ebulição não é atingida na granulação com água fria, exceto pontos locais por fluxos transitórios altos. Remoção sem liberação de vapor pode ocorrer com água fria e boa turbulência permitindo remoção ótima de calor. Porém, situação mais comum é remoção por liberação de vapor e transferência para água. Conceito do processo mostrado na Fig 3.

Fig 3 Conceito do processo de granulação de escória

O processo pode ser realizado com água quente ou fria, permitindo dois layouts de circuito de água. Planta para circuito de água quente não tem torre de resfriamento. Água circula em circuito fechado, aquecendo próximo à ebulição. Remoção de calor principalmente por liberação de vapor. Água fria de reposição adicionada apenas para compensar perdas de vapor e umidade. Temperatura média ~90-95°C. No ponto de impacto, temperaturas de ~95°C ou superiores são esperadas.

No caso de granulação com água fria, processo inicia quando água entra em contato com escória (Fig 3). Fluxo de escória quebra em lamelas e filamentos, depois gotas. Apenas parte granula no caminho pelo canal frio ao funil receptor, mas provavelmente completa após bater na placa de impacto dentro do funil e cair nele. Com este design, apenas parte do fluxo de água é usada diretamente para granulação; parte resfria placas de proteção contra desgaste junto ao canal frio.

Planta para circuito fechado de água fria tem torre de resfriamento para manter água de processo a temperatura fria constante. Remoção de calor ocorre por transferência para água e parcialmente por liberação de vapor. Transferência por vapor varia com temperatura da água e fluxo instantâneo de escória. Em baixos fluxos, transferência ocorre principalmente para água fria; em altos fluxos, liberação de vapor. Planta com circuito de água fria tem maior potencial para remoção rápida de calor comparada à de água quente.

No design de canal frio, este é instalado como continuação do canal quente, com caixa de sopro embutida na extremidade frontal. Caixa de sopro totalmente embutida no canal frio instalado abaixo do bico final do canal quente. Canal frio guia mistura água-escória/areia ao funil receptor e tem revestimento resistente ao desgaste pois partículas granuladas são muito abrasivas. Fluxo de calor da escória precisa de pulverização de água junto ao canal frio na extremidade frontal.

Bacia de granulação abaixo do bico final do canal quente consiste de bacia com água em nível definido, variando conforme layout (Fig 3). Bacia cheia permite água adicional à água de circuito para granulação. Granulação, sustentada por banho de água turbulento, ocorre muito mais rápido comparado ao layout de canal frio. Layout permite circuito com menor fluxo de água, mas mais volume disponível para granulação, sem comprometer segurança. Bacia facilmente protegida contra desgaste, que no canal frio precisa alta manutenção. Layout tem potencial para reduzir empuxo da escória para bacia abaixo do nível d'água. Troca de calor entre gotas e água não só por jatos da caixa de sopro, mas também pela água circundando cada gota na bacia. Jatos batendo na superfície d'água criam condições turbulentas e promovem resfriamento mais rápido. Embora design tenha razão água/escória reduzida, mais volume de água disponível: volume na bacia e fluxo na caixa de sopro. Processo ocorre mais rápido e tempo de solidificação reduzido.

Planta de Granulação de Escória

Principais componentes: (i) canal quente, (ii) caixa de sopro, (iii) tanque de granulação, (iv) chaminé e torre de condensação, (v) distribuidor e caixas de desaceleração, (vi) equipamento de desaguamento, (vii) tanque de água quente, (viii) bombas, (ix) torre de resfriamento, (x) tanque de água fria, (xi) tanque de buffer, (xii) água de reposição, (xiii) esteira transportadora, (xiv) pilha de estocagem.

Planta compreende: (i) seção de granulação, (ii) seção de desaguamento, (iii) seção de armazenamento. Seção de granulação liga canal quente do BF à seção de desaguamento. Diagrama esquemático na Fig 4.

Fig 4 Diagrama esquemático de planta de granulação de escória

Seção de Granulação

Aqui, escória líquida é têmperada e solidificada em partículas pequenas, eliminando necessidade de equipamento pesado de britagem. Escória flui por canais do BF à unidade de granulação. Do canal, fluxo de escória a ~1.500°C é vazado em jato de água de alta velocidade no cabeçote de pulverização antes de terminar a ~50°C no tanque. Esta solidificação rápida seguida de fragmentação é controlada pelo excesso de água. Devido à alta temperatura, água evapora parcialmente e condensa em torre de condensação acima do tanque.

Produção de escória durante vazamento do BF varia até 10 t/min. Para lidar com variação, fluxo de água à unidade pode ser controlado por cálculo de balanço energético para desempenho eficiente e econômico. Elemento de controle é válvula regulando parte do fluxo ao cabeçote.

Cabeçote de pulverização é o coração tecnológico do granulador, onde água e escória misturam-se intensivamente, garantindo granulação rápida e eficiente. Projetado para produzir padrão de fluxo específico para mistura ótima e localizado para direcionar jatos de água de alta pressão no fluxo de escória em queda livre.

Volume principal de água dirigido pelos jatos forma calha de água rápida no fundo da calha de granulação. Além de granulação, esta camada protege o canal e carrega a mistura granulada. Adicionalmente, jatos nas laterais do fluxo de escória garantem que toda escória granula em pedaços pequenos o mais rápido possível, fornecem resfriamento adicional e impulsionam mistura na calha. Configuração dos jatos faz com que escória, em circunstâncias normais, não toque fundo da calha. Cabeçotes geralmente contêm placas de bicos destacáveis com inserts cerâmicos e cabeçotes de pulverização substituíveis rapidamente em intervalos curtos de manutenção.

Quantidades de água para cabeçote: ~1.200 m³/h para cabeçote inferior inferior, 600 m³/h para superior, 100 m³/h para pulverizadores laterais. Normalmente 1.800 m³/h para granulação, mas na última parte do vazamento do BF, quando volumes de escória aumentam, adicional 600 m³/h pode ser adicionado ativando cabeçotes adicionais, totalizando 2.400 m³/h.

Requisitos do cabeçote: (i) construção simples e lógica para reduzir custo de fabricação e simplificar substituição, (ii) acúmulo de materiais resistentes ao desgaste (ex: inserts cerâmicos para bicos e guias), (iii) fácil inspeção e substituição, (iv) fácil acesso e limpeza.

Durante têmpera, água evapora e compostos SOx liberados. Emissões eliminadas por torre de condensação com conjunto de bicos de pulverização. Garantem dissolução das emissões na água, parcialmente neutralizadas pelo CaO na escória.

Todo tanque revestido com refratário resistente ao desgaste por exposição a mistura turbulenta e erosiva de água e partículas. Mistura transferida por gravidade à seção de desaguamento para separação de partículas e água.

Seção de Desaguamento

A seção de granulação adiciona água à escória, que deve ser removida e reciclada. Desaguamento necessário para baixar teor de umidade a ~10-12%. Escória desaguada pode ser descarregada diretamente em caminhão ou sistema de manuseio para transporte. Muitos sistemas usados: leito filtrante em camadas de cascalho, desidratador, roda de desaguamento rotativa, tambor, silos estáticos.

Seção de Armazenamento

Escória granulada desaguada transportada ao armazenamento. Silos e armazenamento a céu aberto usados.

Planta normalmente instalação compacta adequada para aplicações com espaço limitado. Granulação, desaguamento e armazenamento fisicamente independentes e instaláveis em locais separados. Planta permite múltiplas combinações.

Processo de Granulação de Escória na Casa de Vazamento

Existem vários processos. Principais em operação: sistema OCP (processo de ciclo aberto), plantas de projeto russo (Fig 5), sistema RASA, plantas de granulação INBA (Fig 6).

Fig 5 Sistema russo de granulação de escória na casa de vazamento

Processo inicia com separação de escória líquida do HM. Escória levada à câmara de granulação através de canais protegidos por revestimento e areia. Contato direto entre jato de água pressurizada e escória ocorre na câmara. Devido a resfriamento rápido e impacto de pressão da água, escória granula em partículas vítreas tipo areia formando mistura slurry com água. Esta mistura transportada à seção de desaguamento.

Método mais simples de desaguamento é leito filtrante em camadas de cascalho. Leito periodicamente lavado contra-corrente com água e ar para remoção de entupimento por partículas pequenas. Instalações de desaguamento RASA compostas por vários leitos filtrantes com camadas de seixos de diferentes tamanhos na base. Equipamento mais popular é tambor de desaguamento rotativo do processo INBA. Slurry distribuído uniformemente ao longo do tambor. Aletas axiais içam continuamente a escória granulada e depositam em esteira acima do distribuidor. Malha fina no exterior retém escória e permite filtração da água. Camada de escória no fundo cria efeito auto-filtrante.

Após desaguamento, umidade residual ~10-12%. Água desaguada limpa, resfriada e reciclada. Escória seca transportada ao armazenamento para expedição. Vapores de água gerados emitidos através de chaminé normalmente de aço inoxidável.

Fig 6 Processo INBA para granulação de escória

Emissões Durante Granulação

Escória de BF tem ~1% S, podendo chegar a 2% dependendo do S do coque e carvão. Principal composto é sulfeto de cálcio (CaS). Durante granulação, compostos gasosos de S gerados e emitidos: principalmente sulfeto de hidrogênio (H2S) e dióxido de enxofre (SO2) segundo reações simplificadas: (i) CaS + H2O = H2S + CaO, (ii) CaS + 3/2 O2 = SO2 + CaO. Ocorrem principalmente acima de 1.100°C. Enquanto gota líquida, CaS disponível para alimentar superfície escória/vapor. Fornecimento de S ocorre por fluxo e difusão. Uma vez que superfície endurece (pele), transferência ocorre apenas por difusão. Como coeficiente de difusão sólida é muito menor que líquida, fornecimento de S do líquido à superfície para. Apenas S contido na pele reage com vapor. Como vapor é produto de H2O e compostos gasosos de S (H2S, SO2) em contato com água de granulação, compostos vão para solução segundo pressões parciais. Condições como temperatura da água, pH e solubilidade definem quantidade de compostos de S liberados pelo vapor e emitidos à atmosfera ou ligados ao CaO na água.

Benefícios da Granulação de Escória

Benefícios incluem: (i) converte material de resíduo em produto útil valorizado, (ii) elimina depósito de escória e seus inconvenientes, (iii) custos de investimento e operação menores que depósito, (iv) processo confiável, (v) reduz mão de obra comparado a depósito, (vi) totalmente automatizável, (vii) economiza área de terra para depósito, (viii) design compacto precisa pequena área, (ix) instalado adjacente à casa de vazamento do BF, ajuda operação por fluxo contínuo de dados da planta de granulação.