Otimização da Produtividade do Alto-Forno: Parâmetros e Estratégias Principais

Produtividade do Alto-Forno e Parâmetros Influenciadores

A produção de ferro em alto-forno (AF) é o meio mais viável de produzir ferro gusa quente (FGQ) principalmente devido ao seu desempenho bem estabelecido e comprovado, uso flexível de matérias-primas e alta capacidade de conservação de energia térmica. É o processo de produção de ferro mais confiável. Não há datas definitivas para o início da produção de ferro em AF. No entanto, importantes projetos de processo e reengenharia começaram a ser implementados nos fornos de produção de ferro na Europa já no século XIV. Desde então, desenvolvimentos contínuos ocorrem na tecnologia de AF para torná-la mais produtiva e econômica.

O AF passou por tremendas modificações e desenvolvimento para aumentar a produção e melhorar a eficiência global. Tanto o desenvolvimento tecnológico quanto a pesquisa científica impulsionaram a tecnologia de AF a atingir condições ótimas de operação. A tecnologia tornou-se mais madura e o processo de AF é agora um processo altamente desenvolvido operando próximo aos limites termodinâmicos de eficiência. Mesmo o desenvolvimento de processos alternativos de fundição de ferro enfrenta forte competição da tecnologia de AF.

O AF é essencialmente um forno de leito móvel contracorrente com sólidos (carga ferrosa, coque e fundente), e posteriormente líquidos fundidos, descendo pelo eixo. Carvão pulverizado e oxigênio (O2) enriquecido no ar quente é injetado no nível dos tubos de vento (tuyeres) próximo à base. Os gases redutores formados pelas várias reações sobem pelo eixo do forno, reduzindo os materiais ferrosos carregados no topo do forno.

Sistema Multivariado e Produtividade

O processo do AF consiste em um sistema multivariado sujeito a um grande número de variáveis interinfluentes que afetam o desempenho do AF. É necessário isolar a interinfluência das variáveis para entender o papel desempenhado por cada variável no desempenho do AF. O desempenho do AF é determinado por vários parâmetros, dos quais a produtividade é o principal.

O AF foi criado em um longo caminho de experiências através das quais tremendas modificações e melhorias foram conduzidas para atingir o status atual. Trabalho intensivo foi feito para aumentar a produtividade do AF. O volume de trabalho do AF aumentou de menos de 100 m³ para mais de 5.000 m³. Um forno deste tamanho produz cerca de 10.000 toneladas de ferro gusa quente (tFGQ) por dia a 13.000 tFGQ por dia, com produção anual de mais de 4 milhões de toneladas de FGQ. Relatou-se que AFs com volume interno na faixa de 3.000 m³ a 5.000 m³ parecem ótimos para o desempenho do AF. Isso significa que o desempenho do AF está mais correlacionado à produtividade específica, que mede a eficiência, normalmente expressa em toneladas por dia por metro cúbico (t/d/m³) de volume de trabalho. Em alguns países, em vez de volume de trabalho, considera-se volume útil. Vários altos-fornos operam em torno de 2,5 t/d/m³ de produtividade específica.

O tamanho do forno é apenas uma variável que influencia as melhorias na produtividade do AF. Existem muitos outros parâmetros que influenciam a produtividade. O desenvolvimento de carga, projeto do forno, tecnologias de injeção e controle de processo ajudam na melhoria da produtividade. Por exemplo, o sistema de carregamento sem sino (bell-less top charging) foi desenvolvido para sustentar uma boa distribuição dos materiais de alimentação dentro do forno e, consequentemente, melhorar o fluxo de gás e a taxa de produção.

A produtividade do AF é o quociente entre a vazão de gás possível por unidade de tempo e a geração de gás específica requerida para uma tonelada de FGQ. Portanto, um aumento na produtividade, por um lado, requer um aumento na vazão de gás, o que implica melhoria na permeabilidade do forno e, por outro lado, uma redução na necessidade específica de gás, o que significa uma redução no consumo específico de agente redutor.

Fatores que Influenciam a Produtividade do Alto-Forno

Existem vários fatores que influenciam a produtividade de um alto-forno. Os principais são descritos abaixo. No entanto, deve-se notar que os níveis indicados são quando os fatores são considerados isoladamente. Estas influências não são aditivas, pois a operação do AF é uma operação integrada e diferentes parâmetros interagem entre si dentro do AF, com alguns parâmetros tendo efeito reforçador enquanto outros podem ter efeito enfraquecedor.

Matérias-Primas

Além de combustíveis e redutores como coque de AF, coque de noz e carvão pulverizado, o AF precisa para a produção de ferro gusa quente (FGQ) de: (i) matérias-primas ferrosas como sinter, pelota e minério de ferro lump calibrado também conhecido como minério de ferro dimensionado; (ii) materiais fundentes como calcário, dolomita e quartzo; e (iii) materiais diversos (também conhecidos como "aditivos") como minério de manganês e minério de ferro titanífero, etc.

Nos materiais ferrosos, quanto maior o teor de ferro (Fe), menor o material de ganga que entra no forno e precisa ser fundido para formação de escória. Portanto, maior teor de Fe ajuda na redução do volume de escória e melhora a produtividade do AF. Com cada aumento de 1% no teor de Fe na mistura de material ferroso carregada no AF, a melhoria na produtividade é de cerca de 2,4% quando o teor de Fe na mistura de carga é até 50%, cerca de 2% quando o teor de Fe está na faixa de 50% a 55%, e cerca de 1,7% quando o teor de Fe está na faixa de 55% a 60%. Caso alguma sucata seja carregada no AF, o efeito na produtividade é de 0,6% de aumento para cada 10 kg/tFGQ de Fe inserido na forma de sucata.

Calcário e dolomita, quando carregados diretamente no AF, são calcinados dentro do forno. Esta reação de calcinação necessita de calor, resultando em aumento no consumo específico de combustível. Se estes fundentes são carregados através de sinter ou pelotas, a reação de calcinação ocorre fora do AF e o volume de trabalho do AF é mais efetivamente usado pelos materiais ferrosos. Isso, por sua vez, melhora a produtividade do AF. Para cada redução de 10 kg/tFGQ no consumo de calcário bruto, a produtividade do AF aumenta em 0,5%. No caso de dolomita, o aumento na produtividade é de 0,4% para cada 10 kg/tFGQ.

Para alcançar maior produtividade em um AF, é essencial que os materiais de carga forneçam alta permeabilidade e homogeneidade no AF. Portanto, o carregamento da fração subdimensionada do material de carga deve ser controlado para melhoria na produtividade. Para cada redução do teor de material menor que 5 mm na carga contendo ferro, a produtividade melhora em 1%.

Além disso, os materiais de carga devem ter alta redutibilidade para promover tempo de retenção curto. Os materiais de carga também devem ter baixo teor de elementos estranhos como zinco, chumbo e álcalis para evitar perturbações no processo. A produtividade do AF depende muito da qualidade do sinter. O sinter deve ter distribuição de grãos ótima, alta resistência, alta redutibilidade, alta porosidade, temperaturas de amolecimento superiores a 1.250 °C, teor de FeO constante na faixa de 7% a 8% e basicidade constante.

O controle da distribuição da carga desempenha papel importante na melhoria da produtividade do AF. O controle da distribuição da carga garante uma descida estável da carga, ajusta o fluxo de gases na parede (isso evita altas cargas térmicas sem gerar zona inativa) e ajuda a alcançar um bom contato sólido-gás. O aumento da uniformidade da distribuição de cargas de minério no raio do topo do forno para dispositivo de carregamento de dois sinos melhora a produtividade do AF em 2% e o mesmo no caso de dispositivo sem sino melhora a produtividade em 3%. A substituição de um dispositivo de carregamento de dois sinos por dispositivo sem sino melhora a produtividade do AF em 4%.

Combustíveis / Agentes Redutores

Dois tipos de combustíveis/agentes redutores são usados no AF: coque metalúrgico (coque de AF) carregado pelo topo e carvão pulverizado/gás natural/gás de coqueria/óleo/alcatrão de carvão injetados no nível dos tuyeres.

O coque de AF influencia a produtividade de várias maneiras. Alto teor de cinzas no coque resulta em carregamento do forno com mais materiais formadores de escória. Estes materiais devem ser fundidos para formar escória, aumentando o volume de escória. Cada redução de 1% no teor de cinzas no coque melhora a produtividade do AF em 1,3%.

Outras propriedades do coque de AF que afetam a produtividade são CSR (resistência do coque após reação), CRI (índice de reatividade do coque) e índices Micum (M 40, M 25, ou I 40 e M 10 ou I 10). Estes parâmetros afetam a permeabilidade no eixo do forno e a resistência mecânica do coque no nível dos tuyeres. M 40 representa a britabilidade do coque e M 10 a desgaste. Valores mais altos de CSR e M 40 e valores mais baixos de CRI e M 10 resultam em melhoria na produtividade do AF. Cada aumento de 1% no percentual de M 25 aumenta a produtividade do AF em 0,6% e cada aumento de 1% no percentual de CSR aumenta a produtividade em 0,7%. No caso do valor M 10, cada redução de 1% aumenta a produtividade do AF em 2,8%. A Figura 1 mostra a influência das propriedades do coque de AF na produtividade.

O teor de enxofre do coque de AF também afeta a produtividade. A redução do teor de enxofre no coque para cada 0,1% aumenta a produtividade do AF na faixa de 0,18% a 0,71%. O aumento é de 0,18% no nível de 0,05% de enxofre no FGQ, 0,22% a 0,04%, 0,27% a 0,03%, 0,38% a 0,02% e 0,71% a 0,01% de enxofre no FGQ.

O tamanho do coque carregado no AF também influencia a produtividade. Cada redução de 1% no teor de fração de coque acima de 80 mm aumenta a produtividade em 0,2%, enquanto cada redução de 1% no teor de fração abaixo de 25 mm aumenta a produtividade em 1%.

Carvão pulverizado/gás natural/gás de coqueria/óleo/alcatrão de carvão injetados no nível dos tuyeres normalmente afetam o fluxo específico de gás, causando redução na temperatura do topo e aumento na temperatura adiabática (RAFT) nos tuyeres. Estes efeitos são compensados pela injeção de combustível substituto. A injeção de combustível auxiliar não tem efeito na produtividade do AF, mas como é acompanhada da injeção de oxigênio, há aumento de produtividade devido ao oxigênio injetado.

Ar Quente e Enriquecimento com Oxigênio

O aumento na temperatura do ar quente para cada 10 °C aumenta a produtividade do AF na faixa de 800 °C a 900 °C em 0,5%, na faixa de 900 °C a 1.000 °C em 0,4%.

Quando a porcentagem de oxigênio no jato é de até 25%, o aumento na temperatura do ar quente para cada 10 °C aumenta a produtividade do AF na faixa de 1.000 °C a 1.100 °C em 0,3%, na faixa de 1.100 °C a 1.200 °C em 0,28%, na faixa de 1.200 °C a 1.300 °C em 0,25%, e na faixa de 1.300 °C a 1.400 °C em 0,22%.

Quando a porcentagem de oxigênio no jato está entre 25% a 35%, o aumento na temperatura do ar quente para cada 10 °C aumenta a produtividade do AF na faixa de 1.000 °C a 1.100 °C em 0,25%, na faixa de 1.100 °C a 1.200 °C em 0,2%, na faixa de 1.200 °C a 1.300 °C em 0,2%, e na faixa de 1.300 °C a 1.400 °C em 0,18%.

Quando a porcentagem de oxigênio no jato está entre 35% a 40%, o aumento na temperatura do ar quente para cada 10 °C aumenta a produtividade do AF na faixa de 1.000 °C a 1.100 °C em 0,2%, na faixa de 1.100 °C a 1.200 °C em 0,18%, na faixa de 1.200 °C a 1.300 °C em 0,16%, e na faixa de 1.300 °C a 1.400 °C em 0,14%.

Uma diminuição na umidade do ar quente melhora a produtividade do AF. Para cada 1 g/m³ de volume de ar de 1.500 m³/tFGQ a 1.600 m³/tFGQ, a melhoria na produtividade é de 0,14%, e para volume de ar de 1.000 m³/tFGQ a 1.100 m³/tFGQ, a melhoria é de 0,06%.

O enriquecimento do ar quente com oxigênio melhora a produtividade do AF. Para cada 1% (absoluto) de enriquecimento do ar quente com oxigênio até 25%, a produtividade melhora em 2%; de 25% a 30%, a melhoria é de 1,7%; de 30% a 35%, a melhoria é de 1,4%; e de 35% a 40%, a melhoria é de 1,6%.

O aumento na pressão dos gases do topo do AF melhora a produtividade. Com cada aumento de 10 kPa na pressão dos gases do topo no AF na faixa até 200 kPa (excesso) com correspondente aumento na massa do ar quente, a melhoria na produtividade é de 1%.

Para acelerar o processo de fusão, a pressão diferencial dos gases no AF é aumentada. Um aumento de cada 1% até os valores limite melhora a produtividade em 0,5%. O mesmo, mas acima dos valores limite, melhora o valor da produtividade em 0,3%.

Ferro Gusa Quente e Escória Líquida

A prática de vazamento tem papel importante na conquista de alta produtividade em um AF. Boa prática de vazamento envolve bom comprimento do furo de vazamento, abertura oportuna do vazamento, controle da velocidade de vazamento, drenagem adequada do cadinho e fechamento do vazamento após o forno ficar seco. A qualidade da massa do furo de vazamento é muito importante para boa prática de vazamento.

A diminuição do teor de silício no ferro gusa quente tem efeito positivo na produtividade do AF. A diminuição do teor de silício é alcançada devido a melhor relação minério-coque e movimento da zona coesiva para baixo. Isso gera um volume menor para a transferência de silício para o ferro gusa quente. A diminuição do teor de silício no ferro gusa quente por 0,1% melhora a produtividade do AF em 1,2%.

A redução do teor de manganês no FGQ tem efeito positivo na produtividade. Para cada redução de 0,1% no teor de manganês no ferro gusa quente, o aumento na produtividade do AF está na faixa de 0,22% a 0,44%, dependendo do teor de manganês do minério. Quanto maior o teor de manganês no minério, menor a influência.

A redução do teor de fósforo no FGQ melhora a produtividade do AF. Cada redução de 0,1% de fósforo melhora a produtividade em 0,6%.

As propriedades da escória têm efeito considerável na produtividade do AF. Menor volume específico de escória de menor viscosidade melhora a produtividade. Uma diminuição de 10 kg/tFGQ da escória contribui para um aumento da produtividade do AF em 0,6%, independentemente de sua quantidade total e teor de ferro na carga.

Outros Fatores que Afetam a Produtividade do AF

Existem vários outros fatores que influenciam a produtividade do AF. A diminuição de paradas curtas do AF em 1% melhora a produtividade em 1,5%. A redução do AF operando com jato reduzido em 1% melhora a produtividade em 1%. A redução de casos de atrasos na abertura do vazamento para cada 1%, com duração média do atraso de 0,5 vezes o intervalo entre aberturas adjacentes de vazamento, melhora a produtividade em 0,1%.

O controle automático do processo melhora a produtividade do forno, pois minimiza o consumo de redutor, evita perturbações no processo do forno como pendência, escorregamento, escoramento, canalização de gás, etc., através de uma contração imediata pelo sistema, estabiliza parâmetros de ferro gusa quente e escória, etc. O efeito do controle automático do processo na produtividade do AF está na faixa de 3% a 5%.