Otimização de Operações em Alto-Forno com Escória de Alta Alumina

Escória de Alta Alumina e Operação de Alto-Forno

O processo de produção de ferro em alto-forno (AF) consiste na redução de materiais ferrosos (sinter, pelotas e minério de lump) com coque, gerando ferro gusa (metal quente) e escória líquida. A ganga dos materiais de carga e as cinzas do coque fundem-se com os fundentes para formar a escória. A separação entre escória e metal quente ocorre no estado líquido. A escória tem ponto de fusão mais baixo e é mais leve que o metal quente, permanecendo a temperatura superior no interior do forno. Uma escória de boa qualidade é essencial para obter metal quente de qualidade.

A escória de AF contém predominantemente sílica (SiO₂), alumina (Al₂O₃), cal (CaO) e magnésia (MgO), além de menores teores de FeO, MnO, TiO₂, Na₂O, K₂O e enxofre. A composição da escória influencia diretamente suas características físico-químicas, que por sua vez afetam o desempenho do alto-forno. As propriedades das escórias líquidas desempenham papel significativo na dessulfuração, operação suave do forno, manuseio da escória, consumo de coque, produtividade e qualidade do metal quente.

Tipos de Escória no Alto-Forno

Quatro tipos de escória com composições distintas são formados em diferentes regiões do forno devido a uma série de reações de redução: escória primária, escória do bosh, escória do tuíre e escória final. Estas são geradas respectivamente na zona coesiva, zona de gotejamento, raceway e cadinho. Uma boa drenagem depende principalmente da escória final, que deve apresentar baixa temperatura de liquidus e boa fluidez.

Influência da Fluidez da Escória

A fluidez da escória afeta o comportamento de amolecimento-fusão na zona coesiva, a permeabilidade na parte inferior do forno devido à retenção de líquido na zona de gotejamento, o fluxo líquido no cadinho e a capacidade de drenagem pelo furo de corrida. A fluidez é afetada pela temperatura e composição da escória, esta última influenciada pelos minerais de ganga do minério e cinzas do coque e carvão pulverizado. A razão CaO/SiO₂ é normalmente ajustada entre 1,2 e 1,3 por material auxiliar para melhorar fluidez e capacidade de dessulfuração. A concentração de Al₂O₃ é considerada fator que degrada a fluidez, sendo semi-empiricamente limitada a cerca de 18% (quanto menor, melhor) para evitar acúmulo de ferro e escória e deterioração da permeabilidade na parte inferior do forno.

Se minério de alta Al₂O₃ é extensivamente utilizado, ocorre desvio do sistema de escória normal para novo sistema com teor de Al₂O₃ podendo atingir 30%. Mudanças recentes no processo, como aumento da injeção de carvão pulverizado (PCI), também elevaram a concentração de Al₂O₃. Isso resulta na transição do sistema de escória de base silicática para aluminática. A escória é um sistema complexo de óxidos, e suas propriedades têm grande relação com a composição. Vários estudos determinaram propriedades físico-químicas de escórias de AF, mas a maioria abrangeu escórias de baixa Al₂O₃ (geralmente < 20%).

Propriedades Críticas da Escória

As propriedades que mais afetam o processo são: viscosidade, capacidade de sulfeto, capacidade de álcalis e temperatura de liquidus. Escória de baixa Al₂O₃ (< 15%) normalmente apresenta baixa viscosidade, alta capacidade de sulfeto, baixa temperatura de liquidus e menor volume de escória comparada à de alta Al₂O₃. Escória de alta Al₂O₃ (> 15%) é encontrada principalmente devido à alta razão Al₂O₃/SiO₂ no minério, sinter e alto teor de cinzas no coque. Estas escórias são altamente viscosas.

Na produção de ferro em AF, a viscosidade da escória é propriedade física muito importante, pois influencia a operação de diversas formas. A viscosidade é propriedade de transporte que se relaciona com cinética de reação e grau de redução da escória final. Determina também a eficiência de separação escória-metal, rendimento do metal e capacidade de remoção de impurezas. Na operação, a viscosidade indica a facilidade de drenagem da escória, relacionando-se com requisitos energéticos e rentabilidade.

A viscosidade afeta permeabilidade ao gás, transferência de calor e redução de SiO₂, FeO, etc. É desejável buscar sistemas de escória que proporcionem boa fluidez mesmo a baixas temperaturas. Existem diversos dados sobre viscosidade de escórias de AF, mas a maioria refere-se a escórias de baixa Al₂O₃ (10-15%), com alta razão CaO/SiO₂ e grandes quantidades de aditivos como FeO, TiO₂, Fe₂O₃, pouco comuns na escória final de AF.

Dependência do Teor de Al₂O₃

O teor de Al₂O₃ na escória depende principalmente do teor no minério de ferro. Quando o minério tem < 1% Al₂O₃, a escória dificilmente ultrapassa 10%. Com minérios de 2% ou mais Al₂O₃, os níveis na escória sobem para 20% ou mais. Operar AF com tal escória de alta Al₂O₃ é difícil e requer habilidades diferentes dos operadores, pois o aumento de Al₂O₃ causa problemas como acúmulo excessivo de escória líquida no cadinho e aumento da queda de pressão na parte inferior do forno. É importante manter o teor de Al₂O₃ em limite que garanta boa fluidez durante a operação.

A viscosidade depende da composição e temperatura. Baixa viscosidade não apenas governa taxas de reação pelo efeito no transporte de íons na escória líquida para e da interface escória/metal, mas também assegura operação suave do forno. Tanto o aumento de óxidos básicos quanto o de temperatura acima do liquidus diminuem a viscosidade. No sistema CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃, Al₂O₃ e SiO₂ não são equivalentes em base molar em seu efeito, embora ambos aumentem a viscosidade. O efeito da Al₂O₃ depende do teor de cal, pois o íon Al³⁺ só pode substituir Si⁴⁺ na rede silicática se associado a Ca²⁺ para preservar neutralidade elétrica.

Capacidade de Dessulfuração

Espera-se que o AF produza metal quente com teor de enxofre ≤ 0,05%. Portanto, é de grande interesse conhecer a capacidade dessulfurante da escória, ou seja, a razão de partição de S entre metal quente e escória. Demonstrou-se que a partição de S atinge equilíbrio no AF para escórias com Al₂O₃ próximo a 15% ou menos. Estas escórias têm temperaturas de liquidus inferiores à do forno e baixa viscosidade, condições favoráveis ao equilíbrio.

Experimento com Escória de Alta Al₂O₃

Para avaliar sistematicamente os efeitos da concentração de Al₂O₃ na operação do AF, focado na drenagem de escória em cada área do forno e permeabilidade na parte inferior, do ponto de vista da fluidez, realizou-se experimento com escória de alta Al₂O₃ (20% Al₂O₃) em AF experimental no Japão (Fig. 1).

Algumas observações do experimento são mostradas graficamente na Fig. 2. Os resultados são resumidos abaixo:

• O fenômeno de drenagem da escória no cadinho é um processo de fluidização dominado pela viscosidade. A taxa de drenagem diminui à medida que a viscosidade aumenta. Para manter a drenagem sob alto teor de Al₂O₃, o aumento da concentração de MgO na escória é eficaz. Os efeitos da temperatura de cristalização na taxa de drenagem são relativamente pequenos comparados aos da viscosidade.
• A queda de pressão na zona de gotejamento aumenta com a concentração de Al₂O₃ na escória. Mesmo se a razão CaO/SiO₂ aumenta, a queda de pressão aumenta. A queda é causada principalmente pelo efeito de molhabilidade resultante da retenção estática da escória, e pouco pela viscosidade da escória gotejante e temperatura de cristalização. Na escória de alta Al₂O₃, para suprimir o aumento da queda de pressão, é eficaz diminuir a retenção pela redução da razão CaO/SiO₂.
• A resistência permeável na zona coesiva está sujeita à concentração de Al₂O₃ devido ao índice de resistência permeável do sinter a alta temperatura. A resistência aumenta com o aumento de Al₂O₃ no minério. Por exemplo, o aumento da resistência pode ser suprimido pelo aumento de MgO no minério. Das considerações acima, na operação de AF com escória de alta Al₂O₃, os efeitos da fluidez da escória em cada área do forno foram sondados e avaliados sistematicamente. Como resultado, para manter adequadamente a drenagem da escória e a permeabilidade, determinou-se que o projeto de escória que aumenta MgO e diminui a razão CaO/SiO₂ é eficaz.

Efeitos da Alta Alumina na Escória

O alto teor de Al₂O₃ na escória de AF tem muitos efeitos adversos. O aumento de Al₂O₃ no minério não apenas afeta a resistência do sinter, mas também suas características a alta temperatura na zona coesiva. A concentração de Al₂O₃ é considerada fator que degrada a fluidez e aumenta a temperatura de liquidus. Os efeitos são:

• Escória de alta Al₂O₃ tem alta viscosidade para basicidade constante (CaO/SiO₂). Porém, com aumento de óxidos básicos e temperatura acima do liquidus, a viscosidade diminui até certo ponto.
• A viscosidade da escória líquida depende basicamente de sua composição química e temperatura. É variável importante do processo de AF. É propriedade de transporte que se relaciona com cinética de reação e grau de redução da escória final. Baixa viscosidade governa taxas de reação pelo efeito no transporte de íons na escória líquida para e da interface escória/metal. Determina também eficiência de separação escória-metal, rendimento do metal e capacidade de remoção de impurezas. Assegura operação suave do forno.
• Na operação de AF, o fenômeno de drenagem da escória no cadinho é fluidização dominada por viscosidade. A taxa de drenagem diminui com o aumento da viscosidade.
• Escória de alta Al₂O₃ tem maior tendência à redução de silício (Si) e tendência a aumentar o nível de Si no metal quente. Isso pode ser devido ao aumento da concentração de equilíbrio de Si ou por não atingir níveis de equilíbrio.
• O teor de S no metal quente tende a aumentar com o aumento de Al₂O₃ na escória. Logo, escória de alta Al₂O₃ contribui para dessulfuração menos eficiente. Observa-se que não apenas a distribuição de equilíbrio de S entre metal e escória é afetada adversamente, mas a taxa de atingir tal distribuição é marcadamente mais lenta. Portanto, há captação mais lenta de S pela escória de alta Al₂O₃, pois o equilíbrio não é atingido no AF.
• A queda de pressão na zona de gotejamento aumenta com a concentração de Al₂O₃. Mesmo se CaO/SiO₂ aumenta, a queda de pressão aumenta. A queda é causada principalmente pelo efeito de molhabilidade resultante da retenção estática da escória, pouco pela viscosidade da escória gotejante e temperatura de cristalização. A resistência permeável na zona coesiva aumenta com o aumento de Al₂O₃ na escória.

Contramedidas para Diluir o Efeito da Alta Alumina

O efeito deteriorante da alta Al₂O₃ na escória é compensado pelo aumento do teor de MgO. A concentração de Al₂O₃ é semi-empiricamente limitada em muitos países a cerca de 16% para evitar acúmulo de ferro e escória e deterioração da permeabilidade na parte inferior do AF.

O aumento da resistência permeável na zona coesiva pode ser suprimido pelo aumento de MgO na carga. Os efeitos físicos do MgO aumentado na escória são opostos aos da Al₂O₃. O MgO ajuda na manutenção de boa drenagem da escória do cadinho durante a corrida. À medida que o nível de MgO aumenta na escória de alta Al₂O₃, o teor de S no metal quente melhora para uma dada faixa de Si. Isso provavelmente se deve à maior fluidez da escória de alto MgO. Escória de alto MgO é vantajosa para controle de S e Si. A diminuição da basicidade da escória também ajuda. Para compensar o efeito deteriorante da operação com escória de alta Al₂O₃, as medidas importantes são:

• Como o aumento de MgO na escória melhora a taxa de drenagem do cadinho em operação com escória de alta Al₂O₃, o MgO deve ser mantido em nível acima do mínimo. Nível mais alto de MgO também melhora a permeabilidade na zona coesiva.
• Para suprimir o aumento da queda de pressão na zona de gotejamento, é importante diminuir a retenção de escória pela redução da razão CaO/SiO₂. A permeabilidade da zona de gotejamento melhora diminuindo a razão CaO/SiO₂ para cerca de 1%.
• Outro método para reduzir o efeito da alta Al₂O₃ é diluir seu nível na escória para concentrações menores pela adição de materiais formadores de escória extras na carga do AF. Porém, isso resulta em maior volume de escória e envolve maiores taxas de fundente e coque e menor produtividade. Este método pode ser usado apenas como remédio ocasional.