Fatores-Chave que Influenciam o Consumo de Coque em Operações de Alto-Forno

O alto-forno (AF) é um reator de contra-corrente no qual o gás redutor é produzido pela gasificação do carbono do coque de AF com o oxigênio do ar quente injetado via tubos de injeção (tuyeres) na parte inferior do forno. O gás redutor flui para cima, reduzindo os materiais de carga portadores de ferro carregados no topo do forno.

Taxa de coque (coke rate) é o parâmetro para o consumo de coque de AF, medido em quilogramas de coque de AF consumido por tonelada de ferro gusa produzido.

O coque de alto-forno (AF) é material-chave para a redução de ferro em AF, atuando como fonte principal de energia (combustível), redutor, agente de cementação e suporte estrutural permeável. Não há outro material satisfatório disponível que possa substituir, total ou parcialmente, o coque de AF como suporte permeável da carga do alto-forno.

O coque de AF é a matéria-prima mais importante alimentada no alto-forno em termos de seu efeito na operação do alto-forno e qualidade do ferro gusa. Um coque de AF de alta qualidade é capaz de suportar uma descida suave da carga do alto-forno com a menor degradação possível, enquanto fornece a menor quantidade de impurezas, maior energia térmica, maior redução de metal e permeabilidade ótima para o fluxo de produtos gasosos e fundidos. A introdução de coque de AF de alta qualidade em um alto-forno resulta em menor taxa de coque, maior produtividade e menor custo do ferro gusa. O papel do coque na melhoria do desempenho do AF é mostrado na Figura 1.

Uma avaliação realista do provável desempenho do coque no alto-forno operando com ou sem tecnologia de injeção inclui aquelas propriedades do coque que refletem sua resistência à degradação sob o ambiente químico e térmico do alto-forno. Tais propriedades, fornecendo diretrizes para uso do coque, relacionam-se a tamanho de grão, forma e uniformidade de tamanho, composição química, resistência mecânica, e estabilidades térmica e química. Assim, o coque para o alto-forno precisa ser um compromisso bem-sucedido entre estrutura e propriedades. Para garantir bom desempenho do alto-forno, o coque deve ser moderadamente grande, com faixa de tamanho estreita, e ter alta resistência mecânica para suportar reações de enfraquecimento com dióxido de carbono e álcalis, abrasão e choque térmico no alto-forno. Devido aos muitos fatores desconhecidos, não é alcançável estabelecer índices de qualidade universais comuns a todos os altos-fornos, embora especificações típicas para qualidade de coque de AF estejam disponíveis.

Impurezas presentes no coque de AF afetam seu desempenho no alto-forno diminuindo seu papel como combustível em termos de quantidades de carbono disponível para papéis de redução direta e indireta e também seu papel como suporte permeável. Tais impurezas são umidade, matéria volátil, cinzas, enxofre, fósforo e teores de álcalis. Seus níveis devem ser mantidos o mais baixos possível.

O teor de umidade é consequência direta do processo de resfriamento do coque (quenching) com alguma dependência do tamanho. Teores altos e variáveis de umidade afetam tanto a taxa de coque quanto os balanços dentro do alto-forno, enquanto teores altos de matéria volátil causam problemas operacionais na limpeza do gás de alto-forno.

Quanto a outras propriedades químicas, enxofre e cinzas (teor e química) são de particular importância porque, à medida que aumentam, a produtividade do coque no alto-forno diminui. A cinza do coque é parte não produtiva do coque de AF que influencia volume e composição da escória.

A importância das propriedades físicas do coque de AF está ligada à necessidade de suportar a carga ferrosa e dar uma matriz permeável através da qual gases redutores podem fluir e material fundido pode percolar na região inferior do alto-forno. Estas propriedades físicas relacionam-se ao seu tamanho (média e distribuição) e sua resistência à quebra e abrasão. O tamanho do coque de AF é principalmente controlado por peneiramento. Um tamanho médio grande com distribuição de tamanho estreita mantém permeabilidade adequada.

Embora os índices de resistência mecânica do coque de AF forneçam aos operadores de AF uma avaliação útil do desempenho do coque, eles formam apenas parte do panorama geral. Os testes usados para avaliar a resistência mecânica do coque de AF são feitos a temperatura ambiente e, portanto, não levam em conta as condições de processo do coque no alto-forno. Por isso, testes como CSR (resistência do coque após reação) e CRI (índice de reatividade do coque) para coque de AF fornecem melhores índices de resistência.

O coque de AF degrada durante sua descida pelo AF. A degradação é causada por carga mecânica, atrito, estresse térmico, reações de gasificação, compostos inorgânicos presentes nos gases do AF e grafitização. A matéria mineral no coque de AF desempenha papel maior no caráter e extensão destes caminhos de degradação, tanto direta quanto indiretamente.

O processo de produção de ferro em um alto-forno consiste em um sistema multivariado sujeito a um grande número de variáveis interinfluenciadoras afetando o consumo de coque de AF no alto-forno. É necessário isolar a interinfluência das variáveis para entender o papel desempenhado por cada variável na taxa de coque durante a produção de ferro no alto-forno.

Um alto-forno eficiente opera com baixa taxa de coque. Uma operação eficiente de alto-forno requer aumento na vazão de gás, o que implica melhoria na permeabilidade do forno e, por outro lado, redução na necessidade específica de gás, o que significa redução no consumo específico de coque de AF. Existem muitos fatores que influenciam a taxa de coque de AF em um alto-forno. Os principais são descritos abaixo.

Combustível/Agente Redutor

Dois tipos de combustíveis/agentes redutores são usados no alto-forno. Estes são coque de AF, que é carregado pelo topo, e carvão pulverizado/gás natural/gás de coqueria/óleo/alcatrão de carvão, que são injetados no nível do tubo de injeção.

1. Coque de AF: Durante a produção de ferro gusa em um alto-forno, a taxa de coque é influenciada de várias maneiras. Alto teor de cinzas no coque de AF significa carregar o alto-forno com mais material formador de escória que deve ser fundente para formar escória. Isso resulta em maiores volumes de escória. Como regra prática, 1% de redução no teor de cinzas do coque de AF resulta em diminuição da taxa de coque em 1% a 1,5%. Outras propriedades do coque de AF que afetam a taxa de coque são CSR, CRI e índices micum (M40 ou I40 e M10 ou I10). Estes parâmetros afetam a permeabilidade no shaft e a resistência mecânica do coque no nível do tubo de injeção. M40 representa a triturabilidade do coque e M10 a desgastabilidade. Valores mais altos de CSR e M40 e valores mais baixos de CRI e M10 resultam em melhoria na taxa de coque mais baixa. O teor de enxofre do coque de AF também afeta a taxa de coque. Uma diminuição de 0,1% no teor de enxofre do coque de AF melhora a produtividade do AF em cerca de 1,0%.
2. Combustível injetado (carvão pulverizado/gás natural/gás de coqueria/óleo/alcatrão): Combustível injetado no nível do tubo de injeção é normalmente acompanhado por enriquecimento de oxigênio do ar quente de sopro. A injeção de oxigênio no ar de sopro reduz o fluxo específico do gás, causando redução na temperatura de topo e aumento na temperatura adiabática da chama na zona de corrida (RAFT) nos tubos de injeção. Estes efeitos são compensados pela injeção de combustível substituto. Assim, uma injeção combinada de oxigênio e combustível no nível do tubo de injeção diminui a taxa de coque em um alto-forno. Uma tonelada de injeção de carvão pulverizado substitui cerca de 0,9 a 1,0 tonelada de coque de AF. Redução similar na taxa de coque ocorre com outras injeções de combustível. Injeção de oxigênio sozinha não reduz a taxa de coque mas melhora a produtividade do AF.

Matérias-Primas

Existem basicamente dois tipos de matérias-primas principais carregadas em um alto-forno.

1. Materiais portadores de ferro: sinter, pelotas e minério de ferro calibrado (MIC). Maior teor de ferro (Fe) nestes materiais significa menor material de ganga entrando no forno que precisa ser fundido para formação de escória. Portanto, maior teor de Fe ajuda na redução do volume de escória e taxa de coque. Como regra prática, aumento de 1% no teor de Fe reduz a taxa de coque em 0,8% a 1,2%.
2. Fundentes: diferentes tipos de fundentes (calcário, dolomita, quartzo, etc.). Calcário e dolomita, quando carregados no alto-forno, são calcinados dentro do alto-forno. Esta reação de calcinação precisa de calor, o que resulta em aumento no consumo de coque. Se estes fundentes são carregados através de sinter ou pelotas, a reação de calcinação ocorre fora do alto-forno e o volume de trabalho do alto-forno é usado mais efetivamente pelos materiais portadores de ferro. Isso por sua vez reduz a taxa de coque do alto-forno. Geralmente, redução de 100 kg de fundente na carga melhora a taxa de coque em 20 a 35 kg/tHM.
3. Para alcançar menor taxa de coque em um alto-forno, é essencial que os materiais de carga forneçam alta permeabilidade e homogeneidade em todas as zonas de temperatura e reação do forno. Além disso, os materiais de carga devem ter alta redutibilidade para promover tempo de retenção curto. Materiais de carga também devem ter baixo teor de elementos indesejados como zinco, chumbo e álcalis para evitar perturbações no processo.
4. A taxa de coque também depende da qualidade do sinter. O sinter deve ter distribuição de grão ótima, alta resistência, alta redutibilidade, alta porosidade, temperaturas de amolecimento maiores que 1250 °C, teor constante de FeO na faixa de 7% a 8% e basicidade constante.

Controle da Distribuição de Carga

O controle da distribuição de carga desempenha papel importante na redução da taxa de coque em um alto-forno. O controle de distribuição de carga garante descida estável da carga, ajusta o fluxo de gases na parede (isso evita altas cargas de calor sem gerar zona inativa) e ajuda a alcançar bom contato sólido-gás.

Teor de Silício no Ferro Gusa

A diminuição do teor de silício no ferro gusa tem efeito positivo na taxa de coque. A diminuição no teor de silício é alcançada devido a melhor relação minério-coque e movimento da zona coesiva para baixo. Isso gera menor volume para transferência de silício para o ferro gusa. Diminuição de 1% no teor de silício no ferro gusa melhora a taxa de coque em 5% a 15%.

Propriedades da Escória

As propriedades da escória têm efeito considerável na taxa de coque. Menor volume específico de escória de menor viscosidade melhora a taxa de coque do alto-forno.

Prática de Vazamento

A prática de vazamento também tem papel importante na redução da taxa de coque em um alto-forno. Boa prática de vazamento envolve bom comprimento da boca 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 da boca de vazamento é muito importante para boa prática de vazamento.

Controle Automático de Processo

O controle automático de processo melhora a produtividade do forno, pois minimiza consumo de redutor, evita perturbações do processo do forno como hanging, slipping, scaffolding, canalização de gás, etc., através de contração imediata pelo sistema, estabiliza parâmetros de ferro gusa e escória, etc. O efeito do controle automático de processo na taxa de coque do alto-forno está na faixa de 3% a 5%.

Temperatura do Sopro

A temperatura do sopro é outro parâmetro que influencia a taxa de coque em um alto-forno. A taxa de coque do alto-forno reduz em cerca de 2% com o aumento da temperatura do sopro em 100 °C.

Pressão de Topo

Alta pressão de topo também reduz a taxa de coque no alto-forno. Com cada aumento de pressão de topo do alto-forno em 0,1 kg/cm², há redução de cerca de 0,1% na taxa de coque.

Teor de Finos na Carga

A diminuição do teor de finos nos materiais de carga melhora a taxa de coque do alto-forno na faixa de 0,4% a 0,7%.