Otimização das Operações da Casa de Vazamento do Alto-Forno para Eficiência e Confiabilidade

A casa de vazamento (cast house) do alto-forno (AF) é a área de trabalho onde ferro gusa e escória líquida são vazados do alto-forno e despejados em panelas (torpedo ou panela de topo aberto) ou levados para solidificação (lingotamento de ferro gusa e granulação de escória) ou tratamento (desulfuração na casa de vazamento).

Uma boa operação da casa de vazamento livre de problemas é um requisito importante em um alto-forno de alta produtividade para operação de baixo custo. O projeto funcional da casa de vazamento, prática operacional, tecnologia refratária, automação e requisitos ambientais são questões importantes que devem ser analisadas para atender às demandas por maior confiabilidade e produção da casa de vazamento. Em qualquer alto-forno, a casa de vazamento é a área mais intensiva em mão de obra em toda a operação do AF. Seu projeto deve ser totalmente integrado com a produção esperada de ferro gusa, volume do cadinho e prática de vazamento, minimizando uso de mão de obra, manutenção, materiais e melhorando o ambiente de trabalho. O objetivo principal é remover o ferro líquido do alto-forno a uma taxa de vazamento e através de um número de vazamentos por dia determinado pela taxa de fusão, volume efetivo do cadinho e o desejo de manter o cadinho em condição "seca" em vez de pela disponibilidade de calhas, canais e equipamentos da casa de vazamento. Layout típico de uma casa de vazamento de AF é mostrado na Figura 1.

O projeto e operação da casa de vazamento devem melhorar a eficiência da operação do AF com relação aos seguintes parâmetros:

• Melhoria nas condições de trabalho para trabalhadores envolvidos no vazamento de ferro gusa e escória líquida
• Redução nas perdas de calor do ferro gusa mantendo sua temperatura
• Redução na quantidade de ferro gusa perdido com a escória líquida
• Redução significativa no volume de poluentes criados durante o vazamento

A casa de vazamento deve ter certo número de entradas, passagens e saídas através das quais os trabalhadores podem evacuar a área em emergências. Deve ser projetada e localizada de modo que seja sempre possível para os trabalhadores escapar de qualquer área da casa de vazamento sem passar na frente de bocas de vazamento ou pisar sobre canais.

O tamanho da casa de vazamento depende da capacidade de produção do forno, mas também é importante que haja espaço suficiente para acomodar tanto os trabalhadores quanto os equipamentos. Em particular, deve haver o máximo de espaço livre possível próximo ao forno e em cada lado da boca de vazamento. Idealmente, o layout deve ser tal que os canais sejam mantidos o mais curtos possível. Com canais basculantes ou oscilantes e panelas de ferro gusa de alta capacidade, as condições de trabalho na casa de vazamento podem ser melhoradas e o vazamento pode ser facilitado. Além disso, cuidadosa abertura e fechamento da boca de vazamento é fator chave de sucesso para um alto-forno.

Para extração eficiente de poeira e fumos na casa de vazamento, os canais de ferro devem ser cobertos. No entanto, o processo de vazamento e manutenção da boca de vazamento requerem acesso desobstruído à área frontal do canal. Vários desenhos de manipuladores de tampa de calha fornecem soluções flexíveis em uma casa de vazamento.

Os pisos da casa de vazamento nos lados do metal e da escória devem ter superfícies lisas e ser levemente inclinados em certas partes. O ângulo de inclinação não deve ser selecionado simplesmente para fácil remoção de escória e ferro gusa. Se a inclinação for muito íngreme, o trabalho na casa de vazamento será desnecessariamente cansativo e o risco de quedas será maior.

A profundidade dos canais deve ser grande o suficiente para acomodar o fluxo máximo possível de ferro gusa após permitir a presença do revestimento refratário.

Cuidado particular deve ser tomado na seleção do sistema usado para ligar a boca de vazamento com o canal principal, de modo que não haja interrupção entre o alto-forno e o piso de vazamento.

Aberturas no piso de vazamento, para evacuação de matéria líquida vazada e escória, devem ser protegidas para que trabalhadores não possam cair através delas.

A explosão de uma panela de escória é ocorrência rara, mas não impossível, e, para cada tipo de instalação, as medidas mais adequadas devem ser tomadas para proteger trabalhadores de respingos de escória.

Outro perigo é derramamento ou vazamento de ferro gusa das panelas de metal sobre os trilhos e área circundante. Se o solo estiver úmido, uma explosão pode ocorrer. Medidas apropriadas devem ser tomadas para evitar que água (água subterrânea, água da chuva ou água do alto-forno) infiltre ou drene para a área. Devem haver instalações para drenagem de qualquer água que possa se acumular entre os trilhos.

A casa de vazamento deve ser projetada e equipada para permitir que trabalhadores supervisionem o enchimento de panelas de ferro gusa e escória sem perigo de acidente.

Cuidado deve ser tomado na seleção e localização da usina de granulação de escória, de modo que não haja possibilidade de vapor da água de resfriamento ser soprado para a casa de vazamento. Algum sistema deve ser instalado para proteger trabalhadores e equipamentos de explosões que podem ocorrer quando ferro gusa é acidentalmente vazado com escória.

Máquinas de transporte e manuseio usadas na casa de vazamento devem ser cuidadosamente escolhidas, pois o manuseio manual deve ser mantido no mínimo absoluto e cada parte do piso de vazamento deve ser acessível. Máquinas devem incluir uma ou mais pontes rolantes ou outros dispositivos de elevação e empilhadeiras e outros caminhões de manuseio. Uma rampa de acesso e espaço de manobra no piso de vazamento devem ser providos para caminhões de manuseio.

Riscos aos Quais Trabalhadores da Casa de Vazamento Estão Expostos Durante Operações de Vazamento

• Alta temperatura dos materiais e calor irradiado por ferro gusa e escória fundida
• Explosões e respingos de ferro gusa e escória
• Transbordamento e derramamento
• Breakout (vazamento) do forno
• Fumos, poeira, gás e vapor
• Uso de oxigênio para lança das bocas de vazamento
• Uso de máquinas como pistolas e furadeiras de boca de vazamento, equipamentos pneumáticos, hidráulicos e elétricos, etc.
• Uso de ferramentas manuais
• Manuseio de materiais e resíduos, etc.
• Uso de gás combustível para secagem de canais
• Uso de casca de arroz para preservação de calor e areia
• Ruído

Equipamentos, Ferramentas e Consumíveis Modernos na Casa de Vazamento

Altos-fornos modernos têm os seguintes equipamentos, ferramentas e consumíveis na casa de vazamento:

• Furadeira de boca de vazamento (taphole drill)
• Trocador de hastes de furadeira
• Pistola de massa de boca de vazamento (taphole clay gun)
• Carregador de pistola de massa de boca de vazamento
• Tampa de calha e manipulador de tampa de calha
• Sistema de medição de nível para carros torpedo
• Canal basculante (tilting runner)
• Furadeira de barragem (jack dam drill)
• Cabines de controle
• Medição de temperatura e amostragem
• Consumíveis refratários
• Outros consumíveis como areia, casca de arroz, tubo de lança, e hastes de perfuração, etc.
• Oxigênio para lança e gás combustível para secagem de canais

Alguns destes são descritos em detalhe abaixo.

Furadeiras de Boca de Vazamento

Vazamento econômico requer um canal de boca de vazamento de alto desempenho. Além da escolha de massa de boca de vazamento apropriada e estratégia de abertura ótima, ajustes ótimos dos parâmetros de vazamento e sua reprodutibilidade são importantes. Furadeiras de boca de vazamento devem combinar flexibilidade máxima com martelos de furadeira de alta capacidade bem comprovados para garantir furadeira eficaz. Os requisitos básicos de projeto e instalação para furadeiras de boca de vazamento são:

• A furadeira deve ser suficientemente potente e rígida para furadeira precisa da boca de vazamento
• Deve ser possível travar a furadeira em certas posições
• Todos os movimentos e manobras da furadeira devem ser controlados remotamente
• Deve ser possível pará-los a qualquer momento
• A máquina deve ser equipada com sirene de aviso ou buzzer que deve operar automaticamente antes da furadeira ser posta em movimento
• A furadeira deve ser instalada de modo que, quando não em uso, trabalhadores possam mover-se livremente ao redor dela e realizar reparos nela. Deve haver espaço suficiente para uma pessoa passar entre a máquina e qualquer obstáculo
• Meios adequados de proteção devem ser providos para pessoal trabalhando ao redor da máquina, e ela também deve ser protegida
• Linhas de energia devem ser protegidas contra calor e breakouts e devem ter boa resistência mecânica
• Se eletricidade é usada, é aconselhável ter suprimentos via pelo menos dois circuitos independentes, um dos quais deve ser circuito de segurança
• Se controle é hidráulico ou pneumático, um acumulador de tamanho adequado deve ser instalado

Pistolas de Massa de Boca de Vazamento

Fechar um forno sob qualquer condição é requisito chave de segurança. Isso exige confiabilidade e robustez extremas das pistolas de massa de boca de vazamento. Os requisitos básicos de projeto e instalação para pistolas de boca de vazamento são:

• A pistola deve ser potente o suficiente para extrudar a massa de boca de vazamento na boca contra a força total da pressão interna do alto-forno, mesmo quando a pressão sobe acima do normal
• A máquina deve ser capaz de posicionar corretamente a boca da pistola na boca de vazamento apesar de qualquer obstrução por escórias ou outro material
• A máquina deve ser projetada para extrudar toda a massa requerida para o tampão
• Deve ser possível travar a pistola em várias posições
• Todos os movimentos e manobras da pistola devem ser controlados remotamente; deve ser possível pará-los a qualquer momento
• A máquina deve ser equipada com sirene de aviso ou buzzer que deve operar automaticamente antes da pistola ser posta em movimento
• A pistola deve ser instalada de modo que, quando não em uso, trabalhadores possam mover-se livremente ao redor dela e realizar reparos nela; deve haver espaço suficiente para uma pessoa passar entre a máquina e qualquer obstáculo
• Meios adequados de proteção devem ser providos para pessoal trabalhando ao redor da máquina, e ela também deve ser protegida
• Linhas de energia devem ser protegidas contra calor e breakouts e devem ter boa resistência mecânica
• Se eletricidade é usada, é aconselhável ter suprimentos via pelo menos dois circuitos independentes, um dos quais deve ser circuito de segurança
• Se controle é hidráulico, um acumulador de tamanho adequado deve ser instalado

Cabines de Controle

Cabines de controle para pistolas e furadeiras de boca de vazamento devem ser localizadas, protegidas e equipadas de modo a permitir operação mesmo em emergências. Consequentemente, devem ter as seguintes características básicas:

• A localização da cabine de controle deve ser tal que o pessoal esteja totalmente protegido do risco de breakouts ou explosões e possa observar operações de maneira perfeita
• Nenhum material combustível deve ser usado em sua construção
• Pelo menos duas entradas diferentes e independentes devem ser providas, uma das quais deve dar acesso a uma plataforma de evacuação de emergência no exterior, que deve ser mantida livre em todos os momentos
• Não deve haver portas levando das cabines para os canais
• A janela de observação com vista para a área de vazamento deve: (i) ser a menor possível mas dar ao operador visão completa da área de operações e localização da pistola e/ou furadeira, (ii) ser equipada com painéis de vidro "Triplex" em moldura que abre para fora, protegida por grade, (iii) Os controles devem ser localizados próximo às janelas para que o operador possa trabalhar facilmente neles enquanto acompanha o progresso das operações. Precauções devem ser tomadas para prevenir operação acidental de controles, e (iv) Comunicação entre a cabine e outros locais onde trabalho conectado com operação do alto-forno é feito deve ser provida por pelo menos dois sistemas separados de comunicação oral (telefone interno, interfone, rádio, etc.)
• A cabine deve ser provida de sistema de ventilação que puxe ar de área não poluída por fumaça ou gás
• Se a cabine não puder ser localizada em área protegida de possíveis respingos ou explosões, as medidas de segurança devem ser intensificadas. Em particular, as portas devem ser ajustadas de modo que qualquer explosão tenda a fechá-las em vez de abri-las, e as paredes, portas e teto devem ser cobertos com materiais resistentes a chama e calor

Perfuração de Boca de Vazamento com Oxigênio

O equipamento para perfuração de boca de vazamento consiste de tubulação flexível para suprimento de oxigênio, suporte de lança, e lanças de oxigênio. Lanças de oxigênio consistem de um ou mais tubos de aço. É importante garantir que o operador esteja sempre suficientemente longe da boca de vazamento para evitar faíscas e respingos. É aconselhável não permitir que as lanças queimem muito para baixo em seu comprimento, mas sim recuperar seções não queimadas para compor tubos do comprimento original. Grande cuidado deve ser tomado na junção de tais tubos, para prevenir vazamento de oxigênio através das soldas. Tubos em más condições devem ser rejeitados. Tubos já devem ser desengordurados quando entregues à casa de vazamento. Tubos engordurados não devem ser usados. Tubos devem ser armazenados em áreas protegidas de óleo, graxa, poeira e intempéries. Apenas aquelas seções de tubulação que cumprem requisitos mínimos de segurança devem ser recuperadas para reuso.

Consumíveis Refratários da Casa de Vazamento

Para as bocas de vazamento do alto-forno, onde ferro e escória são vazados periodicamente, misturas prontas para uso de boca de vazamento (também chamadas massa de boca de vazamento) são usadas para tampar o buraco no final de um vazamento. Estes materiais de presa térmica são então furados para o próximo vazamento. Para calhas e canais, onde ferro e escória são separados e o ferro é direcionado para a panela, materiais moldáveis ligados hidraulicamente são usados como revestimento básico e materiais de projeção (gunning) para reparo.

Massa de Boca de Vazamento (Taphole Clay)

A massa de boca de vazamento é o material usado para tampar a boca de vazamento após o vazamento para que nenhum material possa vazar, e mantê-la tampada até que a boca seja aberta novamente. Hoje, a escolha e o uso de massa de boca de vazamento estão correlacionados a muitos fatores:

• Condições operacionais do alto-forno, que dependem principalmente do tamanho e exploração — as massas participam do processo como elementos-chave para garantir confiabilidade e segurança para não perturbar a produtividade do alto-forno
• O arranjo particular da área da boca de vazamento e sua gestão — isso requer que as massas não apenas conduzam e resistam ao ataque do metal fundido, mas que também tenham influência positiva na drenagem do cadinho e no fluxo periférico de ferro pelo comprimento do buraco
• Aspectos ambientais assumidos tanto como política na melhoria da condição de trabalho humana no nível da casa de vazamento quanto como proteção ambiental geral
• Aspectos econômicos para propor custo unitário ótimo por tonelada de ferro gusa produzido, já que os custos de massa de boca de vazamento permanecem um dos custos substanciais na operação da casa de vazamento

A massa de boca de vazamento deve ter propriedades para consistentemente e seguramente realizar as seguintes funções:

• Fluir quando empurrada pela pistola, para tampar a boca de vazamento. A massa deve ser maleável o suficiente para ser injetada corretamente
• Curar dentro da boca durante o tempo de tampão para vazamento mas sem retração para garantir vedação apertada
• Endurecer rápido o suficiente para suportar pressão do interior do forno
• Ser furada em tempo aceitável
• Permitir fluxo de fusão estável e controlado no vazamento sem spray
• Suportar erosão e ataque químico por ferro gusa e escória durante o vazamento
• Formar substrato estável para o próximo tampão
• Fornecer comprimento de boca de vazamento estável e controlável
• Ser porosa o suficiente para permitir escape de gases de destilação
• Também deve, em certos casos, ser adequada para manter a boca de vazamento e restaurá-la ao seu estado normal se tiver se deteriorado

Os requisitos da massa de boca de vazamento são:

• Plasticidade melhorada — Para fornecer melhor trabalhabilidade
• Alta resistência à corrosão e abrasão — Para fornecer diâmetro e comprimento de boca de vazamento constantes
• Boa sinterabilidade — Para fornecer boa resistência
• Resistência adesiva — Requerida para adesão adequada de nova mistura com a antiga
• Boa capacidade de liberação de gás — Para reduzir formação de pressão de gás interna
• Fácil vazamento ou furadeira

Massas anidras são mais resistentes ao desgaste que aquelas contendo água. Estas últimas não podem ser usadas para altos-fornos modernos e precauções especiais devem ser tomadas quando usadas. Matérias-primas usadas para massa de boca de vazamento são: alumina fundida, bauxita calcinada, chamota, argila refratária, minerais de argila, pirofilita, sílica, areia fina, cianita, alumina calcinada fina, sílica de fumaça, zircônio, cromitas, carboneto de silício, carbono, nitreto de silício, pós metálicos, coque, carbono ultrafino, alcatrão, resina e óleos especiais.