Granulação de Ferro Líquido: Solução Custo-Efetiva para Excesso de Gusa

Granulação de Ferro Líquido

A granulação de ferro líquido é um método de manuseio de excesso de produção de gusa em alto-forno (AF) que não pode ser consumido pela fabricação de aço na aciaria de uma usina integrada de ferro e aço. É um método custo-efetivo de produzir um produto sólido conhecido como ferro granulado (FG). O FG possui boas propriedades químicas e físicas como a gusa e pode ser usado como matéria-prima principal para fins de fabricação de aço.

Características do Ferro Granulado

O FG tem uma composição química idêntica ao ferro líquido que está sendo granulado. Não há oxidação ou aprisionamento de escória no FG e há alto teor metálico. A Figura 1 mostra algumas peças de FG.

Figura 1: Ferro granulado

Uma planta de FG cuida de qualquer descompasso entre a produção nas instalações de fabricação de ferro e a necessidade de ferro líquido nas instalações de fabricação de aço. Ela é logisticamente posicionada entre as duas instalações. O excesso de ferro líquido do AF é desviado para a planta de FG para a produção de FG. Isso elimina a redução do volume de ar quente no AF enquanto produz FG que pode ser usado como matéria-prima interna como refrigerante no conversor BOF, ou para vendas externas para uso em cubilôs, fornos de indução (FI) e fornos a arco elétrico (FAE).

Plantas de FG podem ser construídas e operadas com capacidades compatíveis com as saídas do AF. Elas são alternativas às máquinas de lingotamento de gusa (MLG), mas com capacidades consideravelmente maiores. As capacidades de até MLGs de dois fios são limitadas devido ao tempo de solidificação do ferro líquido nos moldes de gusa. As MLGs também requerem manutenção mecânica frequente como consequência do design complexo. O FG tem propriedades idênticas às da gusa, mas com a vantagem adicional de poder ser manuseado em sistemas de silos.

Etapas do Processo de Granulação

As quatro etapas básicas do processo de granulação para ferro líquido são as seguintes.

• Controle do fluxo de ferro líquido para o granulador
• Granulação pela formação de gotas de ferro líquido e sua têmpera rápida em água
• Descarga de FG solidificado e resfriado geralmente por ejetor ar-água
• Desaguamento do FG e transporte para local de armazenamento

Equipamentos e Processo de Granulação

O equipamento pode ser projetado para granulação de grandes lotes de ferro líquido e na taxa de produção de um AF. O princípio baseia-se na transferência de calor entre o ferro líquido e a água de refrigeração. O calor liberado durante o resfriamento e solidificação do ferro líquido é transferido para a água de refrigeração, que leva o calor para fora do processo.

Os equipamentos usados para granulação de ferro são equipamentos padrão.

Para manuseio de cadinhos de ferro líquido na planta de granulação, uma torre de cadinhos gêmea, semelhante à torre usada em uma máquina de lingotamento contínuo, é usada. A torre em combinação com um cadinho intermediário pode garantir uma operação de sequência suave na planta de granulação sem qualquer descontinuidade entre cadinhos de ferro líquido.

Cadinhos intermediários usados para granulação de ferro são cadinhos intermediários padrão de lingotamento contínuo com pequenas modificações. Os cadinhos são equipados com sistema de vara de fechamento ou sistema de comporta deslizante. Isso permite interromper a granulação rapidamente em caso de problema. Sistema padrão pode ser usado para controlar a taxa de granulação. O cadinho intermediário e o bico são normalmente pré-aquecidos por cerca de 20 a 30 minutos antes do início da granulação.

O granulador de ferro líquido é o coração do processo. Consiste em um tanque que contém água e tem um distribuidor de ferro líquido. A principal função do distribuidor de ferro líquido é dividir o fluxo de ferro líquido em partículas menores e distribuí-lo uniformemente sobre a superfície da água. A divisão do fluxo de ferro líquido não apenas fornece maior área de superfície para resfriamento mais rápido do ferro líquido, mas também distribui o ferro líquido sobre uma área de superfície maior no granulador. Isso também ajuda a evitar concentração de calor em menor volume de água e, assim, permite uma alta taxa de fluxo de ferro líquido. O distribuidor de ferro líquido é um equipamento crítico, pois deve suportar choques térmicos e impacto de longo prazo do fluxo de ferro líquido.

A superfície externa das gotas de ferro líquido solidifica-se durante seu caminho de movimento do distribuidor para a superfície da água e antes de penetrar a superfície da água. A parte interna restante da gota semi-líquida, agora um grânulo, é temperada ao atingir a superfície da água e inicia seu movimento no volume de água. No momento do impacto dos grânulos na água, eles se deformam ligeiramente, mas são impedidos de se partir, evitando assim a geração de finos.

Durante o movimento dos grânulos de ferro através da água no tanque de granulação, o calor do ferro é transferido para a água de refrigeração. A água de refrigeração permite que os grânulos atinjam uma temperatura abaixo de 100 °C.

Para uma taxa de granulação de 100 ton/h, a carga de calor gerada que é transferida do ferro líquido para a água de refrigeração está na faixa de cerca de 8 M cal/segundo. O sistema de água é projetado para cuidar desta magnitude de carga de calor. No sistema de água, o calor é distribuído para a água de forma a garantir que a concentração de calor (calor/unidade de volume) seja menor que a concentração crítica para explosões de vapor.

O tanque de granulação contém volume de água suficiente necessário para acomodar as gotas de ferro líquido formadas pela divisão do fluxo de ferro líquido e pelo momento de impacto do fluxo de ferro líquido na superfície da água.

O projeto e construção do tanque de água facilitam a concentração e descarga das peças de FG resfriado do tanque. Sistemas de ejetor ar-água são normalmente empregados para a descarga de ferro granulado resfriado.

O FG sólido descarregado é desaguado e transportado pela esteira transportadora para a área de armazenamento onde é estocado em pilha para expedição.

O sistema de refrigeração e manuseio de água é cuidadosamente balanceado de forma a garantir que a grande quantidade de calor adicionada pelo ferro líquido seja removida pela água de refrigeração. O sistema de água é normalmente um sistema de água de processo em circuito fechado. O fluxo de água de refrigeração no tanque de granulação é contracorrente ao movimento do ferro líquido. Durante seu fluxo no tanque granulado, a água absorve o calor do ferro líquido e aquece. A água quente de processo do tanque granulado é removida e enviada de volta ao sistema de manuseio de água. A água de processo quente de retorno é resfriada seja em uma torre de resfriamento ou através de trocadores de calor.

Plantas de granulação de ferro líquido são geralmente completamente automatizadas, o que permite necessidade de apenas pequena mão de obra para operar toda a operação. O tempo de processamento para a granulação de ferro é geralmente em torno de 30 a 40 segundos e tem um rendimento de processo superior a 99%. Esta é uma boa melhoria quando comparada com os menores rendimentos obtidos nas MLGs.

Características Importantes do Processo

• Tempo curto de inicialização para atender decisões de última hora de desvio de ferro líquido das instalações de fabricação de aço
• Tempo de processamento rápido do ferro líquido para um FG resfriado
• Nenhuma mudança na análise química do ferro devido à têmpera rápida
• Mais de 99% de rendimento do processo
• Processo robusto com alta disponibilidade e manutenção limitada devido ao uso de equipamentos padrão
• Fácil de operar
• Alta capacidade de produção compatível com a saída do AF
• Produção de produto de ferro primário que não necessita processamento adicional
• Baixo impacto ambiental
• Layout flexível e pode ser acomodado no espaço existente disponível
• Baixo custo operacional
• Custo de investimento razoável

Produto Ferro Granulado

O FG tem propriedades físicas e químicas consistentes. Combina o alto teor metálico de sucata primária com os baixos teores de residuais de fontes de ferro virgem. Do ponto de vista prático, a alta densidade a granel e a forma física são adequadas para manuseio eficiente de material.

A composição química do FG é a mesma do ferro líquido. Análise típica é 4% a 4,5% de carbono, 0,5% a 0,6% de silício, e cerca de 95% a 95,5% de ferro. Elementos tramp (cobre, níquel, molibdênio e estanho) são até um máximo de 0,05%.

O FG tem forma compacta e pequena de uma esfera achatada, o que resulta em uma alta densidade a granel de cerca de 4 ton/m³. O tamanho do FG varia de 8 mm a 25 mm. O FG tem alto ângulo de repouso, o que permite transporte e armazenamento eficazes.

Algumas das características do FG são dadas abaixo.

• Composição homogênea
• Praticamente nenhum teor de óxido
• Alto rendimento metálico durante a fabricação de aço
• Propriedades de pré-aquecimento muito boas e fusão/dissolução rápida quando adicionado a processo metalúrgico
• Tem carboneto de ferro na matriz, o que é benéfico para substituição de sucata em operações de FAE
• Alta densidade a granel
• Inerte durante transporte e armazenamento
• Tem tamanho e forma que facilitam manuseio com esteira transportadora, ímã, carregadeira frontal, sistemas de silos e caixa de sucata
• Tem alta resistência física e forma que elimina quebras durante manuseio e reduz geração de poeira
• Não apresenta comportamento pirofórico e, portanto, pode ser transportado e manuseado sem preocupações de combustão. É inerte durante transporte e armazenamento

A simplicidade do processo de solidificação e resfriamento de ferro líquido, em combinação com uma alta capacidade que atende a uma vazão padrão de AF, torna o processo de granulação de ferro adequado para instalação em usinas integradas de ferro e aço.