Otimizando o Projeto do Alto-Forno para Desempenho Superior e Longevidade

Alto-Forno e seu Projeto

O projeto de um alto-forno (AF) desempenha um papel fundamental em sua operação confiável, desempenho metalúrgico, alta produtividade sustentada e longa vida de campanha.

O projeto de um AF moderno é geralmente baseado no conceito de uma unidade autoportante com uma estrutura de edifício circundante, fornecendo acesso ao forno e suporte para o sistema de gás do AF. O projeto do AF deve prover a otimização do fluxo de carga e gás com consideração das potenciais matérias-primas e condições operacionais para o forno ao longo de sua campanha.

O projeto do AF é requerido para integrar as propriedades do casco, os elementos de resfriamento e o revestimento refratário a fim de garantir a operação bem equilibrada do complexo do AF. A escolha dos refratários e sistemas de resfriamento certos em cada zona do AF é crítica para operação bem-sucedida, econômica e, acima de tudo, segura do AF.

Todos os equipamentos necessários para operação suave do AF devem ser integrados durante o projeto de um alto-forno. Os principais destes equipamentos são: equipamentos de carga no topo, equipamentos da casa de vazamento (pistolas de argila, perfuradores de furo de vazamento, manipuladores de tampa de canal, canais basculantes para ferro e escória, trocadores de barras, e perfuradores de barragem de macaco, etc.), buchas de injeção, vários tipos de válvulas (ex: válvulas de ar quente, válvula de alívio, válvulas de sangria, válvulas de equalização/alívio, válvulas de controle de fluxo, e válvulas de isolamento, etc.), Diferentes sondas (ex: sondas de temperatura acima da carga, e sondas de gás sub-carga, etc.), registradores mecânicos de linha de carga, armaduras de garganta móveis e fixas, lanças de ignição de linha de carga, e medidores de perfil, etc.

O projeto do AF deve prover equipamentos que tenham reputação comprovada de confiabilidade, durabilidade e alto desempenho nas condições árduas do ambiente do AF.

A operação de um AF moderno é bastante complexa e precisa de equipamentos necessários de automação e controle para monitoramento de vários parâmetros de controle. Isso é muito necessário para atingir os altos níveis de produtividade esperados de um forno moderno.

O projeto do AF também deve suportar sua construção rápida e precisa.

Perfil do AF

O perfil do AF tem uma configuração complexa que compreende cilindros unidos a cones truncados e consiste de várias zonas: cadinho, bochecha, barriga e chaminé. A chaminé é dividida em chaminé inferior e superior. No cadinho há uma camada morta de metal líquido conhecida como zona do homem morto. Em cada zona há casco, elementos de resfriamento e refratários. O perfil de trabalho do forno é estabelecido após um certo volume de revestimento se desgastar. Diferentes processos físico-químicos ocorrem dentro destas zonas no forno. As razões de tamanho de diferentes zonas variam com o volume útil do forno, mas geralmente estão dentro de uma faixa aceitável.

A razão entre a altura total do forno e o diâmetro da barriga para alto-fornos de médio e grande porte diminui de cerca de 3 para 2,00 à medida que o volume útil do forno aumenta de 1000 m³ para 5500 m³. A razão entre o diâmetro da barriga do forno e o diâmetro do cadinho varia na faixa de 1,09 a 1,13 (idealmente deveria ser 1,05 a 1,10). A razão entre o diâmetro do topo do forno e o diâmetro da barriga varia geralmente na faixa de 0,62 a 0,71.

Similarmente, a altura de diferentes zonas para fornos de médio e grande porte depende de seu volume útil, mas geralmente varia dentro de uma faixa. A altura da camada morta varia na faixa de 600 mm a 1700 mm. A altura do cadinho aumenta com o volume útil do forno e está na faixa de 3200 mm a 5700 mm. A altura da bochecha é geralmente na faixa de 3000 mm a 4000 mm. A altura da barriga em um AF é mínima quando comparada com outras alturas e geralmente está na faixa de 2000 mm a 3000 mm. A altura da chaminé no AF é máxima e varia geralmente na faixa de 15 m a 20,7 m. A altura da porção cilíndrica superior da chaminé varia de 2,5 m a 3 m. A altura total do forno varia de 26 m a 36 m. A altura efetiva do forno exclui a altura da porção cilíndrica superior da chaminé e geralmente está na faixa de 23 m a 33,5 m.

Os ângulos de inclinação feitos pela chaminé com a barriga e pela bochecha com a barriga são parâmetros importantes e geralmente variam nas faixas de 82,5 a 85,5 graus e 79,2 a 80,5 graus, respectivamente.

A altura efetiva do forno depende da qualidade (resistência) do coque disponível. A altura do AF de 33,5 m é quase seu limite prático considerando a resistência normal do coque disponível. Portanto, qualquer aumento no volume efetivo deve ser alcançado através do aumento da dimensão transversal do forno, mantendo a altura do forno praticamente a mesma. Isso significa redução na razão entre altura total e diâmetro da barriga. Isso também significa diminuição do ângulo de inclinação feito pela chaminé e a barriga. O ângulo de inclinação feito pela chaminé e a barriga pode ser reduzido na medida em que não obstrua a expansão linear do material de carga com o aumento da temperatura.

Também a área transversal do cadinho depende da intensidade da combustão de carbono. Este é o carbono contido no coque (tanto coque de AF quanto coque miúdo) e combustível auxiliar e é determinado pelo teor de carbono da entrada total diária de combustível no forno dividida pelo volume do forno.

Com o aumento do diâmetro do forno, há necessidade de aumento correspondente na pressão do ar quente para garantir o trabalho central do forno. Isso necessita maior pressão no topo do forno a fim de manter um diferencial de pressão razoável no forno para movimento suave da carga.

O número de buchas de injeção no AF é normalmente o dobro do diâmetro do cadinho na extremidade inferior do forno de médio porte e, à medida que o volume do forno aumenta, excede e é mais de duas vezes o diâmetro do cadinho.

O perfil de projeto de alguns alto-fornos russos é dado na Fig. 1.

Fig. 1 Perfis de projeto de alto-fornos russos

Características das Zonas do AF

As características das diferentes zonas do AF são importantes e devem ser consideradas durante o projeto do AF. Estas características são descritas abaixo.

• Zona do homem morto – Altas temperaturas e pressões dos produtos fundidos líquidos e gases do forno
• Zona do cadinho – Altas temperaturas ambientes, movimento contínuo dos produtos fundidos líquidos, atividade química dos produtos, pressão e atividade química dos gases, entrada de umidade no cadinho
• Parte inferior da zona da bochecha – Altas temperaturas ambientes, movimento contínuo dos materiais de carga, gases, escórias e ferro líquido, atividade química das escórias, pressão da carga e dos gases
• Parte superior da zona da bochecha – Movimento contínuo dos materiais de carga e gases, ação de zinco (Zn) e compostos de metais alcalinos, e altas temperaturas
• Metade inferior da zona da chaminé – Movimento contínuo dos materiais de carga e gases, ação de Zn, compostos de metais alcalinos, e altas temperaturas
• Metade superior da zona da chaminé – Movimento contínuo dos gases e materiais de carga, ação de carbono fuliginoso e Zn.

O projeto dos refratários do AF deve levar em conta estas condições existentes nas diferentes zonas do AF.

O ar quente entra no forno próximo à fronteira entre o cadinho e a bochecha e forma uma zona na qual o coque na carga sofre combustão. A combustão do carbono do coque ocorre dentro de um volume limitado do cadinho. A maior parte do calor gerado por este processo em sua etapa mais intensiva é concentrada próximo às paredes do forno. As temperaturas na região abaixo da zona de combustão do coque são de 1500 °C a 1650 °C na periferia do forno e a relação com a quantidade de ferro líquido e escória que se acumulou nesta parte do forno e o tempo gasto para seu trânsito é uma característica importante. No entanto, esta temperatura é um pouco menor na periferia do que no centro do forno, devido ao efeito de resfriamento do fundo.

Os gases que deixam a região das buchas de injeção do cadinho têm temperatura de até 2000 °C, enquanto os materiais descendentes acima e abaixo da bochecha estão a cerca de 500 °C ou até menos. Esta diferença é a razão para a intensa transferência de calor que ocorre nesta região, e é acompanhada por mudanças abruptas de temperatura. Tal aquecimento intensivo não é possível na parte superior da região da bochecha e do eixo, já que toda a energia disponível é usada na redução direta. Como resultado, a temperatura na direção da altura muda relativamente pouco na parte inferior do eixo comparado à bochecha. A região superior na qual ocorre aquecimento intensivo está na parte inferior do topo cilíndrico do forno e acima do eixo. Os materiais carregados no forno têm temperatura de cerca de 30 °C, enquanto os gases subindo no forno contrários ao movimento destes materiais têm temperatura muitas vezes maior.

Tanto no cadinho quanto nas outras partes do alto-forno, a temperatura do gás diminui 100 °C a 250 °C indo das paredes para a porção central do forno.

Aumentar as dimensões horizontais do forno no cadinho e bochecha desloca o máximo de velocidade do gás em direção ao centro do forno e assim diminui a velocidade do gás na região periférica. Como resultado, a temperatura desta região diminui junto com o efeito dos gases do cadinho no revestimento.

Além disso, para o alto-forno produzir suavemente, o projeto e produtividade dos equipamentos e instalações periféricos devem corresponder aos requisitos do alto-forno e ser integrados com ele. Os principais equipamentos e instalações periféricas incluem manuseio, suprimento e carregamento de carga do AF, soprador de ar e foguetes de ar quente para suprimento de ar quente a temperatura e pressão apropriadas, instalações para manuseio de gás do AF e sua limpeza, casa de vazamento para evacuação de ferro-gusa e escória líquida, instalações de manuseio de ferro-gusa, granulação de escória líquida e manuseio de escória granulada, instalações de tratamento de água.