Guia Abrangente para Desligamento Seguro do Alto-Forno

Métodos de Desligamento de um Alto-Forno

Um alto-forno, após ser soprado e iniciar a produção de gusa, funciona por um grande número de anos antes de ser desligado para revestimento. Essa operação contínua do alto-forno é conhecida como vida da campanha. Em altos-fornos modernos, espera-se uma vida de campanha de 15 a 20 anos. Quando um forno atinge o fim de sua campanha, ele era geralmente soprado para fora/para baixo. Entre o sopro inicial e o sopro para fora/para baixo, o alto-forno pode ter que ser desligado por curtos períodos por várias razões. Os diversos tipos de desligamentos de um alto-forno são descritos abaixo (Fig. 1).

Ventilação (Fanning)

Muitas vezes, durante a operação do alto-forno, pode surgir uma situação em que a capacidade produtiva total do forno não é necessária por um período. Isso pode ser devido a problemas que podem surgir em instalações a jusante ou a montante. Quando isso ocorre, o problema pode ser resolvido desligando o alto-forno ou limitando a operação do alto-forno reduzindo a quantidade de ar quente. A taxa de ar quente é geralmente reduzida até que a pressão do ar quente nas corridas seja muito baixa. No entanto, é imperativo que uma pressão positiva seja mantida no sistema de ar quente para assegurar que não haja perigo de gás do alto-forno voltar do alto-forno para o sistema de soprador. A técnica de reduzir o volume de ar quente para menos de 20% a 25% do normal é conhecida como ventilação.

A ventilação tem as vantagens de manter o sistema de gás do alto-forno pressurizado e fornecer uma pequena quantidade de gás do alto-forno para uso como combustível, e permite a retomada de operação quase total com aviso relativamente curto. Essa técnica é usada para situações de emergência ou curtos períodos apenas. Uso prolongado, como 8 horas a cada 24 horas, ou nos fins de semana, frequentemente resulta em acúmulo no cadinho e frequentemente promove formação de crostas na parede.

Corrente Reversa (Back Drafting)

Durante a vida da campanha de um alto-forno, há ocasiões em que o alto-forno é tirado do ar por curtos períodos para realizar várias funções de manutenção, como substituição de corridas, refrigeradores de corrida ou manutenção de equipamentos periféricos. Nesses casos, o alto-forno é colocado em corrente reversa. Nesta operação, assim que o ar quente é parado, o tubo coletor é colocado sob pressão negativa. Isso é feito normalmente abrindo a válvula da chaminé e a válvula de ar quente para um fogão que já foi preparado pelo aquecimento até a temperatura e depois fechando a válvula de gás. À medida que o gás do alto-forno é puxado de volta para o fogão de ar quente, ar é admitido através das miras e queimador do fogão, e o operador certifica-se de que o gás queima no fogão. Durante a operação, os respiros no topo do alto-forno também são abertos para puxar parte do gás do alto-forno através do topo.

Em alguns altos-fornos, uma chaminé especial de corrente reversa é instalada para que não seja necessário puxar o gás do alto-forno de volta através do fogão de ar quente. Esta chaminé é conectada ao tubo coletor ou ao duto principal de ar quente. Em alguns lugares, ela é fechada por uma válvula gaveta resfriada a água no nível do tubo coletor, enquanto em outros é fechada por uma válvula de tampa no topo da chaminé que não é resfriada. A abertura da válvula permite que o gás do alto-forno faça corrente para a atmosfera onde queima sem dificuldade.

Banqueamento (Banking)

Na operação atual do alto-forno, o banqueamento do alto-forno é raramente praticado. No entanto, o banqueamento é considerado uma técnica padrão para desligamento do alto-forno, a menos que a interrupção seja de curta duração. Altos-fornos são normalmente soprados para baixo atualmente, o que significa que são operados sem carregamento até que o nível da carga atinja as corridas. Planos para uma parada prolongada ou interrupção na operação do forno, seja por quebra, reparo programado ou porque condições de mercado indicam uma pausa na produção desejável, podem influenciar a gerência a soprar para baixo um alto-forno.

O processo de banqueamento no alto-forno é adaptado, pois o procedimento de banqueamento é útil para interrupções curtas. A palavra banqueamento é usada por semelhança com a operação de banquear um fogo. A origem perde-se na antiguidade, mas geralmente significa cobrir um fogo com cinzas ou combustível fresco para restringir o ar, reduzindo a taxa de combustão, e assim preservando o combustível para uso futuro.

O banqueamento também é recorrido como medida de emergência quando algum evento imprevisto requer desligamento do alto-forno. No caso de banqueamento do alto-forno, o ar é retirado, os canos de ar são baixados e as aberturas das corridas são tampadas com argila para impedir que o ar faça corrente através delas. Assim, o calor do cadinho é preservado e o alto-forno pode ser retornado à operação com esforço mínimo. Se o tempo de inatividade exceder quatro ou cinco dias de duração, alguma dificuldade pode ser esperada na retomada da operação, embora existam exemplos de que nenhum problema foi experimentado mesmo após um banqueamento de sete dias.

Normalmente, a operação de banqueamento do alto-forno é realizada como evento planejado. Preparações são feitas dependendo do tempo de banqueamento antecipado. Se o forno deve ser banqueado por apenas alguns dias, um ou dois brancos extras de coque podem ser carregados sem fundente e o forno tirado do ar quando o coque desce à zona do ventre. Se deve ser banqueado por tempo ligeiramente maior, a carga de minério e calcário deve ser reduzida em 5% a 10% após o branco de coque, possivelmente por dez ou quinze cargas antes que o peso normal da carga seja retomado. Essa técnica ainda é usada para interrupções muito curtas.

Uma carga de banqueamento para desligamento por tempo indeterminado é muito semelhante a uma carga de sopro inicial. Antes do início de uma carga de banqueamento, materiais ferrosos diversos são removidos da carga e uma grande redução é feita na quantidade de calcário carregado. Coque extra também é carregado antes da carga de banqueamento. O objetivo é desenvolver uma escória quente e siliciosa que tem tendência a limpar o acúmulo de cal nas paredes do ventre e prevenir uma escória excessivamente cálcica durante o sopro inicial. Escória alta em cal tem ponto de fusão mais alto e tende a causar alguns problemas operacionais no início do período de sopro inicial. Frequentemente durante o período inicial de aquecimento, as temperaturas devem ser muito altas no ventre, o que resulta em aumento da redução de sílica a silício, com o resultado de que a escória contém maior proporção de cal. Por essa razão, esforça-se para ter uma escória quente e siliciosa no momento em que o alto-forno é banqueado, porque uma condição semelhante na retomada da operação é esperada.

Após as cargas preparatórias iniciais, um branco pesado de coque é carregado e o carregamento subsequente é semelhante a uma carga característica de sopro inicial. O carregamento continua até que o branco de coque atinja a área superior do ventre do forno. Neste momento, a fundição final do alto-forno é realizada. Esforça-se para drenar o cadinho até que um sopro seco do furo de corrida seja observado, para garantir um cadinho limpo para a futura partida e eliminar o máximo possível a necessidade de fundir escória fria no início do período de sopro inicial. Antes da última fundição, o coletor de pó do alto-forno é esvaziado. Pó acumulado tem tendência a consolidar em uma massa semelhante a rocha se não perturbado por um tempo e pode apresentar um problema difícil após o início da operação novamente.

Por volta do fim da fundição, antes que o alto-forno seja tirado do ar, um cobertor pesado de minério pode ser despejado no alto-forno para cobrir a superfície superior da carga, reduzindo assim a tendência natural de corrente do alto-forno.

No fim da fundição, o furo de corrida é tampado, o ar quente é retirado do alto-forno, os respiros são abertos, vapor é ligado no coletor de pó, o alto-forno é isolado do sistema de gás comum e as válvulas do fogão são manipuladas para fazer corrente do gás de volta através do tubo coletor, duto principal de ar quente e para fora através da chaminé do fogão. Operadores do alto-forno baixam rapidamente os canos de ar e tampam as corridas com argila. Em muitos lugares, prefere-se remover as corridas para evitar qualquer chance de vazamento de água aleatório permitindo que a água se acumule no alto-forno e também para fornecer oportunidade de observar os refrigeradores para possíveis vazamentos. Argila é solidamente compactada nas aberturas das corridas e reforçada com areia para eliminar qualquer chance de infiltração de ar. Às vezes, isso é seguido por alvenaria nas aberturas como seguro adicional contra infiltração de ar.

Assim que os canos de ar são baixados após a fundição final, os sopradores são parados, e as válvulas de queimador do fogão, chaminé e ar quente são fechadas para preservar o calor pelo maior tempo possível. Como precaução, válvulas de alívio são abertas ligeiramente para prevenir acúmulo de pressão de se desenvolver nos fogões de ar quente resultante de vazamento de água não detectado ou de alguma fonte não suspeita.

Dentro de um ou dois dias, a escotilha no topo do alto-forno é aberta e o vapor é desligado no coletor de pó. Inspeção diária da linha de carga é importante. Um movimento lento da linha é indicação de que o ar está infiltrando e o coque está sendo consumido. Um pequeno movimento pode ser esperado, mas uma queda contínua é indesejável e pode forçar os operadores a pulverizar o ventre com material de vedação. Uma mistura fina de água, argila e vidro d'água é às vezes usada porque o material é barato e faz um trabalho eficaz.

Se o forno for banqueado por período prolongado, após um lapso de um mês a seis semanas, o fluxo de água deve ser reduzido nos elementos de resfriamento e, finalmente, após dois a três meses, desligado inteiramente, exceto para os estaves do cadinho.

Muitas vezes após um banqueamento de seis ou mais semanas, quando as corridas são abertas, todos os sinais de fogo na área da corrida desapareceram. Neste caso, os operadores do alto-forno ficam felizes, pois o benefício total do branco de coque estará então disponível para fornecer calor quando a operação começar.

Sopro para Fora (Blowing Out)

O sopro para fora também é às vezes chamado de rastramento para fora. O alto-forno é normalmente soprado para fora quando a produção do alto-forno não é mais necessária. Um forno soprado para fora pode ser reiniciado mais rápido e com menos esforço do que partir de um forno banqueado, pois as condições se aproximam das de partida de um forno novo. No entanto, os custos associados ao sopro para fora, rastramento e limpeza preparatória para a partida provavelmente excedem o custo de banquear o alto-forno.

Quando um forno atingiu o fim de sua campanha (ou seja, o revestimento se desgastou), ele é geralmente soprado para fora. No entanto, atualmente a prática seguida é soprar para baixo o alto-forno.

Para o sopro para fora, a operação é descontinuada por um curto período de tempo, aproximadamente 12 a 16 horas antes da última fundição do alto-forno ser feita, para permitir a instalação de aspersores de água no topo do forno e termopares nos uptake. A composição da carga é então normalmente alterada para produzir uma escória muito siliciosa. Isso ajuda a remover o máximo de cal possível das paredes do ventre e do cadinho. O objetivo disso é prevenir a formação de hidróxido de cálcio, que ocorreria se a cal entrasse em contato com a água de resfriamento durante os estágios posteriores do sopro para fora. A formação de hidróxido de cálcio a partir de cal embutida no revestimento pode gerar força suficiente para trincar a carcaça de aço do cadinho ou levantar o forno de suas colunas.

Após a instalação do equipamento de sopro para fora, o ar é ligado e o carregamento continua. A atividade de sopro para fora começa com o carregamento de um branco pesado de coque no alto-forno. O volume deve ser equivalente a aproximadamente o volume do ventre. Após o branco de coque ter sido carregado, quartzo lavado e peneirado de tamanho 25 mm a 50 mm é carregado. O alto-forno é mantido cheio no início do sopro para fora e então a linha de carga é permitida a descer gradualmente aproximadamente 6 m a 9 m em direção ao fim (quando toda a carga ferrosa foi reduzida). Durante o sopro para fora, água dos aspersores é usada judiciosamente para controlar a temperatura do topo do alto-forno. No entanto, as cargas adicionais de quartzo são muito eficazes em manter a temperatura do topo baixa. Uma diminuição na taxa de ar quente é necessária à medida que a altura da coluna de material de carga no alto-forno diminui. Desde o momento em que o branco pesado de coque é carregado no alto-forno até que o sopro para fora seja completado requer apenas cerca de 6 a 8 horas.

O método de sopro para fora com coque é semelhante ao acima, exceto que coque é usado em vez de quartzo. Às vezes, peneiras de coque de 20 mm a 25 mm são usadas.

Após a última fundição, o estoque é molhado conforme descrito acima. Quando o resfriamento progrediu o suficiente, canais de lavagem são frequentemente construídos a partir de algumas aberturas de refrigeradores até um vagão ferroviário aberto e o conteúdo do forno lavado com jatos de água de alta pressão.

Sopro para Baixo (Blowing Down)

Por volta dos anos 1970, percebeu-se que os procedimentos de banqueamento e sopro para fora de alto-forno são procedimentos caros. Também frequentemente o banqueamento resulta em partidas difíceis devido a problemas de água, ou muitas razões imprevistas. Além disso, os operadores de alto-forno agora têm entendimento técnico suficiente do processo para permitir que os operadores soprem o forno para baixo. Soprar para baixo um alto-forno significa operar o alto-forno sem carregamento até que o nível da carga no alto-forno seja reduzido a aproximadamente o nível da corrida. Há várias razões para a preferência da técnica de sopro para baixo sobre banqueamento ou sopro para fora de um alto-forno. Algumas são: quando um forno é soprado para baixo, ele pode ser inspecionado completamente para refrigeradores ou estaves com vazamento, e nenhum esforço é necessário para parar a infiltração de ar porque o forno está vazio. E, se o forno deve ser revestido, é mais rápido e menos caro desmontar um forno vazio do que um contendo carga. A técnica de sopro para baixo varia de alto-forno para alto-forno, mas basicamente o seguinte procedimento é seguido.

Aspersores de água atomizada são instalados no topo do alto-forno em uma parada anterior ao sopro para baixo, em algum lugar na vizinhança do nível de linha de carga de 3 m a 5 m. Normalmente, quatro a seis bicos de aspersão são instalados igualmente espaçados ao redor do forno. O objetivo dos aspersores de água é controlar a temperatura do topo do alto-forno. A vazão de água geralmente necessária é de cerca de 150 m³ por hora a uma pressão de 8 atm. Fornecimentos de água de emergência são frequentemente fornecidos para fins de segurança. Dependendo do tipo de topo do alto-forno e sua condição, aspersores de água de emergência são às vezes instalados para combater caso haja incêndio de graxa durante o sopro para baixo.

Aspersores de vapor também são instalados em um a três níveis para fornecer algum resfriamento e manter a pressão do forno. Se um nível é usado, ele é geralmente colocado baixo no tronco, aproximadamente no nível de linha de carga de 12 m a 15 m. Se níveis adicionais são usados, eles são colocados aproximadamente equidistantes entre os aspersores de água do topo e os aspersores de vapor inferiores. Os injetores de vapor são ativados uma vez que a carga desce abaixo deles. Em alguns lugares, também há provisão de fornecer nitrogênio aos aspersores de vapor como backup em caso de perda de pressão do vapor.

Injeção de nitrogênio é fornecida para purgar o alto-forno no fim do sopro para baixo. Geralmente, o nitrogênio é introduzido através do tubo coletor. Se o nitrogênio é usado como backup para o sistema de injeção de vapor, esse sistema também pode ser usado para purgar o alto-forno quando o sopro para baixo está completo. Vazão e níveis de pressão de nitrogênio desejados são de cerca de 150 m³ por minuto a 3,5 kg/cm².

Provisão deve ser feita para análise de gás de processo. Normalmente, isso simplesmente precisa de recalibração do analisador de gás de topo. Análise de hidrogênio e oxigênio é necessária. O nível de hidrogênio deve ser mantido baixo (abaixo de 15%) e não deve haver oxigênio. Há também exigência de medição da linha de carga e a sonda deve ser capaz de se estender bem dentro do forno.

A taxa de ar quente e sua temperatura são reduzidas à medida que a carga desce para controlar a temperatura do topo do alto-forno. Também o teor de hidrogênio e oxigênio do gás de topo deve ser controlado. Tipicamente, a temperatura máxima do topo deve estar na faixa de 300°C a 450°C.

Drenagem do Salamandra

Após o sopro para baixo, especialmente quando o alto-forno deve ser completamente revestido (incluindo a substituição do revestimento do cadinho), o salamandra é geralmente drenado. Esta operação economiza dias e possivelmente semanas no tempo de revestimento, que de outra forma poderiam ser perdidos na detonação do pesado bloco de ferro sólido que se forma se o metal líquido (que se acumula no cadinho à medida que o bloco inferior erosiona durante a campanha) for permitido solidificar. É preferível drenar o máximo de ferro líquido possível, porque a remoção de um salamandra solidificado custa muitos dias, com riscos adicionais de danificar o alto-forno, devido ao uso de explosivos.

Drenagem do salamandra de um alto-forno é a fundição final para drenar o último ferro líquido do cadinho do alto-forno. Devido à sua rara ocorrência, uma drenagem de salamandra representa um trabalho especial que precisa de muita preparação. A drenagem do salamandra é normalmente considerada, em grande medida, como uma arte. Cálculos de transferência de calor baseados em termopares localizados no sub-cadinho permitem estimar a profundidade de penetração do poço de ferro. No entanto, este ponto é na melhor das hipóteses uma estimativa. Consequentemente, a localização do furo perfurado é um tanto arbitrária e alguma, geralmente pequena, porção do salamandra frequentemente permanece no alto-forno após a drenagem.

Anteriormente, era difícil encontrar a melhor localização possível do furo de corrida do salamandra devido à falta de informações sobre o interior do cadinho do alto-forno e, portanto, sobre a posição da linha de desgaste. Sem quaisquer ou dados insuficientes de termopares, era difícil determinar a posição ótima para perfurar ou lanciar o furo de corrida do salamandra. Experiência profissional era normalmente usada para determinar a localização e ângulo da perfuração para atingir o salamandra. Mais de uma vez, vários furos tinham que ser perfurados e lançados antes que o salamandra fosse atingido para iniciar a drenagem.

Com cadinhos de alto-forno modernos sendo cada vez mais equipados com grades densas de termopares, o cálculo térmico da posição da linha de desgaste, e portanto da posição do salamandra, tornou-se possível. Adensar a grade de termopares melhora a precisão do cálculo, de modo que adivinhar onde o salamandra pode ser atingido é agora substituído por saber onde a broca atinge a linha de desgaste e, portanto, de onde o metal quente pode ser esperado. Uma vantagem adicional de uma localização mais precisa é a possibilidade de melhorar a engenharia do arranjo ao redor do furo de corrida do salamandra.

A drenagem do salamandra é feita preferencialmente no nível mais baixo onde ferro líquido pode ser esperado no cadinho do alto-forno. Normalmente, o furo de corrida do salamandra é posicionado em algum lugar próximo sob o piso da casa de fundição e geralmente está em uma área de difícil acesso, cheia de tubulações, cabos, etc. Essa área de difícil acesso também tem rotas de fuga insuficientes ou mal acessíveis e apresenta uma área perigosa para o operador que está perfurando ou lançando o furo de corrida do salamandra. As questões importantes durante a drenagem do salamandra incluem: (i) localização do furo de corrida do salamandra, (ii) aspectos ambientais (grandes nuvens marrons estão normalmente lá) e (iii) drenagem do máximo de ferro líquido do salamandra.

A drenagem do salamandra é sempre organizada para drenar o máximo possível de ferro líquido do cadinho e para usá-lo como carga de gusa na aciaria.

No passado, salamandras eram drenadas após o sopro para baixo e após os altos-fornos estarem completamente fora do ar. Como resultado, o salamandra tinha apenas sua própria pressão ferroestática como força motriz para sair do alto-forno.

Preparações iniciais para drenagem do salamandra que são feitas incluem: (i) perfurar uma distância predeterminada no fundo do forno abaixo dos estaves do cadinho, e (ii) instalar um canal ou calha para o ferro. Quando tudo está pronto, uma longa lança de oxigênio é inserida no furo perfurado e a alvenaria restante é queimada até o poço de ferro. Geralmente, o fluxo de ferro é lento e várias horas são necessárias para esvaziar o acúmulo que pode ser de até 400 a 600 toneladas.

Não perfurar o furo de corrida do salamandra completamente através do líquido e lançar a última parte, resulta em diâmetro de furo de corrida indefinido e às vezes em fundições de fluxo lento. Essas fundições de fluxo lento também podem ser retardadas por uma temperatura diminuída do gusa do salamandra, causada pelo efeito do sistema de resfriamento do cadinho durante o tempo de espera entre o fim do sopro para baixo e o início da drenagem do salamandra.

O gusa do salamandra é geralmente levado às panelas de gusa (normalmente torpedo) com canais revestidos com placas de barragem. Isso permitiu um enchimento controlado de até três panelas de gusa, pois não há possibilidade de voltar para uma posição de panela a montante.

Um canal basculante também pode ser usado para trocar uma quantidade ilimitada de panelas de gusa, mas sua desvantagem é a altura extra necessária, reduzindo o ângulo de perfuração do salamandra. O uso do canal basculante requer um canal longo curvado para obter um fluxo transversal no centro do canal basculante e o canal basculante tem que ser acionado.

Um aspecto importante para melhorar a drenagem do salamandra é eliminar os riscos de segurança, pois na maioria dos casos o furo de corrida do salamandra está situado em área de difícil acesso e confinada, com rotas de fuga difíceis, inerentes à sua posição diretamente sob o piso da casa de fundição.

Para verificar se o forno foi completamente drenado de ferro líquido, um furo de corrida de segurança secundário do salamandra é projetado em alguns lugares com o ferro líquido do salamandra a ser coletado em uma cava aberta. Este furo de corrida é aberto quando o fluxo do furo de corrida principal do salamandra é reduzido. Quantidade muito pequena de ferro de salamandra é esperada do segundo furo de corrida, mas ajuda na drenagem completa do cadinho.