Melhorando o Desempenho do Alto-Forno: Tecnologias Avançadas e Estratégias de Reparo Capital

Tecnologias para Melhorar o Desempenho Operacional do Alto-Forno

Um alto-forno (AF) é um investimento no futuro. Portanto, é necessário o dimensionamento adequado de todos equipamentos, sistemas e componentes, bem como a incorporação de tecnologias que assegurem a produção e qualidade desejadas para que o desempenho melhorado do alto-forno seja alcançado. Isso é particularmente verdadeiro quando o alto-forno passa por reparos de capital. Durante reparos de capital, a incorporação de tecnologias para melhoria do desempenho operacional também atende às novas demandas colocadas sobre desempenho, segurança do pessoal, menores requisitos de manutenção e conformidade ambiental.

Um desafio-chave para operadores de alto-forno sempre foi assegurar suprimento contínuo e confiável de gusa para a aciaria em qualidade uniforme e no menor custo possível. Qualquer interrupção na produção de gusa pode levar a paralisações potenciais nas instalações de produção e processamento a jusante. O tempo de inatividade deve ser mantido no mínimo enquanto a vida de campanha do alto-forno deve ser estendida pelo maior tempo possível. Flutuações nos parâmetros operacionais devem ser evitadas para qualidade uniforme do gusa, o que só é possível através da aplicação de tecnologias adequadas, bem como automação sofisticada e soluções de controle de processo.

Principais Tecnologias

Existem várias tecnologias (Figura 1) que, quando adotadas, melhoram grandemente o desempenho operacional e aumentam sua eficiência tanto em produtividade quanto em consumo de combustível. Isso resulta em taxa de produção de gusa por unidade de volume do alto-forno melhorada e consumo reduzido de coque de AF. Algumas das principais tecnologias são descritas abaixo.

Figura 1 – Tecnologias para melhorar o desempenho operacional do AF

Aumento do Volume Interno do Forno

Usando tecnologias avançadas para revestimento refratário e resfriamento do forno, é possível reduzir a espessura do revestimento durante reparos de capital enquanto simultaneamente aumenta a vida de campanha. Redução na espessura resulta em aumento do volume interno, aumentando a capacidade de produção. Também proporciona perfil de temperatura consistente durante toda a campanha. Refratários melhorados incluem: refratários de alumina resistentes à erosão no topo da chaminé, refratários de carbeto de silício no bosh e barriga, e paredes de coração de carbono resistentes à erosão com almofada cerâmica. Para resfriamento, estaves de cobre são usados em zonas de alto fluxo de calor, enquanto estaves de ferro fundido são usados em outras zonas. Estaves de ferro fundido normalmente com resfriamento independente.

Qualidade da Carga Ferrosa

Para garantir um alto-forno permeável, essencial para operação estável, é importante que a carga ferrosa seja forte, bem dimensionada e peneirada eficientemente para remover finos. Não deve se desintegrar excessivamente na chaminé, gerando finos adicionais. Deve ser suficientemente porosa, redutível e de tamanho apropriado para permitir que o material seja adequadamente reduzido quando atingir a zona de amolecimento. Assim, a zona coesiva é menos restritiva, com menos escória rica em FeO, e a carga térmica nas regiões inferiores é menor, encorajando operação suave. Requisitos sobre propriedades físicas e metalúrgicas de sinter, minério de ferro calibrado e/ou pelotas para operação eficiente devem ser atendidos. As propriedades de amolecimento e fusão dos componentes ferrosos têm efeito importante na operação. Restrições na zona coesiva e pobres características de fusão podem resultar em descida errática da carga, operação instável e flutuações térmicas.

Aspecto importante ao selecionar componentes individuais da carga é suas características de amolecimento e fusão. A maior parte da queda de pressão através do alto-forno está na região onde a carga ferrosa está amolecendo, fundindo e gotejando sobre a cama de coque através da qual os gases ascendem. Uma ampla faixa de fusão e amolecimento resulta em maior queda de pressão e grande zona coesiva impingindo na alvenaria inferior.

Qualidade do Coque

Para operação estável em produtividades razoáveis, coque de boa qualidade é essencial. É uma das razões mais citadas para períodos ruins de operação. O coque deve ser forte e estabilizado, para suportar o peso da carga com mínima quebra mecânica. Deve ser suficientemente grande e bem dimensionado, com mínimos finos, para criar leito permeável através do qual líquidos possam gotejar até o coração sem restringir gases ascendentes. Tamanho consistente é necessário para evitar variações indesejadas na permeabilidade e suportar o conceito de variar espessura da camada de coque ao longo do raio para controlar fluxo radial de gás. O coque deve ser suficientemente não reativo à perda por solução (Índice de Reatividade do Coque, CRI, valor normal 20%–23%), reter sua força sob tais condições (Resistência do Coque após Reação, CSR, valor normal 65%–68%), e ser baixo em álcalis para minimizar gasificação de álcalis na zona de corrida (raceway), que tem efeito deletério na quebra do coque. Baixo teor de enxofre também necessário para minimizar enxofre no gusa. Variações de umidade e carbono do coque devem ser controladas para minimizar efeito no estado térmico do processo.

O coque no centro do forno gradualmente substitui o “dead-man” e o coque no coração, que deve permanecer permeável para permitir drenagem dos líquidos através do centro do coração. Isso evita fluxo periférico excessivo de gusa no coração. Aumento na temperatura do centro do colchão do coração geralmente é observado com aumento no tamanho do coque do dead-man, indicando maior atividade no centro. O tamanho de abertura das peneiras de coque é parâmetro importante para manter permeabilidade do coração. Geralmente é benéfico aumentar o tamanho da peneira e carregar o coque fino adicional resultante, misturado com a carga ferrosa, longe da linha central do forno.

O objetivo de especificar coque de alta qualidade é garantir que coque grande atinja as regiões inferiores. Para monitorar esse objetivo a longo prazo, é aconselhável ocasionalmente amostrar coque no nível dos tuyeres para avaliar a quebra do coque através do forno. Geralmente realizado durante manutenção planejada, frequentemente em conjunto com troca de tuyeres. Grande amostra de coque é raspada de uma abertura de tuyere e suas propriedades comparadas com amostra do coque de alimentação correspondente.

Para minimizar variações térmicas e químicas, uma carga homogênea é desejável. Componentes devem ser o mais intimamente misturados possível. Isso depende do número de componentes e do sistema de carregamento individual, mas geralmente pode ser alcançado em grau razoável pela seleção de silos de armazenamento e sequência de descarga.

Carregamento de Coque Fino (Nut Coke)

Um sistema de carregamento flexível permite uso de coque fino (nut coke). Tamanho disponível depende do tamanho e eficiência das peneiras de coque do alto-forno na unidade de classificação de coque das baterias de fornos de coque, tipicamente 10–25 mm. Carregamento de coque fino misturado no material ferroso e posicionado ao longo do meio-raio melhora operação melhorando eficiência de redução e permeabilidade da camada de minério na zona coesiva. Carregamento de coque fino também reduz temperaturas da barriga. Coque fino também é carregado na parede, intercalado entre duas cargas de minério para prevenir região inativa na parede quando minério fino é carregado na parede.

Distribuição de Carga (Burden Distribution)

A distribuição de carga é um dos principais fatores que não só afetam a estabilidade da operação, mas, determinando o fluxo radial de gás no forno, é um dos principais fatores controlando a taxa de desgaste das paredes. Como meio de obter melhor controle da distribuição de carga na chaminé e melhorar o contato gás-sólido e eficiência de combustível, vários novos desenvolvimentos têm sido usados. Os dois tipos de sistema de distribuição que permitem controle suficiente para alta produtividade são: topo sem campânula (bell-less top) usando calha rotativa inclinável, e sistema de carregamento com campânula com armadura de garganta móvel.

Primariamente, fluxo radial de gás é controlado pela proporção de carga ferrosa para coque, já que o coque é geralmente muito maior. Isso é mais facilmente alcançado carregando material em camadas discretas e variando espessura da camada ao longo do raio. Proteção das paredes é alcançada aumentando proporção de camada de minério na parede, resultando em menor quantidade de calor removido pelo sistema de resfriamento. Porém, há limite para proporção de material ferroso próximo à parede, caso contrário forma-se camada inativa, que pode incentivar formação de acúmulos na parede e permitir carga não preparada nas regiões inferiores, aumentando falhas de tuyeres. Proporção de coque no centro deve ser suficiente para operação estável no nível de produção desejado. Grande proporção de coque cria região relativamente permeável com menos líquidos descendentes, permitindo uso de volume máximo de sopro sem grandes flutuações na pressão de sopro e descida errática.

O coque no centro substitui o coque no coração e um centro rico em coque permeável encoraja coração permeável, relacionando fluxo líquido através do coração. A chaminé central de coque não deve ser desnecessariamente larga, ou ineficiência resulta e danos podem ocorrer em certas partes do topo devido a capacidade de calor excessiva do gás ascendente.

Carregamento de Tamanho Dividido (Split Size Charging)

Sistemas de distribuição mais sofisticados permitem controle adicional da distribuição de carga utilizando mais de uma faixa de tamanho de um dado material. Uma das práticas mais comuns é carregar materiais ferrosos finos, frequentemente de peneiramento da carga ferrosa principal. Finos são carregados separadamente em pequenas quantidades próximo à parede, para dar redução localizada na permeabilidade e proteger as paredes. Carregar lote pequeno separado de material mais fino normalmente reduz capacidade de carregamento do forno. Carregar lotes pequenos com campânula e armadura de garganta móvel causa menos atrasos que com topo sem campânula devido ao tempo de descarga reduzido. Pode ser possível carregar pequenas quantidades de materiais mais finos na parede carregando-os primeiro no funil superior ou funil da campânula grande e usando ângulo inicial da calha ou ajuste da armadura correspondente. Porém, quantidade é limitada pelas características de descarga do funil àquela que passará sem misturar com o restante da carga. Há também benefício financeiro em usar tais finos ferrosos diretamente em vez de retorná-los para re-sinterização. De maneira similar, a carga ferrosa pode ser dividida em tamanhos grande e pequeno, carregados sobre diferentes partes do raio para controlar permeabilidade radial.

Operação de Alta Pressão

Um dos fatores limitantes ao tentar aumentar a taxa de volume de sopro no alto-forno é o efeito de elevação causado por grandes volumes de gases soprando para cima através da carga. Esse efeito (taxa de fluxo mássico) impede que a carga desça normalmente e causa perda em vez de aumento na produção. Para aumentar taxas de produção acima do normal, o alto-forno é equipado com válvula septo no sistema de gás de topo para aumentar a pressão de saída do gás. Esse aumento de pressão comprime os gases em todo o sistema e permite maior quantidade de ar de sopro. Com aumento na quantidade de ar soprado por minuto, há aumento correspondente na taxa de produção. Além disso, também suprime formação de SiO, resultando em redução do teor de silício no gusa.

Quando a pressão do gás de topo é aumentada, a pressão do ar de sopro de entrada também deve ser aumentada proporcionalmente. Se a pressão de topo é aumentada, é necessário usar soprador maior, capaz de entregar volume aumentado na pressão maior. Carcaça do forno, carcaças dos fogões, coletor de poeira, lavador primário e tubulações de gás também precisam ter integridade estrutural para suportar pressão aumentada. Válvula de estrangulamento usada para aumentar pressão de topo está localizada além do lavador primário onde o efeito de jateamento de areia do gás foi reduzido pela remoção de grande parte da poeira. Linha de saída de água do lavador primário precisa ser equipada com regulador para que a pressão do gás dentro do lavador não destrua o selo d'água. Gás limpo ou nitrogênio é usado para equalização de pressão nos equipamentos de carregamento. Fornos com pressões de topo de 2–2,5 kgf/cm² operam com sucesso. Em alguns, turbinas de recuperação de pressão de topo são usadas para recuperar parte da energia de compressão e produzir energia.

Temperatura do Ar Quente (Hot Blast)

A temperatura do ar quente melhora a eficiência de combustível do alto-forno e permite temperaturas mais altas no forno, aumentando a capacidade. Altas temperaturas de ar quente são essenciais para operação eficiente, pois reduzem substancialmente a necessidade de coque e facilitam injeção de combustíveis auxiliares como carvão pulverizado como substituto do coque. Economia total de energia possível por combinação de técnicas é da ordem de 0,12 milhões kcal/ton de gusa. Resulta em custos operacionais menores porque a razão de coque reduz em 2,8% por 100 °C de aumento na temperatura de sopro quando mantida entre 1000–1200 °C. Muitos fornos modernos operam com temperatura de ar quente superior a 1300 °C.

Enriquecimento de Oxigênio do Ar de Sopro

O objetivo do enriquecimento de oxigênio no sopro é controlar temperatura adiabática da chama na zona de corrida (RAFT), geração de gás no coração e intensidade de fusão. Quando o ar de sopro é enriquecido com oxigênio, há aumento no RAFT. Altas temperaturas de chama são normalmente incompatíveis com materiais de carga de qualidade relativamente baixa e necessitam materiais de qualidade adequada. Além disso, altas temperaturas de chama devido ao enriquecimento precisam ser controladas com umidade do sopro e injeção de combustível. Existem operações usando mais de 12% de enriquecimento. Para cada porcentagem de oxigênio acima do ar normal (~21%), a taxa de produção aumenta cerca de 2%–4%. Em casos onde materiais de carga têm boa redutibilidade, a temperatura de chama pode ser aumentada significativamente e a eficiência de combustível melhorada. O uso judicioso de oxigênio fornece meio de controlar taxa de fluxo mássico do gás do bosh para que a vazão do forno seja maximizada enquanto se controla qualidade do gusa.

Injeção de Combustível Auxiliar

Com desenvolvimento de técnicas para aumentar temperaturas de ar quente à faixa de 1000–1300 °C e necessidade de controlar RAFT devido ao tipo de materiais de carga em uso, tornou-se possível injetar combustíveis hidrocarbonetos no alto-forno através dos tuyeres para controlar temperatura da chama, aumentar poder redutor do gás do bosh e substituir parte do coque. Na presença de grandes quantidades de coque, combustíveis hidrocarbonetos só podem queimar a monóxido de carbono e hidrogênio; consequentemente, produzem menos calor que o coque substituído, resultando em controle da temperatura da chama, mas o gás redutor produzido é mais efetivo que o produzido pela combustão do coque.

Muitos combustíveis diferentes foram testados – gás natural, gás de forno de coque, óleo, alcatrão e carvão pulverizado, até suspensões de carvão em óleo. Carvão pulverizado é o injetante mais usado atualmente por sua abundância relativa e baixo custo. Quando carvão é usado, também é introduzido no ar de sopro por uma lança entrando no fluxo de ar através das laterais dos tubos de sopro (blowpipes). É mais desejável que o carvão injetado seja completamente gasificado e combusto antes de deixar a zona de corrida. Ao injetar combustível, precauções especiais são necessárias para evitar acúmulo no tubo de distribuição (bustle pipe) ou blowpipe e sua subsequente combustão. Processo de injeção de carvão pulverizado (PCI) descrito abaixo.

Matéria-prima de carvão é transportada para planta de preparação onde material estranho é removido por peneiramento e ímã suspenso. O carvão é então triturado e secado simultaneamente em corrente de gás quente ou em unidade combinada de moagem/secagem, seguido de extração pelo sistema por ventilador de exaustão induzida. Carvão com distribuição de tamanho correta é aspirado através de separador de velocidade e capturado em unidade de filtro de mangas. Produto final é peneirado antes de transferência para silo de armazenamento. Proporção dos gases de exaustão é reciclada de volta ao gerador de gás quente na unidade de moagem/secagem. Esse controle garante que teor total de oxigênio do gás quente em contato com carvão seja mantido abaixo de 12% para eliminar chance de ignição do carvão moído. Sistema de injeção compreende tremonhas de fechamento (lock hoppers) e unidades injetoras. Vazão de carvão para cada tuyere pode ser controlada independentemente por alimentador mecânico. Alternativamente, sistema mais simples com menor precisão de controle de vazão para cada tuyere pode ser fornecido, usando sistema baseado em divisor (splitter). Equipamento para PCI é bastante robusto hoje com disponibilidade > 98% e taxas de injeção precisas dentro de 2%.

Automação e Controle

Sistemas de automação e controle hoje fornecem solução ideal para todos aspectos da operação do forno. Incluem: (i) controle de topo em topos carregados por skip ou correia com padrões complexos de carregamento e distribuição de carga, (ii) sistema único de carregamento espiral para topo sem campânula para aumentar porção de finos que pode ser carregada, (iii) controle de casa de carga (stock house) de materiais em lotes sequenciais com pesagem “em voo” e estratificação, (iv) controle de limpeza de gás, (v) controle de fogões para operação cíclica, paralela, paralela sobreposta e paralela escalonada de quatro fogões, (vi) controles de sistema de injeção de carvão, (vii) operação e controle de casa de vazada (cast house), (viii) controles de planta de granulação de escória. Além disso, automação e controle também têm recursos para segurança da planta e sequências de desligamento.

Para garantir operação de alto-forno de alto desempenho a baixo custo, fornos hoje são providos de sistema de otimização em malha fechada. Funciona com base em modelos avançados de processo, inteligência artificial, aplicações de software aprimoradas, interfaces gráficas e know-how operacional. Excelente desempenho de processo e custos de produção significativamente menores são alcançados em fornos com sistema de otimização em malha fechada. Em sistema especialista de malha fechada, os principais parâmetros a serem controlados são realizados sem necessidade de interação do operador. Exemplo: controle da taxa de coque, basicidade, taxa de injeção de vapor e até distribuição de carga podem ser executados simultânea e automaticamente em modo de malha fechada para garantir operações estáveis e consistentes a baixos custos. Controle preciso é alcançado com base em modelos avançados de processo.

O sistema de gerenciamento de informações de processo fornecido nos alto-fornos atuais coleta, prepara e armazena todos os dados relevantes para uso subsequente.