Sistema de Sopro de Ar Otimizado para Operação Eficiente de Alto-Forno

Sistema de Sopro de Ar para Alto-Forno

Um alto-forno (BF) produz ferro líquido (ferro-gusa quente) pela redução da carga de minério com gases redutores. Os gases redutores são produzidos pela reação de oxigênio com coque e carvão. Este oxigênio é parte do ar quente enriquecido com oxigênio que é soprado e distribuído na base do BF através de tubos retos, tubos de sopro (blowpipes) e tuyeres. Este conjunto é conectado ao tubo principal de distribuição (bustle pipe). O volume de ar que é enriquecido com oxigênio e soprado para o processo no BF ocorrer é fornecido pelos sopradores de ar (air blowers). Estes sopradores de ar tomam o ar da atmosfera e o comprimem à pressão requerida. Este ar comprimido, que está a cerca de até 200 °C de temperatura após a compressão, é enriquecido com oxigênio e soprado nos fornos de aquecimento (hot stoves) onde a temperatura é elevada até 1.200 a 1.250 °C. Este ar quente de sopro (hot blast) é então levado ao tubo de distribuição (bustle pipe) através da tubulação principal de ar quente (hot blast main). Sistemas de sopro de ar de altos-fornos modernos de alta capacidade operam com temperaturas de sopro de até 1.350 °C e pressões de sopro de até 5 kg/cm² (g). Todo o processo é tipicamente mostrado na Figura 1.

Figura 1: Esquemático de sistema típico de sopro de ar

Os principais componentes de um sistema de sopro de ar de um alto-forno consistem de: (i) soprador de ar, (ii) tubulação principal de ar frio (cold blast main), (iii) forno de aquecimento (hot blast stove) junto com seu sistema de combustão, (iv) tubulação principal de ar quente (hot blast main), (v) tubo de distribuição (bustle pipe), (vi) tubos de sopro e tuyeres conhecidos como estoques de tuyere (tuyere stocks), (vii) conjunto de válvulas, e (viii) instrumentos de controle.

Soprador de Ar (Air Blower)

O soprador de ar é o primeiro equipamento no sistema de sopro de ar. Está localizado na casa de sopradores (blower house) e destina-se a fornecer sopro de ar frio aos fornos de aquecimento no volume de fluxo constante e pressão desejados. Portanto, controle de proteção contra surto (surge protection control) é um controle muito importante para um soprador de ar de alto-forno. Geralmente, dois números de sopradores de ar são providos para um alto-forno. Ele aspira o volume de ar da atmosfera e o comprime à pressão necessária e o sopra na tubulação principal de ar frio. O ar comprimido está geralmente a 150 °C a 250 °C, que é a temperatura resultante do calor de compressão no soprador de ar. Os sopradores de ar são ou acionados por turbina a vapor ou por motor elétrico. O soprador de ar é requerido a ser operado para atender às condições de fluxo de ar que, por sua vez, são determinadas pela condição operacional do alto-forno. Também eles precisam ter um nível muito alto de confiabilidade, pois o desempenho do alto-forno depende muito do desempenho do soprador.

Para gerar o ar de sopro, a maioria dos altos-fornos é equipada com turbosopradores centrífugos providos com três ou quatro estágios. Para alguns dos alto-fornos muito grandes, dois sopradores operam em paralelo. No entanto, com alto-fornos muito grandes, sopradores axiais podem ser usados mais eficientemente. Alto-fornos modernos têm compressores isotérmicos axiais ou axiais-radiais que são projetados para manusear grandes volumes de fluxo de ar dentro de carcaças relativamente pequenas, mantendo excelentes eficiências.

Tubulação Principal de Ar Frio (Cold Blast Main)

A tubulação principal de ar frio conecta o soprador de ar e os fornos de aquecimento. Normalmente não é revestida, pois a temperatura do ar frio é normalmente entre 150 °C a 250 °C. No entanto, em alguns fornos, como medida de economia de energia, a linha de ar frio é isolada. Na extremidade do forno da tubulação principal de ar frio, estão as válvulas de ar frio para os fornos e a linha de mistura (mixer line) que é equipada com uma válvula borboleta. Para manter uma temperatura constante de ar quente de sopro ao alto-forno, um termopar na tubulação principal de ar quente controla esta válvula borboleta na linha de mistura e proporcia a quantidade de ar entregue ao forno e a quantidade que o desvia.

Quando um forno aquecido primeiro entra em sopro, a temperatura do ar aquecido é muito mais alta que a temperatura desejada de ar quente de sopro, então uma porção significativa do ar deve desviar do forno. À medida que o calor é removido do forno e a temperatura diminui, a válvula borboleta da linha de mistura deve fechar gradualmente e forçar mais ar através do forno. Em alguns sistemas automáticos de troca de forno, a posição da válvula reguladora é usada como sinal que inicia uma troca de forno.

A tubulação principal de ar frio também é equipada com uma válvula de alívio (snort valve), geralmente localizada perto do alto-forno, que é aberta quando é necessário diminuir a pressão de sopro rapidamente. Esta descarrega o ar frio de sopro para a atmosfera e mantém uma pressão positiva na linha de ar frio para que gás do forno não possa viajar de volta ao soprador de ar. Devido à descarga rápida de ar quando a válvula de alívio é aberta, ela é normalmente equipada com um silenciador.

Em plantas onde o ar de sopro é enriquecido com oxigênio, o oxigênio pode ser adicionado à pressão atmosférica na entrada do turbosoprador ou pode ser adicionado sob pressão na tubulação principal de ar frio. Umidade é adicionada na tubulação principal de ar frio quando requerida para controle de umidade do sopro.

Forno de Aquecimento (Hot Blast Stove)

O forno de aquecimento (hot blast stove) é uma instalação para fornecer continuamente o ar quente de sopro a um alto-forno. Antes que o ar de sopro seja entregue aos tuyeres do alto-forno, ele é pré-aquecido passando-o através de fornos de aquecimento regenerativos que são aquecidos principalmente pela combustão do gás de topo do alto-forno (gás BF). Desta forma, parte da energia do gás de topo é retornada ao alto-forno na forma de calor sensível. Esta energia térmica adicional retornada ao alto-forno como calor reduz substancialmente a necessidade de coque do alto-forno e facilita a injeção de combustíveis auxiliares, como carvão pulverizado, como substituição para coque metalúrgico caro. Isso melhora a eficiência do processo. Fornos de aquecimento de um alto-forno moderno têm as seguintes características:

• Alcançar alta eficiência de combustão — Alcançar alta eficiência de combustão mesmo na operação apenas com gás de alto-forno.
• Menor radiação de calor do corpo do forno.
• Baixos custos de construção.
• Alta vida útil do forno — Vida útil esperada de um forno moderno é de cerca de 40 anos.
• Eliminação completa de trincas por corrosão sob tensão (stress corrosion cracking).
• Baixa concentração de CO não combusto acima da superfície superior dos tijolos de regenerador (checker bricks).

A maioria dos altos-fornos é equipada com três fornos de aquecimento, embora em alguns altos-fornos existam quatro fornos. Os fornos são estruturas cilíndricas de aço altas, revestidas com isolamento e quase completamente preenchidas com tijolos de regenerador (checker bricks) onde o calor é armazenado e então transferido para o ar de sopro. Cada forno é aproximadamente tão grande em diâmetro quanto o alto-forno, e a altura da coluna de regeneradores é cerca de 1,5 vezes mais alta que a altura de trabalho do alto-forno. Nos alto-fornos modernos, a relação do tamanho do forno para o tamanho do forno é ainda maior. Os fornos de aquecimento foram descritos separadamente no artigo https://www.ispatguru.com/generation-of-hot-air-blast-and-hot-blast-stoves/.

Tubulação Principal de Ar Quente (Hot Blast Main)

O ar quente de sopro é entregue dos fornos de aquecimento ao alto-forno através de um grande duto revestido com refratário chamado tubulação principal de ar quente (hot blast main). Uma temperatura consistentemente alta do ar quente de sopro é crítica para a operação eficiente do alto-forno. Os projetos das tubulações principais de ar quente junto com o tubo de distribuição (bustle pipe) devem abordar movimentos do sistema e expansões residuais para dar operação livre de problemas. O projetista da tubulação principal de ar quente do alto-forno enfrenta vários desafios únicos. A tubulação principal de ar quente é tipicamente um tubo de grande diâmetro sujeito a vários componentes de expansão térmica. O sistema de junta de expansão deve ser projetado para acomodar movimentos térmicos nas direções X, Y e Z das conexões de ramal do forno, tubulação principal e tubo de distribuição. Movimentos térmicos são devidos a variações na temperatura de pele causadas pela mídia, bem como variações na temperatura de tirantes e estruturas devido a mudanças nas condições ambientais. Consideração também deve ser dada às forças e movimentos impostos nas conexões do forno e estruturas, bem como tensões no sistema de tubulação de ar quente. Finalmente, as juntas de expansão devem operar ao longo da longa campanha do alto-forno com requisito mínimo de manutenção.

Válvulas e Acessórios

Existem um grande número de válvulas e acessórios que são necessários para o sistema de sopro de ar. Algumas das principais válvulas são dadas abaixo.

• Válvula de ar frio (Cold blast valve) — Destina-se à separação completa do forno de aquecimento do alto-forno da tubulação principal de ar frio. É instalada na tubulação principal de ar frio horizontal perto do forno.
• Válvula de alívio (Snort valve) — É instalada na linha principal de ar frio. A válvula tem um dispositivo de descarga. É usada para regular a quantidade de ar frio sendo suprida aos fornos, sem criar contrapressão no soprador, pois o ar excedente é soprado para fora através de um dispositivo de descarga que é mecanicamente interligado com a válvula principal para abertura/fechamento proporcional.
• Válvula de ar quente (Hot blast valve) — Destina-se à separação do forno de aquecimento do alto-forno da tubulação principal de ar quente, quando operando o forno no modo "em aquecimento" ou na separação completa do alto-forno. Esta válvula é instalada na tubulação principal de ar quente horizontal perto do forno.
• Válvula atmosférica (Atmospheric valve) — Destina-se a liberar o forno do alto-forno da chaminé.
• Válvula de estrangulamento de gás (Gas throttle valve) — É projetada para controle de gás suprido ao queimador de gás do forno de aquecimento e liberação total do conduto do queimador de gás na operação normal e em caso de falha de fornecimento de energia. É instalada na seção vertical do conduto de gás.
• Válvula de estrangulamento de mistura (Mixing throttle valve) — Destina-se a ajustar taxa de ar frio. É montada na seção vertical da tubulação principal de ar frio perto do forno.
• Válvula de chaminé (Chimney valve) — Destina-se a separar o forno do alto-forno da chaminé.
• Válvula separadora (Separator valve) — É projetada para sobreposição rápida da seção de linha de ar de mistura em caso de parada do suprimento de sopro no forno. É instalada na seção horizontal da linha de ar de mistura de ar frio.

Tubo de Distribuição (Bustle Pipe)

O grande tubo circular que circunda o alto-forno no nível acima do manto (mantle) é chamado de tubo de distribuição (bustle pipe). É usado para distribuir o ar quente de sopro da tubulação principal de ar quente para o forno através de uma série de bocais chamados tuyeres. O tubo de distribuição é internamente revestido com refratário para isolar e proteger a carcaça de aço externa do ar de alta temperatura dentro.

Tuyeres e Estoques de Tuyere (Tuyere Stocks)

Tuyeres são pequenos tubos que permitem ar quente do tubo de distribuição entrar no alto-forno. São bocais de formato especial através dos quais o ar quente de sopro é injetado no alto-forno. São feitos de cobre e são geralmente resfriados a água, pois estão diretamente expostos à temperatura do forno. Estão localizados ao redor do alto-forno como raios no cubo de uma roda de bicicleta. O estoque de tuyere (tuyere stock) é o conjunto de pescoço de ganso (gooseneck), fole de expansão (expansion bellow), tubo de conexão, cotovelo (elbow), olho de observação (peep hole), tubo de sopro (blow pipe), arranjo de fixação e dispositivo de tensionamento. Os estoques de tuyere, como a conexão entre o tubo de distribuição e o tuyere, adaptam-se aos movimentos relativos entre o sistema de entrega de ar quente e o alto-forno.

O tubo de sopro (blowpipe), que conecta o sistema de ar quente ao tuyere, encaixa-se em um assento esférico usinado na base do tuyere. O resfriador de tuyere (tuyere cooler) e o tuyere são resfriados a água. Em alto-fornos modernos utilizando temperaturas de ar quente acima de 1150 °C, as passagens de água do corpo do tuyere são projetadas para manter a velocidade da água acima de 20 m/s e as passagens de água do nariz do tuyere são projetadas para manter a velocidade da água acima de 28 m/s para melhorar a taxa de transferência de calor. Em alguns dos alto-fornos modernos, o nariz do tubo de sopro também é resfriado a água, embora na maioria dos fornos mais antigos isso não seja feito. A lança de injeção de combustível entra através da parede do tubo de sopro e geralmente descarrega o combustível ligeiramente fora da linha central e cerca de 50 mm para trás do nariz do tubo de sopro. Alguns alto-fornos são equipados com sistemas de injeção duplos que têm duas aberturas no tubo de sopro para facilitar múltiplos combustíveis de tuyere. Com o aumento do uso de carvão pulverizado como combustível de tuyere, o posicionamento da lança de injeção é mais crítico para deter impingimento no interior do tuyere e para melhor combustão do carvão. O tubo de sopro é mantido firmemente contra o tuyere pela tensão na haste de freio (bridle rod), que conecta o estoque de tuyere à jaqueta do cadinho (hearth jacket). A mola de freio (bridle spring) na extremidade da haste de freio permite movimento limitado conforme o tubo de sopro expande e contrai com mudanças na temperatura do ar quente de sopro. O próprio tubo de sopro é um tubo de aço liga revestido com material refratário para prevenir que o metal fique muito quente.

Os principais componentes do estoque de tuyere são firmemente conectados com as superfícies cônicas polidas por meio do consequente arranjo próximo da próxima parte na anterior. Assim, as superfícies cônicas de ajuste fechado (closed-fitted) fornecem a integridade de estanqueidade da junta. Uma perturbação do ciclo operacional de aquecimento, bem como qualquer vazamento de uma das juntas no estoque de tuyere, resulta na queima dos elementos construtivos e falhas.

O tuyere, resfriador de tuyere e tubo de sopro operam no caso das condições de temperatura mais pesadas. O resfriador de tuyere é colocado no seio do revestimento do forno. O bocal é acoplado com o tuyere que já está a 250 mm a 350 mm de profundidade dentro do corpo do alto-forno.

Os tubos de sopro são geralmente feitos de aço com revestimento de revestimento refratário cerâmico especial. Os tuyeres são feitos de cobre. Anteriormente, tuyeres do tipo artesanal (art-type) eram feitos de chapas de cobre prensadas, espessura de parede até 8 mm. Atualmente, os tuyeres são geralmente feitos de cobre fundido centrifugamente, o que assegura a máxima vida operacional do tuyere por meio da alta fabricabilidade que fornece a maior homogeneidade do material e ausência de microporos. No entanto, este método é um pouco mais caro que a fabricação de tuyeres por meio de fundição a vácuo. Esta última também é às vezes aplicada na produção de tuyeres e tem um custo de conversão menor, mas há a possibilidade de leve não-homogeneidade do material. De qualquer forma, o método de fundição de produção de tuyeres quase suplantou a aplicação da construção soldada de tuyeres devido à sua menor capacidade operacional, apesar do menor custo de produção, que também está associado à fundição de resfriador de tuyere de cobre oco. O resfriador de tuyere também é fabricado por meio de fundição e é feito de cobre (menos frequentemente de bronze). É montado no seio do revestimento do forno e fixado através da flange com soldagem adicional à jaqueta do cadinho.

O tuyere do alto-forno é resfriado pela água suprida a uma taxa de 15-25 m³/hora diretamente na face interna do tuyere. A temperatura de aquecimento da água de resfriamento descarregada não deve exceder 15 °C. A pressão da água de resfriamento suprida à face do tuyere e resfriador de tuyere normalmente não excede 5-10 kg/cm². O uso de cobre (com teor mínimo 99,5% Cu) como material de construção permite a remoção eficaz do calor do corpo cônico do tuyere operando em condições extremamente quentes.

Na parte traseira do estoque de tuyere na linha central do tubo de sopro e tuyere há uma pequena abertura através da qual uma haste pode ser inserida para limpar material para fora do tubo de sopro. A abertura é fechada por uma tampa que pode ser aberta quando necessário, mas é estanque a gás quando fechada. Nesta tampa, chamada tampa de tuyere (tuyere cap) ou portinhola (wicket), há uma mira de vidro (peep sight) coberta com vidro que permite ao operador inspecionar o interior do forno diretamente na frente do tuyere. A parte superior do estoque é conectada por uma junta articulada (swivel joint) ao bocal revestido com refratário do pescoço de ganso (gooseneck) ao qual é fixada por lugs e chaves que se encaixam em assentos de barras de suspensão. Cada pescoço de ganso, por sua vez, é conectado por flanges e parafusos a um pescoço estendendo-se radialmente do diâmetro interno do tubo de distribuição. Estoques de tuyere são projetados para longa vida útil e fácil manuseio. Os esquemáticos de um arranjo típico de estoque de tuyere são mostrados na Figura 2.

Figura 2: Esquemáticos de arranjos típicos de estoque de tuyere