Altos-Fornos Miniatura: Produção Eficiente de Ferro para Operações de Pequena Escala

Mini Alto-Forno e Produção de Ferro

Mini altos-fornos (MAF) são geralmente vistos como versões em miniatura dos altos-fornos convencionais grandes. Esses fornos são ideais para operações de pequena escala. Na verdade, são basicamente os precursores dos modernos altos-fornos convencionais e, portanto, operam há mais tempo. MAFs estão localizados em muitos países, mas a maioria está na China, Índia, Brasil e Indonésia. A disponibilidade da planta e a perfeição alcançada nesta tecnologia tornaram o MAF uma rota aceita para produção de ferro. Além disso, atualmente, a maioria das tecnologias de projeto, carga e operação que se tornaram norma para os modernos fornos grandes também foram adotadas nos MAFs.

O MAF é um forno de eixo vertical com cadinho tipo bacia. Materiais de carga consistindo de minério de ferro, coque ou carvão vegetal usado como agente redutor e combustível, e fundentes, geralmente calcário ou dolomita, são carregados no topo do forno. O forno opera no princípio de reator de corrente contrária. À medida que a carga desce pelo eixo, é pré-aquecida e pré-reduzida pelos gases quentes ascendentes do fundo do forno. Os gases são gerados pela introdução de sopro quente enriquecido com oxigênio através de tuyeres. O sopro quente queima o agente redutor, produzindo gases redutores e calor requerido para o processo de redução no forno. O material de carga reduzido funde para formar FG (ferro gusa) que se satura com carbono e desce ao cadinho. Os fundentes combinam-se com impurezas nos materiais de carga para produzir escória fundida que se acumula sobre o ferro gusa no cadinho. Ferro gusa e escória líquida são periodicamente extraídos do forno.

O MAF exibe flexibilidade e competitividade e é adequado para produção de ferro gusa tanto básico quanto de fundição. As características importantes de um MAF incluem simplicidade e economia. Outras características:

• Tecnologia e equipamentos comprovados.
• Projeto e equipamentos mais simples que altos-fornos convencionais grandes.
• Flexibilidade com carga de minério: cargas podem variar de 100% minério de ferro em grumos a qualquer mistura de grumos e aglomerados (sinter ou pelotas) na composição da carga.
• Gama de agentes redutores pode ser usada, incluindo coque de baixa qualidade e carvão vegetal.
• Qualidade do FG produzido é similar à de altos-fornos convencionais grandes.
• Operação e manutenção similares mas mais flexíveis que altos-fornos convencionais grandes.
• Baixo custo de capital e menor custo de manutenção de equipamentos.
• Fonte econômica e confiável de FG para fundições de ferro e mini usinas siderúrgicas, onde é usado em integração direta com aciarias consistindo de forno de indução / forno a arco elétrico / forno de otimização energética e às vezes até com pequeno conversor de oxigênio básico.

Como o nome sugere, o tamanho do MAF é pequeno, com volumes internos variando de 35 m³ a 600 m³. MAFs são geralmente fornos de eixo baixo com altura efetiva variando de menos de 12 m a cerca de 20 m. MAFs alcançam normalmente níveis de produtividade na faixa de 2 t/m³/dia a bem acima de 3 t/m³/dia.

Características Importantes de um MAF

O MAF é um forno de tipo eixo com pilha vertical superposta sobre cadinho tipo bacia. O complexo do MAF é composto por forno propriamente dito, fogões de sopro quente, topo e sistema de carregamento do MAF, várias plataformas de manutenção, sistema de silos com diversos silos para materiais de carga, plataforma de tuyeres e casa de vazamento, sistema de granulação de escória, sistema de gás, sistema de limpeza de gás de alto-forno, sistemas de suprimento de matéria-prima e combustível, sistemas de suprimento de energia e outros utilitários, estação de soprador de ar e sistema de circulação de água do alto-forno, etc. O layout do MAF é geralmente muito compacto, com a maioria das instalações que suportam a produção de FG instaladas muito próximas ao forno propriamente dito. Um fluxograma típico de processo de um MAF com planta de limpeza de gás a seco é mostrado na Fig. 1.

O forno, que é o reator de processamento, participa do sistema de produção de ferro da seguinte forma:

• Recebe materiais de carga já preparados dos estoques através do sistema de alimentação.
• Recebe sopro quente gerado pelo soprador de ar na estação de sopro e aquecido nos fogões de sopro quente. O sopro quente é normalmente enriquecido com oxigênio.
• Produz e entrega FG e escória líquida.
• Entrega gás bruto de alto-forno ao sistema de limpeza de gás.
• Recebe água de resfriamento e ar comprimido através do sistema de resfriamento e utilitários.
• É suprido com energia elétrica pelo sistema elétrico.
• É controlado por meio do sistema de comando e controle.

O MAF tem geralmente estrutura autoportante com quatro colunas suportando 6 plataformas e ponte de skip (no caso de carregamento por skip) apoiada diretamente na fundação de concreto armado. A carcaça do forno é geralmente construída de chapa de aço estrutural de diferentes espessuras.

Os perfis típicos de dois MAFs chineses são dados na Tabela 1.

Tabela 1: Perfis típicos de mini altos-fornos chineses

Nº	Parâmetro	Unidade	Valor 1	Valor 2
1	Volume efetivo	m³	50	320
2	Diâmetro do cadinho	m	2,25	4,9
3	Diâmetro do ventre	m	3,05	5,7
4	Diâmetro do gargalo	m	2	3,7
5	Altura da camada morta	m	0,35	0,6
6	Altura do cadinho	m	1,8	2,7
7	Altura do ventre	m	2,3	2,9
8	Altura da barriga	m	1	1
9	Altura do eixo	m	5,3	9,2
10	Altura do gargalo	m	1,27	1,6
11	Altura efetiva	m	12,02	17,4
12	Ângulo do eixo	Graus	84,27	83,79
13	Ângulo do ventre	Graus	81,57	82,15
14	Razão altura/diâmetro		3,58	3,05
15	Número de tuyeres	Unid.	6	12

Em MAFs modernos, blocos de carbono semi-grafita são normalmente usados para fundo do alto-forno e blocos de carbono fundido para cadinho. Blocos de carbono com boa condutividade térmica e resistência à erosão protegem efetivamente fundo e cadinho. Estrutura de copo cerâmico é geralmente usada para parede interna do cadinho com revestimento de alumina. Tijolos de coríndon e alumina são usados na área do orifício de vazamento e entalhe de escória, respectivamente. O ventre, barriga e parcialmente a área do eixo são normalmente revestidos com tijolos de alumina. Tijolos de chamota de alta densidade são usados na área superior do eixo para revestimento. A carcaça interna do forno é geralmente pulverizada com refratários de alumina para espessura de 70 mm. Para revestimento interno do gargalo e tampa superior do alto-forno, usa-se soldagem de âncoras e uma camada de refratários resistentes ao calor e ao desgaste. Dependendo do projeto de revestimento do forno, a vida útil esperada da campanha do MAF varia entre 5 anos a mais de 10 anos.

O aumento da temperatura do sopro quente é uma das principais medidas para aumentar o volume de injeção de carvão pulverizado no MAF e reduzir a taxa de coque no MAF. O projeto do sistema de sopro quente é feito normalmente de modo que a temperatura do sopro quente possa ser mantida a 1200 °C usando gás de alto-forno como combustível. Atualmente, MAFs são equipados com 3 fogões de sopro quente com projeto de combustão de cúpula rotacional tangencial.

Os tuyeres são alimentados com sopro quente do busto principal através de tubos de sopro. Os tuyeres são instalados junto com resfriadores de tuyere. Ambos são de cobre. O número de tuyeres instalados no MAF depende do volume útil do MAF e são projetados para velocidade de sopro ótima, normalmente na faixa de 210 a 230 m/s sob condições operacionais.

Atualmente, MAFs modernos têm um orifício de vazamento de onde fluem tanto ferro gusa quanto escória. São separados por uma placa separadora (skimmer), apropriadamente localizada no canal de FG colocado na plataforma de trabalho. Em alguns MAFs existem entalhes de escória separados para vazamento de escória líquida. O ferro gusa flui para a panela ou carro-torpedo, enquanto a escória líquida é transportada para um sistema de granulação de escória.

Staves de resfriamento são usados em MAFs com 3 seções de staves de superfície plana usados no fundo e cadinho e staves com refratário inserido neles usados nas zonas de ventre e barriga. Staves de degrau são usados para área do eixo a fim de suportar efetivamente o revestimento de tijolos do eixo inferior e reduzir a abertura da carcaça do alto-forno para aumentar a estanqueidade do MAF. Staves de ferro fundido nodular ferrítico são geralmente usados para eixo médio e inferior. Tubo de aço sem costura é fundido dentro do stave e chapa de nervura na superfície quente do stave. Material de carbono é apiloado no sulco. Resfriamento a água é normalmente usado para fundo do MAF. O sistema de tuyere é resfriado por sistema dedicado de resfriamento a água.

Outros equipamentos auxiliares para o alto-forno propriamente dito: (i) armadura de gargalo de 2 estágios, (ii) "câmera infravermelha de imagem de gargalo" instalada próxima à linha de estoque do gargalo para detectar distribuição de carga na área do gargalo, (iii) dispositivo de pulverização e resfriamento de água no topo usado quando a temperatura do topo vai muito alta.

Normalmente MAFs são equipados com sistema de carregamento por skip. Em alguns MAFs, carregamento por transportador é usado no lugar de skip. Para carregamento no topo em MAF, ambos os sistemas: (i) carregamento de dois sinos com distribuidor, e (ii) sistema de topo sem sino, são usados. MAFs modernos são com sistema de topo sem sino.

No caso de topo sem sino, geralmente dois tipos de distribuição: (i) tipo anel (tipo anel único, tipo multi-anéis), e (ii) tipo ponto fixo, são usados. No caso de distribuição tipo anel, o material no funil de carga é carregado no forno pela calha distribuidora através de anel concêntrico (anel único) ou anéis concêntricos múltiplos (multi-anéis). No caso de distribuição de anel único, a calha distribuidora permanece no mesmo ângulo de inclinação designado durante o carregamento. No caso de distribuição multi-anéis, o ângulo de inclinação pode ser alterado muitas vezes durante o carregamento. Uma distribuição de círculo único ou multi-círculo em cada posição de ângulo pode ser feita. No caso de distribuição tipo fixo, a calha de distribuição é posicionada conforme ângulo de inclinação designado para distribuir material a um ponto designado. Distribuição setorial também pode ser feita com equipamento de carregamento de topo sem sino. Normalmente gás nitrogênio é usado para equalização.

A altura da carga dentro do forno (linha de estoque) é controlada por meio de duas hastes de estoque. Detecção contínua do nível de carga é feita automaticamente durante produção normal através das hastes de estoque que são automaticamente baixadas junto com o nível de carga. A haste de estoque sobe ao atingir o nível designado. O nível de carga é indicado na sala de controle.

A casa de vazamento é geralmente de forma retangular com cobertura de aço com inclinação 1:12 e colunas de concreto armado. Janelas de ventilação são normalmente previstas no projeto da cobertura. A casa de vazamento é equipada com pistola de lama operada hidraulicamente e máquina de perfuração de orifício de vazamento operada hidraulica/pneumaticamente. A casa de vazamento é geralmente totalmente despoeirada por sistema de filtro de mangas.

O gás de alto-forno gerado no MAF é retirado por 4 tomadas, então 4 subidas, e então 2 subidas que se reúnem em 1 descida que finalmente vai ao coletor de pó. O gás de topo do alto-forno tem temperatura normal na faixa de 100 °C a 300 °C com máximo de 400 °C. Ambas as subidas no topo do forno são equipadas com 1 válvula de sangria geralmente acionada por cilindro hidráulico. O coletor de pó funciona por princípio de gravidade e remove poeira grossa do gás de alto-forno. O gás de alto-forno do coletor de pó é limpo adicionalmente em sistema de limpeza a úmido consistindo de saturador e lavadores primário e secundário ou em sistema de limpeza a seco consistindo de filtros de manga de baixa pressão usando gás nitrogênio para sopro reverso da poeira.

A operação do MAF é similar à dos altos-fornos convencionais grandes. Quando os materiais de carga, nomeadamente carga de ferro (sinter/pelotas e minério em grumos), agente redutor (carvão vegetal ou coque de alto-forno) e fundente (calcário e dolomita), carregados no topo do alto-forno, descem pelo eixo, são pré-aquecidos pelos gases quentes ascendentes do cadinho e pelo sopro quente introduzido através dos tuyeres localizados na parte inferior do eixo, logo acima do cadinho.

O ar aquecido queima a maior parte do coque de alto-forno carregado do topo para produzir o calor requerido pelo processo e fornecer gás redutor que remove oxigênio da carga de minério. O ferro reduzido funde e escorre para o fundo no cadinho. O fundente combina-se com impurezas no minério para produzir escória, que também funde e se acumula sobre o ferro gusa no cadinho. De tempos em tempos, o ferro gusa líquido e a escória líquida são drenados do forno através do orifício de vazamento.

Atualmente MAFs são equipados com injeção de carvão pulverizado (PCI) feita no nível do tuyere. MAFs modernos podem ter taxa de PCI de até 150 kg/t de FG. Os parâmetros operacionais comuns de MAFs são dados na Tabela 2.

Tabela 2: Parâmetros operacionais de MAFs

Nº	Parâmetro	Unidade	Valor
1	Disponibilidade do forno	número de dias	330–350
2	Sinter na carga	%	Cerca de 80
3	Taxa de minério	kg/t FG	1600–1700
4	Taxa de combustível	kg/t FG	550–600
5	Taxa de coque de alto-forno	kg/t FG	420–450
6	Taxa de PCI	kg/t FG	120–150
7	Temperatura do sopro	°C	1100–1200
8	Pressão do topo	kg/cm²	0,3–1,0
9	Taxa de escória	kg/t FG	300–380
10	Produtividade do AF	t/m³/dia	2–3
11	Enriquecimento de oxigênio do sopro	%	Cerca de 3

Consumo típico de utilitários no MAF é dado na Tabela 3.

Tabela 3: Consumo típico de utilitários em MAFs

Nº	Parâmetro	Unidade	Valor
1	Sopro de ar	Nm³/t FG	Cerca de 1800
2	Geração de gás de AF	Nm³/t FG	Cerca de 900
3	Vapor	kg/t FG	Cerca de 50
4	Eletricidade	kWh/t FG	Cerca de 120
5	Nitrogênio	Nm³/t FG	Cerca de 2
6	Ar comprimido	Nm³/t FG	Cerca de 0,3

O sistema de automação de MAFs geralmente tem características de forte funcionalidade, alto desempenho padrão, alta confiabilidade, fácil capacidade de expansão, capacidade abrangente de comunicação, fácil implementação e estrutura distribuída, e fácil operação. Normalmente tem alto nível de anti-interferência eletromagnética e anti-choque, bem como capacidade de processamento modular e capacidade de reflexo instantâneo.

Controle e supervisão da operação de todo o MAF é geralmente realizado a partir da sala de controle do MAF, localizada normalmente próxima à plataforma de trabalho do MAF. O sistema de controle normalmente consiste em estações de supervisão, CLP principal, alarmes, intertravamentos e proteções. Uma estação remota também é geralmente instalada na sala de controle de manuseio de matéria-prima. O sistema é ligado através de rede. Um sistema de supervisão é geralmente usado para controle de parâmetros de processo, registro de tendências e log de alarmes. Vários instrumentos de campo são instalados para medir e controlar todos os parâmetros de processo. Algumas das medições importantes incluem: (i) medições de pressão, (ii) medições de temperatura, (iii) medições de vazão, (iv) medições de nível de poeira do gás de AF, (v) medições de nível de estoque, ângulo de calha e grau de abertura de válvula de estrangulamento, (vi) medição de peso de materiais de carga e muitos mais. Cabine de controle para operação de equipamentos da casa de vazamento está localizada na própria casa de vazamento em local seguro de onde o operador pode visualizar os equipamentos.

Sistema de resfriamento a água do MAF normalmente requer água industrial de forma contínua nas áreas que incluem: (i) resfriamento da carcaça do alto-forno, (ii) resfriamento de tuyeres e resfriadores de tuyere, (iii) sistema de limpeza de gás no caso de limpeza a úmido, (iv) granulação de escória, (v) resfriamento do sistema hidráulico do topo do AF, (vi) resfriamento do sistema hidráulico da pistola de lama/máquina de perfuração. Toda a água é recirculada. Um tanque de água elevado é normalmente previsto para atender requisitos de emergência durante falha de energia. Os principais parâmetros relacionados a todos os sistemas de água são monitorados através do sistema de supervisão a partir da sala de controle.