Casa de Carga do Alto-Forno: Gestão de Matérias-Primas para Produção de Ferro-Gusa

Um alto-forno (AF) necessita, para a produção de ferro-gusa (FG), de: (i) matérias-primas ferrosas como sinter, pelotas e minério de ferro calibrado (também conhecido como minério de ferro dimensionado); (ii) combustíveis e redutores como coque de alto-forno, coque miúdo e carvão pulverizado; (iii) materiais fundentes como calcário, dolomita e quartzo; e (iv) materiais diversos (também chamados de "aditivos") como minério de manganês e minério de ferro titanífero. Todos esses materiais, exceto o carvão pulverizado — que é injetado no alto-forno no nível dos tubos de sopro — são carregados no forno pelo topo e manuseados através da casa de carga.

Sistema de Carregamento do Alto-Forno

O sistema de carregamento do alto-forno consiste em duas áreas principais: o sistema da casa de carga e o equipamento de carregamento no topo. O objetivo é permitir que as matérias-primas sejam colocadas dentro do forno de forma precisa, consistente, previsível e controlada. Na casa de carga, realiza-se a pesagem e dosagem das matérias-primas para sua entrega ao equipamento de carregamento no topo. Este equipamento tem a função de entregar as matérias-primas ao topo do forno e distribuí-las em seu interior. A finalidade da casa de carga é fornecer as quantidades corretas de coque, materiais ferrosos, fundentes e aditivos ao forno o mais rápido possível, mantendo o alto-forno em desempenho operacional máximo.

Evolução Histórica da Casa de Carga

A casa de carga é a área onde os tipos individuais de matérias-primas são armazenados e depois medidos na ordem prescrita para entrega ao topo do alto-forno. A casa de carga típica do início dos anos 1900 era construída como uma fossa profunda no solo, e vagões ferroviários moviam-se sobre ela descarregando as matérias-primas nestes silos de armazenamento. A casa de carga é agrupada em três seções de silos, geralmente compreendendo silos de coque, silos de materiais ferrosos, e silos de fundentes e aditivos. Tipicamente, cada um desses tipos de silos é dividido em seções simétricas em ambos os lados da linha central do forno. Nos anos 1920 a 1950, o tamanho da casa de carga aumentou e passou a ser construída como uma estrutura parcialmente acima e parcialmente abaixo do solo para acomodar mais tipos de silos e maiores quantidades.

Dosagem e Automação

Desde o início dos anos 1900, o método de medir as matérias-primas e entregá-las ao vagão de carregamento (skip) era por meio de um vagão-balança móvel que se movia sob os silos. Um operador abria manualmente a comporta do silo e pesava a quantidade necessária, prosseguindo para o próximo silo. Com o aumento da demanda de produção nos anos 1980, o sistema de vagão-balança existente foi modernizado para diminuir o tempo de coleta. As operações das comportas dos silos foram mecanizadas e, em muitos casos, os vagões-balança foram ligados a um sistema computadorizado que rastreava os materiais por peso, proporcionando melhor controle e precisão e eliminando grande parte do trabalho físico. A adição de silos de espera entre o vagão-balança e os vagões de carregamento permitiu ao operador mais tempo para coletar os diferentes materiais sem atrasar o movimento dos vagões.

Tipos de Casa de Carga Automatizada

A casa de carga automatizada é normalmente de dois tipos distintos:

Tipo 1: Sistema de Alimentadores e Transportadores

Substitui o vagão-balança sob os silos por um sistema de alimentadores e transportadores de correia. Transportadores separados são fornecidos para cada tipo de matéria-prima (coque, materiais ferrosos, fundentes e aditivos), sobre os quais fileiras de silos de armazenamento são montadas, com alimentadores vibratórios para descarregar os materiais dos silos para os transportadores. Para coque e materiais ferrosos, uma peneira vibratória está localizada na descarga de cada transportador para peneirar o material e alimentar os tremonhas de pesagem. Este sistema continua a alimentar tremonhas de pesagem à frente dos vagões de carregamento.

Tipo 2: Estrutura de Silos Acima do Solo

Uma grande estrutura de silos de armazenamento construída inteiramente acima do solo e bem afastada do alto-forno. Usada quando transportadores de correia levam a carga ao topo do forno em vez de vagões de carregamento. O enchimento dos silos é feito por sistema de transportadores. As matérias-primas são retiradas dos silos por alimentadores vibratórios e transportadores de correia para tremonhas de pesagem, que descarregam o material no transportador principal por meio de um transportador coletor. As tremonhas de pesagem são programadas para pesar as matérias-primas na ordem correta no transportador principal até o topo do forno.

A automação da casa de carga aumentou significativamente a capacidade de produção, melhorou a eficiência operacional e eliminou variações operacionais causadas por operadores e equipamentos. No entanto, na prática, uma casa de carga moderna e automatizada pode ser bastante complexa, podendo ser alimentada por transportadores que descarregam em transportadores distribuidores para diversos silos. O layout de transportadores e equipamentos pode ser arranjado de numerosas formas.

Processamento de Materiais e Controle

Tanto o coque quanto os materiais ferrosos são tipicamente peneirados, e outro transportador remove os finos. Os materiais podem ser amostrados, analisados e rastreados por computador, permitindo ao operador controlar precisamente a variação química nos materiais de entrada do forno. A umidade do coque é monitorada e correções de pesagem são feitas para assegurar o peso seco desejado na carga. Esse monitoramento tanto dos materiais carbonosos quanto dos ferrosos permite melhor controle da condição térmica do alto-forno e ajuda a reduzir as taxas globais de combustível.

Funções e Instalações Típicas

A casa de carga, junto com o sistema de equipamento de carregamento no topo do alto-forno, é a instalação-chave para atingir a distribuição de carga desejada em um alto-forno moderno. Seu papel é permitir o dimensionamento multi-fracionário de coque e carga ferrosa, incluindo material peneirado ou não peneirado, bem como o rateio flexível de diferentes granulometrias. Isso é a base para a aplicação eficiente do sistema de carregamento no topo, pré-requisito para a operação avançada do alto-forno hoje.

As funções da casa de carga são: (i) receber diversos materiais de suas respectivas unidades de armazenamento ou produção, principalmente por transportadores; (ii) fornecer armazenamento por duração suficiente; (iii) realizar a descarga dos materiais de carga na sequência desejada e na taxa requerida para atender à necessidade do AF; (iv) prepará-los por peneiramento e colocá-los nas quantidades e camadas desejadas no transportador que os leva ao equipamento (vagão ou transportador) que transporta estes materiais da casa de carga ao equipamento de carregamento no topo do alto-forno.

Matérias-primas pesadas são coletadas em modo de lote governado por um programa de carga e entregues ao topo do forno por vagão de carregamento ou transportador de correia. O tamanho do alto-forno, seus requisitos de produtividade e o plano de área disponível impactam na determinação se vagão ou transportador é o meio para levar as matérias-primas ao topo. Os materiais são então colocados no forno pelo equipamento de carregamento no topo, também controlado pelo programa de carga.

A casa de carga do alto-forno desempenha papel muito importante na operação eficiente, pois a produção do nível desejado de ferro-gusa depende largamente da qualidade, consistência e quantidade das matérias-primas e da sequência de sua alimentação.

Recebimento e Manuseio de Materiais

Os materiais de carga são recebidos na casa de carga através de uma casa de junção. O coque de AF é geralmente manuseado por dois transportadores (um de reserva) de largura e capacidade requeridas. Similarmente, materiais ferrosos são normalmente manuseados por dois transportadores (um de reserva). Fundentes e aditivos são geralmente manuseados por um transportador de reserva. A casa de carga geralmente tem vários silos de armazenamento de capacidade total requerida para cada material de carga.

Coque e materiais ferrosos são peneirados em peneiras de capacidade requerida para remoção de finos. Peneiras vibratórias são normalmente usadas. Para fundentes e aditivos, normalmente não há peneiras vibratórias, apenas alimentadores para descarga dos silos e colocação dos materiais no transportador. Em alguns altos-fornos, há previsão de peneiramento duplo para coque e materiais ferrosos. Para peneiramento de coque, chapas perfuradas são geralmente usadas. A peneiração de materiais ferrosos é geralmente feita por peneiras de grelha.

O material peneirado é alimentado ao transportador inclinado para manuseio de carga ao topo através de um transportador horizontal. Cada material é alimentado simultaneamente por duas balanças de tremonha de acordo com o programa de carga predeterminado. Transportadores ou vagões para manuseio de carga ao topo têm a capacidade necessária e operam continuamente. No caso de transportadores, os materiais são posicionados em lotes separados em certos intervalos e em certa sequência conforme o programa. Sistema automático é normalmente fornecido para dosagem, pesagem e alimentação da carga ao topo do forno. Todos os equipamentos na casa de carga são dimensionados baseados em cálculos compreendendo filosofia de controle e cronogramas de tempo.

Controle de Poluição

A casa de carga também é provida de todos os equipamentos necessários de controle de poluição para controlar poeira conforme normas. O ar de exaustão é geralmente direcionado à planta de limpeza de ar de capacidade requerida para limpeza antes de sua descarga no ambiente. A planta de limpeza de ar é geralmente equipada com precipitadores eletrostáticos. O teor de poeira do ar é normalmente reduzido a 0,1 g/m³. A poeira coletada é geralmente aglomerada em planta de granulação para uso na planta de sinter.

Considerações de Projeto para Planejamento da Casa de Carga de Grande Alto-Forno

Passos necessários para dimensionamento dos equipamentos da casa de carga:

• Capacidade de ferro-gusa em ton/dia é determinada baseada no volume útil e produtividade do alto-forno.
• Qualidades e tipos de matérias-primas: minério calibrado, sinter, pelotas, coque, coque miúdo, calcário, dolomita, minério de manganês, minério titanífero. Em grandes altos-fornos, normalmente usam-se dois tamanhos de sinter (10-30 mm e 5-10 mm) e dois de coque (50-75 mm para carga central e 25-50 mm para carga periférica). Minério calibrado: 10-30 mm. Pelotas: 8-16 mm. Coque miúdo: 8-25 mm. Calcário, dolomita, quartzo: 6-30 mm.
• Para flexibilidade na carga ferrosa, consideram-se os três materiais com razão típica sinter:minério:pelota = 70:15:15. Cálculo deve considerar qualidade e consumo específico esperado.
• Valor para taxa total de combustível (kg/t FG). Três alternativas: (i) taxa de coque sem injeção de carvão pulverizado; (ii) taxa de coque com injeção; (iii) taxa de coque miúdo.
• Sequência de carga: geralmente uma carga tem dois lotes. Lote 1: coque (central e periférico). Lote 2: materiais ferrosos, fundentes, coque miúdo e aditivos.
• Espessura das camadas de minério e coque (mm) no diâmetro da garganta do AF. Minério: ~700 mm. Coque: ~700 mm (carga "todo coque"); com injeção de carvão pulverizado: ~500 mm. O volume de matérias-primas assume importância. O número de cargas por dia é fator importante no projeto. O número de cargas também decide o tempo disponível na casa de carga para formar cada lote.
• Número de silos e seu dimensionamento depende do volume de armazenamento (baseado em dias de consumo) necessário para cada matéria-prima.
• Silos também para finos gerados após peneiramento.
• "Taxa de recuperação" ou "fator de enchimento forçado": razão entre cargas disponíveis por dia (baseado no projeto dos equipamentos) e cargas requeridas por dia para produção alvo. Valor típico: 1,3.
• Baseado no tempo disponível para formação de cada lote (coque e ferrosos), determina-se o número total de equipamentos (alimentadores vibratórios, peneiras, tremonhas de pesagem) operando simultaneamente.
• Desenvolvimento de cronograma (cyclogram) considerando operação do equipamento de carregamento no topo (topo sem sino) e tempo de operação de todos equipamentos da casa de carga. Dois cronogramas: um com "taxa normal" e outro com "taxa de recuperação".
• Dimensionamento de todos equipamentos: comportas, alimentadores, peneiras, tremonhas de pesagem, transportadores de correia, incluindo transportador principal de carregamento alimentando nas tremonhas de recepção do equipamento de carregamento no topo. Equipamentos dimensionados baseados na opção preferida de carga de coque (com ou sem injeção de carvão pulverizado) com flexibilidade para a outra opção.

Gestão de Carga na Casa de Carga e Topo do Forno

Atualmente, altos-fornos modernos operam com variações nos materiais de carga, às vezes necessitando usar cerca de 50 tipos alternativos no sistema de carregamento. O operador configura a matriz de carga considerando regras baseadas na planta programadas no software.

A complexidade da matriz do operador é validada por diferentes regras antes de baixar para o programa de carga ativo, cuidando de entradas erradas e condições anormais. A matriz pode ser baixada a qualquer estágio. Coque extra pode ser carregado a qualquer momento. Qualquer lote pode ser distribuído em 11 posições no forno, parametrizado na tela HMI da matriz da casa de carga.

Existem vários conjuntos de matrizes de espera para diferentes condições do forno embutidos no software, adicionando flexibilidade. Há flexibilidade de usar qualquer material em qualquer silo; a casa de carga pode operar com silos inativos ajustando a entrada nos ativos. Tremonhas de pesagem podem ser selecionadas automaticamente durante execução de qualquer lote. Sistema totalmente automatizado de enchimento do topo por sistema de manuseio de matérias-primas torna a alimentação do alto-forno uma operação suave.

Dependendo do projeto, o sistema opera em filosofia de "pesagem na entrada" ou "pesagem na saída". O software compensa erro de pesagem na sequência de enchimento no próximo lote para aquele material. O operador pode selecionar filosofia de carga em sanduíche durante descarga das tremonhas. Controle definido pelo operador do intervalo entre lotes consecutivos pode ser inserido para otimizar tempo de transporte de carga ao mínimo e evitar desarme do transportador principal.