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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ
FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
Processo metalúrgico de produção de ferro gusa com ênfase no
balanço material e balanço energético
NEYVALDO DA SILVA LOPES
MARABÁ-PA 2009
2
Neyvaldo da Silva Lopes
Processo metalúrgico de produção de ferro gusa com ênfase no
balanço material e balanço energético
.
Marabá
2009
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Faculdade de Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Pará como parte dos pré-requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Materiais, Orientado pelo Prof.º M.Sc. Clesianu Rodrigues Lima
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Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação ( CIP) Biblioteca da UFPA, CAMAR II, Marabá, PA
Lopes, Neyvaldo da Silva
Processo metalúrgico de produção de ferro
gusa com ênfase no balanço material e balanço
energético / Neyvaldo da Silva Lopes; orientador,
Clesianu Rodrigues Lima. — 2009.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) -
Universidade Federal do Pará, Campus Universitário de
Marabá, Faculdade de Engenharia de Materiais, Marabá,
2009.
1. Siderurgia - Marabá (PA). 2. Ferro - Indústria -
Marabá (PA). 3. Análise metalúrgica. I. Lima, Clesianu
Rodrigues, orient. II. Título.
CDD: 22. ed.: 669.1098115
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Processo metalúrgico de produção de ferro gusa com ênfase no balanço material e balanço energético
Data de aprovação: 29/06 /2009 Banca examinadora: ___________________________ - Orientador Prof.º M.Sc. Clesianu Rodrigues Lima. Universidade Federal do Pará ___________________________ Prof.º M.Sc. Alacid do Socorro Siqueira Neves Universidade Federal do Pará __________________________ Prof.° Dr. Reginaldo Sabóia de Paiva Universidade Federal do Pará
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Faculdade de Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Pará como parte dos pré-requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Materiais, Orientado pelo Prof.º M.Sc. Clesianu Rodrigues Lima
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DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha família, especialmente aos meus pais Domingos
Pereira Lopes e Maria Aparecida da Silva Lopes que não mediram esforços para que
eu chegasse até aqui, também meus irmãos que com gestos de amigos fieis tem uma
parcela de contribuição mais que especial, também aos amigos do dia a dia que
souberam entender a ausência constante. Um agradecimento mais que especial à
família Pereira Lima pelo apoio, consideração e estima, e por fim minha namorada
Vanessa Costenaro que participou da finalização deste período e colherá comigo os
excelentes frutos desta vitória.
Neyvaldo da Silva Lopes
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AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus pela misericórdia e sabedoria que me tem concedido a cada
dia e pela força que me deu para vencer todas as dificuldades, dificuldades que às
vezes me fizeram pensar: será que vou conseguir? Porém Deus com sua grandiosa e
incalculável onipotência me impulsionou adiante e me deu forças que nem eu sabia que
tinha e me permitiu mais esta conquista.
Agradeço também ao meu orientador Prof.º M.Sc. Clesianu Rodrigues Lima pela
amizade, dedicação e atenção que me forneceu, pela vontade e o pronto atendimento
quando lhe foi proposto orientar este trabalho e encarar este desafio, mostrando se
bastante prestativo fato este que fez com que o respeito que eu já nutria por ele como
pessoa e como profissional, fosse ratificado. Agradeço ainda meus familiares, em
especial meus pais e meus irmãos, que me incentivaram mesmo nos momentos mais
difíceis durante todos os anos acadêmicos.
É com muita alegria e muita emoção que encerro este período ta especial da
minha vida em que grandes e verdadeiras amizades foram construídas.
Obrigado a todos pela grande contribuição!
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SUMÁRIO
RESUMO.............................................................................................................. LISTA DE TABELAS........................................................................................... LISTA DE FIGURAS............................................................................................ 1 INTRODUÇÃO................................................................................................
2 OBJETIVOS....................................................................................................
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..........................................................................
3.1 ALTO-FORNO................................................................................................
3.2 EQUIPAMENTOS DE DESCARGA DE MATÉRIAS PRIMAS.......................
4 OS REGENERADORES DE CALOR.............................................................
4.1 COWPERS......................................................................................................
4.2 GLENDONS....................................................................................................
5 MATÉRIAS PRIMAS......................................................................................
6 BENEFICIAMENTO DO MINÉRIO DE FERRO.............................................
6.1 SINTERIZAÇÃO..............................................................................................
6.1.1 Características do sinter para uso em altos-fornos.............................
6.2 PELOTIZAÇÃO...............................................................................................
6.2.1 Processo de pelotização.........................................................................
6.2.1.1 Formação de pelotas............................................................................
6.3 CARVÃO.........................................................................................................
7 DESCRIÇÃO DO PROCESSO.......................................................................
7.1 CARACTERÍSTICAS DO MINÉRIO PARA USO EM ALTO-FORNO.............
7.1.1 Análise química.......................................................................................
7.1.2 Redutibilidade..........................................................................................
7.1.3 Distribuição granulométrica...................................................................
7.1.4 Resistência mecânica.............................................................................
8 DESCRIÇÃO DAS ZONAS DO ALTO-FORNO.............................................
8.1 ZONA GRANULAR.........................................................................................
8.2 ZONA DE AMOLECIMENTO E FUZÃO.........................................................
8.3 ZONA DE GOTEJAMENTO............................................................................
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8.4 ASPÉCTOS IMPORTANTES DA ZONA GRANULAR....................................
8.4.1 Detalhes da degradação na zona granular............................................
9 COMPARAÇÃO ENTRE ALTOS-FORNOS A COQUE E A CARVÃO
VEGETAL.......................................................................................................
9.1 PRODUÇÃO....................................................................................................
9.2 DIÂMETRO DO CADINHO.............................................................................
9.3 ALTURA DO ALTO-FORNO...........................................................................
9.4 REGENERADORES.......................................................................................
9.5 PRODUTIVIDADE...........................................................................................
9.6 VOLUME DE ESCÓRIA..................................................................................
9.7 BASICIDADE BINÁRIA DA ESCÓRIA (CaO/SiO2).........................................
9.8 FERRO GUSA.................................................................................................
9.9 COMPOSIÇÃO TÍPICA DAS ESCÓRIAS.......................................................
10 BALANÇOS DE MASSA E TÉRMICO DO ALTO-FORNO............................
10.1 BALANÇO DE MASSA DO ALTO-FORNO..........................................
10.1.1 Exemplo de dimensionamento de carga...............................................
10.1.2 Sistema da injeção de finos de carvão..................................................
10.1.3 Balanço de massa para o ferro..............................................................
10.1.3.1 Observações importantes referentes ao balanço de ferro.....................
10.1.3.2 Cálculo do peso de minério de ferro a ser carregado............................
10.1.4 Balanço de massa para o calcário (óxido de cálcio).........................
10.1.4.1 Cálculo do peso de calcário a ser carregado.........................................
10.2 BALANÇO TÉRMICO DO ALTO-FORNO.................................................
10.2.1 Balanço térmico global do alto-forno..................................................
10.2.2 Perdas térmicas.....................................................................................
10.2.3 Zona de preparação..............................................................................
10.2.4 Zona de elaboração...............................................................................
10.3 OBSERVAÇÕES IMPORTANTES............................................................
11 RESUMO DO MODELO OPERACIONAL....................................................
11.1 BALANÇO ENERGÉTCO DA ZONA DE PREPARAÇÃO..........................
11.2. BALANÇO ENERGÉTICO DA ZONA DE ELABORAÇÃO........................
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11.3. ENTRADAS DE CALOR............................................................................
11.3.1 Calor de aquecimento do ar.................................................................
11.3.2 Calor de aquecimento da carga que vem da zona de preparação....
11.4 SAÍDAS DE CALOR..................................................................................
11.4.1 Calor de aquecimento da escória.........................................................
11.4.2 Calor de aquecimento dos gases da zona de preparação................
11.4.3 Calor das reações endotérmicas.........................................................
11.4.4 Calor das reações endotérmicas.........................................................
12 CONCLUSÕES.............................................................................................
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................
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RESUMO
A metalurgia do ferro consiste basicamente na redução dos seus óxidos por meio de
um redutor, o qual, em geral, é um combustível carbonado. Os materiais carregados no
alto-forno: minério, combustível que é o redutor e adições de fundentes, durante o
processo de redução, transformam-se nos seguintes produtos: ferro gusa, escória, o
gás de alto-forno e poeira. O minério de ferro, calcário, o seixo e o coque ou o carvão
vegetal são as principais matérias primas neste processo que utiliza carga metálica e
combustível que descem em contra corrente com o ar quente soprado. A operação de
um alto forno é rica em detalhes. Por isso existe a necessidade de estudos específicos
e aperfeiçoamento nos cálculos de balanço, seja de massa ou balanço térmico bem
como nos parâmetros técnicos e operacionais para que as atividades de produção
deste equipamento tenham a eficiência desejada.
Palavras chave: balanço energético, processo metalúrgico, alto forno.
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LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Reações de redução do óxido de ferro
Quadro 2 - Análise química dos minérios de ferro usados em altos-fornos
Quadro 3 - Diferenças importantes entre carvão vegetal e coque
Quadro 4 - Diferenças operacionais entre altos-fornos carvão vegetal e coque
Quadro 5 - Forma inicial da matéria prima que é carregada no alto-forno
Quadro 6 - Entradas e saídas de materiais no processo
Quadro 7 - Representação das entradas e saídas de calor do sistema
Quadro 8 - Resumo do balanço térmico global do alto-forno
Quadro 9 – Balanço térmico na zona de preparação do alto-forno
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Desenho esquemático de um alto forno
Figura 2 – Esquema de carregamento com skip para até o topo do alto-forno
Figura 3 – Sistema de distribuição de carga tipo “duplo cone”
Figura 4 – Sistema de distribuição de carga tipo “Paul Wurth” ou “Bell less”
Figura 5 – Corte na seção do Cowper, mostrando a câmara de combustão.
Figura 6 – Vista geral das instalações de Glendons
Figura 7 – Descrição operacional do alto forno
Figura 8 – Ilustração do comportamento de escoamento dos gases na carga
Figura 9 – Aspecto geral do alto forno e suas respectivas zonas
Figura 10 – Descrição da entrada de matéria prima e reações do alto forno
Figura 11 – Visão geral com ênfase nas entradas e saídas
Figura 12– Descrição das zonas de preparação e elaboração do alto forno
Figura 13– Balanço geral de entradas e saídas de calor no alto forno
Figura 14– Balanço de gases (CO /CO2) na zona de preparação do alto-forno
Figura 15– Detalhe da carga e os gases na zona de elaboração
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1. INTRODUÇÃO
Nos altos-fornos, resumidamente, ocorre fusão e redução do ferro, que passa da
forma de óxido à forma metálica. Neste tipo de equipamento, toda a carga de óxido de
ferro, agentes redutores e combustíveis é adicionada anteriormente ao acendimento do
forno. No carregamento do forno faz-se uma pilha de material no interior do mesmo,
chegando a alturas de 30 metros em alguns casos. Devido a essas características do
processo, são necessárias ao material alimentado algumas propriedades. (CAMPOS e
ASSIS, 1984).
Os altos fornos encerram as atividades da área de produção de gusa, também
conhecida como redução, nome que é dado à reação de retirada de oxigênio da matéria
prima, o seu produto o ferro gusa e a matéria prima principal para a fabricação do aço
na aciaria. Após a dosagem das matérias primas o alto forno é carregado através das
correias transportadoras até o topo, através do sistema de carregamento a matéria
prima é distribuída no interior do alto-forno. Enquanto é carregado o ar aquecido nos
regeneradores de calor (seja cowpers ou glendons) é soprado em altas pressões pelas
ventaneiras que ficam na parte inferior do alto-forno, parte essa que é denominada
zona de combustão. Na zona de combustão o carvão injetado em contato com o ar
aquecido reage e gerando gases a elevadas temperaturas, esses gases sobem, e em
contato com a carga que desce, reagem, reduzindo e fundindo a carga metálica que se
torna pastosa e liquida, originando o ferro gusa e a escória que são vazados através
dos furos de vazamento localizados no cadinho, região inferior da base do alto-forno.
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2. OBJETIVOS
O objetivo do presente trabalho é descrever o processo metalúrgico de produção
de ferro gusa e seus mais diversos parâmetros e variáveis. Objetiva-se também o
detalhamento do balanço material e balanço energético do alto-forno mostrando as
reações químicas envolvidas no processo e suas respectivas energias geradas e/ou
consumidas.
São realizadas também comparações entre as operações nos alto-fornos a
coque e a carvão vegetal detalhando as diferenças mais relevantes. O formato das
matérias primas nas entradas e saídas ao fim do processo também são fatos relevantes
de serem tratados além de dados como produção e produtividade dos alto-fornos.
Um fato de extrema relevância para execução deste trabalho, é que este foi
baseado nas dificuldades de alguns alunos de cursos técnicos em metalurgia e alunos
de engenharia em ter acesso a bibliografias com linguagem técnica operacional, por
isso uma revisão bibliográfica bem clara e objetiva em relação ao processo metalúrgico,
porém com a linguagem utilizada dentro das empresas no dia a dia industrial. Este fato
é de suma importância, pois proporcionará uma fonte de consulta mais próxima da
realidade industrial e dando acesso a linguagem técnica a quem for de interesse, dando
aos alunos contato imediato com a realidade industrial e com os termos e linguagem
técnica importantes para sua formação.
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3. REVISÃO DA LITERATURA
3.1 ALTO FORNO
De acordo com (RIZZO, 2005), alto forno é um reator metalúrgico empregado na
produção de ferro gusa, através do processo de fusão redutora de minérios de ferro em
presença de carvão vegetal ou coque e fundentes, os quais são carregados pelo topo e,
na descida, são transformados pela ação dos gases ascendentes, provenientes da
combustão do carvão com oxigênio soprado pelas ventaneiras, obtendo-se a escória e
o ferro gusa depositados no cadinho e as poeiras e os gases no topo. No interior do alto
forno, estão reagindo sólidos, líquidos e gases. A temperatura varia de 150 °C no topo
até 2100 °C nas regiões inferiores. A figura 1 abai xo mostra um desenho esquemático
de operação de um alto forno.
Fig.1 - Desenho esquemático de um alto forno (CATÁLOGO PAUL WURTH).
De maneira geral é constituído de:
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• Equipamentos de descarga e pesagem de matérias primas;
• Equipamentos de carga no topo do forno;
• O forno propriamente dito;
• Equipamentos para operações em altas pressões;
• Regeneradores de calor.
3.2 EQUIPAMENTO DE DESCARGA DE MATÉRIAS PRIMAS
Os materiais são levados ao topo do alto-forno através de skips ou correia
transportadora. Os dois sistemas são utilizados de maneira indistinta para altos-fornos a
carvão vegetal ou coque. O sistema de correia transportadora tem sido preferido para
os novos projetos. Os skips são constituídos de caçambas puxadas por cabo de aço e
movem-se sobre linhas paralelas e inclinadas em relação à horizontal. As caçambas
podem ser de fundo móvel ou basculante. A figura 2 mostra o sistema de carregamento
dando ênfase ao skip com a caçamba em sua subida para o topo do alto-forno.
(CAMPOS, 1984).
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Fig. 2 - Esquema de carregamento com skip até o topo do alto-forno (CAMPOS, 1984).
Com o material já no topo, existem ainda dois sistemas de carregamento para
dentro do alto-forno:
• O chamado de “duplo cone”;
• E o chamado “Paul Wurth” (ou “Bell less”).
Um outro sistema de distribuição da carga no alto-forno é o chamado sistema de
distribuição com duplo cone, este é mostrado na figura 3 e retrata um aspecto geral do
princípio de funcionamento do equipamento.
Fig. 3 - Sistema de distribuição de carga tipo “duplo cone” (CATÁLOGOS USIMINAS, 1999).
Caçamba tipo skip.
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Nesse sistema, as cargas dos skips ou da correia transportadora são despejadas
em cima do cone superior (cone menor). Depois de cada carga abre-se esse cone,
deixando os materiais escorregar para o cone maior (inferior). Estando o cone superior
fechado, o cone maior é baixado, deixando passar a carga para o interior do forno. O
cone maior é novamente fechado e o ciclo se repete. O objetivo do esquema de duplo
cone é o aproveitamento total do gás de topo do alto-forno, além de não permitir a
saída para a atmosfera desse gás, que carrega uma quantidade muito grande de pó.
(ARAUJO, 1997).
O sistema “Paul Wurth” ou “Bell less” é mostrado na figura 4. O alimentador
(tremonha) é colocado sobre um dos silos do topo a ser alimentado. A válvula de
vedação superior é aberta e a carga desce para o silo. Fecha-se a válvula superior e,
utilizando nitrogênio, equaliza-se a pressão do interior do silo com a pressão do forno.
Após a equalização, abre-se a válvula de vedação inferior, colocando em movimento a
calha rotativa que se encontra na posição de espera e dentro do alto-forno. A válvula de
retenção se abre na medida necessária para que o material escoe do silo no tempo
previsto. Esse tempo de saída do material é igual ao tempo de movimento da calha, de
tal forma que se possa realizar uma distribuição uniforme da carga dentro do reator.
(BRADASCHIA, 1986).
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Fig. 4 - Sistema de distribuição de carga tipo “ Paul Wurth”, (CATÁLOS USIMINAS, 1999).
4. OS REGENERADORES DE CALOR
Se o ar da combustão do carbono do carvão vegetal ou do coque fosse
introduzido nas ventaneiras do alto-forno à temperatura ambiente, maior quantidade de
combustível (carvão vegetal ou coque) seria gasta para gerar o calor necessário ao
processo. Utilizando-se uma parte dos gases de topo do alto-forno para aquecer o ar,
antes de soprá-lo pelas ventaneiras, obtém-se uma considerável economia de
combustível sólido. O ar proveniente dos sopradores (motores elétricos que aspiram o
ar da atmosfera) é pré-aquecido nos regeneradores (ou trocadores) de calor à
temperaturas da ordem de 500 a 1200 oC e, então, é introduzido no alto-forno pelas
ventaneiras, (Catálogos Usiminas).
Os regeneradores de calor utilizados são os “Cowpers” e os “Glendons”. Os
Glendons são regeneradores de calor de menor eficiência, mas com um investimento
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muito menor. Quando se usa Glendons a temperatura do ar alcançada é de 500 a 850 oC. Quando se usa Cowpers a temperatura do ar chega a 1.200 oC, os altos-fornos a
coque sempre utilizam Cowpers como regeneradores de calor. Já os altos-fornos a
carvão vegetal utilizam Cowpers ou Glendons, dependendo do LAYOUT, por isso pode
variar de acordo com a usina. (BRADASCHIA, 1986).
4.1 COWPERS
Os Cowpers são constituídos de uma carcaça cilíndrica de chapa metálica,
revestida internamente de tijolos refratários. Num dos lados existe a câmara de
combustão, formando um ducto de seção circular ou oval, onde é queimado o gás de
alto-forno com o oxigênio do ar. Os gases produtos da queima são CO2, H2O e N2 e
estão em altas temperaturas. (FIGUEREDO e TAVARES, 1983).
Reações
CO(g) + ½ O2(g) = CO2(g) + CALOR Eq. (1)
H2 + ½ O2(g) = H2O(g) + CALOR Eq. (2)
No outro lado do Cowper o volume é ocupado por um empilhamento de tijolos
refratários de formato especial, que podem ter desenhos e dimensões das mais
variadas e formam canais com o máximo de superfície, esta estrutura refratária é para
suportar as solicitações de altas temperaturas deste equipamento, isto pode ser
verificado na figura 5. Os sistemas de produção que utilizam Cowpers geralmente são
sistemas de grandes produções, ou seja, altos-fornos de grandes capacidades e
consequentemente de grandes proporções. Um fato relevante é que a utilização do
sistema aquecimento de gases do tipo cowper é mais eficiente dependo do tipo e
capacidade do alto-forno. O que se observa é que altos-fornos maiores que são em sua
grande maioria operados com coque, utilizam este sistema, ao passo que altos-fornos
menores e que operam em quase sua totalidade com carvão vegetal, utilizam um outro
sistema chamado glendons. (CASTRO, et. ali, 1985).
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Fig. 5 - Corte da Seção do Cowper, mostrando a câmara de combustão, (CAMPOS, 1984).
O cowper funciona de maneira diferente de meia em meia hora, em média. Na
primeira meia hora acontece o aquecimento do cowper: o gás de alto-forno é
introduzido na câmara de combustão juntamente com o ar, onde acontece a queima. O
gás produto da queima, que está em altas temperaturas, passa pelo domo e atravessa
no sentido descendente o empilhamento de refratários, cede calor aos tijolos e sai pela
chaminé para o ambiente. Na outra meia hora, acontece o resfriamento do cowper ou o
aquecimento do ar soprado: fecham-se as entradas de gás de alto-forno e de ar e a
saída de gases de queima. O ar frio é soprado para dentro do cowper e percorre de
baixo para cima o empilhamento de refratários que está quente. O ar é então aquecido
e atinge o domo do cowper, desce ao longo da câmara de combustão e vai direto para
o alto-forno pela tubulação de ar quente. Sendo assim os cowpers são aparelhos que
absorvem calor durante o período em que o gás de alto-forno é queimado na câmara de
combustão e cede calor durante o período em que o ar os atravessa no sentido inverso.
Como o alto-forno sempre precisa de ar quente, normalmente, têm-se três (ou quatro)
Cowpers, sendo dois em aquecimento e um cedendo calor ao ar soprado. (GEERDES,
et. ali, 2007).
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4.2 GLENDONS
Os Glendons são construções em formato retangular e por dentro é constituído
de fileiras de garrafas de ferro fundido, interligadas por canais, ou de tubulações de aço
inox. Os aquecedores metálicos (Glendons) consistem de um conjunto de tubos
centrifugados, de aços ligados, e são projetados para atingir temperaturas do ar de
sopro, de até 850 ºC. Uma visão geral dos glendons pode ser observada na figura 6.
(CAMPOS e ASSIS, 1984).
Fig. 6 - Vista geral das instalações de Glendons (CAMPOS e ASSIS, 1984).
Na parte externa das garrafas de ferro fundido ou das tubulações de aço inox, o
gás de alto-forno é queimado com ar, aquecendo as mesmas. O ar frio é soprado e
passa por dentro das garrafas ou tubulações quentes e se aquece. O aquecimento do
ar de sopro é feito através de aquecedores devidamente projetados, contendo dois ou
três módulos que operam em paralelo. O combustível utilizado para o aquecimento do
ar de sopro pode ser o próprio gás (GAF), dependendo da planta da usina, cerca de
GLENDONS
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40% do volume total do GAF é utilizado para o aquecimento do ar de sopro.
(MATSUDA, 1983).
Diferente do Cowper, o processo de aquecimento do ar no Glendon é contínuo e
depende apenas de uma unidade deste regenerador. Na prática utilizam-se,
simultaneamente, três ou quatro Glendons. (MATSUDA, 1983).
5. MATERIAS PRIMAS
• De acordo com as afirmações de (ARAÚJO, 1997), As matérias primas básicas
da indústria siderúrgica são as seguintes:
• Minério de ferro;
• Carvão;
• Calcário;
• Seixo.
Minério de ferro é a principal matéria prima do alto forno, pois é dele que se extrai
o fero. Os materiais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos,
carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para indústria siderúrgica são
óxidos, sendo eles:
• Magnetita (óxido ferroso- férrico) – Fe2O4 - 72% Fe;
• Hematita (óxido férrico) – Fe2O3 - 69,9% Fe;
• Limonita (óxido hidratado de ferro) - 2FeO3. H2O – 48,3% Fe.
Ainda segundo (ARAÚJO, 1997), o Brasil possui grandes reservas de minério de
ferro de alta qualidade (alto teor de ferro). O minério de ferro é composto por três partes
distintas:
• Útil – parte que contém o ferro;
• Ganga – impurezas sem valor direto;
• Estéril – rocha de onde provém o minério;
O minério de ferro é composto por três partes distintas:
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• Rico – 60 a 70% de ferro;
• Médio – 50 a 60% de ferro;
• Pobre - <50% de ferro.
6. BENEFICIAMENTO DO MINÉRIO DE FERRO
O termo beneficiamento compreende uma série de operações que tem como
objetivo tornar o minério mais adequado para a utilização nos altos fornos. Estas
operações são britagem, peneiramento, mistura moagem, concentração, classificação e
aglomeração, esta ultima a mais importante para siderurgia. A aglomeração visa
melhorar a permeabilidade da carga do alto forno, reduzir o consumo de carvão e
acelerar o processo de redução. Os processos mais importantes de aglomeração são
sinterização e pelotização. (RIZZO, 2005).
6.1 SINTERIZAÇÃO
A sinterização consiste, essencialmente, em após misturar e homogeneizar um
conjunto de matérias-primas (entre elas, os finos de minérios de ferro) contendo certa
umidade, submeter a mistura a uma semi-fusão a temperaturas na faixa de 1200 a
1400 oC. O produto resultante desse processo é denominado sinter. O sinter é, então,
utilizado como matéria-prima para o alto-forno. Quando o processo de sinterização é
bem conduzido, o sinter obtido pode ter propriedades metalúrgicas melhores que as do
minério granulado. (ARAUJO e NASCENTE, 2002).
As matérias-primas para o processo de sinterização são: finos de minérios de
ferro, finos de carvão vegetal ou coque e adições. O minério de ferro que possui
características físicas e químicas para a produção do sinter é denominado sinter feed. A
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suas principal característica é a distribuição granulométrica e o poder de aglomeração a
frio. Geralmente, a distribuição granulométrica do minério de ferro para sinterização é:
• 100 % do material abaixo de 10 mm;
• 45 a 60 % do material entre 5 e 10 mm;
• Menos de 15 % abaixo de 0,074 mm.
Quanto às características químicas, a preocupação maior para os minérios
brasileiros é manter baixos os teores de Al2O3 e constante os teores de SiO2. Os finos
de carvão vegetal ou coque atuam como combustíveis e a sua função é de gerar o calor
necessário para o desenvolvimento das reações de aglomeração. Normalmente, estes
materiais são utilizados na faixa granulométrica de 2 a 5 mm. (MATSUDA, 1983).
As reações de queima do carbono contido no carvão vegetal ou no coque com o
oxigênio do ar são expressas por:
C(s) + ½ O2(g) = CO(g) + calor Eq. (3)
C(s) + O2(g) = CO2(g) + calor Eq. (4)
Nas adições são utilizados materiais que reagem com o minério de ferro durante
o processo e que são responsáveis pela formação dos principais compostos, que vão
dar resistência mecânica ao sinter. A adição mais importante é a cal, CaO, que é usada
em granulometria abaixo de 3 mm. Alguns resíduos gerados nas próprias usinas
siderúrgicas, tais como o pó de alto-forno e a carepa de laminação (rica em FeO),
também podem ser usados como adições na sinterização (CASTRO, 1997). Existem
basicamente dois processos de sinterização. Um deles é intermitente, tendo como
unidade de produção uma panela basculável com fundo de grelha e forno de ignição
móvel. O outro processo é contínuo, emprega uma esteira rolante com fundo de grelha
e forno de ignição fixo. A sinterização se desenvolve de maneira idêntica nos dois
processos e envolve a realização das seguintes etapas:
26
• Carregamento da unidade de produção, panela ou esteira, de modo
intermitente ou contínuo, com a mistura a sinterizar;
• Ignição do combustível sólido na superfície superior da mistura, usando
um forno de ignição;
• Sucção do ar através da mistura. Esta sucção é feita de cima para baixo,
usando um sistema de exaustão;
Aglomeração propriamente dita. A frente de combustão, inicialmente localizada
no topo da mistura a sinterizar, é transportada para o fundo da panela ou esteira pelo
fluxo de ar succionado. Ao longo dessa frente de combustão, ocorrem as principais
reações de sinterização que provocam a aglomeração e dão resistência ao sinter.
Quando a frente de combustão atinge as grelhas, todo o combustível da mistura já deve
ter sido queimado, provocando uma semi-fusão e aglomerando todo o material
carregado na panela ou esteira. (BRAGA e CAMPOS, 1984).
O sinter é originalmente obtido na forma de grandes blocos resultantes da
aglomeração. Esse material é britado e peneirado. A fração com tamanhos superiores a
6 mm constitui o sinter para o alto-forno. A fração inferior a esse tamanho é recirculada
no processo e é denominada finos de retorno. O processo de sinterização apresenta
uma semelhança bastante grande com o ato de fumar um cachimbo. Em ambos faz-se
a ignição pela parte superior, faz-se sucção do ar pela parte inferior e, a cada instante,
pode-se identificar três regiões: uma zona superior de material já processado (sinter ou
cinzas do fumo), uma zona de combustão (ou em brasa) e uma zona de material ainda
não afetado pelo calor (mistura a sinterizar ou fumo). No processo de sinterização, os
gases quentes gerados na zona de combustão, quando succionados pela parte inferior,
levam o calor necessário para o prosseguimento do processo, até que toda a altura do
leito de material tenha sido processado e se transformado em sinter. (Catálogos da
Companhia Siderúrgica Nacional - CSN).
27
6.1.1 Características do sínter para uso em alto-fo rnos
Como está de acordo em (FIGUEREDO e TAVARES, 1984), as características
que são avaliadas em um sinter para uso em altos-fornos são similares àquelas que são
monitoradas nos minérios de ferro granulados. Entretanto, nos minérios de ferro estas
características são basicamente definidas pela natureza desta matéria-prima, ao passo
que no sinter existe uma margem bastante ampla de controle destas propriedades. Os
principais parâmetros que podem ser usados no controle das características do sinter
são a proporção de CaO adicionado (relação CaO/SiO2 no sinter final) e quantidade de
combustível sólido usado no processo. Uma escolha adequada destes parâmetros
permite a obtenção de um sinter com qualidade bastante superior ao dos minérios
granulados. Isso faz com que o sinter seja hoje uma matéria prima essencial para altos-
fornos, especialmente para aqueles de grande porte. Uma composição química típica
de um sinter de minério de ferro é fornecida abaixo:
• Fe total: 57-58 %;
• FeO: 8-10 %;
• SiO2: 5-6 %;
• CaO: 8-9 %;
• MgO: 1-2 %;
• Al2O3: 1 %.
A sinterização permite o emprego de uma carga de minério de ferro constituída
por finos relativamente grosseiros. A pelotização conclui o aproveitamento integral das
minas, pois possibilita a aglomeração dos superfinos. O produto deste processo é
denominado pelota. As pelotas de minério de ferro são normalmente utilizadas nos
processos de redução direta e nos altos-fornos. (GEERDES, et. ali. 2007).
28
6.2 PELOTIZAÇÃO
A pelotização é um processo de aglomeração de partículas ultrafinas de minério
de ferro, através de um tratamento térmico. Esta fração ultrafina (abaixo de 0,15 mm) é
encontrada desta forma na natureza ou gerada no beneficiamento. A pelotização tem
como produto aglomerados esféricos de tamanhos na faixa de 8 a 18 mm, com
características apropriadas para alimentação das unidades de redução, tais como altos-
fornos. (ARAUJO e NASCENTE, 2002).
Como o alto-forno é abastecido antes do início da combustão, são necessários
meios de entrada e circulação de ar e gases de combustão, em todas as regiões da
carga. Por esse motivo, é imprescindível que as partículas, seja de combustível ou
minério de ferro, tenham dimensões grandes o suficiente para que remaneçam lacunas
entre elas. Pela mesma razão, é preciso que estes materiais tenham resistência
mecânica suficiente para suportar o próprio peso da carga do forno, para que não haja
esmagamento e conseqüente obstrução do auto-forno, daí a necessidade de
pelotização, em se tratando de frações finas de minério. Além destes objetivos
principais, a produção de pelotas também permite adição de maior valor agregado ao
produto, sendo possível acrescentar na própria pelota agentes redutores do ferro como
carvão mineral. (MEDEIROS, 2007).
6.2.1 Processo de pelotização
As etapas envolvidas no processo de pelotização podem, de forma genérica, ser
agrupadas em três estágios: Preparação das matérias-primas, formação das pelotas
cruas e processamento térmico. (CASTRO, 1986).
A preparação das matérias primas tem por objetivo adequar as características do
minério de ferro às exigidas para a produção de pelotas cruas. Neste estágio é
preparada a mistura a pelotizar, que pode comportar diferentes tipos de minérios e
aditivos (água, cal dolomítico e betonita), estes utilizados para modificar a composição
química e as propriedades metalúrgicas das pelotas. Em geral, incluem-se neste
estágio as seguintes etapas: concentração / separação, homogeneização das matérias
29
primas, moagem, classificação, espessamento, homogeneização da polpa e filtragem.
(ARAUJO e NASCENTE, 2002).
6.2.1.1 Formação de pelotas
A formação de pelotas cruas, também conhecida por pelotamento, tem por
objetivo produzir pelotas numa faixa de tamanhos apropriada e com resistência
mecânica suficiente para suportar as etapas de transferência e transporte entre os
equipamentos de pelotamento e o de tratamento térmico. (ARAUJO, 2000).
6.3 CARVÃO
Como já foi confirmado por (RIZZO, 2005), O combustível utilizado no alto forno
é o carvão, seja vegetal ou coque, e tem as seguintes finalidades:
• Fornecer calor para as reações;
• Fornecer carbono para a redução do óxido de ferro;
• Indiretamente, fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro.
7. DESCRIÇÃO DO PROCESSO
A obtenção do ferro a partir de óxidos (Fe2O3) é um processo muito antigo e
constitui-se, basicamente, da mistura do óxido (Fe2O3) com o carbono (C) e um sopro
de ar. O oxigênio (O2) do ar reage com o carbono (C), gerando energia e gás redutor
(CO), suficientes para a redução de Fe2O3. Nos processos de redução direta, o óxido de
ferro (Fe2O3) contido no minério de ferro é reduzido por um gás rico em CO e/ou H2. A
redução consiste na retirada do oxigênio que está ligado ao ferro. Em termos globais,
essa redução é expressa por (CAMPOS, 1998). A figura 7 mostra uma descrição
operacional do alto forno.
30
Fig. 7 - Descrição operacional do alto forno (CATÁLOGOS CSN, 1997).
Após a descrição operacional devem-se observar as reações químicas que
ocorrem no interior do alto-forno, por isso é importante acompanhar os dados do quadro
1 a seguir.
Quadro 1 - Reações de redução do óxido de ferro.
Reações de redução
C + ½ O2 = CO Gera energia
Fe2O3(s) + 3 CO(g) = 2 Fe(s) + 3 CO2(g)
Fe2O3(s) + 3 H2(g) = 2 Fe(s) + 3 H2O(g) Redução do óxido
Fonte: (GEERDES, et. Ali, 2007).
Como foi relatado por (CASTRO, 1985), no alto-forno, o Fe2O3 é também
reduzido por um gás contendo CO e H2, ocorrendo às mesmas reações acima. Esse
gás é gerado pela reação do carvão vegetal ou coque com o oxigênio do ar injetado no
forno, conforme expresso abaixo:
31
C(s) + ½ O2(g) = CO(g) Eq. (5)
Na produção de gusa líquido em altos-fornos, o carbono exerce o papel de
combustível, gerando energia suficiente para atender as necessidades do processo, e
de redutor, gerando monóxido de carbono, CO, que é o principal responsável pela
redução do Fe2O3 a Fe metálico. As reações envolvidas são:
C(s) + ½ O2(g) = CO(g) + calor (gera gás redutor, CO, e calor) Eq. (6)
Fe2O3(s) + 3 CO(g) = 2 Fe(s) + 3 CO2(g) (reação de redução) Eq. (7)
Segundo (MATSUDA, 1983), as matérias-primas que contém o carbono com
propriedades adequadas para uso em altos-fornos, são o carvão vegetal que é
resultado da carbonização da madeira e o coque, produto resultante do processo de
coqueificação do carvão mineral. Nos processos de redução direta, o nível de
temperatura alcançado não é suficiente para ocorrer a fusão do ferro e a sua separação
da ganga contida no minério. O produto final é denominado ferro esponja. Esse produto
é sólido e contém toda a ganga existente inicialmente no minério. Sua principal
aplicação é na fabricação do aço em fornos elétricos. No alto-forno, ocorre a fusão do
ferro. Com a fusão, o ferro se separa da ganga do minério. Formam-se duas fases
distintas:
• Uma fase metálica, denominada ferro gusa, que contém ferro e impurezas como
carbono (C), silício (Si), manganês (Mn), fósforo (P), enxofre (S), e etc;
• Uma fase não metálica, denominada escória, que incorpora principalmente a
ganga do minério de ferro. O produto metálico dos três primeiros processos é o ferro-
gusa líquido, que é constituído de ferro (em torno de 94%), carbono (em torno de 4%) e
o restante são os elementos silício (percentagem variável), manganês (também
32
variável), fósforo e enxofre (cujas percentagens dependem das matérias-primas
utilizadas). Nesses processos obtém-se um outro produto líquido, a escória, que é
formada, principalmente, pela ganga do minério de ferro (SiO2, Al2O3), pelos fundentes
(CaO, MgO) e pelas cinzas do coque ou do carvão vegetal. A escória líquida tem uma
densidade inferior à do gusa líquido, permitindo assim, a separação física entre eles.
(BRAGA e CAMPOS, 1984).
A carga sólida do alto forno, constituída de combustíveis/redutores (carvão
vegetal ou coque), minério de ferro (granulado e/ou sínter e/ou pelotas) e,
eventualmente, fundentes, é peneirada, pesada e armazenada em silos. Nos fornos
modernos utiliza-se tremonha de pesagem em cada silo de matéria prima. Os silos são
dispostos e dimensionados de acordo com o planejamento de cada carga (carga
metálica, coque e fundentes). Estes materiais são transportados em silos, até o topo do
alto forno através de correias transportadoras ou sistema de carrinhos (vagonetes ou
skips) que se deslocam sobre trilhos ou ainda cestos com fundo móvel (para altos
fornos pequenos). A carga sólida é carregada de maneira periódica, sendo realizada a
drenagem contínua ou periódica de líquidos (ferro gusa e escória) pela parte inferior,
com a contínua injeção de ar quente e hidrocarbonetos pelas ventaneiras, além da
remoção de gases e pó pelo topo. (RIZZO, 2005).
A sinterização e a pelotização são processos de aglomeração. Neles são
utilizados minérios de ferro em granulometria mais finas. Neste processo, os minérios
são submetidos a um processamento em altas temperaturas (1200-1400 oC), que
provoca a aglomeração das partículas de minério de ferro, formando os produtos
denominados sinter e pelota. No próximo item serão apresentadas as características
desejadas em um minério de ferro, quando ele se destina ao uso em altos-fornos.
(CASTRO, 1986).
7.1 CARACTERÍSTICAS DO MINÉRIO PARA USO EM ALTO-FORNO
(RIZZO, 2005) afirma que as características físicas e químicas dos minérios de
ferro utilizados nos altos-fornos tem um efeito significativo sobre a eficiência e
33
economicidade do processo. As principais características que devem ser avaliadas em
um minério de ferro a ser usado em altos-fornos são:
• Análise química;
• Redutibilidade;
• Distribuição granulométrica;
• Resistência mecânica;
• Crepitação.
7.1.1 Análise química
Conforme já mencionado por (CAMPOS, 1998), o minério de ferro contém além
do ferro (na forma de Fe2O3), outros óxidos, tais como SiO2, Al2O3, MnO2, P2O5 e etc.
De um modo geral, a análise dos minérios de ferro usados em altos-fornos está dentro
das faixas listadas no quadro 2. Normalmente, um aumento nos teores de SiO2 e Al2O3
em um minério causa uma elevação na quantidade de escória formada no alto-forno.
Esse aumento no volume de escória compromete a produtividade do alto-forno e
provoca uma elevação no seu consumo de energia (maiores consumos de coque ou
carvão vegetal). O teor de fósforo tem efeito sobre a qualidade do ferro gusa. O fósforo
contido no minério é integralmente incorporado ao ferro gusa. Desta forma, um
aumento no teor de fósforo do minério causa um aumento no teor deste elemento no
gusa. Para a maior parte das aplicações, o fósforo prejudica a qualidade do ferro gusa e
do aço, eventualmente produzido a partir deste ferro gusa.
Quadro 2 - Análise química dos minérios de ferro usados em altos-fornos.
COMPONENTES TEOR (%) Fe 60 – 68 Fe2O3 86 – 97
SiO2 0,5 – 10
Al2O3 0,3 – 2
Mn (na forma de MnO2) 0,1 - 0,3 P (na forma d P2O5) 0,02 - 0,08
Fonte: (CAMPOS, 1998).
34
Os minérios de ferro costumam possuir também certo teor de álcalis, K2O e
Na2O. Estes materiais tendem a recircular no alto-forno, sendo de difícil eliminação.
Além disso, estão normalmente associados à formação de cascões nos fornos. Estes
cascões reduzem a seção transversal útil dos fornos e reduzem a sua produtividade.
Desta forma, torna-se importante avaliar também os teores destes óxidos nos minérios
de ferro. (CAMPOS, 1998).
7.1.2 Redutibilidade
No alto-forno, o Fe2O3 contido no minério de ferro é reduzido pelos gases que
são gerados no interior do reator de acordo com as reações (1) e (2) listadas
anteriormente (CASTRO, et. ali, 1985). Para uma boa eficiência do processo e um
mínimo no seu consumo de energia, é interessante que o minério de ferro apresente
uma alta velocidade de redução pelos gases. Essa velocidade de redução é
quantificada através de uma propriedade denominada redutibilidade, que é avaliada em
ensaios padronizados de laboratório, que buscam simular condições similares às
encontradas no interior dos altos-fornos. Um dos fatores que mais afeta a redutibilidade
de um minério de ferro é a sua porosidade: quanto mais poroso for o minério, maior
será a sua redutibilidade.
7.1.3 Distribuição granulométrica
O alto-forno é um reator que opera em contracorrente, com os gases tendo um
movimento ascendente e os sólidos, entre eles o minério de ferro, com movimento
descendente. Para se obter uma elevada produtividade do alto-forno é essencial que a
passagem do gás entre as partículas dos sólidos seja a mais fácil possível (elevada
permeabilidade do fornos). Consegue-se facilitar este escoamento do gás usando-se
um minério de ferro com a faixa granulométrica a mais estreita possível (consistente
com as restrições econômicas) e completamente isento de materiais com granulometria
mais finas (denominados genericamente de finos). Estes finos tendem a se alojar nos
35
vazios entre as partículas maiores, obstruindo a passagem do gás. Esta limitação é que
impede o uso de minérios com granulometria abaixo de 6 mm em altos-fornos.
(ARAÚJO, 1997).
Logo a seguir pode ser observada na figura 8, uma ilustração de como se
comporta o fluxo de gases em duas situações diferentes, uma situação de fácil
escoamento e uma situação de difícil escoamento.
Fig. 8 - Ilustração do comportamento de escoamento dos gases na carga (ARAÚJO, 1997).
7.1.4 Resistência mecânica
Quando usados em altos-fornos, os minérios de ferro são submetidos a esforços
de queda (durante o carregamento), abrasão (atrito) e compressão (durante o
movimento descendente no interior do forno). É essencial que os minérios de ferro
suportem estes esforços sem sofrer uma degradação significativa. Caso contrário
ocorrerá uma geração intensa de finos, que comprometem o escoamento gasoso no
forno. Desta forma, os minérios de ferro devem possuir elevada resistência mecânica.
Como os esforços de abrasão e compressão ocorrem simultaneamente com as reações
36
de redução, é importante que o minério mantenha esta elevada resistência, mesmo
quando submetido à redução. (FIGUEREDO e TAVARES, 1984).
8. DESCRIÇÃO DAS ZONAS DO ALTO FORNO
O alto-forno é dividido em zonas específicas como é descrito abaixo. É
importante ressaltar que a zona de preparação está toda dentro da zona granular; a
zona de elaboração tem um pedaço da zona granular, toda a zona de amolecimento e
fusão e toda a zona de gotejamento. Na zona de preparação tudo acontece
(aquecimento e reações) sem o consumo de carbono, já na zona de elaboração tudo
ocorre (aquecimento e reações) com consumo de carbono. A seguir na Figura 9 pode
ser observada a especificação de cada zona do alto-forno. (CASTRO, 1986).
Fig. 9 - Aspecto geral do alto forno e suas respectivas zonas (CASTRO, 1986).
37
8.1 ZONA GRANULAR
Zona onde a carga metálica (sínter e/ou pelota e/ou minério) e o termo-redutor
(carvão vegetal e/ou coque) e mais os fundentes descem sólidos em contra corrente
com os gases. (CASTRO e ASSIS, 1984).
8.2 ZONA DE AMOLECIMENTO E FUSÃO
Zona onde a carga metálica fica no estado de amolecimento, até a fusão
completa;
8.3 ZONA DE GOTEJAMENTO
Zona onde o metal e a escória, já líquidos, escoam através de um empilhamento
de coque (ou carvão vegetal), em contra corrente com os gases. A zona de
gotejamento engloba o homem morto e a zona de combustão. O homem morto é a
coluna de coque (ou carvão vegetal) por onde o metal e a escória gotejam e que não
alimenta a zona de combustão. A seguir são comentados detalhes e curiosidades de
cada zona. (CASTRO, 1997).
8.4 ASPECTOS IMPORTÂNTES DA ZONA GRANULAR
Os estudos de dissecação mostraram que:
• A carga desce na zona granular mantendo sua estrutura estratificada, sem
misturar os materiais;
38
• Tanto a camada de redutor quanto da carga metálica tornam mais finas à medida
que descem no forno;
Existe uma pequena degradação granulométrica do coque e uma grande
degradação granulométrica da carga metálica e do carvão vegetal no interior da zona
granular. (GEERDES, et. ali, 2007).
8.4.1 Detalhes da degradação da carga na zona granu lar
Os óxidos de ferro que compõem a carga metálica, quando são reduzidos geram
tensões dentro das partículas ocasionando quebras. Isto se chama degradação sob
redução. Já o carvão é um material frágil e quebra sob ação de atrito e da carga
pressionando por cima. Por conta de sua maior resistência o coque não degrada na
zona granular. Porém se tiver muitos álcalis (K2O+Na2O) no alto-forno ocasionará uma
maior incorporação no coque e nesse caso o coque irá degradar na zona granular.
(CAMPOS, Dados termodinâmicos, 1984).
O ferro gusa e a escória gotejam através deste empilhamento, em contra
corrente com os gases quentes provenientes da zona de combustão. Os líquidos se
acumulam no cadinho do alto-forno, juntos com o empilhamento de coque ou carvão.
Os estudos de dissecação dos altos-fornos trouxeram muita informação a respeito da
estrutura interna da carga. No entanto, as informações são válidas para um alto-forno
parado. Elas não esclarecem a maneira pela qual a estrutura interna da carga se altera,
por efeito de mudanças nas condições de marcha. Mudanças na forma e tamanho da
zona granular (aumentando ou diminuindo a redução nessa zona), nos níveis térmicos
e na distribuição de gases no alto-forno, estão intimamente relacionadas com a forma e
localização da zona de amolecimento e fusão. Portanto, o conhecimento da maneira de
alterar a forma e a localização dessa zona é da mais alta importância. (ARAÚJO e
CASTRO, 1999).
39
9. COMPARAÇÃO ENTRE ALTOS-FORNOS A COQUE E A CARVÃO VEGETAL
Inicialmente podem ser observadas algumas diferenças importantes entre o
carvão vegetal e o coque quanto as suas características químicas, físicas e
metalúrgicas, estas são mostradas sequência no quadro 3.
Quadro 3 - Diferenças importantes entre carvão vegetal e coque
Item Unidade Carvão vegetal Coque
Carbono fixo % 65-75 ~~88
Materiais voláteis % 25-35 ~~1
Cinza % 2-5 10-12
Enxofre % 0,03-0,10 0,45-0,70
SiO2 % 5-10 50-55
CaO % 37-56 4-5
MgO % 5-7 4-5
Al2O3 % 2-12 25-30
Fe2O3 % 6-13 5-7
P2O5 % 8-12 0,4-0,8
K2O % 15-25 2-4
Na2O % 2-3 1-3 Resistência a compressão Kgf/cm2 10-80 130-160
Faixa granulométrica mm 9-10 25-75
Densidade Kg/m3 180-350 550
Reatividade Kg/m3 Maior Menor Fonte (RIZZO, 2005).
Alguns itens importantes são comparados quando se usa coque ou carvão
vegetal como termoredutor no alto-forno. As mais diversas diferenças serão
demonstradas no quadro 4:
40
Quadro 4 – Comparações entre altos fornos a coque e a carvão vegetal. ITENS COQUE CARVÃO VEGETAL
1.Produção 2.000 a 12.000 t/d 40 a 1.200 t/d
2.Diâmetro do cadinho 8 a 14 m 1,5 a 6 m
3.Altura do alto-forno ~32 m ~16 m
4.Regeneradores Cowpers Cowpers ou Glendons
5.Produtividade > 2 t/d.m3 1,6 a 2,0 t/d.m3
6.Volume de escória 250 a 300 kg/t gusa 100 a 150 kg/t gusa
7.CaO/SiO2 escória > 1,0 < 1,0
8.Gusa %Si<1,0% %Si variável
Enxofre alto Fósforo alto
9.Composição típica das escórias
CaO = 45% CaO = 40%
SiO2 = 35% SiO2 = 45%
Al2O3 = 12% Al2O3 = 12%
MgO = 5% MgO = 2%
Outros = 3% Outros 1%
10.Composição típica da Cinza
CaO = 10% CaO = 35%
SiO2 = 50% SiO2 = 20%
Al2O3 = 25% Al2O3 = 5%
Fe2O3 = 5% Fe2O3 = 10%
Enxofre = 10% MgO = 10%
P2O5 = 5%
K2O + Na2O = 8%
Fonte: (MEDEIROS, 2007).
9.1 PRODUÇÃO
O carvão vegetal tem uma resistência mecânica muito menor do que o coque e
no alto-forno essas matérias-primas funcionam também como sustentação da carga do
reator. Portanto, um alto-forno a carvão vegetal não pode ser tão grande quanto um
alto-forno a coque. Atualmente o maior alto-forno a carvão vegetal produz em torno de
1.200 toneladas de gusa por dia. Um alto-forno maior tornaria o processo inviável.
(GEERDES, et. ali, 2007).
41
9.2 DIÂMETRO DO CADINHO
A produção do alto-forno está associada diretamente com as suas dimensões
internas. O diâmetro do cadinho é um parâmetro que se pode utilizar para comparar os
vários altos-fornos. Como um alto-forno a coque pode ser maior, o diâmetro de seu
cadinho também será maior. (BRAGA e CAMPOS, 1984).
9.3 ALTURA DO ALTO-FORNO
A altura do alto-forno segue também a condição de uma maior ou menor
produção. A tendência atual nos projetos é diminuir na altura e aumentar na área das
seções transversais das diversas partes do reator (cuba, rampa e cadinho), tanto no
alto-forno a coque quanto no alto-forno a carvão vegetal. Isso porque, na prática,
observou-se que o processo funciona melhor nesse projeto de reator. (CAMPOS e
ASSIS, 1984).
9.4 REGENERADORES
O Cowper é um regenerador mais eficiente do que o Glendon. A decisão da
utilização de um ou outro é exclusivamente pelo investimento necessário para as suas
construções. Um alto-forno a carvão vegetal de pequeno porte necessita de um
investimento pequeno para a sua montagem, o que inviabiliza investir muito num
sistema tipo o Cowper. (CASTRO, et. ali, 1985).
9.5 PRODUTIVIDADE
A produtividade é um índice que compara a eficiência dos Altos-fornos de
tamanhos diferentes. Por isso, ela é calculada em toneladas de gusa por dia e por
volume útil do alto-forno em metros cúbicos. Um alto-forno a coque é bem mais
controlado do que um alto-forno a carvão vegetal. O investimento que se faz no controle
de processo num alto-forno a coque é maior do que num alto-forno a carvão vegetal,
justamente por que é um forno maior, onde é viável um maior gasto em equipamentos
42
de controle. Portanto, um alto-forno a coque tem uma maior produtividade do que um
alto-forno a carvão vegetal. (RIZZO, 2005).
9.6 VOLUME DE ESCÓRIA
O teor de cinza do coque é de 10%, em média, e o teor de cinza do carvão
vegetal é bem menor (de 2 a 5%). A cinza ajudará a formar a escória do processo, o
que justifica que um alto-forno a coque terá um volume de escória bem maior.
(ARAÚJO, 1997).
9.7 BASICIDADE BINÁRIA DA ESCÓRIA (CaO/SiO2)
O coque tem um teor de enxofre alto em sua cinza e esse elemento é, na maioria
das vezes, indesejável para a qualidade do gusa. Para diminuir o teor de enxofre do
gusa pode-se trabalhar com uma escória com muito CaO, que é um agente
dessulfurante, e assim o enxofre fica retido na escória. No alto-forno a carvão vegetal o
enxofre não é problema, pois esse elemento praticamente não se encontra na cinza do
carvão vegetal. Mas, em compensação, a cinza do carvão vegetal contém muito álcalis
(K2O + Na2O), que se ficar dentro do alto-forno ataca quimicamente os refratários,
diminuindo a vida útil do reator. Para a retirada dos álcalis pela escória é necessário
que a relação CaO/SiO2 seja menor do que um, o ideal é que seja menor do que 0,8.
(Catálogos da Paul Wurth, 2000).
9.8 FERRO GUSA
O ferro gusa produzido nos altos-fornos a coque é destinado para a produção de
aço e por isso tem um teor de silício menor do que um. O gusa dos altos-fornos a
carvão vegetal pode ter a mesma utilização e também pode ser matéria-prima para as
fundições de ferro fundido, que demandam um silício maior (1,5 a 2,5%). Como na
cinza do carvão vegetal o teor de fósforo é alto e dentro do alto-forno não existem
43
condições ideais para a sua retenção pela escória, o gusa desses altos-fornos tem
como problema a alta percentagem de fósforo. (ARAÚJO e NASCENTE, 2002).
9.9 COMPOSIÇÃO TÍPICA DAS ESCÓRIAS
Como já foi comentado, a escória de um alto-forno a coque tem um maior teor de
CaO e menor teor de SiO2 do que a de um alto-forno a carvão vegetal. Em função de
um menor controle operacional e pela variação grande da composição química do
carvão vegetal, as escórias de altos-fornos a carvão vegetal têm uma variação muito
grande em sua composição química. (ARAÚJO e CASTRO, 1999).
10. BALANÇOS DE MASSA E TÉRMICO DO ALTO-FORNO
Como já foram mencionadas várias vezes o objetivo do alto-forno é transformar o
óxido de ferro (Fe2O3) em ferro metálico (Fe), isto é, retirar o oxigênio que está ligado
ao ferro. A seguir na Figura 10 é mostrado como isso ocorre. (CASTRO et. ali, 1985).
Figura 10 - Descrição da entrada de matéria prima e reações do alto forno (CASTRO et. ali, 1985).
44
Para que esse processo seja eficiente é necessária energia (calor) que é gerada
através da reação do carbono (C) com o oxigênio (O2):
C(s) + ½ O2(g) = CO(g) Eq. (8)
Essa reação libera calor = ∆H°298, = -26,42 kcal/mol. Portanto, as entradas de
materiais no alto-forno são basicamente: Fe2O3; C e O2. Os óxidos que são carregados
no alto-forno e que não são reduzidos saem na escória, que deve estar líquida e fluida
para auxiliar na sua retirada do reator. Para que a escória tenha uma composição
química adequada, que a torne líquida e fluida, outros materiais são utilizados como:
quartzo, calcário, dolomita e bauxita. Eles são chamados de fundentes. A forma inicial
de como esses materiais são encontrados é representada na quadro 5 que vem a
seguir. (ARAÚJO, 1999).
Quadro 5 - Forma inicial das matérias primas que são carregadas no alto-forno.
Materiais Comentários
.Fe2O3 Minério de ferro, sínter e na pelota.
Contém também SiO2, Al2O3, MnO2, P2O5, CaO, MgO e H2O
.C Carvão vegetal ou coque que, além do carbono, têm materiais voláteis, cinza e H2O
Os materiais voláteis do carvão vegetal ou do coque são formados pelos gases CO, CO2, H2 e CH4. A cinza do carvão vegetal ou do coque é formada pelos compostos: Fe2O3, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, P2O5, K2O, Na2O e S (enxofre).
.O2 Ar, que é composto de oxigênio (O2), nitrogênio (N2) e água (H2O)
Fonte: (ARAÚJO, 1999).
Toda a carga entra no alto-forno na temperatura ambiente e o ar é soprado em
altas temperaturas. Podem-se considerar, então, as seguintes entradas no alto-forno.
Dentro do alto-forno alguns óxidos são reduzidos, principalmente o Fe2O3, e os
elementos formados compõem o ferro-gusa líquido, juntamente com um pouco de
45
carbono que é incorporado. O ferro-gusa é formado por ferro (Fe), carbono (C), silício
(Si), manganês (Mn), fósforo (P) e enxofre (S). Os óxidos não reduzidos formam a
escória: sílica (SiO2), alumina (Al2O3), cal (CaO), magnesita (MgO), óxido de potássio
(K2O), óxido de sódio (Na2O), óxido de ferro (FeO) e óxido de manganês (MnO).
(CAMPOS, dados termodinâmicos, 1984).
Os gases produzidos no processo saem pelo topo e são formados por: CO, CO2,
H2, H2O, N2 e CH4. Juntamente com os gases os finos dos materiais carregados saem
pelo topo. O gusa e a escória saem do reator líquidos, em altas temperaturas, e o
gases de topo também saem com uma temperatura superior à ambiente (entre 80 e 200
°C). Portanto, têm-se as seguintes saídas do alto-f orno em resumo no quadro 6 abaixo.
(Apresentação da cemig no sindifer, 2006).
Quadro 6 - Entradas e saídas de materiais no processo.
ENTRADAS SAÍDAS Fe2O3 Fe e FeO
C C SiO2 SiO2 e Si
MnO2 MnO e Mn
P2O5 P
S S
Al2O3 Al2O3
CaO ou CaCO3 CaO
MgO ou MgCO3 MgO
K2O K2O
Na2O Na2O
O2 CO e CO2
N2 N2
H2O H2O
H2 H2
CH4 CH4
Fonte: (CAMPOS dados termodinâmicos, 1984).
46
A seguir no esquema mostrado na figura 11 se tem um exemplo real de materiais
que entram e saem do alto-forno. Ainda nesta figura podem ser observadas todas as
entradas e saídas com ênfase em toda parte de alimentação das matérias primas e os
diversos materiais e gases que saem durante o processo. (Catálogos da companhia
siderúrgica nacional - CSN).
Fig. 11 - Visão geral com ênfase nas entradas e saídas (CAMPOS, dados termodinâmicos, 1984).
Minério de Ferro 1480 kg
______________ Fe = 65,88% SiO2 = 2,10% Al2O3 = 1,17% P2O5 = 0,101% Umidade = 3%
Carvão Vegetal 677 kg
______________ C.fixo = 73% Voláteis = 23,5% Cinza = 3,5% Umidade = 4%
Calcário 99,7 kg
______________ Fe = 0,34% SiO2= 2,19% Al2O3 = 0,65% CaO = 52,68% MgO = 1,12%
Quartzo 44,3 kg
______________ SiO2 = 98,12% Al2O3 = 0,33% Umidade = 1,5%
Gás de Topo 2223 Nm3
______________ CO = 20,31% CO2 = 21,36% H2 = 4,37% CH4 = 1,98% N2 = 51,98% ______________
T = 127 oC
Pó 25 kg ______________ Fe = 12,35% C = 52,31% SiO2 = 5,91% CaO = 1,92% Al2O3 = 1,22%
Gusa 1000 t ______________ Si = 0,5% Mn = 0,5% P = 0,1% Fe = 94,4% C = 4,5% ______________
T = 1350 oC
Escória 150 kg ______________ SiO2 = 45% CaO = 40% Al2O3 = 12% MgO = 2% FeO = 0,5% MnO = 0,5% ______________
T = 1400 oC Ar 1500 Nm 3
______________ T = 720 oC
47
10.1 BALANÇO DE MASSA DO ALTO-FORNO
O objetivo do balanço de massas do alto-forno é determinar as quantidades de
carvão e ar exigidas para produzir gusa a partir de um dado minério e avaliar os efeitos
da alteração dos diversos parâmetros de operação sobre essas quantidades.
Seja ni o número de moles de cada componente que entra no alto-forno e n° o
número de moles que sai, por um mol de ferro contido no gusa. O alto forno em marcha
equilibrada apresenta igualdade entre ni e n° para vários componentes, em especial o
ferro, o carbono e o oxigênio. Consideramos que o ferro entra como óxido e sai como
gusa; o carbono entra como carvão e sai como CO, CO2 e C dissolvido no gusa; o
oxigênio entra nos óxidos de ferro e no sopro e sai como CO e CO2. Por enquanto,
vamos desprezar o Fe que sai na escória e os demais óxidos que não saem na escória.
Existem algumas relações de composições a considerar: (CAMPOS, dados
termodinâmicos, 1984).
(O/C)g = número de moles de O por mol de C no gás de topo.
(O/Fe)x = número de moles de O por mol de Fe no minério.
(O/Fe)m = número de moles de O por mol de Fe no gusa líquido.
Podemos estabelecer algumas equações de balanço de massa:
• Balanço de ferro: nFei = nFe
° = 1
• Balanço de carbono: nC° = nC
g + (C/Fe)m
• Balanço de oxigênio: n°° = nC
g . (O/C)g
n°i = n°
B + (O/Fe)x
Em que n°B é o número de moles de oxigênio introduzidos pelo sopro de ar, por
mol de ferro; nCg é o número de moles de carbono que saem no gás de topo, por mol de
ferro. (MEDEIROS, 2007).
10.1.1 Exemplo de dimensionamento de carga
De acordo com (GEERDES, et. ali, 2007), o dimensionamento de carga no alto-
forno é realizado através da composição química das matérias primas, ou seja, através
48
do balanço de massas. Utilizando uma idéia simples, tudo que entra tem que sair.
Assim tomando como exemplo os seguintes dados iniciais:
• Minério de ferro com composição média de:
• Fe 63,47%, SiO2 7,42%, Al2O3 0,99%, Mn 0,02%;
• Consumo de carbono fixo por tonelada de gusa (CF/Tg):
• 650 Kg Carvão Vegetal para 1290 kg Minério;
Dados complementares:
• Escória objetivada: Al2O3 17%, Índice de Basicidade 0,75, Fechamento 97%.
• Gusa objetivado: Si 2,2%, Mn 0,6%, Fechamento 94%.
Pode-se agora dimensionar a carga a ser enfornada, encontrando o peso de
cada fundente. A seguir tem-se a determinação do peso de minério de ferro para
produzir uma tonelada de gusa:
• PM = (1tonelada de gusa x % ferro): % ferro no minério
• PM = (1000 x 94): 63,47= 1481 kg Minério /Tonelada de gusa
• Desta forma obtêm-se:
• Peso de Al2O3 = 1481x0, 99%= 14,66 kg.
• Peso de SiO2= 1481x7, 42= 110 kg.
• Peso de Mn = 1481x 0,02% = 0,2962kg.
A seguir pode ser observado o cálculo para o peso de minério de manganês:
[(Peso de Mn/Tg): (%incorporado de Mn) - Mn do min de Fe]: (rendimento do Minério de
Mn). Considerando, para o minério de Mn, a seguinte análise química:
• 0,75% Al2O3, 2,25% SiO2 e 17,38% de Mn, obtêm-se:
• Mnkgx
min65,361738,0:)2962,090,0
006,01000( =− Eq. (9)
� De acordo com o peso de minério de Mn adquire-se:
49
� Peso de Al2O3 = 36,65x0, 75%=0,275 kg.
� Peso de SiO2= 36,65x2, 25= 0,825 kg.
Estes valores de carga serão enfornados via minério de manganês.
• O peso de carvão vegetal pode ser calculado da forma a seguir:
• 650 kg Carvão Vegetal para 1290 kg Minério X para 1481 kg Minério /Tg
Obtêm-se 746 kg CV/Tg que considerando com 68% de CF, têm-se 507 kg/Tg.
De posse do peso de minério de Mn, pode-se encontrar agora o peso de Al2O3 total
para adequar o volume da escória. (CAMPOS; dados termodinâmicos, 1984).
10.1.2 Sistema de injeção de finos de carvão vegeta l
Apesar de que a sinterização consome todo o fino de carvão vegetal gerado no
processo, ainda existe em construção a injeção de finos, que irá ser abastecida com
finos de carvão comprado de outras empresas. O funcionamento da injeção de finos
consiste em pulverizar pó de carvão sobre pressão diretamente na zona de combustão
do AF através do algaraviz (parte do sistema de injeção de ar quente do alto forno) por
meio de lanças especiais. Assim o carvão só contribui com o carbono fixo, não
interferindo na marcha do AF, ou seja, na permeabilidade. (CAMPOS e ASSIS, 1984).
O balanço de massa para qualquer processo metalúrgico está baseado na
seguinte expressão: “A matéria não pode ser criada ou destruída em um dado sistema”.
Como o alto-forno é um processo contínuo, que não acumula massa dentro dele, a
massa que entra tem que ser igual à massa que sai. Conhecendo-se as entradas e
saídas dos materiais no alto-forno, o desenvolvimento do balanço de massa é igualar
as massas que entram com as massas que saem. (CAMPOS, 1997).
MASSA QUE ENTRA = MASSA QUE SAI.
50
10.1.3 Balanço de massa para o ferro
O ferro (Fe) entra no alto-forno através do minério de ferro e sai do reator através
do gusa. De forma simplificada, entende-se que a quantidade de ferro (Fe) que entra
com o minério de ferro (Fe) tem que ser igual à quantidade de ferro que sai no gusa.
(ARAÚJO e NASCENTE, 2002).
10.1.3.1 Observações importantes referentes ao balanço de ferro
A cinza do carvão vegetal e os fundentes também contêm ferro, assim como a
escória e o pó do topo. Mas essas quantidades são muito pequenas e podem ser
desprezadas num cálculo de balanço de massa. (GEERDES, et. ali, 2007).
10.1.3.2 Cálculo do peso de minério de ferro a ser carregado
Se o teor de ferro objetivado no ferro-gusa for de 94%, o peso de minério de ferro
(com 66% de ferro) carregado no topo do alto-forno para cada tonelada de ferro-gusa
produzido estará de acordo com (ARAÚJO e NASCENTE, 2007).
Se 1 tonelada (ou 1000 kg) de gusa tem 94% de ferro, o peso de ferro no gusa é:
1000 kg x 94/100 = 940 kg, Portanto, no minério de ferro que entra tem que ter 940 kg
de ferro. Se o minério de ferro tiver na sua composição química 66% de ferro, o balanço
de massa é o seguinte:
• 66/100 x Peso de Minério de Ferro = 940 kg
• Peso de Minério de Ferro = 940/0, 66 = 1424 kg.
Nesse exemplo, para produzir uma tonelada de gusa necessita-se de 1424 kg de
minério de ferro. (CAMPOS; Dados Termodinâmicos 1984).
51
10.1.4 Balanço de massa para calcário (óxido de cál cio)
Outro balanço de massa importante é o balanço de óxido de cálcio (CaO), que
estabelece a quantidade de calcário que deve ser carregada. O óxido de cálcio (CaO)
entra através do calcário e sai através da escória no alto-forno. Logo a quantidade de
CaO que entra no calcário tem que ser igual à quantidade de CaO que sai na escória.
(ARAÚJO e CASTRO, 1999).
10.1.4.1 Cálculo do peso de calcário a ser carregado
Segundo (ARAÚJO e NASCENTE, 2007), se um alto-forno produz 150 kg de
escória com 40% de CaO, o peso de calcário (com 53% de CaO) carregado no topo do
alto-forno será:
Condições:
Se a escória tem 40% de CaO, 150 kg tem o seguinte peso de CaO:
• Peso de CaO na escória = 150 x 44/100 = 60 kg
• Portanto, o calcário tem que ter 60 kg de CaO.
Se o calcário tiver 53% de CaO na sua composição química, o balanço de massa
é o seguinte:
• 53/100 x Peso de Calcário = 60 kg
• Peso de Calcário = 60/0, 53 = 113 kg
De acordo com o exemplo citado anteriormente, para a produção de 150 kg de
escória com 40% de CaO necessita-se de 113 kg de calcário. (CASTRO, 1997).
52
10.2 BALANÇO TÉRMICO DO ALTO-FORNO
Como pode ser observado em (ARAÚJO 1997), Uma vez estabelecido o balanço
de massa pode-se desenvolver o balanço térmico ou balanço de energia. Como
mostrado anteriormente, a carga entra no alto-forno na temperatura ambiente
juntamente com o ar pré-aquecido e os produtos do processo saem em altas
temperaturas (gusa, escória e gases). Além disso, reações químicas ocorrem dentro do
reator sendo que umas geram calor e outras precisam de calor. O balanço térmico
global do alto-forno tem dois objetivos claros:
• Conhecer as entradas e saídas de calor;
• Calcular as perdas térmicas do processo.
Basicamente, são dois tipos de calor (ou entalpia) que estão envolvidos no
balanço térmico do alto-forno:
• Calor de aquecimento
• Calor de reação
10.2.1 Balanço térmico global do alto-forno
As fontes de calor no alto-forno, ou as entradas de calor no processo segundo
(GEERDES, et. ali, 2007), são:
• O calor de aquecimento do ar soprado;
• O calor das reações que liberam calor (reações exotérmicas):
1. C+ 1/2 O2 = CO
2. C + O2 = CO2
53
O consumo de calor no alto-forno, ou as saídas de calor no processo são:
• O calor de aquecimento do gusa;
• O calor de aquecimento da escória;
• O calor de aquecimento dos gases de topo;
• O calor das reações que precisam de calor (reações endotérmicas):
10.2.2 Perdas térmicas
O balanço térmico global do alto-forno pode ser representado também na forma
como mostrado no quadro 7.
Quadro 7 - Representação das entradas e saídas de calor o sistema.
ENTRADAS DE CALOR SAÍDAS DE CALOR
1. Calor de Aquecimento do Ar 1. Calor de Aquecimento do Gusa
2. Calor das Reações Exotérmicas:
C + 1/2 O2 = CO
C + O2 = CO2
2. Calor de Aquecimento da Escória
3. Calor de Aquecimento dos Gases
de Topo
4. Calor das Reações Endotérmicas:
Fe2O3 = 2 Fe + 3/2 O2
SiO2 = Si + O2
MnO2 = Mn + 1/2 O2
CaCO3 = CaO + CO2
H2O = H2 + 1/2 O2
5. Perdas Térmicas
Fonte: (CAMPOS, 1984).
Os valores das parcelas da tabela anterior variam de acordo com a prática
operacional do alto-forno. Um exemplo típico é mostrado na Tabela 8. A unidade caloria
54
(cal) é a mais utilizada para determinar os calores, como os valores são altos utiliza-se
também a quilocaloria que tem como símbolo “kcal”. Para se ter uma idéia da ordem de
grandeza dessa unidade, 400 kWh (que é o consumo médio mensal de energia de uma
residência com quatro pessoas) equivalem a 344.000 kcal. A seguir o quadro 8 mostra
um resumo do balanço térmico. (CAMPOS e ASSIS, 1984).
Quadro 8 - Resumo do Balanço térmico global do alto forno.
ENTRADAS DE CALOR SAÍDAS DE CALOR
kcal Kcal
1.Calor de aquecimento do ar
347.547 1.Calor de Aquecimento do gusa
294.080
2.Reações Exotérmicas
2.Calor de Aquecimento da Escória
82.746
C + ½ O2 = CO 473.446
C + O2 = CO2 1.784.487
3.Calor de Aquecimento dos gases de topo
77.005
4.Reações Endotérmicas
Fe2O3 = 2 Fe + 3/2 O2 1.658.931
SiO2 = Si + O2 38.626
MnO2 = Mn + 1/2 O2 11.311
CaCO3 = CaO + CO2 40.057
H2O = H2 + 1/2 O2 96.353
5. Perdas Térmicas 303.371
Total 2.605.480 Total 2.605.480
Fonte: (ARAÚJO, 2000).
Algumas observações importantes são sugeridas por (BRAGA e CAMPOS,
1984), em relação ao fato de que a maior entrada de calor é devido à queima de
carbono (87% do total que entra). A maior saída de calor é devido à redução do óxido
de ferro (64% do total que sai). As Perdas Térmicas Globais têm um valor próximo do
calor que sai com o gusa (Calor de Aquecimento de Gusa).
55
Relembrando dos textos aspectos internos e modelo operacional a dissecação
do alto-forno determinou a sua divisão em:
• Zona granular
• Zona de amolecimento e fusão
• Zona de gotejamento
O modelo operacional do alto-forno segundo (BRADASCHIA, 1986), divide-se
em:
10.2.3 Zona de preparação:
• Onde o carbono não reage.
10.2.4 Zona de elaboração:
• Onde o carbono reage com o CO2;
• Onde o carbono incorpora no gusa;
• Onde o carbono reage com o oxigênio do ar na saída das ventaneiras.
Na zona granular só existem as fases sólidas e gasosas. Na zona de
amolecimento e fusão começa a formação do primeiro metal e da primeira escória e na
zona de gotejamento o metal e a escória gotejam até o cadinho. É importante lembrar o
posicionamento dessas zonas no alto-forno, por isso a figura 12 mostra novamente a
divisão das zonas. (BRADASCHIA, 1986).
56
Fig. 12 - Descrição da zona de preparação e elaboração do alto-forno (CAMPOS, 1984).
10.3 OBSERVAÇÕES IMPORTANTES (BRAGA e CAMPOS, 1984).
• A zona de preparação está toda dentro da zona granular;
• A zona de elaboração tem um pedaço da zona granular, toda a zona de
amolecimento e fusão e toda a zona de gotejamento.
Na zona de preparação tudo acontece (aquecimento e reações) sem consumo
de carbono.
Na zona de elaboração tudo acontece (aquecimento e reações) com consumo de
carbono:
• Qualquer saída de calor da zona de elaboração aumenta o consumo
específico de carbono.
• Qualquer entrada de calor da zona de elaboração diminui o consumo
específico de carbono.
• Qualquer entrada e saída adicional de calor na zona de preparação
apenas modifica o perfil de aquecimento da carga.
57
11. RESUMO DO MODELO OPERACIONAL
Como é mostrado por (RIZZO, 2005), o resumo do modelo operacional confirma
que quando o consumo específico de carbono é pequeno, o aquecimento da carga é
lento e a zona de reserva térmica é pequena. Quando o consumo específico de
carbono é pequeno, a temperatura dos gases de topo do alto-forno diminui. A figura 13
a seguir retrata bem todo o modelo operacional do alto-forno, com descrição detalhada
do processo.
Fig. 13 - Balanço geral de entradas e saídas de calor no alto forno (ARAÚJO, 2000).
Zona de Preparação
Zona de Elaboração
Carga Fria (medida)
Gases 1. Temperatura 2. Composição
(Calculáveis e Medidas)
Perdas de Calor (Calculável)
Carga Gases 1. Temperatura: 800 °C – carvão vegetal 1. Co mposição: equilíbrio com Fe/FeO 950 °C – coque (Calculável) 2. Composição: depende do grau de 2. Temperatura: 800 °C – carvão vegetal redução da carga 950 °C - coque (Calculável)
Perdas de Calor (Calculável)
Gusa Escória 1. Temperatura (Medida) 2. Composição (Medida)
Ar 1. Temperatura (Medida) 2. Umidade (Medida) 3. Vazão (Medida e Calculada)
58
O fator Omega que é um índice que mede a eficiência de redução da carga
metálica na Zona de Preparação. (Fator ômega = Eficiência de redução da carga
metálica). O consumo específico de Carbono (kg/t gusa) depende do fator Omega. Para
se conseguir um baixo consumo específico de carbono, o alto-forno deve operar com
um baixo fator Omega (boa eficiência de redução dos óxidos de ferro na Zona de
Preparação). O consumo específico de Carbono pode ser avaliado através de um
balanço térmico da Zona de Elaboração. O fator Omega pode ser avaliado através de
um balanço de gases (balanço de massa) na Zona de Preparação. (MEDEIROS, 2007).
Os objetivos dos balanços de massa e térmico estagiados são:
• Avaliar a eficiência de redução da carga metálica na Zona de
Preparação através do balanço de massa nesta Zona.
• Avaliar o consumo específico de Carbono através do balanço térmico
na Zona de Elaboração. (MEDEIROS, 2007).
11.1 BALANÇO ENERGÉTICO DA ZONA DE PREPARAÇÃO
O balanço mais importante na zona de preparação é o balanço de gases
(balanço de massa de gases). Como comentado, através desse balanço pode-se
avaliar a eficiência de redução da carga metálica na zona de preparação do alto-forno.
Quanto maior a eficiência de redução menor é o consumo específico de carbono (kg/t
gusa) no alto-forno. Com o objetivo de se avaliar a eficiência de redução da carga
metálica na zona de preparação do alto-forno os balanços que devem ser feitos são:
(GEERDES, et. ali, 2007).
• Balanço de Monóxido de Carbono (CO(g))
• Balanço de Dióxido de Carbono (CO2(g))
Ou pode-se fazer um só balanço da relação CO/CO2.
Para (FIGUEREDO e TAVARES, 1984), Os gases que são produzidos na Zona
de Elaboração e entram na Zona de Preparação têm uma relação CO/CO2 igual a
1,818, num alto-forno a carvão vegetal. Na zona de preparação o gás CO pode ser
59
consumido e o gás CO2 pode ser produzido quando ocorrer a redução do óxido de
ferro.
Fe2O3(S) + 3CO(g) = 2FeO(S) + 3CO(g) Eq. (10)
Isto significa que se nenhuma reação de redução ocorrer na Zona de Preparação
a eficiência de redução da carga metálica é a pior possível e o valor do fator Omega é
0,45. Quanto menor a relação CO/CO2 nos gases de topo do alto-forno, mais CO foi
consumido e mais CO2 foi produzido, este fato é confirmado em (RIZZO, 2005). A figura
14 a seguir mostra o esquema do balanço de gases (CO e CO2) na zona de preparação
do alto-forno.
Fig. 14 - Balanço de gases (CO /CO2) na zona de preparação do alto-forno
Segundo (ARAÚJO, 1997), na prática um alto-forno a carvão vegetal com uma
excelente eficiência de redução de carga metálica na Zona de Preparação tem uma
Zona de Preparação
CO/CO2=1,818
CO/CO2 = ?
Fe2O3 + 3CO=2FeO+3CO2
60
relação CO/CO2 no gás do topo igual a 0,90. OBS: Pode-se dizer que a relação dos
gases CO/CO2 nos gases de topo de um alto-forno a carvão vegetal, em relação a
eficiência de redução da carga metálica na Zona de Preparação é:
Uma boa eficiência de redução da carga na Zona de Preparação tem como
conseqüência um baixo consumo específico de Carbono. Na figura 15 pode ser
observado o que entra e o que sai da zona de elaboração. O balanço térmico dessa
zona determina se o consumo específico de carbono vai se alto ou baixo. (ARAÚJO,
1999).
11.2 BALANÇO ENERGÉTICO DA ZONA DE ELABORAÇÃO
Fig. 15 - Detalhe da carga e os gases na zona de elaboração (ARAÚJO, 2000).
Zona de Elaboração
Carga Gases 1. Temperatura: 800 °C – carvão vegetal 1. Co mposição: equilíbrio com Fe/FeO 950 °C – coque 2. Composição: depende do grau de 2. Temperatura: 800 °C – carvão vegetal redução da carga 950 °C - coque
Perdas de Calor
Gusa Escória
Ar
Pior situação CO/CO2 = 1,818
CO/CO2 = 0,90
Melhor situação
61
O balanço térmico geral da Zona de Elaboração pode ser resumido como
mostrado no quadro 9 a seguir :
Quadro 9 - Balanço térmico da zona de elaboração do alto forno.
ENTRADAS DE CALOR SAÍDAS DE CALOR 1. Calor de aquecimento do ar 1. Calor de aquecimento do gusa 2. Calor de aquecimento da carga que vem da zona de preparação
2. Calor de aquecimento da escória
3. Calor das reações exotérmicas: C(s) + 1/2 O2(g)=CO
C(s) + O2(g) = CO2
3. Calor de aquecimento dos gases que passam para a zona de preparação
4. Reações endotérmicas: FeOw+1,05 = Fe + (w+1,05)/2 O2 SiO2 = Si + O2
MnO = Mn + ½ O2
CaCO3 = CaO + CO2
H2O = H2 + 1/2 O2
5. Perdas Térmicas Fonte: (ARAUJO, 2000).
As reações de Carbono com Oxigênio são entradas de calor. (item 3 da tabela
anterior). O aumento de qualquer entrada de calor diminui o consumo de Carbono.
(itens 1 e 2 do quadro anterior). O aumento de qualquer saída de calor aumenta o
consumo de Carbono. (BRAGA e CAMPOS, 1984).
11.3 ENTRADAS DE CALOR
11.3.1 Calor de aquecimento do ar
Quanto maior for a temperatura do ar soprado, maior é o seu calor de
aquecimento e menor será o consumo de carbono no alto-forno, ou seja, quanto maior
62
a temperatura do ar soprado menor será o consumo de carbono. (CAMPOS e ASSIS,
1984).
11.3.2 Calor de aquecimento da carga que vem da zona de preparação
A carga que vem da zona de preparação e entra na zona de elaboração tem uma
temperatura fixa: 800 ºc para alto-forno carvão vegetal e 950 ºc para alto-forno a coque.
O calor de aquecimento da carga que vem da zona de preparação não interfere no
consumo de carbono. (CASTRO, 1997).
11.4 SAÍDAS DE CALOR
11.4.1 Calor de aquecimento do gusa
O calor de aquecimento do gusa está associado à temperatura do gusa. Mas
numa prática normal do alto-forno, essa temperatura varia muito pouco. Portanto, esse
item não modifica o consumo específico de carbono (kg/ t gusa). (BRAGA e CAMPOS,
1984).
11.4.2 Calor de aquecimento da escória
A temperatura da escória acompanha a temperatura do gusa, mas o peso de
escória para cada tonelada de gusa produzido pode variar. Quanto maior for o peso de
escória produzida por tonelada de gusa, maior será o calor de aquecimento da escória
e maior será o consumo de carbono no alto-forno. (ARAÚJO e NASCENTE, 2002).
11.4.3 Calor de aquecimento dos gases da zona de pr eparação
Os gases passam para a zona de preparação numa temperatura fixa: 800 ºc para
alto-forno a carvão vegetal e 950 ºc para alto-forno a coque. Portanto, o calor de
aquecimento dos gases carga que passam para a zona de preparação não é
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modificado através da operação do alto-forno. Esse item não interfere no consumo de
carbono.
11.4.4 Calor das reações endotérmicas
• FeOw + 1,05 = fe + (w + 1,05)/2o 2
Nota-se que o óxido de ferro foi representado em função do fator Omega (w). Isto
é, quanto maior for o fator Omega (menor eficiência de redução da carga metálica na
zona de preparação) mais oxigênio vai estar associado ao ferro, maior será o calor da
reação de redução dos óxidos de ferro e maior será o consumo de carbono no alto-
forno. (ARAÚJO e NASCENTE, 2002).
• SiO2 = Si + O2
Quanto maior for o teor de silício no gusa, mais a reação acima acontecerá,
maior será o calor de reação e maior será o consumo de carbono. (ARAÚJO e
NASCENTE, 2002).
• MnO = Mn + ½ O 2
Quanto maior for o teor de manganês no gusa, mais a reação acima acontecerá,
maior será o calor de reação e maior será o consumo de carbono. (ARAÚJO e
NASCENTE, 2002).
• CaCO3 = CaO + CO2
Essa reação representa a decomposição do carbonato de cálcio que é carregado
no calcário. Portanto, quanto maior for a quantidade de calcário carregada no alto-forno
mais carbonato será decomposto, maior será o calor da reação acima e maior será o
consumo de carbono. (ARAÚJO e NASCENTE, 2002).
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• H2O = H2 + ½ O2
A umidade (h2o) dessa reação é a que entra no alto-forno através do ar: umidade
do ar. Quanto maior a umidade do ar, maior será o calor da reação acima e maior será
o consumo de carbono. (BRAGA e CAMPOS, 1984).
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12. CONCLUSÕES
O alto-forno funciona de forma contínua, ou seja, não deve ser ter sua produção
paralisada, a não ser para manutenções programadas em equipamentos considerados
críticos para seu funcionamento seguro. Estas paradas duram em torno de 24 horas,
sendo realizadas tipicamente a cada três meses em grandes alto-fornos a coque, e
para altos-fornos a carvão vegetal estas podem ser a cada seis meses. Nestas
ocasiões devem ser preparados carregamentos que se caracterizam pela maior
quantidade de carvão/coque de forma a suprir a energia perdida durante os períodos de
paradas, principalmente através dos refratários. De acordo com (RIZZO, 2005), Uma
parada para manutenção completa do alto-forno (fim de campanha) que implica na
troca de todo seu revestimento refratário a cada período de oito a dez anos, mas
depende do tipo de forno, das condições operacionais que este forno opera ou operou.
Esta reforma dura em média de três a seis meses para ser realizada, porém existem
altos-fornos que tem sua campanha que já supera 20 anos.
Um fator importante de ser observado durante todo o processo de produção de
ferro gusa em altos-fornos é que controle do calculo das matérias primas a serem
carregadas além do balanço térmico bem realizado para minimizar as perdas térmicas,
estes são os fatores que permitem que se tenha um maior rendimento térmico nas
reações essenciais ao processo, este fato leva também um maior rendimento das
matérias primas.
As perdas térmicas que são as saídas de calor tem um controle bem rígido pelo
fato de que quanto maior for o seu valor maior será o consumo de carbono. De modo
geral uma maior temperatura do ar soprado diminui o consumo de carbono, e uma
menor eficiência de redução da carga metálica na Zona de Preparação aumenta o
consumo de carbono. E ainda um maior peso de escória, maior teor de Silício no gusa,
maior teor de Manganês, maior quantidade de calcário carregado maior umidade do ar
representam juntos maiores perdas térmicas que gera ineficiência durante o processo.
(CAMPOS e ASSIS, 1984).
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS
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siderúrgico não integrado utilizando gás de alto-fo rno”.
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2000.
• ARAÚJO, L. A. CASTRO, L. F. A. Manual de Siderurgia. Editora Arte e Ciência,
São Paulo, 3° ed. 1999, 450 págs.
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Especial, Editora Arte & Ciência, São Paulo, 2002.
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Altos-Fornos, Volume 6, Os Elementos e Compostos Voláteis no Alto-forno, Fundação
Christiano Ottoni, Belo Horizonte, 1984.
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Metais, São Paulo, 1986.
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• CAMPOS, V. F. Desenvolvimento da tecnologia do alto-forno . Cap 1 e 2
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Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Metalúrgica. Belo
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Departamento de Engenharia Metalúrgica. Belo Horizonte, março, 1984.
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• CASTRO, L. F. A; TAVARES, R. P; FIGUEIRA, R.M. Princípios básicos e
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