O processo de produção de ferro-gusa em alto-forno

O processo foco deste estudo é o processo de redução para produção do ferro-gusa, que acontece nos altos-fornos. A obtenção do ferro-gusa se faz pela reação dos óxidos de ferro, Fe2O3, por exemplo, com carbono e ar. As reações do carbono com o ar geram energia e CO para redução do Fe2O3. Dois tipos de redutores podem ser utilizados: carvão vegetal ou coque. Os materiais carregados no alto-forno, minério de ferro, carvão vegetal ou coque, fundentes (quartzo, calcário, dolomita, etc.), transformam-se nos produtos gusa líquido, escória e gás de alto-forno. A redução dos óxidos de ferro se processa na medida em que a carga desce, no interior do alto-forno, e os gases, resultantes da reação com o carvão vegetal ou coque com o ar injetado nas ventaneiras, sobem. As principais reações químicas que se processam no alto-forno são (JACOMINO et al, 2002):

C(s) + ½ O2(g) = CO(g) (1)

C(s) + CO2(g) = 2CO(g) (2)

Fe2O3(s) + 3CO(g) = 2Fe(l) + 3CO2(g) (3)

O alto-forno se divide nas seguintes partes (Araujo, 1997):

• Cadinho – região entre a soleira (base do alto-forno) e as ventaneiras;

• Rampa – parte cônica desde as ventaneiras;

• Ventre – parte vertical após a rampa;

• Cuba – parte cônica que se estreita para a goela;

• Goela – parte superior, final da carcaça;

• Topo – parte superior onde se localizam os dispositivos de carregamento. Os altos-fornos possuem um sistema de refrigeração da carcaça externa, que pode ser constituída de chuveiros externos, placas de refrigeração ou staves. Os dois primeiros são mais comuns em altos-fornos de pequeno porte e os staves têm sido utilizados nos altos-fornos a coque, maiores, e que utilizam tecnologias mais modernas. Um alto-forno possui certo número de ventaneiras, que variam dependendo do tamanho do alto-forno, por onde o ar entra no interior do forno após ser pré-aquecido. O regenerador de calor é o equipamento utilizado para o pré-aquecimento do ar. Os

cowpers são utilizados nos altos-fornos de grande porte. Nele o ar absorve o calor da

camada de refratário, que se aquece devido à queima do gás de alto-forno com ar na câmara de combustão, chegando a atingir temperaturas de até 1250º C. Os glendons são

utilizados em altos-fornos a carvão vegetal e funcionam como trocadores de calor, onde o gás de alto-forno (GAF) e o ar queimam em uma câmara e, no outro sentido, em outra câmara, passa o ar a ser aquecido. A eficiência de troca é menor, atingindo até 900º C. O carregamento no alto-forno pode ser feito por um sistema de duplo cone ou pelo sistema bell less (topo sem cone) mais moderno, podendo ser alimentado por correias ou

skips (caçambas puxadas por cabos que movem sobre linhas paralelas). Os gases do

topo contêm CO (19 a 30%) e H2 (3 a 7%), portanto, possuem um alto poder calorífico. Esse gás é aproveitado na planta para aquecimento do ar das ventaneiras e em outras áreas da usina. Para ser utilizado, esse gás deve ser limpo. O sistema básico de limpeza de gás de topo é composto de coletores de pó seco ou úmido, ciclones e lavadores de gás.

A estrutura interna do alto-forno só ficou bem conhecida com as experiências de dissecação conduzidas pelos russos e japoneses na década de 70. Estas experiências constaram do resfriamento e posterior dissecação de altos-fornos comerciais em condições normais de operação. O alto-forno foi então dividido em três zonas, resultado das observações (JACOMINO et al., 2002), conforme mostrado na figura 5.

• Zona Granular – zona onde a carga metálica desce sólida em contracorrente com os gases;

• Zona de amolecimento e fusão – zona onde a carga metálica fica no estado de amolecimento, até a fusão completa;

• Zona de gotejamento – zona onde o metal e a escória escoam líquidos pelo empilhamento de coque ou carvão vegetal, conhecido como homem morto, em contracorrente com os gases provenientes da zona de combustão.

Figura 5 – Regiões internas no alto-forno

É importante ressaltar, que a zona de amolecimento e fusão tem um papel importante no processo, sendo nela que acontece a maior parte da redução, toda a fusão do metal e escória e grande parte da reação de gaseificação do carbono, além de ser a zona de maior perda de carga no alto-forno. A permeabilidade nesta zona é fundamental e é na camada de coque ou carvão vegetal, obtida pela distribuição de carga, que ocorre a passagem dos gases. O perfil de temperatura no alto-forno é mostrado na figura 6. Os gases saem da zona de combustão na temperatura de chama e, no topo, na temperatura em que a reação de gaseificação do carbono da carga cessa. A região intermediária é conhecida como zona de reserva térmica e a causa de sua existência é a reação de

solution loss:

C(s) + CO2(g) = 2CO(g) (4)

Esta reação química é muito endotérmica e tem alta energia de ativação, fazendo com que a reação ocorra a uma temperatura bem definida que é de 800º C para o carvão vegetal e 950º C para o coque. O regime de troca térmica do alto-forno permite a divisão em duas zonas distintas:

• Zona de preparação – onde o carbono não reage constituindo-se um material inerte;

• Zona de elaboração – onde o carbono reage com o CO2, incorpora no gusa e reage com o oxigênio do ar na saída das ventaneiras.

Figura 6 – Perfil de temperatura no alto-forno

É na zona de preparação que a carga é seca, pré-aquecida e pré-reduzida pelos gases, que se encontram a uma temperatura inferior à mínima necessária para que a reação de solution loss ocorra. Para minimizar o consumo de combustível é importante que seja transferido o máximo possível de oxigênio dos sólidos para os gases antes que a temperatura crítica seja atingida. A condição é considerada ideal quando toda hematita (Fe2O3) é reduzida a Wustita (FeO1,05) antes de entrar na zona de elaboração. A eficiência do alto-forno e, conseqüentemente, o menor consumo de combustível são afetados por quatro fatores: contato gás-sólido na zona de preparação; qualidade da carga metálica; temperatura da zona de preparação; tempo de residência da carga metálica na zona de preparação. Estes fatores estão associados à distribuição, granulometria e qualidade (degradação e redutibilidade) da carga metálica (JACOMINO

et al, 2002).

Quanto mais tempo a carga metálica se mantiver a altas temperaturas melhor. O coque apresenta vantagens, neste caso, pois a temperatura da zona de preparação é em torno de 950º C, enquanto, para o carvão vegetal é de 800º C. Um tempo de residência maior é obtido com termoredutor mais denso, que, novamente, coloca o coque favorável, por ser mais denso que o carvão vegetal. Qualquer entrada de calor na zona de elaboração diminui o consumo específico de combustível, como por exemplo, o aumento da temperatura do ar soprado. Outro fator importante a ser considerado é que, o gás do topo do alto-forno sempre terá CO em sua composição, porque o carbono, além de redutor, é o combustível do processo. Uma quantidade maior

eficiência do alto-forno pode ser detectada pela composição e temperatura do gás do topo.

Os altos-fornos injetam finos de carvão mineral ou vegetal pelas ventaneiras para diminuição do consumo de coque e de carvão vegetal carregado no topo. Essa substituição não pode ser de 100%, pois o processo necessita de permeabilidade do leito de carvão ou coque. Os valores de substituição podem chegar a 250 kg/t de gusa. A granulometria utilizada é de no mínimo 80% abaixo de 200 mesh. A injeção de finos gera uma economia de coque ou carvão vegetal granulado, porém, também afeta algumas variáveis do processo (JACOMINO et al, 2002).

• A temperatura de chama diminui devido à entrada dos finos na temperatura ambiente.

• Diminuição da permeabilidade devido à diminuição do combustível granulado carregado.

• Porém, o nível térmico pode ser melhor controlado, pois, a correção do carbono necessário para manutenção da estabilidade se faz mais facilmente pelos finos injetados.

• Outros combustíveis também podem ser injetados como óleo, alcatrão, gás natural.