ABM 2006 Projeto Refratario Para Altos Fornos a Carvao Vegetal e A

PROJETO REFRATÁRIO PARA ALTOS-FORNOS A CARVÃO VEGETAL E A COQUE (1) (2)

Alamar Kasan Duarte (3) Jorge Eustáquio Fernandes

RESUMO A indústria siderúrgica brasileira produziu 31,5 milhões t de aço e 34,0 milhões de t de gusa em 2005. Cerca de 24,6 milhões t de gusa (72,4%) foram produzidas em usinas integradas de produção de aço e 9,4 milhões de t (27,6%) foram produzidas em altos-fornos independentes. Cerca de 22,9 milhões t (67,4%) foram produzidas em altos-fornos a coque e 11,1 milhões t (32,6%) foram produzidas em altos-fornos a carvão vegetal. Campanhas entre 10 a 20 anos são alcançadas nos altos-fornos brasileiros a coque, que possuem capacidade de produção de gusa entre 2000 a 11.000 t/dia. Campanhas entre 5 a 7 anos são alcançadas nos altos-fornos brasileiros a carvão vegetal, que possuem capacidade de produção de gusa entre 200 a 1200t/dia. Uma produção eficiente e econômica de gusa depende, entre outros fatores, da campanha do alto-forno. Vários fatores influem na duração desta campanha, sendo que entre os mais importantes estão o projeto refratário e as ações que visam o prolongamento das campanhas. No mundo todo, altos fornos menos produtivos e menos automatizados têm sido substituídos por altos fornos de grande volume interno e bastante automatizados, com campanhas cada vez maiores. Várias técnicas usadas em projetos dos grandes altos-fornos a coque podem se tornar realidade nos altos-fornos a carvão vegetal no futuro, tais como sistemas mais eficientes de refrigeração, refratários de alta condutividade térmica e de elevada resistência ao ataque do gusa para o cadinho, marcha central com boa permeabilidade do cadinho, massa de tamponamento de elevada qualidade, entre outras.

Palavras - chaves: altos fornos, refratários. _____________________________ _____________________________________________ ____________________________ ______________________ __________ (1)

Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno – 22 a 26 de Maio de 2006 – Belo Horizonte - MG - Brasil (2) Gerente de Projetos Especiais, Magnesita S.A. (3) Assistente Técnico, Magnesita S.A. Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

1. INTRODUÇÃO A indústria siderúrgica continua inovando no campo de fabricação de gusa via rota do alto-forno (Figura 1). As novas tecnologias introduzidas durante a última década incluem processos de redução de custo de produção e economia de energia, medidas para prolongar a vida dos altos fornos e soluções em problemas ambientais e reciclagem de resíduos (1).

Figura 1 – O processo de produção de gusa em alto-forno (1) .

Existe na atualidade uma tendência a se aumentar a capacidade de produção dos altos-fornos. O Japão possuía 68 equipamentos em 1973 reduzindo este número para 29 na atualidade (2). O volume interno médio vem subindo, alcançando 3.761 metros cúbicos em 2003 (Figura 2). O maior alto forno do mundo era até recentemente o No. 4 de Kimitsu da Nippon Steel, com volume interno de 5.555 metros cúbicos. Em 2004, o alto forno No. 2 de Oita se tornou o maior do mundo, com 5.775 m3 de volume útil. Uma produção eficiente e econômica de gusa depende, entre outros fatores, do tempo de campanha do alto-forno. Vários fatores influem nesta vida, tais como, o projeto do alto-forno, o projeto refratário, a qualidade do refratário, a montagem do refratário, o sistema de refrigeração, a operação do alto-forno e periféricos, a qualidade do minério e do agente redutor, os teores de cloro, zinco e álcalis na carga, a estabilidade operacional, a baixa freqüência de paradas, o nível de automação e sistemas de controle, a distribuição da carga, a permeabilidade dos gases, o fluxo do banho no cadinho, as boas condições de drenagem do cadinho e os métodos de reparação e preservação ao longo da campanha. O projeto do altoforno é um dos mais importantes. Sistemas de monitoramento e modelos de desgaste permitem a tomada de decisão de forma a se evitar danos ao alto-forno durante a campanha. Estas têm alcançado Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

20 anos sem a necessidade de redução da produtividade do forno. O ideal de uma campanha é que os periféricos tenham a mesma vida do alto-forno. Como as reformas demandam enorme investimento de capital, é desejável prolongar ao máximo esta campanha. A Figura 3 mostra a relação entre o ano de entrada em operação para altos fornos japoneses com campanhas encerradas no Japão e a tonelagem produzida durante estas campanhas. Percebe-se claramente uma evolução positiva das campanhas com o ano de início de operação, demonstrando uma preocupação com o prolongamento da vida dos altos fornos(3). 6.000

80 Máximo volume interno Volume interno médio Número de altos-fornos

70

5.000 60

s o n r 50 o F s o t l 40 A e d o r 30 e m ú N 20

) 4.000 m ( o n r e t n3.000 I e m u l o V2.000

3

1.000 10

0

0 1945

1950

1955

1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

Ano

Figura 2 – Evolução do Número de Altos Fornos, Volume Interno Médio e Máximo no Japão (2) 16.000 14.000 )

3

12.000

m / t ( a h 10.000 n a p m a 8.000 c a d a i c 6.000 n ê i c i f 4.000 E

2.000 0 1968

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

1986

1988

Ano de início de operação

Figura 3 – Eficiência de Campanhas Encerradas de Altos Fornos no Japão

Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

(2)

A Figura 4 mostra a relação entre a eficiência da campanha e a produtividade dos altos fornos no Japão. Tradicionalmente, campanhas mais eficientes têm sido conseguidas com operações em ritmo de menor produtividade (t/dia/m3 de volume interno) dos altos fornos. Por exemplo, o forno No. 6 de Chiba e, mais recentemente, o No. 2 de Mizushima da Kawasaki Steel, alcançaram uma campanha de 24 anos com uma produtividade abaixo de 2 t/dia/m3 de cadinho(3). A Tabela 1 mostra as razões pelas quais os altos fornos japoneses tiveram suas campanhas encerradas. No primeiro período entre 1975 a 1985 os altos fornos encerraram as campanhas principalmente pela região da cuba. No período seguinte, entre 1986 a 2000, os altos fornos encerraram campanhas principalmente pela parede do cadinho. Outro motivo importante de encerramento de campanha em ambos períodos foi o de reestruturação da produção, com o fechamento de altos fornos menores e menos produtivos (3). Campanha

2,4

2,2 ) m / a i d / t ( e d2,0 a d i v i t u d o r P

10 anos

15 anos

20 anos

Oita 2

3

Meta NSC

Fukuyama 5 Mizushima 2

1,8

Chiba 6

NSC em operação AF campanha encerrada

Wakayama 4

AF em operação 1,6 0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

3

Produção por volume útil (t/m )

Figura 4. Relação entre a Campanha dos Altos Fornos no Japão e a Produtividade Tabela 1. Causas de Encerramento de Campanhas de Altos Fornos no Japão

Goela, Cuba, Ventre e Rampa Soleira do Cadinho Parede do Cadinho Outros Equipamentos Reestruturação da Produção

1975 a 1985 43 11 29 0 36

(2)

(2)

1986 a 2000 22 3 47 6 22

2. PROJETOS REFRATÁRIOS PARA ALTOS-FORNOS. As principais solicitações ao refratário de alto-forno são abrasão pela carga sólida, ataque de álcalis e zinco, desintegração por monóxido de carbono, oxidação de Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

refratários à base de não-óxidos, erosão por metal líquido, corrosão por escória, altas temperaturas e tensões termo-mecânicas. Os compostos alcalinos são introduzidos via carga sólida, tem adição acumulativa e atacam refratários de qualquer natureza. Formam compostos de baixa refratariedade e, em geral, possuem reações expansivas. A desintegração por monóxido de carbono ocorre pela presença abundante de CO no processo do alto-forno. Este gás penetra nos poros do tijolo e em presença de ferro, oxidado ou não, decompõe-se, segundo a seguinte reação: 2CO(g) = CO2(g) + C (s)

T ~ 500°C

O ferro atua apenas como catalisador. O carbono vai se acumulando na porosidade do refratário, gerando tensões, provocando o aparecimento de trincas e posteriormente causando a sua ruptura. O fenômeno é mais intenso a cerca de 500°C. Os processos de corrosão e erosão ocorrem mais no cadinho. O ataque por metal é predominantemente erosivo e de natureza mecânica. O ataque por escória é predominantemente corrosivo e é de natureza química. O regime de trabalho é contínuo e ocorre a temperaturas elevadas, provocando altas solicitações ao revestimento refratário. As propriedades requeridas ao refratário de alto-forno dependem da região onde o mesmo é instalado e são em geral alta refratariedade, resistência ao ataque de álcalis, resistência à corrosão por escórias, resistência à erosão por metal, resistência à penetração do metal, resistência à abrasão, resistência à desintegração por monóxido de carbono, alta estabilidade volumétrica, alta resistência ao choque térmico e resistência à oxidação. 2.1) Projeto refratário da Goela Na goela predomina solicitações de impacto e abrasão pela carga sólida, além de um moderado choque térmico causado pela passagem de gases a uma temperatura de cerca de 200°C em contracorrente à ação de resfr iamento pela carga adicionada. A Figura 5 mostra o detalhe do projeto refratário nesta região, onde uma estrutura metálica ancora refratários sílico-aluminosos. Concretos refratários de alta resistência à abrasão ancorados com âncoras metálicas são também usados em altos-fornos a carvão vegetal. 2.2) Projeto Refratário da Cuba, Ventre e Rampa A durabilidade da cuba, ventre e rampa é determinada pela seleção adequada do sistema de refrigeração e da qualidade do refratário. Os sistemas de refrigeração empregados nesta região são as placas de refrigeração e “staves” de ferro-fundido ou cobre (Figuras 6, 7 e 8). A qualidade do refratário e o projeto refratário são importantes, principalmente em altos-fornos a carvão vegetal, que não possuem refrigeração nesta região.


Figura 5 – Detalhe da coroa de choque na goela do alto-forno

(1)

.

As Tabelas 2 e 3 mostram os refratários usados para as regiões da cuba, ventre, rampa e ventaneiras de altos-fornos a carvão vegetal e a coque, respectivamente. Nota-se claramente uma opção por investimentos menores em refratários, sistemas de refrigeração, mecanização e sistemas de automação para altos-fornos a carvão vegetal. Entretanto, os maiores altos-fornos a carvão vegetal, principalmente os existentes em usinas integradas de fabricação de aço, já possuem investimentos nestes itens. Altos-fornos a carvão vegetal têm uma tendência a incorporar no futuro muitas das soluções tecnológicas adotadas atualmente nos alto-fornos a coque.

Figura 6 – Sistemas de refrigeração (a) placas (b) “staves” de ferro fundido (c)”staves” de cobre (4)

Solicitações de impacto e abrasão pela carga sólida predominam na cuba superior, além de um moderado choque térmico causado pela passagem de gases a uma temperatura de cerca de 200°C em contracorrente à a ção de resfriamento pela carga adicionada. Nesta região são empregados refratários resistentes à abrasão e com boa resistência ao choque térmico. Na cuba intermediária predomina a ocorrência de condensação de vapores alcalinos e quantidades consideráveis de zinco e chumbo. Estes se condensam sobre a superfície do refratário, com alguma penetração, causando tensões que podem levar a perda de parte do mesmo. Nesta região são empregados refratários de baixa permeabilidade para limitar a penetração dos vapores acima mencionados.


Tabela 2 – Refratários para cuba, ventre, rampa e ventaneiras de altos-fornos a carvão vegetal. Propriedades

Cuba Média e Inferior

Ventre e Rampa

Abrasão ++ Álcalis ++ Zinco + CO + "spray"

Abrasão + CO ++ Álcalis +++ Escória + "spray"

Choque térmico +++ Temperatura +++


"spray"

"spray"

Sílico-aluminoso

Sílico-aluminoso

Sílico-aluminoso

Andaluzita

Mulita

44,0 50,0 1,8 2,32 15,0 60,0 0,35 0,62 -0,3 33(1.743°C) < 1,0% (1250°C)

47,0 47,0 1,2 2,40 13,0 70,0 0,50 0,70 -0,3 34 (1.785°C) < 1,0% (1350°C) 39,0

47,0 47,0 1,2 2,40 13,0 70,0 0,50 0,70 -0,3 35 (1.785°C) < 1,0% (1350°C) 40,0

61,0 37,0 0,8 2,59 13,0 90,0 0,55 0,70 0,1 >38 ( 1.835°C) < 1,0% (1450°C)

1,4 (1000°C)

1,4 (1000°C)

1,4 (1000°C)

Cuba Superior Abrasão +++ Choque térmico +

Solicitações Refrigeração Refratário Análise química (%) Al2O3 SiO2 Fe2O3 3 MEA (g/cm ) PA (%) RCTA (MPa) DTRL até 1.000°C (%) até 1.400°C (%) VLDR a 1.600°C x 5h (%) CPE (Orton) Creep 5 0h x 0,2MPa Permeabilidade (cD) Condutividade térmica (W /m°K)

Ventaneira

1,5 (1000°C)

70,0 28,0 0,3 2,62 14,0 70,0 0,56 0,67 -0,1 >38 (1.835°C) < 1,0% (1450°C) 1,6 (1000°C)

Intensidade da solicitação: Baixa (+); Média (++); Alta (+++)

Tabela 3 – Refratários para cuba, ventre, rampa e ventaneiras de altos-fornos a coque. Propriedades

Cuba Superior Abrasão +++ Choque térmico +

Solicitações

Análise química (%) Al2O3 SiO2 SiC

Abrasão + CO ++ Álcalis +++ Escória + placa ou "stave"



"stave"

"stave"

Sílico-aluminoso

Sílico-aluminoso

SiC ligado a nitreto

Mulita

SiC ligado à nitreto

44,0 50,0

47,0 47,0

3 4

Fe2O3 MEA (g/cm ) PA (%) Diâmetro médio de poro ( µm) RCTA (MPa) DTRL até 1.000°C (%) até 1.400°C (%) VLDR a 1.500°C x 5h (%) CPE (Orton) Creep 50h x 0,2MPa Permeabilidade (cD) Condutividade térmica (W/m°K) 3

Ventaneira

Abrasão ++ Álcalis ++ Zinco + CO + placa ou "stave"

Refrigeração Refratário

Cuba Média e Ventre e Rampa Inferior

1,8 2,32 15,0

1,2 2,40 13,0

60,0 0,35 0,62 -0,3 33(1.743°C) < 1,0% (1250°C)

70,0 0,50 0,70 -0,3 34 (1.785°C) < 1,0% (1350°C) 39,0

1,4 (1000°C)

1,4 (1000°C)

70,0 28,0 81,0 , 0,3 2,71 13,5 1,0 180,0 0,46 0,69 0,0

0,3 2,62 14,0 70,0 0,56 0,67 -0,1 >38 (1.835°C) < 1,0% (1450°C)

0,1 16 (1000°C)

81,0 , 0,3 2,71 13,5 1,0 180,0 0,46 0,69 0,0 0,1

1,6 (1000°C)

16 ( 1000°C)


Na cuba inferior, ventre e rampa predominam as solicitações de desintegração por monóxido de carbono, oxidação de refratários à base de não-óxidos, erosão por metal líquido, corrosão por escória, altas temperaturas e tensões termomecânicas. Durante a campanha do alto-forno é possível promover reparações nesta região, através de modernas técnicas, tais como, “shotcreting”, projeção robotizada e injeção de massas refratárias. Troca de “staves” e colocação de placas de Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

refrigeração são também realizadas. Isto é realizado durante as paradas programadas para manutenção, tomando-se o mínimo tempo possível.

Figura 7 – Sistema de refrigeração tipo placa para a cuba. (5)

Figura 8 – Sistema de refrigeração do ventre e rampa à base de “stave”. (5)

2.3) Projeto Refratário da Região das Ventaneiras Na região das ventaneiras predominam altas temperaturas e oscilações térmicas, exigindo um perfeito dimensionamento dos refratários. Os produtos usados nesta região precisam ter elevada refratariedade e resistência ao choque térmico. Em geral são empregados produtos à base de andaluzita, silimanita, mulita e SiC em altos-fornos a coque. Em altos-fornos a carvão vegetal são usados concretos ou blocos à base de andaluzita ou mulita. Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

A construção refratária é feita à base de grandes blocos projetando-se adequadamente as juntas de expansão ao redor. A montagem desta região e a perfeita justaposição dos blocos são muito importantes para se evitar fluxo de gás (Figuras 9 e 10).

Figura 9 – Projeto da região da ventaneira e rampa. (5)

Figura 10 – Projeto da região das ventaneiras. (5)

2.4) Cadinho O cadinho é uma região de alta solicitação, predominando a erosão pelo gusa e a corrosão pela escória. É muito importante o perfeito dimensionamento dos refratários nesta região. Em altos-fornos a coque são usados blocos de carbono com resistência à dissolução pelo gusa, baixo tamanho de poros para evitar a penetração do gusa e alta condutividade térmica para permitir a extração de calor do cadinho. Em altos-fornos a carvão vegetal são usados tijolos de alumina – carbeto de silício – carbono de elevada resistência à penetração pelo gusa. Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

Uma adequada inclinação da carcaça permite ganhos adicionais na espessura do bloco de carbono na região crítica. A introdução da técnica de proteção da parede do cadinho com o uso de “ceramic cup” e da soleira com o uso de óxidos cerâmicos refratários tem influência européia e visa também obter um desgaste homogêneo do revestimento, sem a formação do desgaste tipo pé de elefante na região de confluência entre o fundo e a parede (Figura 11). O “ceramic cup” promove uma proteção adicional aos blocos de carbonos no início da campanha.(1)

Figura 11 – Projeto refratário do Cadinho

(1)

Um dos pontos principais para se prolongar a vida do cadinho consiste em se promover o crescimento da camada solidificada na superfície do refratário através de uma refrigeração eficiente e a redução da velocidade em que o banho flui junto a parede do cadinho, diminuindo a solicitação de erosão do bloco de carbono. A refrigeração do cadinho é feita através de “spray” externo de água na carcaça, “staves” internos entre a carcaça e o refratário e, finalmente, com a técnica de “double Shell” (Figura 12). As Tabelas 4 e 5 mostram os refratários usados em cadinhos de altos-fornos a carvão vegetal e a coque, respectivamente.

Figura 12 - Sistema de Refrigeração “Stave” e “Double Shell” de Cadinho Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

(6)

Tabela 4 – Refratários para cadinho de altos-fornos a carvão vegetal. Propriedades

Furo de Corrida Choque térmico + Gusa +++ Escória +++ Álcalis +

Solicitações

Parede e Sola

"Ceramic Cup" Gusa +++ Escória +++

Escória +++ Gusa +++ Álcalis +

Refrigeração

Sub-Sola

"Back-up"

Proteção +

Gases ++

"spray"

Refratário Análise química (%) Al2O3 SiO2 SiC C Fe2O3 MEA (g/cm 3) PA (%) RCTA (MPa) DTRL até 1.000°C (%) até 1.400°C (%) VLDR a 1.600°C x 5h (%) CPE (Orton) Creep 50h x 0,2MPa Permeabilidade (cD) Condutividade térmica (W/m°K) a 1000°C

Aluminoso

Sílico-Aluminoso

Al2O3-SiC-C

Sílico-Aluminoso

Al2O3-SiC-C

94,1 5,3

47,0 47,0

75,0

47,0 47,0

47,5

7,0 13,0 0,1 3,23 13,9 127,0 0,58 0,78 0,0 >38 (1.835°C) 0,2% (1450°C) 2,4

1,2 2,40 13,0 70,0 0,50 0,70 -0,3 34 (1.785°C) < 1,0% (1350°C) 39,0

4,0

1,2 2,40 13,0 70,0 0,50 0,70 -0,3 35 (1.785°C) < 1, 0% (1350°C) 39,0

8,5

1,4

3,14 0,5 110,0 0,46 0,65

1,4

30,0 10,0 1,70 40 (110°C)

8,0 3,5


Tabela 5 – Refratários para cadinho de altos-fornos a coque. Propriedades

Furo de Corrida

Solicitações

Choque térmico + Gusa +++ Escória +++ Álcalis +

"Ceramic Cup" Gusa +++ Escória +++

Refrigeração

Parede e Sola

Sub-Sola

"Back-up"

Proteção +

Gases ++

Carbono

Grafita

Carbono

> 80

> 80,0

> 60,0

1,71 17,0 0,05 63,0 0,35

1,76 23,1

1,15

22,3

33,3

Escória +++ Gusa +++ Álcalis +

"spray", "stave" ou "double shell"

Refratário

Aluminoso

Análise química (%) Al2O3 SiO2 C Fe2O3 MEA (g/cm3) PA (%) Tamanho médio de poros (µm) RCTA (MPa) DTRL até 1.000°C (%) até 1.400°C (%) VLDR a 1.600°C x 5h (%) CPE (Orton) Creep 50h x 0,2MPa Permeabilidade (cD) Condutividade térmica (W/m°K) a 1000°C

Alumina-Sialon Sílico-Aluminoso

94,1 5,3

80,0

47,0 47,0

0,1 3,23 13,9

1,2 3,09 13,8 1,0 167,0 0,52 0,73 0,0

1,2 2,40 13,0

127,0 0,58 0,78 0,0 >38 (1.835°C) 0,2% (1450°C)

1,0 2,4

3,5

70,0 60,0 0,50 0,35 0,70 -0,3 0,05% (1500°C) 0,05 % (1500°C) 35 (1.785°C) < 1,0% (1350°C) 40,0 1,4

18,0

5,7


O aumento da capacidade de refrigeração dos refratários do cadinho tem desempenhado um importante papel na estabilidade da camada solidificada. O aumento da condutividade térmica e a redução do tamanho dos poros dos blocos de carbono têm se mostrado efetivo no prolongamento da vida do cadinho. Blocos de carbono com alta resistência ao ataque pelo gusa e alta condutividade térmica foram introduzidos (Tabela 6 e Figura 13). O método de fabricação usado para cada bloco Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

de carbono evoluiu ao longo do tempo. A introdução da técnica de uso de água refrigerada nos “staves” do cadinho deve propiciar uma extensão ainda maior da vida desta região. A baixa permeabilidade do cadinho pode levar a um aumento da carga térmica no sistema de refrigeração. Os “staves” podem ser incapazes de extrair o calor adicional. Esta capacidade depende da pressão e da vazão da água na tubulação e ainda da qualidade da água, pois esta pode provocar deposição de crostas na tubulação, diminuindo a sua vazão. Tabela 6 - Blocos de Carbono para cadinho de Altos Fornos Ano de desenvolvimento Composição Antracito (%) Grafita sintética (%) Al2O3 (%) Si (%) Ligante Fabricação M.E.A. (g/cm3) Porosidade Total (%) Tamanho de poro (µm) RCTA (MPa) RFTA (MPa) Condutividade (W/m°K)

(2)

BC-5

CBD-1

CBD-2

CBD-2RG CBD-3RG

1965

1975

1981

80 20

85 10 5

Piche Extrusão 1,56 18,7

Piche Extrusão 1,58 17,3

80 10 5 5 Piche Extrusão 1,59 18,5

16,0 40,5 11,7

11,0 43,0 11,9

2,7 45,1 12,3

1,0 66,9 15,0

0,2 63,0 15,2

17,1

13,2

13,8

23,3

33,3

1985

1994

43 42 77 6 11 9 12 Resina Resina Prensagem Prensagem 1,71 1,76 19,0 23,1

Figura 13 - Índice de Resistência a Solubilidade de Blocos de Carbono.

(2)

O fluxo gasoso central como meio de manter atividade no cadinho é de grande importância na redução do desgaste das paredes desta região. O “Center Coke Curso de Fabricação de Ferro Gusa em Alto-Forno - 22 a 26 de maio de 2006 - Belo Horizonte – MG

Charging” é um método eficiente para melhorar a permeabilidade do homem morto com a formação de uma zona coesiva em V invertido, que mantém um fluxo gasoso central predominante. Este sistema carrega coque grosso através de um tubo de alimentação no centro do alto forno. No passado, existiam dois tipos de sistema de refrigeração da soleira do cadinho: a refrigeração abaixo da carcaça do fundo com o objetivo de atuar na carcaça e na fundação; a refrigeração acima da carcaça do fundo para a proteção da carcaça e atuar na estrutura refratária da soleira. No segundo caso, uma refrigeração eficiente pode deslocar a isoterma de 1100°C na soleira. O us o de bloco de carbono de elevada condutividade térmica no fundo e um eficiente sistema de refrigeração podem influenciar o desgaste do fundo. 2.5) Projeto Refratário do Furo de Corrida A estrutura refratária ao redor do furo de gusa é construída com blocos de carbono ou de alto teor em alumina. O refratário da capela é à base de um concreto de alumina – carbeto de silício – carbono (Figura 14). O projeto do cadinho tem grande influência sobre a solicitação sobre o refratário nesta região (Tabela 7)(6).

Figura 14 – Projeto refratário do furo de corrida. (6) Tabela 7 – Importância do ritmo de produção e do projeto do cadinho sobre a vida útil do alto-forno. TKS

Empresa / AF Produção, t/dia Diâmetro do cadinho, m Ângulo do furo de corrida, o Distância, m Furo corrida - soleira (A) Furo corrida - ventaneira (B) Comprimento furo corrida, tijolos, (C) Comprimento furo corrida, m Volume do cadinho, m Volume "sump", m 3 Relação volume "sump"/ cadinho, % Produção t/dia/m volume "sump"

Usina A

Usina B

AF1 10.500 13,6 3

AF2 11.500 14,9 3

AF4 4.500 10,2 12

AF9 5.400 10,2 9

AF1 10.400 14,0 10

AF2 4.000 8,0 10

AF4 11.500 15,2 10

2,21 4,35 2,40 3,50 843 271 32 38

2,98 4,60 2,60 3,60 1250 507 41 22

2,00 3,74 1,70 2,80 444 152 34 29

2,22 4,00 2,20 3,20 466 169 36 32

1,80 4,30 2,20 3,80 661 276 42 37

2,47 3,50 2,00 3,20 222 65 29 61

3,76 5,25 3,15 4,00 1289 537 41 21


A massa de tamponamento do furo de corrida tem um papel importante na operação dos altos fornos: influencia diretamente a produtividade do forno; possibilita uma condição operacional estável e segura; após a sua injeção, garante o tamponamento do forno; controla o fluxo no momento do vazamento, garantindo uma retirada estável e regular do gusa e escória; o cogumelo formado com a massa de tamponamento protege o refratário do cadinho ao redor do furo de gusa. O comprimento do furo de gusa é um parâmetro usado para controlar a movimentação do banho no cadinho. Um furo de corrida longo mantém o vetor velocidade do banho longe da parede e contra o homem morto, diminuindo o fluxo periférico. A massa de tamponamento deve, portanto, promover: Segurança no Tamponamento: ter plasticidade adequada que permita fácil tamponamento do furo de gusa, alta estabilidade volumétrica durante o tamponamento, boa sinterização, com curto tempo de endurecimento no final do tamponamento. Estabilidade do Furo: permitir uma perfuração fácil do furo de gusa evitando trincas durante esta operação, ter alta resistência à erosão por gusa e corrosão por escória com pequeno alargamento do diâmetro do furo durante a corrida. Proteção ao Cadinho: dar segurança, ter boa aderência em altas temperaturas, boa resistência à erosão por gusa e corrosão por escória, resistência à formação de trincas, permitindo a manutenção do comprimento do furo. 3) PONTOS QUENTES EM CADINHOS A maior causa de encerramento de campanha dos altos fornos na atualidade é o desgaste do refratário do cadinho. Os altos fornos modernos possuem inúmeros termopares distribuídos ao longo da parede, soleira e sub-soleira do cadinho (Figura 15). Estes termopares fornecem informações importantes sobre o nível de atividade das várias regiões do cadinho, sobre o grau de permeabilidade do homem morto e sobre o nível de desgaste dos blocos de carbono (Figura 16). O aparecimento de pontos quentes em alguma região do cadinho leva a mudanças na estratégia de operação dos altos fornos e passa a ser indicação sobre a expectativa de vida remanescente do equipamento. A temperatura máxima já registrada pelos termopares permite avaliar o perfil de desgaste dos blocos de carbonos do cadinho. Esta informação mais a temperatura atual permite estimar a espessura da camada solidificada em frente ao bloco de carbono (Figura 16). O correto diagnóstico do problema é fundamental no plano de ação a ser implantado. Pontos quentes (indicação de temperaturas altas em algum ponto do cadinho) aparecem pelos seguintes motivos: - diminuição da espessura remanescente dos blocos de carbono ou perda da camada solidificada em frente ao bloco;


- passagem de gás entre a carcaça e o bloco, entre blocos, ou entre “stave” e bloco de carbono; - perda na capacidade de extração de calor pela formação de vazios, formação de crosta junto à carcaça, degradação da massa de socar entre as camadas internas, injeção de massa de baixa condutividade térmica; - instalação inadequada, dano ou deterioração nas propriedades do termopar.

Figura 15 – Sistema de monitoramento térmico do cadinho. (6)

Este diagnóstico correto depende de um levantamento preciso e de dados confiáveis. Após o levantamento das informações, presume-se o real motivo para o aparecimento do ponto quente. Em seguida, estabelece-se um plano de ação para enfrentar o problema. Por último, faz-se o acompanhamento dos resultados.

Figura 16 – Perfil de desgaste e térmico do revestimento do cadinho. (6)


Várias medidas são normalmente usadas para atenuar o problema dos pontos quentes: - isolamento de ventaneiras; - diminuição no diâmetro de ventaneiras; uso de válvulas de controle de ar quente junto a ventaneira; - parada do forno, diminuição em seu ritmo de produção; - aumento no “coke rate”; - controle da qualidade do coque e sua granulometria; - adequação do PCI; - controle da qualidade do sinter; - controle do nível de álcalis na carga do alto forno; - controle do potencial de oxigênio no banho; - controle da permeabilidade dos gases, evitando arreamento da carga; - melhoria na refrigeração; - limpeza na tubulação dos “staves”; limpeza na carcaça; - instalação de mais termopares na região do ponto quente; - injeção de massa visando preencher vazios; - injeção de fontes de TiO2; - aumento do comprimento do furo de gusa (aumento do volume de massa de tamponamento e fechamento do furo antes de sopro forte); - mudança de furo de gusa em operação.

Figura 17. Controle dos Pontos Quentes no Cadinho

(3)


Reparos intermediários do cadinho são geralmente feitos visando prolongar uma campanha do alto forno por mais 1 a 3 anos, permitindo uma melhor preparação para uma reforma, ou como um método de reparo para fornos que ficam em “stand by”. 4. CONCLUSÕES A indústria siderúrgica continua apresentando uma grande evolução na tecnologia de altos fornos. Técnicas importantes que visam o prolongamento das campanhas têm sido adotadas com muita eficiência. O projeto refratário é um dos mais importantes fatores na obtenção destas campanhas longas. 5. AGRADECIMENTO Os autores agradecem a CST, a Thyssen Krupp e a Magnesita S.A. pela autorização e apoio para a divulgação deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS 1) RUETHER, P. Improvement of the Refractory Technology for Optimized Costs in the Blast Furnace Casthouse Operation: Unitecr 2003 Congress, Osaka, Japan. 2) OGATA, I., SANUI, M. The Latest Trend and Future Aspect in Japanese Ironmaking Technology In: 3rd International Conference on Science and Technology of Ironmaking, p. 27-32, Dusseldorf, 16-20 June, 2003. 3) OMATSU, Y., ANAN, K., AKAGI, K., SHIGA, A., NITTA, M. Advances in Blast Furnace Equipment Technology mainly for Extending Furnace Life In: 3 rd International Conference on Science and Technology of Ironmaking, p.376-379, Dusseldorf, 16-20 June, 2003. 4) Nippon Steel Stave Cooler; Catálogo da Nippon Steel Corporation, Japão, 1997. 5) RUETHER, P. Present State of the Refractory Materials in the Blast Furnace Plants In: Congresso da Alafar, Salvador, Brasil, Nov. 2002. 6) PETERS, M.; RUETHER, P.; SCHMOLE, P.; LEUERMANN, C. Blast Furnace Relining Strategies for Campaign Lives of more than 20 Years: Aachen 2002, p. 40 - 46, 2002.


ABM 2006 Projeto Refratario Para Altos Fornos a Carvao Vegetal e A

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