25
- SIDERURGIA II
Alto
Forno.
É
um forno de forma cilindrica, vertical, com dimensões e detalhes de construção
variáveis em diversas situações, com capacidade de até 800 m3
onde movimenta-se em contra corrente, gáses quentes (ascendente) e matéria de
queima, (descendente) trabalhando com cargas contínuas ou intermitentes.
No
alto forno, obtêm-se o chamado ferro gusa, no qual uma certa percentagem de
carbono acha-se dissolvido no metal, o ferro gusa tem aplicações restritas,
pois é pouco maleável e bastante quebradiço.
O
alto fo
rno
possui aproximadamente 25 metros de altura (razão do seu nome) e cêrca de 10
metros de diâmetro em seu ventre, as relações entre as medidas (perfil)
variam em razão do tipo de minério e do coque a ser utilizado.
Tem
formato de dois troncos de cone unidos pelas bases, em razão da variação de
volume de sua carga e gáses em determinada posição no forno ( dilatação e
contração ).
Possui
envoltório externo em chapas de aço rebitadas, e internamente,
camada dupla, sendo uma de tijolos de cerâmica, e outra,
a mais interna , feita em tijolos refratários (45 cm de espessura) em
material silício aluminoso, independente
uma de outra de modo a facilitar a sua substituição.
Seu
rendimento pode alcançar até 2000 toneladas diárias, trabalhando em regime
contínuo, e uma vez em regime de operação, assim permanece por vários anos.
Sistema
de chuveiros realiza um resfriamento externo
no alto-forno.
Funções do Alto-forno.
1.
Redução dos óxidos de ferro.
2.
Fusão do ferro.
3.
Fusão da ganga (formação de escória)
4.
Proporcionar quantidade de calor para o trabalho siderúrgico.
Tremonha:-
Sistema
de alimentação e vedação na abertura superior do AF. Em numero de duas, uma pequena e outra maior, (inferior)
dispondo-se segundo o eixo vertical do forno, trabalham em sistema conjugado,
quando uma encontra-se aberta outra esta fechada, evita a saída dos gáses no momento de carga do AF. além de
carga por distribuidor ou alimentador rotativo de modo uniforme no forno e com
menor altura de queda (coque é sensível a atrito e choques.)
Região
superior do AF. logo abaixo das tremonhas de carga, compreende um região com
altura de cerca de 5 metros, trabalha em temperaturas de aproximadamente 150oC,
possuindo material de revestimento não tão necessário como isolante térmico,
mas sim, resistente a ação abrasiva da carga.
Os
gáses produzidos no AF.( saem a temperaturas de 200/300oC) não são lançados diretamente na atmosfera, pois, possuem
alto poder calorífico. Em numero
de quatro, as tomadas de gáses, orifícios no AF, conduzem os gáses para
sistema de limpeza e recuperação de calor
Região
média do AF com
altura total de aprox. 22
metros, (parede vertical, ventre = 4 metros e, convergente= 18 metros) é região
de maior diâmetro do forno e de maior intensidade de reações.
Região
na qual as paredes do tronco de cone, tem inclinação de aproximadamente 80o
com a horizontal.
Possui,
altura de aprox. 4 metros , sendo revestida com refratário de resistência a
altas temperaturas, a ação corrosiva do metal fundido e
da escória, e ao pêso da carga do forno.
Tubulação
que circunda o forno, acima das ventaneiras,
recebe o ar soprado (aquecido) e o distribui ao redor do forno de modo
uniforme.
Localizados
a altura de aprox. 1,80 m do fundo, em número de aprox. 22 , são tubos duplos
de bronze fosforado com sistema de refrigeração a água, ligam os orifícios
de entrada de ar do forno, ao anel de vento.
Geralmente
em numero de dois, e em alturas diferentes.
Ponto
de retirada de escória e limite de altura de nível de material fundido, que se
ultrapassado, o fluído chegará a
região de entrada do ar, e em consequência de resfriamento, irá
solidificar-se e obstruir a mesma.
Parte
da escória, é retirada pelo furo de escória e parte juntamente com o ferro
gusa.
O
orifício de escória, pode também ser utilizado para entrada de materiais que
se deseja adicionar ao ferro gusa. (especiais)
Parte
baixa do AF. logo abaixo do furo de escória, possui altura aprox. de 3 metros,
é o reservatório do metal fundido, revestido
de grafite (mistura de coque e derivados ), permanece em temperaturas aprox. de
1400oC.
Orifício
de 30 a 80 mm de diâmetro, é o local de retirada por sangramento, do ferro
gusa.
Aberto
por perfurador (barra de aço, lança) e jato de oxigênio e
posteriormente, (após escoamento do ferro fundido ) vedado com argila crua.
Parte
da escória que sobrenada o gusa, é observada quando ao sair pelo furo de gusa,
e em contacto com o ar muda de coloração de vermelho para cinza.
Inicia-se
a carga do forno, colocando-se pela tremonha da guela uma quantidade de carvão,
em seguida uma quantidade de fundente, e por fim o mineral, com o que teremos
formado três camadas.
Em
seguida carrega-se novamente
carvão, seguido por fundente e após o minério,
segue-se assim, até completar três quartos de sua capacidade total.
Acende-se
o alto forno em sua parte inferior, e inicia-se a sopragem do ar quente pela
tubulação colocada acima do cadinho, que deve estar pré aquecido para evitar
a solidificação do metal fundido.
O
oxigênio do ar (O2) , ao atravessar
a primeira camada de carvão incandescente (C), combina-se com o mesmo, formando
óxido de carbono (CO).
Continuando
caminho ascendente, o óxido de carbono (CO), encontra-se com o mineral de
ferro, óxido de ferro ( Fe2O3)
e sendo ávido de oxigênio, apodera-se dele, formando dióxido de
carbono (CO2) deixando livre o metal
de ferro (Fe).
O
metal fundido (Fe) , por seu pêso, desce e encontra-se com carvão (C) , com o
qual combina-se em parte, formando o carbeto de ferro ( Fe3C
) escorre para o cadinho, de onde
é sangrado a cada 4 /6 horas pelo furo de gusa.
O
dióxido de carbono (CO2) , ao subir,
se encontra com outra camada de carvão (C) , e volta a transformar-se em monóxido
(CO), começando um novo ciclo.
Em
determinada altura, a temperatura não é suficiente para ocasionar esta reação,
mas o gás prossegue em movimento ascendente, cedendo calor a zona que atravessa
favorecendo o funcionamento do forno.
Finalmente,
o gás composto por monóxido, dióxido, nitrogênio
e outros, a temperaturas de
200/300oC, sai por orifícios (tomadas
de gáses) e se dirige ao sistema de limpeza, onde termina seu resfriamento é
então recolhido para aproveitamento como combustível sendo queimado em
recuperador de calor, ou
aproveitado como combustível em motores a gás.
A
medida que as camadas vão abaixando, carrega-se pelas tremonhas novas camadas,
de mineral, carvão e fundente, (cada 8/15 minutos ) mantendo a marcha constante
do forno.
1.
No cadinho, uma liga de Fe-C com percentagem de impurezas tais como Si,Mn, P e
S, o ferro "gusa".
2.
No cadinho, sobrenadando o gusa, uma escória, constituída principalmente de
CaO, SiO2, Al2O3
e MgO.
3.
No topo do forno, saindo pela tubulação captadora, gáses onde predominam o
nitrogênio ( 60%), Co (25%) CO2
(10%) , hidrogênio em teôres
de aproximadamente 4%, e hidrocarbonetos diversos.
No
balanço de massas dos materiais carregados e dos produtos obtidos, temos os
seguintes valores aproximados, por tonelada de ferro gusa fabricado.
Matérias
primas:-
Calcário...............aprox.
370 Kg
Coque..................aprox.
900 Kg
Minério
...............aprox. 2000 Kg
Ar
....................aprox. 3230 Kg
Total....6500 Kg
Ferro
gusa ............aprox 1000 Kg
Escória
...............aprox 700 Kg
Total....6950 Kg
Gases
.................aprox 4800 Kg
(3.600
m3)
Reações no alto-forno (O, C, CO2, Fe, FeO, Fe2O3,
SiO2, Al2O3, CaO, MgO, MnO2, P2O5,
S, etc.)
Os
gáses pré-aquecidos entram no AF. em temperatura de 500/600oC fazendo contacto com a carga.
Um
enriquecimento na mistura usando-se oxigênio puro, acarretará elevação de
temperatura da entrada do forno (semelhante a uma maior temperatura no gás de
entrada).
A
temperatura ocasiona:
a)
eliminação da água higroscópica 150oC
b)
eliminação da água de hidratação 500oC
1:-
Reação com o O2
C + O2 ---> CO2
CO2 + C ---> 2CO (
instabilidade por C e temperatura )
2:-
Reação com o CO.
Os
espaços vazios são preenchidos
pelo CO da
atmosfera redutora do forno acontecendo a redução indireta.
2 Fe2O3 + 8 CO ---> 4
Fe + 7 CO2 + C
3:-
Reações com o ( CO + C )
(455oC)
3 Fe2O3 + CO ---> 2 Fe3O4
+ CO2
3 Fe2O3 + C
---> 2 Fe3O4 + CO
Fe3O4
+ CO ---> 3 FeO + CO2
(570oC)
Fe3O4
+ C ---> 3 FeO
+ CO
FeO + CO ---> Fe
+ CO2
(750oC)
FeO + C
---> Fe + CO
4:-
Reações com o CO2.
O
Fe formado e demais óxidos são reoxidados pelo CO2
na parte alta da cuba.
Fe + CO2--->
FeO + CO (800oC)
3 FeO + CO2--->
Fe3O4 + CO
2 Fe3O4 + CO2
---> 3 Fe2O3 + CO
5:-
Reações do CaCO3.
A
800/900oC , a formação de escória,
abaixa o ponto de fusão da mistura.
CaCO3 + (aquec) ---> CaO + CO2
MgCO3 + (aquec) ---> MgO + CO2
6:-
Reações do CO
Em
temperaturas acima de 950oC e a medida
que se vai descendo no interior do forno, as reações do CO se tornam mais
intensas.
3 Fe2O3
+ CO ---> 2 Fe3O4
+ CO2
Fe3O4
+ CO ---> 3 FeO + CO2
FeO + CO ---> Fe
+ CO2
( operação final gerando o ferro metálico esponjoso)
7:-
Reações com o C (absorção pelos óxidos).
Neste
ponto, em temperaturas de 950/1450oC,
a absorção do carbono, aumenta a superfície de contacto e baixa o ponto de
fusão tornando a massa totalmente esponjosa
Fe2O3
+ 3 C ---> 2 Fe +
3 CO
Fe3O4
+ 4 C ---> 3 Fe + 4 C
FeO
+ C ---> Fe + CO
8:-
Reações com o C (absorção pelo ferro).
O
ferro absorve o carbono, formando o Fe3C
( carbeto de ferro ou cimentita) que em regiões de altas temperaturas,( acima
das ventoeiras) liga-se ao ferro formando o ferro "gusa".
9:-
Reações da escória.
a) SiO2 + C ---> Si +
CO2
SiO2
+ CaO ---> CaO.SiO2
b)
2 P2O5 + 5 C ---> 4 P + 5 CO2
CaO + P2O5 ---> CaO.P2O5
CaO.P2O5 + SiO2
+ 5 C ---> CaO.SiO2 + 2 P + 5 CO
5 FeO + 2 P ---> 5 Fe + P2O5
FeO + P2O5 ---> FeO.P2O5
( ganga fosfórica )
c) FeS + CaO ---> FeO +
CaS (escória )
d) 2 MnO2 + CO ---> Mn2O3
+ CO2
3 Mn2O3 + CO ---> 2 Mn3O4
+ CO2
Mn3O4 + CO ---> 3 MnO
+ CO2
MnO + SiO2 ---> MnO.SiO2
( ganga ).
e) CaO + Al2O3 + SiO2
---> CaO.Al2O3.SiO2
Os
metais sódio, potássio, zinco e estanho,
vaporizam-se e, se condensados em regiões frias, depositam-se nos refratários,
danificando-os.
Para
insuflar e aquecer o ar no alto forno, são empregados equipamentos soprantes ,
permutadores de calor. e sistemas de purificação dos gáses que saem do alto
forno em razão de ser
mistura combustível com 800 a 900 kcal/m3
.
Uma
têrça parte destes gáses é aproveitada na usina, para aquecer o ar insuflado
por meio do calor desenvolvido na sua queima.
O
restante do gás é utilizado para acionar motores a gás ou aquecer caldeiras .
Os motores são usados para produzir energia elétrica que aciona os motores das sopradoras.
1:-
Maquinas sopradoras:-
Dois
tipos fornecem pressão ao ar nas ventaneiras
a)
Compressores a pistão com movimento alternativo, movidos por maquinas a vapor
ou por motores a gás.
b)
Compressores centrífugos ou turbocompressores, movidos por turbinas a vapor ou
motores elétricos.
A
pressão de entrada do ar no forno, é determinada em razão da altura do mesmo,
geralmente na ordem de 0,9/1,7 Kg/cm2,
com vazão de 1250/2800 m3/m e produção
de 1500 t/dia.
A
capacidade de um forno ( produção ) varia diretamente com a intensidade do ar
(m3/m)
A
velocidade de funcionamento de um alto-forno, era antigamente controlada pela
pressão nas ventoeiras mantida constante e atualmente isto se faz pelo contrôle
de vazão de ar dos compressores de modo constante, isto acarretando uso de
equipamentos turbocompressores.
2:-Trocadores
de calor
Tem
a finalidade primordial de aquecer o ar a ser insuflado no alto forno, podem ser
de dois tipos:
a)
O ar aquecido, circula em tubos de áço-liga especial ou de ferro
fundido, que são aquecidos exteriormente em uma câmara onde circulam gáses
quentes resultantes da combustão do gás de alto-forno.
Por
condutibilidade térmica, o calor é transmitido através da parede aquecendo o
ar a ser insuflado.
b)
Em cilindros verticais regeneradores chamados "cowpers".
O
interior do cilindro é composto de duas câmaras.
Em
uma delas, acontece a combustão
após contacto com as paredes aquecidas em ciclo anterior, da
mistura dos gáses e ar frio ( atmosférico ) que entra no recuperador
por tiragem natural.
Outra,
de regeneração, construída em refratários com resistência a altas
temperaturas e dispostos de forma gradeada
Os
gáses provenientes da combustão são lançados a atmosfera via chaminé.
A
segunda câmara, se aquece ao reter o calor de combustão da primeira câmara.
Em
períodos intermitentes, quando a câmara esta aquecida, (após duas horas de
combustão) desviam-se os gáses para queima em chaminé atmosférica e a seguir
para outro "cowper".
Faz-se
passar ar frio (atmosférico) em sentido inverso na câmara de combustão
aquecida, recuperando-se assim, o calor retido nas placas ou tijolos.
O
ar agora aquecido, (aprox 1000oC) é
encaminhado ao alto-forno pelos insufladores.
A
continuidade da operação é garantida pelo uso de três ou quatro
"cowpers" para cada alto-forno, em sistema de troca. Enquanto
dois estão sendo aquecidos um terceiro
estará fornecendo calor ao ar a ser insuflado.
Cada
100oC de aquecimento do ar proporciona
a economia de 40 Kg de coque por tonelada de ferro, e o ar se não aquecido, por
seu imenso volume e velocidade, irá resfriar o forno acarretando inclusive sua
paralisação.
Atualmente,
pode-se substituir os recuperadores de calor de uso intermitente, por trocadores
de calor tubulares e de funcionamento ininterrupto,
em contra corrente, devido o desenvolvimento de novas ligas metálicas
com resistência a altas temperaturas.
Equipamento de purificação do gás de alto-forno:
Tem
a finalidade de remover os sólidos em suspensão nos gáses de alto-forno, de
5/25g de pó por m3 a teôres menores
que 0,02g de sólidos por m3.
O gás assim purificado, pode ser usado nos motores a gás, caldeiras e
"cowpers".
Equipamentos
podem retirar cerca de 30t de pó por dia (5000m3 de ar por tonelada de ferro - 600 toneladas dia )
Fundamentalmente,
constitui-se de várias unidades em série, e atendem a três etapas de purificação:-
a)
despoeiramento primário e a sêco com uso dos tradicionais coletores de partículas,
ciclones.
b)
lavagem dos gáses por meio de aspersão de água em tôrres. (scrubbers)
c)lavagem
em coletores centrífugo-mecânico, ou uso de precipitadores eletrostáticos.
Equipamentos de carga do alto forno.
A
carga do alto-forno pode acontecer de duas maneiras:-
a)
Processo manual, atualmente em abandono , consiste na colocação das matérias
primas em caçambas e estas levadas até a bôca do forno por meio de elevadores
verticais ou guindaste.
Após
abertura do forno, a caçamba é descarregada, com saída de grande quantidade
de gases, inflamáveis e tóxicos.
b)
Processo automático, sem escapamento de gáses.
O
carregamento é feito com as utlização de "skips" (carrinhos)
conduzidos em planos inclinados em dupla linha de rodagem.
No
tôpo do forno, duas tremonhas colocadas uma sobre outra, encontram-se fechadas
pelos respectivos cones de fechamento. A tremonha superior estando fechada
recebe a carga , após, o abaixamento do cone, abre a tremonha e permite que a
carga caia na tremonha inferior que encontra-se fechada.
Fecha-se
a tremonha superior e abre-se a inferior, permitindo assim a entrada da carga no
alto-forno.
A
carga ocorre em sistema estanque não
permitindo a saída dos gáses para a atmosfera.
Escória:-
Material
residual do processo de obtenção do ferro "gusa"
Composição,
35% de SiO2, 45% de CaO, 15% de Al2O3
, MgO, S, MnO,etc. (variável em razão da composição do minério) é um
silicato duplo de aluminio e cálcio, apresentando-se de cor cinza clara se o
processo transcorreu-se normalmente e, de cor negra (devido conteúdo de ferro)
se a temperatura do processo foi insuficiente.
A
escória além de retirar as impurezas contaminantes do ferro, serve de
isolante, evitando a reoxidação do metal pelo ar que entra no AF.
O
tratamento posterior da escória, segue variáveis em razão de sua composição
e uso que se destina.
1:-Ricas
em SiO2 e pobres em enxôfre, uso pulverizadas para obtenção da
"lã de rocha".
2:-Solidificadas
em blocos, beneficiadas para uso como britas.
3:-Resfriadas
com choque térmico com água em movimento, produzem a areia de escória com uso
em fertilizantes e na indústria do cimento.
Contrôle de funcionamento de um Alto-forno.
Pela
observação dos gáses, (análises) pode ter idéia das reações que se
desenvolvem nas diversas partes do AF. e, se o mesmo trabalha ou não com a redução
completa.
O
ar injetado no forno, contêm 26,5 volumes de oxigênio por 100 volumes de
nitrogênio.
Um
volume de oxigênio, produz um volume de CO2.
Na
ventaneiras, o ar se transforma totalmente em CO, obtendo-se portanto 53 volumes
de CO por 100 volumes de nitrogênio, estas considerações são utilizadas para
o contrôle do forno a partir das analises dos gáses nas suas diversas fases.(cálculos
estequiométricos)
Qualidades do ferro gusa ou ferro fundido comum.
Conforme
a forma do carbono presente, do teôr de impurezas presentes, e da velocidade de
esfriamento, classificam-se os gusas em dois tipos extremos:
Gusa branco:- Produto duro, com fratura clara, com o carbono quase
todo combinado sob forma de carbeto com densidade maior que 7, funde-se a 1050oC.
São
gusas pobres em silício e carbono, fabricadas em alto-forno e com resfriamento
rápido , que não permite a separação do carbono e ferro
Gusa cinzento:- Produto mais mole, com fratura escura, onde o
carbono encontra-se em sua maior parte livre e em forma de grafita
possui densidade acima de 7 e funde-se a 1220oC.
São
gusas ricos em silício e carbono, fabricadas com esfriamento lento, com separação
do carbono e do ferro.
Tipos especiais de ferro fundido:-
O
ferro gusa e o ferro fundido (obtido pela refusão do gusa) são produtos que se
solidificam a temperaturas em torno de 1200oC
ou seja aproximadamente 300oC abaixo
do aço.
O
ferro fundido é matéria mais
procurada que o aço para produzir-se péças fundidas, porque o custo de
produção é menor.
Em
contrapartida, tanto o gusa como o ferro fundido, não podem ser solicitados por
esforços de tração ou submetidos a choques, pois sòmente resistem bem aos
esforços de compressão.
Com
o intuito de obter-se aproximação das propriedades do ferro fundido com as do
aço, tais como, resistência a tração e choque, utilizam-se processos
visando modificar a estrutura lamelar da grafita em uma estrutura nodular
a)
Usando resfriamento lento, de 900 a 700oC
( a razão de 5 a 10oC por hora ) o
que o transforma em ferro fundido maleável porém de preço elevado.
b)
Usando durante a refusão, adição de magnésio em forma de liga, atua, na
solidificação de forma a distribuir a grafita em nódulos.
É
descoberta recente e representa material barato, de boa usinabilidade e
ductibilidade.
Ferros fundidos especiais:-
A
adição de um ou mais elementos tais como Ni, Cr, Si, etc, durante a refusão
do gusa em "cubilô" gera produtos:-
"Niresist"
- 14% de Ni, 2% de Cr, com resistência
a alta temperaturas.
"Duriron"
- 13 a 15% de Si, com resistência a soluções ácidas.
"Nihard"
-4,5% de Ni, 2% de Cr, com resistência
a abrasão e choque ao mesmo tempo. (bolas de moinho)
O
metal fundido em alto-forno, é derramado em moldes, diretamente ou em cadinhos,
que o encaminha as maquinas prensas, lingotadeiras, de perfilagem etc.
O
ferro gusa é uma forma de ferro impuro com altos teôres de carbono (acima de
2%) sendo parte livre e parte combinada, contendo como impurezas, fósforo, silício
e enxôfre.
A
diferença fundamental entre o ferro e o aço, refere-se ao seu teôr de
carbono, sendo aceito por convenção a nomenclatura de " aço"
para teôres menores que 1,7%
em carbono.