Introdução:

O alto-forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalúrgica do ferro. A partir dos primeiros fornos, dos tipos mais rudimentares, em que os gases eram perdidos na atmosfera, constantes aperfeiçoamentos técnicos vêm sendo introduzidos e a capacidade diária paulatinamente elevada, aproximando-se, nos dias atuais, de 10.000 toneladas de ferro gusa em 24 horas.

A metalurgia do ferro consiste essencialmente na redução do óxidos dos minério de ferro, mediante o emprego de um redutor, que é um material á base de carbono- o carvão- o qual atua igualmente como combustível e, indiretamente, supridor do carbono para as ligas ferro-carbono de alto carbono, que são os principais produtos do alto-forno.

Antiguidade

Os alto-fornos mais antigos conhecidos foram construídos na China da dinastia Han, no Século I a.C., embora os artefatos férreos encontrados neste país datem do Século V a.C. - o que torna possível acreditar-se que a história dos altos-fornos na China seja mais antigo do que atualmente se supõe. Estes fornos primitivos possuíam paredes de barro com grande quantidade de minerais fosfóricosEnquanto se acreditava por muito tempo que os chineses haviam desenvolvido o método de derretimento do ferro, Donald Wagner (mesmo autor da referência anterior), publicou novo trabalho, o que substitui algumas de suas afirmações de seu trabalho anterior. Nesta pesquisa mais recente o autor coloca a data dos primeiros artefatos de fundição entre os séculos IV e V a.C., mas também cogita de evidências de que o uso dos fornos de fundição tenha se difundido para o ocidente. Ele sugere, também, que os alto-fornos primitivos teriam se evoluído a partir dos fornos para derretimento do bronze.

Europa Antiga

O ferro foi fundido pelos gregos, celtas, romanos e cartagineses da Antiguidade. Foram encontrados vestígios variados na França (antiga Gália). Materiais encontrados na atual Tunísia sugerem seu uso por ali, como também na Antióquia durante o período helenístico. Embora seja pouco conhecido o seu uso durante a Idade Média, o processo provavelmente continuou em uso. A fundição aperfeiçoada recebeu o nome de forja catalã, e foi inventada na Catalunha, na atual Espanha, durante o século VIII. Em vez de usar a estrutura de ventilação natural, adicionou o sistema de foles para bombear o ar no interior. Isso permitiu a um tempo produzir um ferro de melhor qualidade, como aumentou-lhe a capacidade. É reconhecido que os monges cistercianos, que eram bons engenheiros e qualificados metalúrgicos, tinham conseguido produzir um verdadeiro aço, sendo considerados os inventores do alto-forno na Europa.

Idade Média

Os alto-fornos mais antigos conhecidos fora construídos na Suécia ocidental, em Lapphyttan, e o complexo estiveram ativos entre os anos de 1150 a 1350. Em Noraskog, no município sueco de Järnboås foram encontrados restos de alto-fornos datados de antes desse período, provavelmente por volta de 1100. Isso constitui um fato obscuro, e será possivelmente impossível determinar se o alto-forno foi desenvolvido indepentemente na Suécia medieva, ou se este conhecimento foi-lhes transmitido de alguma forma, da Ásia. Estes primitivos fornos, a exemplo dos chineses, eram extremamente ineficientes, se comparados com os atuais. Era utilizado o ferro das minas de Lapphyttan para a produção de bolas de ferro forjado, conhecidas como osmonds, e que eram internacionalmente comercializadas - uma possível referência disso encontra-se em um tratado com Novgorod, de 1203, além de várias referências certas nas contas alfandegárias inglesas entre os anos de 1250 a 1320. Foram também identificados fornos dos séculos XIII a XV na Westphalia.

Podem ter sido também transmitidos os conhecimentos dos avanços tecnológicos promovidos pela Ordem de Cister, inclusive do forno de produção do aço. Um alto-forno medieval (e o único identificado fora da Inglaterra, e que se acreditou conter avanços semelhantes aos alto-fornos modernos) foi identificado por Gerry McDonnell, arqueometalúrgico da University of Bradford. Ela localizava-se em Laskill, uma estação externa da Abadia de Rievalux, produtora de aço. Sua data, entretanto, não é precisa; ela certamente não sobreviveu à dissolução dos monastérios, promovida na década de 1530 por Henrique VIII - razão pela qual esse conhecimento não se espalhou para além de Rievaulx.A data de operação do forno não apenas não está clara, como também é possível não haver sobrevivido por muito tempo, de acordo com registos do Conde de Rutland, em 1541.

Construção do Alto-Forno.

Como se vê, trata-se de uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que compreende essencialmente uma fundação e o forno propriamente dito. Esta, por sua vez, é constituída de três partes essenciais: cadinho, rampa e cuba.

Cadinho

Rampa

Cuba

Cadinho

O cadinho corresponde á parte do alto-forno onde se acumulam o metal fundido e a escória, resultantes das reações que ocorrem no seu interior. O cadinho tem forma cilíndrica e é construído em chapa grossa de aço, com revestimento interno de material refratário de natureza sílico-aluminosa ou de blocos de carbono. Entre a chapa de aço e o revestimento refratário são colocadas placas retangulares de ferro fundido, contendo no seu interior tubos de água, por onde esta circula, promovendo o resfriamento e proporcionando, assim, melhor condição do material suportar as temperaturas elevadas que ocorrem nessa região e as pressões devidas ao peso da carga. O diâmetro do cadinho, dependendo da capacidade do forno, pode ser mais ou menos igual ou maior que 10 metros. A altura do cadinho supera frequentemente 4 metros.

Na parte inferior do cadinho, acerca de 1m do fundo, situa-se o furo de corrida do gusa, o qual, durante a operação do forno, permanece fechado com massa refrataria colocada sob pressão e,por Acima do furo de corrida do gusa, a cerca de 2,0 a 2,40m do fundo , situam-se os furos de corrida de escória, geralmente em números de dois.

Na parte superior do cadinho, a cerca de 3,25m do fundo situam-se as ventaneiras , através das quais é soprado ar pré-aquecido e sob pressão.O número de ventaneiras, de formato cônico, construídas de cobre e refrigeradas a água, varia de 20 a 32.

Rampa

A rampa tem formato tronco-cônico; suas dimensões variam desde o diâmetro do cadinho até 10,5 ou mais, com altura que pode superar 4m. A rampa corresponde á zona, de certo modo, mais quente: aí a espessura do refratário é menor que a do cadinho, exigindo, em conseqüência, um resfriamento externo mediante o emprego de placas metálicas por onde circula a água. A inclinação da rampa é da ordem de 80 a 82º em relação á horizontal,

Cuba

A cuba, também de forma tronco-cônica, tem a seção menor voltada para cima, no topo ou goela. Sua altura, apartir da rampa, pode superar 25m.

Em conseqüência, a altura do alto-forno, compreendendo o cadinho, rampa e cuba, a partir do fundo do cadinho, supera 30m, aos quais devem juntar-se cerca de 4,5 a 5,0m do fundo de cadinho ao piso do chão.

O diâmetro superior da rampa, na sua junção com o topo, é de aproximadamente 7,25 a 7,50 metros.

A cuba é contituida de revestimento de tijolos refratários de grande espessura, devido ao desgaste, essa espessura é maior no inferior e vai diminuindo até chegar ao topo.

No topo do alto-forno situa-se o sistema de carregamento(fig.6). O sistema de carregamento mais comum é chamado “copo e cone”, como a figura mostra. Ele é constituído de uma tremonha de recebimento de carga, ligada ao silo ou tremonha superior rotativas, cujo fundo corresponde ao sino ou cone pequeno; esta pode ser movimentado por um sistema de alavancas.

A tremhonha de recebimento descarrega a caraga no silo ou tremonha rotativa, uma vez feita a descarga, o cone pequeno abre-se e descarrega o material na tremonha inferiora, cujo fundo corresponde ao sino ou cone grande.

Após ter carga suficiente na tremonha inferior, abre-se o cone grande que despaja o material no interior do forno.Isto só e´ feito quando o cone pequeno esta fechado para evitar a fuga de gases, estes saem pelos tubos de saída normalmernte a 90º um do outro que se comunicam com tubos de ascensão de gases.

Sistema de limpeza

O alto-forno tem um sistema de limpeza cujo é composto pelos seguintes acessórios:

- Coletor de poeiras, cuja a função é recolher a grande quantidade de poeiras carregadas no gases. Num alto-forno de 1.600t/dia de ferro gusa, a quantidade de poeiras arrastada pelos gases situa-se em torno de 100t/dia.O gás penetra no coletor pela sua parte superior, cuja forma é tronco-cônica. A parte central do coletor é cilíndrica e a poeira é retirada por meio de carrinhos. O gás é, em seguida, dirigido para os lavadores .

- Lavadores, que empregam, atualmente, um precipitador eletrostático, o qual permite a geração de um campo elétrico que ioniza as partículas de pó, atraindo-os para as paredes do parelho. Daí são levadas ao fundo, por intermédio de uma camada de água que escorre pelas paredes.

-Regenerador de calor,Finalmente, o acessório mais importante corresponde ás estufas ou regeneradores de calo. È constituído de uma câmara de combustão em que o gás do alto-forno é queimado juntamente com ar. Ao atingir a cúpula do regenerador, o gás muda de direção e atravessa, no sentido descendente, a outra seca do regenerador ou seja uma câmara de empilhamento de tijolos refratários, cedendo calor aos tijolos que atingem temperaturas da rodem de 1.400ºC, a´pos cerca de 1h 30 ,min.Uma vez atingida essa temperatura, interrompe-se, por intermédio de válvulas, a entrada de ar e gás na câmara de combustão e promove-se a entrada de ar sob pressão, pela parte inferior da câmara de empilhamento. O ar, ao atravessar os tijolos aquecidos, vai-se aquecendo, muda de direção ao chegar à cúpula do regenerador e desce pela câmara de combustão até atingir o terço inferior desta, de onde sai para o alto-forno, através da válvula de ar quente.O gás queimado é dirigido á chaminé, colocada perto do regenerador, de modo a reduzir a um mínimo a perda de triagem.Normalmente um alto-forno é equipado com três regeneradores .

Operação do alto-forno

A operação do alto-forno é iniciada depois de ter passado pelo processo de secagem e preparo preliminar os regeneradores são aquecidos previamente, de modo que um dos meios de secar o alto-forno consiste em soprar-se ar quente dos regeneradores, atraves das ventaneiras, durante 10 a 15 dias, até que a temperatura em torno de 600ºC seja alcançada. Outro método de secagem é a queima de carvão de madeira ou coque.

A primeira carga de matéria prima apresenta uma proporção maior de coque para acelerar o aquecimento do revestimento refratário, assim como para formar uma quantidade maior que a normal de escória.

Á medida que a combustão do carvão progride, a proporção dos vários elementos constituintes da carga é modificada até atingir-se a normal.

Essa carga , em outras palavras, é modificada em função da qualidade das várias matérias-primas, inclusive se utiliza apenas minérios de ferro ou igualmente “sinter’ ou “pelotas”.

Além da carga sólida, a quantidade de ar necessária é muito elevada da ordem de 2000 a 25000t por 1000t de gusa; do mesmo modo a água de refrigeração, num alto forno moderno, é da ordem de 20m3/t de gusa líquido e o consumo de energia para o acionamento dos vários dispositivos elétricos de carregamento, queimadores, precipitadores, controles etc. é da ordem de 10kWh/t de gusa líquido.

Num alto forno, existem duas correntes de materiais responsáveis pelas reações que se verificam: uma corrente sólida, representada pela carga que desce paulatinamente e uma corrente gasosa que se origina pela reação de carbono do carvão com o oxigênio do ar soprado pelas ventaneiras, que sobe em contracorrente.

A carga introduzida pelo topo, ao entrar em contato com a corrente gasosa ascendente, sofre uma secagem, inicialmente, pela remoção da água higroscópica e , a seguir, remoção da água de hidratação, remoção essa que se completa somente por volta de 500ºC.

A formação de escória compreende reações bem mais complexas.Essa escória, resulta da combinação do CaO e do MgO do calcário com a ganga do minério e as cinzas do carvão.A escória se origina, na sua quase totalidade, ao ser alcançada a rampa, a cerca de 1200ºC.

Esse produto caracteriza-se por sua grnade fluidez e seu baixo peso específico.Assim no cadinho, a escória e o gusa líquido separam-se por gravidade, formando duas camadas: a inferior, metálica e a superior, a escória, facilitando o vazamento de ambos os produtos.

Produtos do Alto-forno.

O principal produto do alto-forno é o ferro gusa, cuja utilização é feita nas aciarias, para onde é encaminhado no estado líquido e transformado em aço.O ferro fusa é ainda utilizado no estado sólido como principal matéria-prima das fundições de ferro fundido.

Há vários tipo de ferro gusa, basicamente, é uma liga ferro-carbono de alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo e enxofre, devido as matérias-primas utilizadas e o processo de produção.

De uma modo geral, a maioria dos ferros gusas possíveis de serem obtidos em alto-forno está compreendida na seguinte faixa de composições:

Carbono - 3 a 4,5%

Silício - 0,5 a 4,0%

Manganês - 0,5 a 2,5%

Fósforo - 0,05 a 2,0%

Enxofre - 0,20% max.

A escória também é uma produto do alto-forno, depois de solidificada pode ser empregado como lastro de ferrovias, material isolante, etc.Sua mais importante aplicação dá-se na fabricação do chamado “cimento metalúrgico”.

Conclusão

Oalto-forno é um dos mais usados aparelhos para a produção de ferro-gusa líquido, assim podendo aproveitar a escória na produção de cimento, os gases do alto-forno atualmente não mais despejados na atmosfera. Um alto-forno moderno tem uma produção muito alta.

Bibliografia

TECNOLOGIA MECÂNICA,vol. III, Materiais de construção Mecânica.

Autor: VICENTE CHIAVERINI.

www.wikipedia.org

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