Siderurgia - Alto Forno

Siderurgia - Alto Forno

Introdução

  • Introdução

  • Reações de redução

  • Zona de Preparação

  • Zona de Elaboração

  • Incorporação de Si no gusa

  • Escória de Alto-forno

  • Conclusão

  • Bibliografia

ALTO-FORNO é um processo de redução em forno de cuba para a produção de metal líquido (gusa) a partir de pelotas, sínter, minério granulado e coque. O alto-forno é um forno de cuba operado em regime de contra corrente. A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo com o gás que sobe. Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos regeneradores) é injetado através das ventaneiras. Em frente às ventaneiras o O2, presente no ar, reage com o coque formando monóxido de carbono (CO) que ascende no forno reduzindo o óxido de ferro presente na carga que desce em contra corrente.

  • ALTO-FORNO é um processo de redução em forno de cuba para a produção de metal líquido (gusa) a partir de pelotas, sínter, minério granulado e coque. O alto-forno é um forno de cuba operado em regime de contra corrente. A carga sólida, alimentada pelo topo, desce por gravidade reagindo com o gás que sobe. Na parte inferior do forno o ar quente (vindo dos regeneradores) é injetado através das ventaneiras. Em frente às ventaneiras o O2, presente no ar, reage com o coque formando monóxido de carbono (CO) que ascende no forno reduzindo o óxido de ferro presente na carga que desce em contra corrente.

Formação do gás CO na raceway:

  • Formação do gás CO na raceway:

      • C(excesso) + O2  2CO (exotérmica)
  • Redução do óxido de ferro pelo gás CO:

      • Fe2O3 + CO  Fe3O4 + CO2 (exotérmica)
      • Fe3O4 + CO  FeO + CO2 (endotérmica)
      • FeO + CO  Fe + CO2 (exotérmica)
  • À temperaturas superiores à 950ºC temos a regeneração do gás CO2 através da reação de “Solution Loss” ou “Reação de Boudouard”. Esta reação por ser altamente endotérmica provoca um aumento no consumo de combustível:

  • CO2 + C(coque)  2CO (endotérmica)

A zona de preparação se localiza em temperaturas inferiores àquela mínima para que a reação de “Solution Loss” ocorra. Dessa maneira, na zona de preparação não existe reação dos gases com o carbono da carga. Se o carbono da carga não reage nesta zona, ela pode ser tratada como um reator no qual a carga é secada, pré-aquecida e pré-reduzida pelos gases ascendentes.

  • A zona de preparação se localiza em temperaturas inferiores àquela mínima para que a reação de “Solution Loss” ocorra. Dessa maneira, na zona de preparação não existe reação dos gases com o carbono da carga. Se o carbono da carga não reage nesta zona, ela pode ser tratada como um reator no qual a carga é secada, pré-aquecida e pré-reduzida pelos gases ascendentes.

A zona de elaboração do alto-forno está situada abaixo da zona de preparação, englobando parte da zona granular, a zona de amolecimento e fusão e a zona de gotejamento (homem morto e a zona de combustão). A principal característica da zona de elaboração é que o carbono da carga reage nesta zona, e, portanto, todo o encargo térmico (reações endotérmicas) para aí transferido é traduzido num aumento de consumo de carbono.

  • A zona de elaboração do alto-forno está situada abaixo da zona de preparação, englobando parte da zona granular, a zona de amolecimento e fusão e a zona de gotejamento (homem morto e a zona de combustão). A principal característica da zona de elaboração é que o carbono da carga reage nesta zona, e, portanto, todo o encargo térmico (reações endotérmicas) para aí transferido é traduzido num aumento de consumo de carbono.

Então, na prática se tivermos:

  • Então, na prática se tivermos:

  • MAIOR

  • eficiência de redução da carga metálica na zona de preparação (elevação da relação CO2/CO no topo)

  • MENOR

  • Consumo de carbono (kg/t gusa)

  • O problema é: Redução Direta do FeO pelo C (temperaturas acima de 950ºC):

        • FeO + CO  Fe +CO2 (exo)
        • CO2 + C  2CO (endo) “Solution Loss”
        • FeO + C  Fe + CO (endo) consumindo calor para ocorrer!!!

Podemos aumentar a eficiência de redução controlando 3 fatores:

  • Podemos aumentar a eficiência de redução controlando 3 fatores:

  • 1. Contato gás-sólido na ZP:

  • Um bom contato gás-sólido está associado à distribuição de carga, à granulometria da carga e à própria qualidade da carga metálica com relação à degradação (RDI e crepitação).

  • 2. Qualidade da carga metálica:

  • A carga metálica deverá ter uma boa redutibilidade para facilitar as reações de redução.

  • 3. Tempo de residência maior da carga metálica na ZP:

  • Um tempo de residência maior da carga metálica na ZP também contribui para uma maior eficiência de redução nessa zona. Uma menor produtividade do alto-forno, na maioria das vezes, não é o desejado (caso do AF de KUKIOKA – perfil W). Pode-se conseguir isto trabalhando com um coque mais denso, por exemplo.

As condições termodinâmicas existentes no interior do reator promovem a incorporação de algumas impurezas ao gusa líquido e separa outras na fase escória e gás.

  • As condições termodinâmicas existentes no interior do reator promovem a incorporação de algumas impurezas ao gusa líquido e separa outras na fase escória e gás.

O silício entra no alto-forno na forma de SiO2, através da ganga da carga metálica (minério, aglomerados) e das cinzas do coque e do carvão mineral pulverizado utilizado para injeção pelas ventaneiras.

  • O silício entra no alto-forno na forma de SiO2, através da ganga da carga metálica (minério, aglomerados) e das cinzas do coque e do carvão mineral pulverizado utilizado para injeção pelas ventaneiras.

  • A grande maioria do silício que entra no alto-forno participa da formação da escória na forma de SiO2, mas uma parte é reduzida e dissolvida no gusa, para ser oxidada posteriormente no LD (também para a formação de escória).

  • São dois os principais fenômenos que levam à incorporação de silício pelo gusa líquido:

  • 1º. Através da redução do vapor de SiO (g) na zona de gotejamento

  • 2º. Através da redução da sílica presente na escória no cadinho;

1º. Através da redução do vapor de SiO (g) na zona de gotejamento;

  • 1º. Através da redução do vapor de SiO (g) na zona de gotejamento;

  • Monóxido de silício pode ser formado quando o coque queima antes do nível das ventaneiras e sua cinza rica em sílica é reduzida, ou quando a escória liquida “molha” o coque incandescente na rampa do alto-forno (zona de gotejamento).

  •  

  • SiO2(s) + C(s)  SiO(g) + CO(g)

  • A absorção do silício pelo gusa na rampa pode ocorrer quando o vapor de SiO sobe junto aos gases, segundo as seguintes reações:

  •  

  • SiO(g) + Fe(l)gotejando  Sidissolvido + FeO(s)

  • FeO(s) + CO(g)  Fe(l) + CO2(g)

  • C(s) + CO2(g)  2CO(g) Reação de Solution Loss

2º. Através da redução da sílica presente na escória no cadinho;

  • 2º. Através da redução da sílica presente na escória no cadinho;

  • A sílica presente na escória pode ser reduzida pelo ferro líquido (que contém carbono) quando este entra em contato com a escória no cadinho.

  • Considerando que o ferro está saturado com carbono,

  •  

  • SiO2(s) + 2[C]sat.  Si(dissolvido) + 2CO(g) – 763,1 kJ

  • Esta reação é fortemente dependente da temperatura (endotérmica).

  • Como esta reação ocorre no cadinho então quanto maior o nível térmico do alto-forno (maior temperatura de gusa) maior a probabilidade de incorporação de Si.

Pode-se resumir então que dois fatores determinam a incorporação de silício no gusa no alto-forno:

  • Pode-se resumir então que dois fatores determinam a incorporação de silício no gusa no alto-forno:

  • 1. Forma e posição da zona coesiva

  • 2. Temperatura de gusa

  • Como o nível térmico do forno é diretamente proporcional à quantidade de combustível disponibilizado para o processo assim como a posição da zona coesiva (mais alta) também é proporcional à quantidade de combustível disponibilizado, temos que:

  • De forma geral, quanto maior o teor de Si no gusa maior o Fuel Rate

  • Desta forma sempre que possível é interessante tentarmos trabalhar com um silício no gusa mais baixo (operação estável e eficiente do alto-forno). Isto levará à uma economia de combustível.

Características de uma boa escória:

  • Características de uma boa escória:

  • 1. Líquida

  • 2. Fluida (baixa viscosidade)

  • 3. Tolerância

  • 4. Reter Álcalis (K2O e Na2O) – escórias ácidas

  • 5. Reter Enxofre – escórias básicas

  • 6. Baixo volume

A formação da escória inicia-se na região do topo da rampa (acima do cadinho), quando ocorre combinação da cal (Cao) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e certa quantidade de óxido de ferro e manganês.

  • A formação da escória inicia-se na região do topo da rampa (acima do cadinho), quando ocorre combinação da cal (Cao) com a ganga (impurezas do minério de ferro) e certa quantidade de óxido de ferro e manganês.

  • É importante ressaltar que essa composição vai depender das matérias primas e do tipo de gusa fabricado. A composição química é de extrema importância e vai determinar as características físico-químicas das Escórias de Alto-Forno.

  •  

Ao elaborarmos esse trabalho conseguimos perceber a importância do alto-forno na produção do aço. É necessário ter controle do desempenho do alto-forno para atender as especificações do aço (composição química, atributos físicos, beneficiamento, etc.) Vale ressaltar a produtividade e a estabilidade em todo o processo do alto-forno. Percebe-se a importância do conhecimento das zonas de preparação e elaboração, além das reações de redução, formação da escória e incorporação de inclusões.

  • Ao elaborarmos esse trabalho conseguimos perceber a importância do alto-forno na produção do aço. É necessário ter controle do desempenho do alto-forno para atender as especificações do aço (composição química, atributos físicos, beneficiamento, etc.) Vale ressaltar a produtividade e a estabilidade em todo o processo do alto-forno. Percebe-se a importância do conhecimento das zonas de preparação e elaboração, além das reações de redução, formação da escória e incorporação de inclusões.

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