Alto Forno

O processo: descida da carga

e controle do fluxo de gás

Descida da carga: onde é criado o vazio?

A carga desce no alto forno após o gás ter se formado nas ventaneiras. O gás é distribuído através das camadas de coque e para dentro das camadas de minério, penetrando nas camadas da carga. A superfície da carga desce a uma velocidade de 8–15 cm/minuto.

De forma que a carga desça, têm que ser criados vazios em algum lugar do forno.

Onde estes vazios ocorrem?

• Primeiro: o coque é queimado em frente as ventaneiras, por conseguinte, criando vazios nas ventaneiras.

• Segundo: o gás quente sobe pelo forno e funde o material da carga. Desta forma, o volume da carga começa a desaparecer na zona de fusão.

• Terceiro: o gotejamento de metal quente consume carbono. Ele é usado para a carbonização do ferro bem como para as reações diretas de redução. Assim, abaixo da zona de fusão o coque é consumido. Existe uma relação direta com a quantidade de metal quente produzida.

É possível indicar quanto cada um dos 3 mecanismos contribui.

Veja indicação na Figura 32. A maior parte dos vazios é criada na zona de fusão e na área imediatamente abaixo dela. Em nosso exemplo “alto forno” apenas aproximadamente 25% é criado como uma conseqüência da queima do coque nas ventaneiras.

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Isto implica, que o fluxo da massa de materiais é fortalecido em direção ao anel, onde a maior quantidade de minério é carregada no forno. Desta forma, sob taxas coque mais baixas, uma alta concentração de minério em qualquer anel da circunferência, especialmente na região da parede, tem que ser evitada.

Os materiais granulares da carga e o coque fluem bem facilmente através de silos, nconforme pode ser observado na casa dos silos de um alto forno. Daí, na área do alto forno onde o material é granular, a massa flui com uma facilidade similar para as áreas de vazios. Não obstante, os operadores de alto forno estão familiarizados com cargas de descida deficiente (Figura 33 como exemplo). Da mesma forma, o fenômeno de “engaiolamento” (quando não há descida da carga) e “arriamentos” (descida rápida e descontrolada da carga) são familiares. A partir da análise nesta seção, segue–se que, falando de uma forma geral, a causa da descida deficiente da carga tem que ser encontrada na configuração da zona de fusão (uma outra possibilidade é a formação de cascões na parede). Perceba também que os vazios são criados no forno mesmo se o forno não estiver descendo. As forças de ação contrária que impedem uma descida apropriada da carga são discutidas na próxima seção.

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Descida da carga: sistema de forças verticais

A carga desce devido ao fato das forças descendentes (de sentido para baixo) da carga excederem as forças de ação contrária ascendentes (de sentido para cima). A força descendente mais importante é o peso da carga, a força ascendente mais importante é a diferença de pressão entre o vento quente e a pressão do topo. O lado mais baixo da zona de fusão é a área com a mais alta perda de carga, e também com a mais alta força ascendente. Se esta diferença de pressão se tornar muito alta, a descida da carga poderá sofrer distúrbios (Figura 34). Além disto, o coque submerso no metal quente exerce também uma alta força ascendente na carga devido as forças de flutuação (Figura 35).

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Na prática operacional uma descida falha da carga é freqüentemente um indicador de um processo deficiente do alto forno. As razões podem ser:

• A força ascendente está alta demais. Operadores experientes têm ciência da diferença máxima de pressão pela carga que proporciona uma operação suave.

• É sabido também que um forno quente apresenta uma descida mais imperfeita da carga. Isto se deve ao fato de que a zona de fusão está localizada numa parte mais alta no forno, o que aumenta a área sobre a qual a diferença de pressão exerce força ascendente, sendo que a força descendente fica menor, devido ao menor peso da carga acima da zona de fusão.

• A descida da carga pode ser muito sensível à operação da casa de corrida por causa da força ascendente mencionada do coque submerso.

• A força descendente é contida pelo material sendo amolecido e fundido na zona de fusão, levando a formação de ponte. Este problema poderá ser resolvido através de ajustes na distribuição da carga.

Fluxo do gás no alto forno

O gás gerado nas ventaneiras e abaixo, e na zona de fusão, possui um curto tempo de residência de 6 a 8 segundos no alto forno. Durante este tempo, o gás se resfria da temperatura de chama para a temperatura do gás de topo, de 2.000–2.200°C para 100–150°C, enquanto que, o oxigênio é simultaneamente removido da carga.A distância vertical entre as ventaneiras e o stock line (linha do nível da carga) é de aproximadamente 22 metros. Desta forma, a velocidade do gás no forno é bem limitada: numa distância vertical ± 2 a 5 m/s, o que é comparável com uma velocidade de vento de 2 a 3 na escala de Beaufort.Agora a questão é: como o gás gerado na zona de combustão é distribuído pelo forno.

Primeiramente considere a diferença entre as camadas de coque e a carga de minério. É importante notar, conforme indicado na Figura 36, que a carga de coque e minério possui uma resistência mais alta a vazão do gás do que o coque. O perfil da resistência do forno determina como o gás flui pelo forno. O fluxo de gás pela parede pode ser derivado das perdas de calor ou das temperaturas da face quente, uma vez que o gás aquece a parede.

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Observação dos fluxos térmicos pela parede

A Figura 37 mostra a temperatura na face quente da parede do forno. Tem sido observado em muitos fornos, que a temperatura sobe repentinamente em minutos e diminui durante a(s) próxima(s) hora(s). Isto é freqüentemente atribuído ao desprendimento de cascões (solidificações) na parede do forno. A explicação apresentada neste livro é que tais excursões de temperatura são devido à “presença de caminhos curtos” do gás pela da parede do forno. Estes “caminhos curtos” são devidos à formação de aberturas ao longo da parede

do forno criando uma área muito permeável pela qual os gases quentes irão preferencialmente fluir. Foram observadas baixas concentrações de CO2 na parede durante tais excursões e confirmam a “presença de caminhos curtos”. A premissa básica do presente livro é que as perdas térmicas pela parede são causadas pelo fluxo de gás ao longo das paredes.

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Porque o gás flui ao longo da parede? O gás toma a rota que oferece a resistência mais baixa. A resistência para a vazão do gás num alto forno carregado está localizada nas camadas de minério, tendo em vista que a permeabilidade inicial delas é de 4 a 5 vezes inferior a permeabilidade das camadas de coque. Existem duas áreas no alto forno que possuem a mais alta permeabilidade: o centro do forno, caso ele contenha coque suficiente, e a região da parede. Na parede pode haver aberturas (espaços vazios) entre a carga sob descida e a parede. No centro do forno poderá haver um alto percentual de coque e poderá haver minério relativamente grosso da carga devido à segregação.