INJEÇÃO DE GASES REDUTORES EM ALTOS-FORNOS Paula Denise Henrique Lyra Universidade Federal de Ouro Preto INTRODUÇÃO O Projeto de Pesquisa Injeção de Gases Redutores em Altos-Fornos propõe o desenvolvimento de uma nova tecnologia que prevê a injeção de redutores na cuba, através da construção de bicos injetores acima da zona de fusão que proporcionariam a injeção. Com a injeção destes gases uma grande parcela da redução indireta passaria a ser realizada por estes gases redutores injetados, o que pode representar um marco importante no desenvolvimento da metalurgia, pois esta injeção permite a redução do redutor injetado no alto-forno, visto que o consumo de redutor representa mais de 50% do custo do gusa, e uma melhoria na qualidade e aumento nos níveis de produção.METODOLOGIA O consumo de redutor, representa cerca de mais de 50% do custo do gusa. Portanto, os esforços na área do alto-forno têm que ser direcionados no sentido de reduzir o consumo específico de redutor. Uma das maneiras de se reduzir o consumo de redutor é a injeção de gases na cuba, ou seja, através da injeção de gases redutores em determinada zona do reator (a ser definida). Pode-se perceber, então, que este tema é de suma importância para a siderurgia nacional. Com isto, pode-se melhorar o desempenho do alto-forno proporcionando uma redução nos custos de produção e um aumento de produtividade. Nos casos de altos-fornos que utilizam somente oxigênio, a injeção de gases assume papel preponderante. Experiências feitas em diversos países do mundo demonstraram que injeções maciças de gases redutores não perturbam em nada o processo do alto-forno. A injeção de gases quentes permite uma substituição do carvão em maiores quantidades que pelo processo de injeção pelas ventaneiras. Sabe-se que as injeções pelas ventaneiras podem ser limitadas pelos seguintes fatores:
Devido a estes fatores procurou-se uma tecnologia de injeção, isto é, a injeção de redutores na parte inferior da cuba, acima da zona de fusão. A injeção de gás redutor aquecido tende a reduzir a extensão das zonas "inativas", especialmente a zona de reserva e baixa temperatura no topo. Isto é fundamental quando se pensa em utilizar largas porcentagens de oxigênio. Quando se injeta combustível, o objetivo primordial é, obviamente, a economia de redutor. Desta forma, a injeção de gases redutores só é eficiente se realizada na temperatura da zona de reserva, ou seja, 800 para AF a carvão vegetal ou 950oC para AF a coque. Ela é limitada superiormente pela possibilidade de reação de CO2 ou pelo maior custo do gás, e inferiormente pelo resfriamento da zona de reserva térmica. Tem-se como desvantagens da injeção de gases na cuba:
Noji et allii (1) fixam a altura de 15m abaixo do nível da carga como a ideal para a injeção de gases; citam também que se o gás é injetado entre 1000 e 1200oC não existe economia de coque. Quanto a injeção de gases pelas ventaneiras, tem-se como inconveniente um agravamento das condições de retenção e refluxo, devido ao aumento do volume de gases. O autor apresenta as seguintes desvantagens, caso a injeção seja em excesso: diminuição da temperatura na zona de combustão, aumento da fuligem e perturbações no fluxo regular de escória e gusa devido ao excesso de gás produzido. Por outro lado, Decker & Poos (2) em ensaios de laboratório mostraram que se pode atingir 275 kg/tgusa de consumo específico de coque quando se utiliza gases redutores quentes. O índice economicamente viável de relação sólido/gás seria de 0,25 kg/m3. A otimização da injeção de gases seria atingida em função da temperatura adiabática de chama. Baixos níveis de temperatura de chama implicam em maiores necessidades térmicas, portanto maior consumo específico de redutor. Cálculos teóricos realizados por Poos et allii(3) indicavam que para cada Nm3 de gás injetado na cuba conseguia-se uma economia de coque de 0,28 kg e um aumento de produtividade da ordem de 25 a 30%. Isto é válido para um gás com composição química bem definida, sendo que o teor de N2 não pode exceder 5%. Experimentos feitos em escala piloto confirmaram esses resultados, sendo que conseguiu-se injetar até 750 Nm3 gás/t com uma economia de 145 kg/tgusa de coque. Visando verificar se a distribuição de gases seria uniforme em um forno industrial, foram realizadas experiências no alto forno de Cockerill(4), com diâmetro de cadinho de 6,5m, em um período de 8 meses. Utilizou-se o gás natural reformado com vapor, injetado a 3,5m acima das ventaneiras. Verificou-se que a penetração do gás redutor na rampa só depende da quantidade injetada, independendo de outros parâmetros ligados à geometria do forno. A taxa de substituição de coque, no entanto, foi levemente abaixo da faixa economicamente viável(=0,24). Horvath(5) em estudo teórico mostra que a injeção de gás redutor implica na alteração do consumo de coque em função da temperatura de sopro e do grau de enriquecimento do ar em oxigênio. Kozub(6) salienta que em experiências na usina de Nijne-Tag’ilsk na Rússia, houve melhoria dos índices técnico-econômicos dos altos-fornos diminuindo os períodos ociosos devido a troca de ventaneiras. Em experiências no alto forno da USBM, EUA(7), foram feitas várias simulações: pelas ventaneiras do forno, pelas ventaneiras auxiliares situadas próximas às ventaneiras do forno e pelas ventaneiras situadas na rampa, resultando em uma economia de 17% no coke-rate. No Japão(8), nas usinas de Yawata, Higashida, Fujji Muroran e Kawasaki foram feitas várias experiências de injeção de gases. Os resultados indicaram economia da ordem de 30 kg de coque para uma injeção de 100 Nm3/tgusa. O processo NKG(9) usa o gás de topo para produção do gás de injeção. Com este processo, conseguiu-se uma taxa de substituição de 0,10-0,12 kg/Nm3. Conclui-se que o processo em tela é mais econômico do que o de combustão parcial. A Nippon Steel(10) possui uma patente para injeção de gás redutor. Como a pressão do forno varia constantemente, a pressão de injeção do gás é controlada em função desta variação. O gás redutor utilizado é obtido através da oxidação parcial de carvão mineral com oxigênio e vapor. Portanto, pelo apresentado, existem várias usinas no mundo que praticaram e praticam a injeção de gases. Naturalmente, existem várias questões que devem ser analisadas, quais sejam: tipo de gás a ser injetado, local a ser injetado, condições técnicas e econômicas para esta injeção, tornando portanto o presente trabalho de primordial importância para a siderurgia brasileira. RESULTADOS Inicialmente, na Mannesmann SA., o GFER seria injetado a uma temperatura de 850oC; taxa de injeção de cerca de 600Nm3/tgusa --velocidade no furo de 100m/s --; pressão de injeção de 1,3mca acima da pressão interna do forno e o centro da linha de injetores estaria situado a 4,06m acima da linha das ventaneiras. Este local para injeção foi escolhido a fim de que o GFER possa atuar durante o maior período possível, assumindo assim a maior parte ou mesmo a totalidade da redução indireta. Logo o GFER deveria ser injetado o mais baixo possível da zona de preparação, porém acima da zona de amolecimento e fusão. Um dos pontos fundamentais, quando se fala em injeção, é a questão relativa ao posicionamento dos bicos injetores no alto-forno. Para tal propósito, tornaram-se necessários levantamentos de dados relativos a sondagens naquele equipamento, mostrados por Santos(12). No entanto, a injeção deste gás se prende a sua disponibilidade e naturalmente a economia do processo. Recentemente a empresa desativou o FER, portanto tornando inviável o uso do gás procedente daquele equipamento. Restam alternativas -- uso de gás procedente da Refinaria Gabriel Passos e a possível regeneração de gás do alto-forno. CONCLUSÕES Do trabalho executado, concluiu-se:
Bibliografia
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