BR102012016961A2 - Lança de sopro para fabricação de metais e manutenção das condições operacionais de carregamento e sopro - Google Patents

Abstract

LANÇA DE SOPRO DE FABRICAÇÃO DE METAIS E MANUTENÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE CARREGAMENTO E SOPRO. Refere-se a presente invenção a uma lança de sopro (100) utilizada no processo de refino primário para obtenção do aço desenvolvida de forma a manter as condições operacionais de carregamento e sopro, dispondo na base um bico de cobre (101) ao qual é soldado em sua extremidade um tubo (102), dispondo ainda de um módulo (125) com as saídas de limpeza (103) e posicionado acima do módulo (125) um tubo de aço (118) e na extremidade superior deste, o cabeçote (107) que compreende uma entrada de líquido refrigerante (115), uma entrada de gases (116) e uma saída de líquido refrigerante (117), dispondo ainda a lança (100) em seu interior o tubo interno (122) responsável pela passagem do gás e o tubo intermediário (123) responsável pela divisão entre o fluxo de entrada de líquido refrigerante e a sua saída passando obrigatoriamente pelo bico de cobre (101).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção ‘‘LANÇA DE SOPRO PARA FABRICAÇÃO DE METAIS E MANUTENÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE CARREGAMENTO E SOPRO”

A presente invenção refere-se a uma lança de sopro utilizada em processos de fabricação de metais, mais especificamente a uma lança utilizada no processo denominado refino primário para obtenção do aço desenvolvida de forma a manter as condições operacionais de carregamento e sopro.

Estado da Técnica

Lanças de sopro são amplamente utilizadas na indústria metalúrgica para a injeção de gases, principalmente o oxigênio, no banho metálico, quando do processo de obtenção de metais líquidos. Note-se que além do oxigênio, essas lanças também podem ser utilizadas para injeção de outros gases ou misturas de gases nos processos de fabricação de metais iíquidos.

O processo de fabricação de aço utiliza fornos que estão a elevadas 15 temperaturas e a injeção de gases promove a purificação dos metais para atividades a que se destinam. A introdução do comburente, notadamente o oxigênio, é realizada por meio de uma lança de sopro introduzida no interior do forno com o objetivo de se aproximar da superfície do banho para acelerar a velocidade de reações, ficando assim submetida a elevadas temperaturas. Por 20 sua vez, o processo de injeção do gás provoca a agitação do metal líquido que é lançado para cima podendo solidificar-se tanto na superfície da lança, quanto nas paredes do forno, assim como ser arremessado para fora do forno. Para obtenção de uma lança de sopro com maior vida útil, já que é submetida a elevadas temperaturas o que diminui sua vida útil, é necessário que ela seja refrigerada, como por exemplo, neste caso, através da circulação da água. A temperatura na face externa da lança é elevada e muito superior à 5 temperatura de ebulição da água. No caso do metal processado ser o aço, a temperatura ultrapassa os 1.700°C, e em alguns casos pode ocorrer de a lança ser imersa no seio da emulsão, uma mistura composta pelo banho metálico, gases de combustão, gases comburente e escória, que é o subproduto líquido do refino do banho metálico.

Por esta razão, normalmente as lanças de sopro de oxigênio do estado

da técnica possuem um sistema de arrefecimento interno para manter a temperatura do corpo da lança baixa o suficiente para suportar as condições de refino sem ocorrer o amolecimento e mesmo fusão de seus componentes. O líquido de arrefecimento normalmente empregado é a água que circula na 15 lança com o emprego de bombas. Assim, o sistema de arrefecimento realiza uma troca térmica entre o corpo da lança, em geral de aço, e o metal líquido em processo no forno, através da água que circuia em seu interior. A água de circulação pode sofrer alterações com o objetivo de aumentar seu ponto de ebulição. Devido ao fato do ponto de fusão do aço, material do qual a lança é 20 normalmente fabricada, ser relativamente alto, isto confere ao corpo da iança uma boa resistência a altas temperaturas.

A extremidade inferior da lança, denominada bico, é normalmente fabricada em cobre, pois este metal possui um alto coeficiente de transmissão térmica, fazendo com que o calor que chega até a sua superfície seja imediatamente transferido para o líquido refrigerante. Apesar do baixo ponto de fusão do cobre, a efetividade da troca térmica com o líquido refrigerante impede sua fusão nas elevadas temperaturas do processo de fabricação de aço.

O banho líquido em processamento no forno encontra-se dividido em dois volumes distintos, sendo uma parte de escória, de menor densidade, resultante deste processo de purificação do metal, e o material metálico refinado, no caso aço, com maior densidade. Devido à diferença de 10 densidades, a tendência é o aço líquido depositar-se no fundo e a escória ficar sobrenadante quando o sopro é interrompido. Durante o sopro, ocorrem projeções (spfashes e spittinçj) de escória e aço sobre a superfície do corpo da lança. Assim, ao chocar-se contra a superfície do corpo da lança, o material sofre os efeitos da troca térmica e como os iimites são inferiores às 15 temperaturas de solidificação do metal e escória, tanto o resíduo de metal quanto a escória ficam aderidos à superfície externa da lança. A cada ciclo de sopro a espessura deste material aumenta, formando gradativamente um acúmulo de material conhecido como “cascão". O “cascão” é uma mistura solidificada de aço, escória e outros elementos em menor quantidade.

Da mesma forma, o “cascão” vai aderindo nas regiões superiores do

forno, normalmente mais frias devido à distância de contato com o sopro de oxigênio. Neste caso, pode ocorrer como conseqüência da formação do cascão, o fechamento gradativo da região conhecida como “boca” do forno, dificultando o carregamento das matérias primas antes do início de processo e, em alguns casos extremos, o deslocamento do centro de gravidade dos fornos. Para compreensão, os fomos possuem um sistema que permite que sejam basculados ou rotacionados para posições fora da vertical facilitando as 5 operações de carregamento de matérias primas, notadamente gusa líquido e sucata assim como realizar as operações de vazamento de metal líquido, aço e escória.

A “boca” do forno é a região com forma de tronco de cone na região superior. O fechamento gradativo pelo acumulo de cascão reduz a sua área de passagem e isto traz implicações negativas aos tempos de processo. Durante o carregamento da sucata, aumenta as possibilidades de ocorrer o “engaiolamento” ou acumulo de sucata na boca do forno devido a dificuldade no seu enfornamento. Para solucionar este problema são necessárias sucessivas manobras com a ponte rolante o que acarreta perdas no tempo de processo. Durante o carregamento do gusa líquido, o fechamento da boca provoca derrames de material líquido para fora do forno, acarretando aumento na perda metálica ou rendimento metálico do processo. Estes atrasos e perdas comprometem a produção diária de aço, devendo ser evitado, já que os custos de produção elevam com a ociosidade do equipamento e perdas de material metálico.

No caso de ocorrência de cascão nas lanças, a prática comum é a substituição por outra iança devidamente limpa e preparada, enquanto a lança com cascão sofre manutenção. Isto requer necessariamente a existência de um estoque de lanças reservas ou sobressalentes, o que representa elevação de custo de produção.

Para a limpeza da boca do forno a prática tradicional requer a completa paralisação do processo de produção para que o forno possa ser basculado até 5 uma posição que permita o uso de “arietes” mecânicos ou oxicortes manuais para retirada do material (cascão). Esta prática de parada do forno compromete consideravelmente a produção diária dos fornos. Recentemente, para reduzir as perdas de produção foram desenvolvidos bicos de cobre utilizados nas lanças para esta finalidade específica de limpar a boca. Estas lanças são 10 projetadas de forma que o fluxo de oxigênio é direcionado horizontalmente. Os furos são dispostos ao redor de todo o bico, com o objetivo de atingir toda a circunferência da “boca”. Para maximizar a limpeza, a lança é movimentada da região mais externa da boca até a região do canal de vazamento de aço, realizando assim, ciclos entre estes dois extremos. Apesar das facilidades e 15 ganhos desta prática, ainda não tem significância nos volumes diários produzidos pois apesar de ser uma prática que reduz o tempo de limpeza de boca, ainda é necessário interromper o ciclo de produção para realizar esta tarefa. É desejo comum obter uma lança que realize as funções de refino sem a formação de cascão tanto no corpo da lança quanto na “boca” do forno.

Uma lança com um sistema de arrefecimento do estado da técnica pode

ser observada na patente norte-americana US 5,350,158. A referida lança emprega diversos tubos concêntricos de diâmetros distintos, que formam um sistema de arrefecimento interno à lança. Um fluido refrigerante circula entre os referidos tubos de modo a absorver o calor. Para aumentar esta troca térmica, são utilizadas aletas internas que estão em contato com a parede externa de um tubo interno e o fluído refrigerante propriamente dito. No entanto, tal dispositivo apresenta ainda a aderência de “cascões” em sua superfície externa 5 quando da utilização da lança, pois a sua superfície não apresenta as características necessárias para evitar a fusão ou queda do material que venha atingi-la.

As patentes norte-americanas US 6,440,356, US 6,673,305 e US 6,773,659 apresentam um sistema de arrefecimento semelhante, dispondo de 10 tubos de aço concêntricos que permitem a troca de calor. Nos documentos citados, não é descrito nenhum tipo de ateta interna para auxiliar a transferência de calor entre o fluido refrigerante e o corpo da lança. Descrevese uma espiral interna que auxilia a distribuição do ar/comburente fornecido ao processo de obtenção do metal, circulando no interior dessa espiral o fluido 15 refrigerante. As patentes norte-americanas US 6,673,305 e US 6,773,659 descrevem uma lança apresentando extremidade inferior em cobre.

Sumário da Invenção

A presente invenção refere-se a uma lança de sopro para a fabricação de metais. Essa lança é constituída por um conjunto de tubos circulares 20 concêntricos, fabricados normalmente em aço, dispondo em sua parte superior local de entrada de gases e de entrada e saída de líquido de arrefecimento. Na sua parte inferior dispõe de saídas para os gases que serão injetados no banho. O formato da parte inferior da lança é cônico e fabricado em cobre, o que facilita o desprendimento do “cascão” aderido. E ainda, no interior dessa parte inferior cônica são dispostas aletas em forma de espiral, cuja principal função é aumentar a eficiência da troca-térmica entre as paredes do tubo e o líquido refrigerante.

Entre a parte superior e inferior, existem saídas de gases distribuídas ao longo da circunferência do tubo externo, a um determinado comprimento, com dimensões e ângulos variados. Dependendo das dimensões do forno, em diferentes comprimentos da lança é possível a colocação de mais conjuntos de 10 saídas de gases. A função dessas saídas de gases é evitar a formação de aderência de “cascões” tanto na região da boca do fomo quanto na região do tubo acima dessas saídas. Por estas saídas de gás comburente, o oxigênio, reage com o gás do refino primário de metais, rico em monóxido de carbono. Esta reação é conhecida como pós-combustão e gera calor, aumentando a 15 temperatura na região da “boca” e na parte superior da lança, dificultando a aderência de material em refino que mantém líquido e retorna ao seio da emulsão.

Figuras

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nas figuras, conforme listado abaixo:

Figura 1 - é uma vista geral em corte da lança em posição de operação no forno. Figura 2 - é uma vista geral em corte da lança;

Figura 3 - é uma vista de topo do conjunto de saídas da lança destinadas a limpeza de boca e manutenção da limpeza da parte superior;

Descrição detalhada das figuras A Figura 1 apresenta uma vista geral de um conjunto de lança (100)

posicionada no interior de um forno de produção de aço. Este conjunto é composto pelo bico de cobre (101), que possui na sua extremidade as saídas de oxigênio em número variado de quantidade de furos, e o tubo cônico (102) dispondo de aletas internas em cobre. O comprimento do tubo cônico (102) 10 assim como a sua conicidade é uma função das características dos produtos e processos de cada forno. De forma geral, quanto maior a capacidade do forno maior será o comprimento da região cônica, pois implica no posicionamento das saídas que irão efetuar a limpeza da lança na parte superior e “boca" do forno. A conicidade é dimensionada em função dos volumes de escória, sendo 15 de forma geral, quanto maior o volume de escória, menor a conicidade da lança. Acima do tubo cônico (102), está situado o conjunto de saídas de gases de limpeza (103), cujas quantidades e dimensões variam dependendo das necessidades do processo, em relação a limpeza de boca (105) ou limpeza da parte superior cilíndrica da lança (106) ou ambas, ou ainda, das dimensões do 20 forno (104). O dimensionamento das saídas de gases de limpeza pode variar de velocidades sônicas a supersônicas, sendo a velocidade sônica para póscombustão em curtas distâncias, mantendo a parte superior da lança em temperaturas superiores, e a velocidade supersônica para pós-combustão em longas distâncias, mantendo a região da “boca” do forno aquecida, evitando a aderência do cascão. As dimensões do forno determinam a quantidade de saídas, pois a distribuição adequada promove uma limpeza homogênea na circunferência da “boca”. Acima das saídas de limpeza (103) localiza-se a parte 5 superior cilíndrica da lança (106), em aço. Na extremidade superior encontra-se o cabeçote da lança (107) que tem a finalidade de promover a entrada dos gases e entrada e saída do líquido de arrefecimento.

Ainda na figura 1 é apresentado um forno de metalurgia (104), que possui uma parede externa metálica denominada carcaça (108), formando um 10 recipiente aberto na parte superior, a “boca” do forno (105). O forno de metalurgia é revestido internamente por uma parede refratária (109) com o objetivo de manter o metaf líquido nas temperaturas desenvolvidas no processo.

Durante o processo de fabricação de aço, o interior do forno (104) é 15 tomado por três fases misturadas peia agitação provocada pelos furos do bico de cobre (101). As fases são: metal líquido ou banho (110), escória (111) e gases (112). As projeções desses elementos na parede situada na região da boca do forno (105), quando solidificadas, formam o que se denomina cascão (119).

Na parte superior do forno (104) é instalado um duto de despoeiramento

(113) com uma abertura lateral (114) que permite a movimentação de entrada da lança (100) em direção ao interior do forno (104) e sua retirada ao finai de uma batelada processada. Na posição de processamento do banho (110) no interior do forno (104), a lança necessita ser avançada a uma distância apropriada do banho (110) para que o jato de oxigênio, saindo do bico de cobre (101), consiga promover a mistura necessária para que as reações aconteçam. Durante o processo, as três fases misturadas formam uma emulsão que cobre parte do corpo da lança

(100) submetendo-a a elevadas temperaturas. Esta emulsão projeta partículas do banho (110) e escória (111) que podem aderir tanto na lança (100) como na boca do forno (105), na forma de cascão (119).

Conforme pode ser observado na figura 2, a lança (100) compreende uma entrada (115) de líquido refrigerante, uma entrada de gás (116) e uma saída do líquido refrigerante (117), todas localizadas na parte superior da lança, e o cabeçote (107). Por meio da circulação do líquido refrigerante, é retirado calor da lança (100), aumentando sua vida útil. Entre o bico de cobre

(101) e o tubo de aço (118) é instalado o tubo cônico (102) tendo seu menor diâmetro soldado a extremidade (101). A forma cônica do tubo (102) propicia o

desprendimento da mistura aderida, pois não há nenhuma oposição à força gravitacional. Assim a mistura metal líquido do banho (110) e escória (111) aderida (cascão) se desprende pela ação do próprio peso. Soma-se ao fato que a diferença de velocidade de contração térmica impede a aderência da 20 mistura ao tubo cônico (102). Na presente invenção, o aumento da extração de calor promovida na região do tubo cônico (102), acarreta na rápida contração do material aderido durante sua solidificação. Desta forma o cascão (119) em formação sofre ruptura e queda, devido à força gravitacional. Além da geometria cônica do tubo (102), a presente invenção propõe o emprego do cobre na fabricação do tubo cônico (102), enquanto um tubo de aço, de geometria cilíndrica, é utilizado no estado da técnica. As vantagens do uso do cobre residem no fato deste metal ter condutividade térmica 5 vezes maior que 5 o aço, mesmo possuindo um ponto de fusão menor, o que a princípio poderia parecer contraditório, pois o cobre fundiria muito antes que o aço. No entanto, o calor absorvido pelo tubo cônico (102) da presente invenção é rapidamente transmitido para o líquido refrigerante, não permitindo que seja atingida a temperatura de fusão do cobre, impedindo que a fina camada de mistura 10 (cascão) (119) fique aderida. Além disso, o cobre é quimicamente estável dentro da atmosfera do forno, o que minimiza reações indesejadas.

A figura 3 mostra a região das saídas de limpeza (103). Para a finalidade de limpeza da boca (105), as saídas de limpeza (103) são determinadas levando em consideração o perfil de formação de cascão (119) de cada forno. 15 Os fornos, geralmente são suspensos por munhões que permitem a rotação sobre seu eixo. O sentido de basculamento determina duas operações básicas: o vazamento do banho (110) pelo canal de vazamento (121) e o vazamento da escória (112) no sentido oposto. Em função da passagem destes materiais, a formação do cascão (119) de boca (105) assume perfis variados. As saídas de 20 limpeza (103) são projetadas para atingirem as regiões onde existe o acumulo de cascão (119) e evitar atingirem as regiões limpas com os refratários (109) aparentes, contribuindo desta forma para o aumento da campanha do forno (104). É levado em consideração, para o dimensionamento das saídas de limpeza, a distância da lança (100) ao forno (104) assim como a compensação de ângulos levando em conta a velocidade dos gases (112) ascendentes provenientes das reações com banho metálico (110). As possibilidades de ângulos de trabalho das saídas de limpeza (103) durante as movimentações de 5 lança (100) no interior do forno (104) variam de 170° em relação a vertical, possibilitando um ângulo mínimo de 10° com a vertical no sentido do banho, e um ângulo mínimo de O0 com a vertical no sentido do cabeçote da lança (107). Para esta finalidade, as saídas de limpeza (103) tem caráter supersônico, permitindo atingir as regiões de interesse. Entretanto quando a finalidade é a 10 manutenção da limpeza do tubo de aço cilíndrico (118) localizado acima do tubo cônico (102), as saídas de limpeza (103) são projetadas para terem baixa velocidade ou sônicas, provocando o aumento de temperatura próxima às regiões superiores da lança (100).

A figura 2 mostra a montagem de conjunto de lança (100), dispondo na 15 base um bico de cobre (101) conectado pela porção externa e inferior ao tubo cônico (102). Em seguida é inserido o módulo com as saídas de limpeza (103). Acima do módulo posiciona-se o tubo de aço (118) e na extremidade superior deste, o cabeçote (107) que compreende a entrada de líquido refrigerante (115), entrada de gases (116) e saída de líquido refrigerante (117). No interior 20 da lança (100), conforme pode ser observado na figura 3, estão dispostos mais dois tubos: o tubo interno (122) responsável pela passagem do gás e o tubo intermediário (123) responsável pela divisão entre o fluxo de entrada de líquido refrigerante e a sua saída passando obrigatoriamente pelo bico de cobre (101). Os tubos, interno (122) e intermediário (123), não necessitam ser de cobre, pois não estão em contato direto com a atmosfera externa. A montagem dessas partes é feita de maneira estanque. Entre o tubo intermediário (123) e o tubo cônico (102) são inseridas aletas helicoidais (124). As aletas helicoidais 5 tem a finalidade de maximizar a troca térmica no tubo cônico em cobre (102), sendo seu dimensionamento variável no número de aletas assim como no ângulo de formação do helicoide. No processo de fabricação e montagem, as aletas helicoidais podem ser fabricadas diretamente na parede externa do tubo intermediário (123) ou na parede interna do tubo cônico (102).

As saídas de limpeza (103) são distribuídas em um módulo de cobre

(125). O líquido utilizado pela refrigeração da lança (100) possui normalmente um fluxo turbulento, pois deve ter velocidade suficiente para que não aqueça entrando em ebulição no interior dos dutos. Para esta finalidade o módulo de cobre (125) é projetado para permitir a livre passagem do líquido de 15 refrigerante nos dois sentidos, sem prejuízo para as vazões e pressões necessárias para o desempenho.

Claims (11)

1. “LANÇA DE SOPRO PARA FABRICAÇÃO DE METAIS E MANUTENÇÃO DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DE CARREGAMENTO E SOPRO” caracterizada por compreender um conjunto (100) dispondo na base um bico de cobre (101) ao qual é soldado em sua extremidade um tubo (102), dispondo ainda de um módulo (125) com as saídas de limpeza (103) e posicionado acima do módulo (125) um tubo de aço (118) e na extremidade superior deste, o cabeçote (107) que compreende uma entrada de líquido refrigerante (115), uma entrada de gases (116) e uma saída de iíquido refrigerante (117), dispondo ainda a lança (100) em seu interior o tubo interno (122) responsável pela passagem do gás e o tubo intermediário (123) responsável pela divisão entre o fluxo de entrada de líquido refrigerante e a sua saída passando obrigatoriamente pelo bico de cobre (101).

2. Lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por dispor entre o bico de cobre (101) e o tubo de aço (118), o tubo (102) de forma cônica tendo seu menor diâmetro soldado a extremidade do bico de cobre (101).

3. Lança de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada pelo tubo cônico (102) ser preferencialmente fabricado em cobre.

4. Lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por dispor de saídas de limpeza (103) distribuídas em um módulo de cobre (125).

5. Lança de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizada pelas saídas de limpeza (103) serem projetadas para proporcionar velocidades supersônicas de saída de gases.

6. Lança de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizada pelas saídas de limpeza (103) serem projetadas para proporcionar velocidades sônicas de saída de gases.

7. Lança de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizada pelos ângulos de trabalho das saídas de limpeza (103) durante as movimentações da iança (100) no interior do forno (104) variarem de 170° em relação a vertical, possibilitando um ângulo mínimo de 10° com a vertical no sentido do banho e um ângulo mínimo de 0o com a vertical no sentido do cabeçote da lança (107).

8. Lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por dispor entre o tubo intermediário (123) e o tubo cônico (102), aletas (124).

9. Lança de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pefas aletas (124) serem helicoidais.

10. Lança de acordo com as reivindicações 1, 8 e 9, caracterizada pelas aletas (124) serem montadas diretamente na parede externa do tubo intermediário (123).

11. Lança de acordo com as reivindicações 1, 8 e 9, Caracterizado pelas aletas (124) serem montadas diretamente na parede interna do tubo cônico (102).