BR102013033702A2

BR102013033702A2 - forno metalúrgico

Info

Publication number: BR102013033702A2
Application number: BR102013033702A
Authority: BR
Inventors: Hermes Joaquim Filho Ferreira; Kleiton Gonçalves Lovati
Original assignee: Tecnored Desenvolvimento Tecnologico S A
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-11-17
Also published as: PT3088824T; EP3088824B1; ES2712671T3; BR102013033702B1; CA2934973C; US20160320125A1; KR102235205B1; UA120044C2; EP3088824A4; DK3088824T3; CN105980800A; CN105980800B; MX2016008567A; US9951992B2; RU2016130320A3; KR20160103019A; AU2014373636C1; RU2678557C2; TR201902313T4; RU2016130320A

Abstract

resumo forno metalúrgico a presente invenção está relacionada a processos e equipamentos metalúrgicos e, mais particularmente, a um forno metalúrgico capaz de operar com uma ampla gama de matérias-primas e combustíveis, incluindo aqueles com altos níveis de impurezas. para tal, o forno metalúrgico da presente invenção compreende (i) pelo menos uma cuba superior (1), (ii) pelo menos uma cuba inferior (2), (iii) pelo menos um alimentador de combustível posicionado substancialmente entre a pelo menos uma cuba superior (1) e a pelo menos uma cuba inferior (2), (iv) pelo menos uma fileira de ventaneiras (3, 4) posicionada em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior (1) e pelo menos uma cuba inferior (2), a pelo menos uma fileira de ventaneiras (3, 4) comunicando de maneira fluida o interior do forno com o ambiente externo, e (v) pelo menos um queimador (10) posicionado em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior (1) e pelo menos uma cuba inferior (2). a utilização de pelo menos um queimador (10) em conjunto com a pelo menos uma fileira de ventaneiras (3, 4) gera uma liberação de calor muito intensa em função das reações exotérmicas que acontecem através dessa combinação.

Description

“FORNO METALÚRGICO” CAMPO TÉCNICO A presente invenção está relacionada a processos e equipamentos metalúrgicos. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada a processos e equipamentos metalúrgicos para produção de ligas metálicas ou não.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA Já são conhecidos os processos clássicos de obtenção de ferro gusa como, como, por exemplo, em altos fomos e fomos elétricos de redução. Outros processos de obtenção de ligas a partir de óxido de ferro ou de minérios de ferro após condicionamento granulométrico, pelotas clássicas ou outros aglomerados tradicionais também são conhecidos, obtendo-se, por operações tradicionais nestes fomos, ferro líquido ou sólido de determinada composição.

Em altos fomos, a carga que pode ser composta de minério classificado, pelotas, sínter ou outros aglomerados clássicos, coque e pedra calcária são carregados sequencialmente pela parte superior do forno, formando uma coluna contínua. Na parte inferior do alto fomo é introduzido ar atmosférico, pré-aquecido em aquecedores regenerativos ou não, a uma temperatura aproximada de 300 a 1200°C, através de uma fileira de ventaneiras na parte superior de um cadinho. Neste local, forma-se uma zona com atmosfera redutora devido à presença de monóxido de carbono, formado pela reação do C02 com o carbono do coque. Este CO combina-se com o oxigênio do óxido de ferro, reduzindo-o a ferro metálico e produzindo ferro gusa.

As impurezas, ou seja, a ganga de minério e as cinzas do coque formam com a pedra calcária uma escória líquida, menos densa, que flutua sobre a superfície do ferro gusa fundido.

Os gases formados em contracorrente com a carga pré aquecem-na e saem pela parte superior. Este gás é constituído principalmente de CO, C02, H2 e N2, sendo encaminhado aos pré-aquecedores regenerativos do ar de combustão que entra no forno e a outros dispositivos de aquecimento.

Sabe-se ainda que, nas pelotas clássicas, a redução se realiza pela redução da carga oxidada pelo CO gerado a partir da combustão parcial do coque. O CO difunde-se para o interior do aglomerado ou das partículas de minério, ocorrendo a redução segundo a reação MeO + CO -> Me + C02. O C02 gerado nesta reação difunde-se em sentido oposto ao CO e incorpora-se à corrente gasosa que sai do forno pelo topo. Esta reação demanda certo tempo para a completa difusão de CO no interior do minério ou da pelota clássica, necessitando assim de fomos com elevados tempos de residência de carga no seu interior, como são tipicamente os altos fomos.

As pelotas autorredu toras, por sua vez, apresentam condições bem mais favoráveis à redução. O contato mais íntimo entre o minério ou óxido e o material carbonoso, que estão finamente divididos, propicia um menor tempo de reação na medida em que não há necessidade da etapa de difusão do CO para o interior da pelota, ocorrendo a redução pelas reações abaixo, pré-construídas no interior da pelota com este objetivo: Neste sentido, o próprio aglomerado estabelece, na prática, um sistema semifechado, em que a atmosfera é redutora durante todo o período de tempo em que houver carbono disponível no interior. Alternativamente, os aglomerados autorredutores, como a própria designação, mantêm em seu interior uma atmosfera redutora própria que não depende das características da atmosfera externa, ou seja, do tipo de atmosfera existente no interior do forno de cuba proporcionada pelos gases ascendentes.

Sendo assim, toma-se possível converter em energia para o processo o CO presente na atmosfera do forno proveniente da queima parcial do combustível e de reação de redução que se processa no interior das pelotas.

Por outro lado, nos processos de fusão em fornos de cuba, a presença de coque ou outro combustível sólido, carregado pelo topo durante a operação, percorre trajetória descendente com o restante da carga, reagindo com o C02, ascendente, em regime de contracorrente, segundo a reação de Boudouard C02 + C2 2CO, havendo assim maior consumo de material carbonáceo, sem resultar em aproveitamento efetivo no processo de redução-fusão. Se fosse possível efetuar a queima desse gás CO no próprio processo, obter-se-ia uma maior eficiência resultando em economia do coque combustível em fornos cubilô e do combustível e do redutor em altos-fomos, assim como no caso de todos os demais fomos de cuba empregados na redução/fusão ou somente fusão de qualquer outra liga metálica. O documento PI9403502-4, da mesma Requerente, soluciona o problema acima apontado ao prover um forno compreendendo uma alimentação de combustível separada da entrada da carga (matéria prima). Em particular, o forno descrito no documento PI9403502-4 apresenta uma cuba superior, que recebe a carga (óxidos/minérios, por exemplo) e uma inferior, sendo que o combustível é inserido aproximadamente na junção entre as duas cubas.

Os gases provenientes da zona inferior, em contracorrente com a carga, transferem a esta a energia térmica necessária ao aquecimento e à redução ou à simples fusão. Como a carga na cuba superior não apresenta coque, carvão vegetal ou qualquer outro combustível sólido, não ocorre a reação de Boudouard (C02 + C -> 2CO), que é endotérmica, e que adicionalmente consome apreciáveis quantidades de carbono. Assim os gases de exaustão que saem do equipamento compõem-se essencialmente de C02 e N2.

Entretanto, apesar de apresentar inúmeras vantagens, como as citadas acima, o forno descrito no documento PI9403502-4 não permite que matérias-primas ou combustíveis com alto teor de impurezas possam ser utilizadas já que, em geral, não provê calor suficiente para fusão de muitas dessas impurezas.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO O objetivo da presente invenção é o de prover um forno metalúrgico com alto e eficiente poder calorífico capaz de utilizar matérias-primas e combustíveis com altos níveis de impurezas.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

De forma a alcançar os objetivos acima descritos, a presente invenção provê um forno metalúrgico, compreendendo (i) pelo menos uma cuba superior, (ii) pelo menos uma cuba inferior, (iii) pelo menos um alimentador de combustível posicionado substancialmente entre a pelo menos uma cuba superior e a pelo menos uma cuba inferior, e (iv) pelo menos uma fileira de ventaneiras posicionada em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior e pelo menos uma cuba inferior, a pelo menos uma fileira de ventaneiras comunicando de maneira fluida o interior do forno com o ambiente externo, em que o forno da presente invenção compreende adicionalmente (v) pelo menos um queimador posicionado em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior e pelo menos uma cuba inferior.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas, as quais: - a figura 1 ilustra uma primeira concretização do forno metalúrgico de acordo com a presente invenção; - a figura 2 ilustra uma segunda concretização do forno metalúrgico de acordo com a presente invenção; - a figura 3 ilustra um queimador de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção;

- a figura 4 ilustra dispositivos de evacuação de gases conforme uma concretização alternativa da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular. Em adição, o conteúdo do documento PI9403502-4 é aqui incorporado como referência. A presente invenção provê um forno metalúrgico dotado de inovações que permitem o consumo de diferentes materiais combustíveis para geração de energia para o processo, além da utilização de matérias-primas com altos níveis de impureza quando comparados com as técnicas clássicas de metalurgia. Em adição, o forno da presente invenção permite a queima do CO ou qualquer outro gás combustível presente no gás ascendente, tal como H2, CH4, etc. O forno metalúrgico da presente invenção é ilustrado nas figuras 1 e 2, sendo constituído essencialmente de uma cuba superior 1 onde a carga (matéria-prima) é carregada no forno. Como pode ser observado, a figura 1 ilustra uma cuba em formato cilíndrico (seção transversal circular), enquanto que a figura 2 mostra uma cuba em formato de paralelepípedo (seção transversal retangular). Assim, ressalta-se que a presente invenção não está limitada a qualquer formato específico do forno.

Na cuba superior 1 têm-se um conjunto de pelo menos uma fileira de ventaneiras secundárias 4, que são preferencialmente orifícios que permitem insuflação de ar atmosférico quente ou frio para queima de CO e outros gases combustíveis presentes no gás ascendente. O ar insuflado pode, eventualmente, compreender enriquecimento de 02. Além disso, pode-se injetar pelas ventaneiras 4 combustível gasoso, líquido ou sólido juntamente com o ar insuflado. O forno da presente invenção compreende ainda uma cuba inferior 2, de seção transversal preferencialmente circular ou retangular, com diâmetro ou dimensões suficientes para alimentação de combustível sólido. O diâmetro ou largura da seção transversal da cuba 2 é superior ao da cuba 1 suficiente para posicionamento de alimentadores de combustível. Nos alimentadores, localizados ao redor da junção da cuba superior 1 com a inferior 2, dutos de abastecimento de combustível 5 podem ser acoplados para garantir a carga de combustível para a cama do forno evitando ocorrências de arraste de carga quando da utilização de materiais finos. Com a descida da carga no alimentador, ocorre o pré-aquecimento, pré-secagem e destilação das frações voláteis presentes nos combustíveis sólidos e resíduos carbonosos combustíveis. A cuba inferior 2 possui uma ou mais fileiras de ventaneiras primárias 3 que, assim como as secundárias descritas acima, servem para insulflar ar quente ou frio, podendo ainda ser enriquecido com 02 ou não. Pode-se injetar também combustíveis sólidos em pó, líquidos ou gasosos para queima parcial do combustível, produzindo gás e fornecendo energia térmica necessárias à redução e/ou à fusão da carga.

Caso seja insuflado ar quente nas ventaneiras primárias 3 e/ou secundárias 4, pode-se utilizar conjuntos de insuflação 7, conforme ilustrado na figura 2, que podem ser conectados a um sistema de aquecimento de ar (não mostrado) qualquer conhecido do estado da técnica.

Opcionalmente, a cuba inferior 2 pode possuir revestimento refratário e/ou possuir painéis refrigerados.

Em adição, pelo menos parte das ventaneiras primárias ou secundárias 3, 4 compreende queimadores de gás 10, conforme ilustrado na figura 3. Esses queimadores 10 posicionados nas ventaneiras 4 compreendem, preferencialmente, um tubo coaxial, ou seja, um pequeno tubo central 12, por onde é injetado o combustível, e um tubo exterior 14 que o envolve, por onde passa o ar soprado pelas ventaneiras 3, 4 ou qualquer outro comburente. Assim, ar insuflado atravessa o tubo exterior do queimador, enquanto que combustível atravessa o tubo central 12. O ar é então misturado com o combustível para que a mistura seja queimada na região 16 a jusante do queimador, região 16 essa localizada no interior do forno. Assim garante-se uma maior segurança para o processo de queima, uma vez que a mistura do combustível com o comburente e posterior queima somente ocorrem no interior do forno. A combinação do ar soprado nas ventaneiras 3, 4 com o combustível injetado (gás, líquido ou sólido) e queimado nos queimadores 10 gera uma liberação de calor muito intensa em função das reações exotérmicas que acontecem através dessa combinação. A queima completa do CO e dos gases combustíveis presentes podem gerar produtos gasosos como C02 e H20.

Os materiais fundidos saem do equipamento pela parte inferior de um cadinho, situado na parte de baixo da cuba inferior 2, através de bica(s) de vazamento(s) de maneira contínua ou não.

Esse calor adicional provido pelos queimadores é extremamente necessário para matérias-primas com alto teor de impurezas, ou seja, a ganga do minério e as cinzas do coque ou carvão mineral, pois elas acabam por retirar muito calor do processo. Portanto, a combinação do ar soprado nas ventaneiras 3, 4 com combustível injetado (gás, líquido ou sólido) e queimado nos queimadores 10, gera o calor necessário para redução de matérias-primas com alto teor de impurezas e fusão da elevada quantidade de escória gerada por essas impurezas.

Além dos produtos de combustão, a queima auxiliada pela combustão dos queimadores 10 fornece calor suficiente para carga de aglomerados autorredutores, aglomerados de combustível, gusa, sucata, ferro-esponja, minérios ou composição de proporções variadas destes materiais, permitindo uma ampla gama de matérias-primas e combustíveis para realização do processo metalúrgico de preparação das ligas. O forno da presente invenção permite, portanto, que o combustível não seja carregado com a carga no alto da cuba, diferindo assim dos processos clássicos de fabricação e, consequentemente, evitando reações de gaseificação do carbono (reações de Boudouard) e elevação tanto do consumo de calor como de combustível no forno.

Com os aperfeiçoamentos relativos a cubas e zonas distintas de reação, flexibilidade quanto a formato das cubas, e presença de queimadores nas ventaneiras, o forno de acordo com a presença invenção aproveita melhor o calor da queima do combustível, reduzindo o consumo e aumentando o desempenho. Isto porque, diferentemente das tecnologias clássicas de fabricação, como altos fornos ou outros fornos de cuba, o monóxido de carbono e outros gases formados na parte inferior do forno podem ser queimados na parte superior, transferindo energia térmica à carga que desce pela cuba. Em outras palavras, os gases provenientes da zona inferior, em contracorrente com a carga, são queimados na cuba superior e transferem energia térmica necessária ao aquecimento, à redução e/ou à simples fusão da carga. O fomo metalúrgico proposto na presente invenção permite, devido ao seu alto poder calorífico e eficiência, uma maior flexibilidade das operações, podendo ser utilizado para a fusão de sucata, ferro gusa, ferro esponja, materiais metálicos retornados de fundição ou de aciarias, bem como quaisquer ligas, como, por exemplo, aquelas utilizadas nos fomos cubilôs clássicos.

Opcionalmente, a presente invenção provê válvulas estanques para a alimentação de combustível sólido. Ainda opcionalmente, a seção de alimentação de combustível sólido pode compreender dispositivos de evacuação de gases através de válvulas de controle de vazão 6 (figura 4) capazes de garantir a passagem de uma certa quantidade de gases para promover o pré-aquecimento, a pré-secagem e a destilação de frações voláteis presentes em combustíveis sólidos diversos. Em particular, os dispositivos de evacuação de gases permitem a troca de gases entre os dutos de abastecimento de combustível 5 e a cuba superior 1.

Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção do presente pedido são permitidas. Dessa forma, reforça-se o fato de que a presente invenção não está limitada às configurações/concretizações particulares acima descritas.

Claims

1. Fomo metalúrgico, compreendendo: pelo menos uma cuba superior (1); pelo menos uma cuba inferior (2); pelo menos um alimentador de combustível posicionado substancial mente entre a pelo menos uma cuba superior (1) e a pelo menos uma cuba inferior (2); e pelo menos uma fileira de ventaneiras (3, 4) posicionada em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior (1) e pelo menos uma cuba inferior (2), a pelo menos uma fileira de ventaneiras (3, 4) comunicando de maneira fluida o interior do fomo com o ambiente externo; caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: pelo menos um queimador (10) posicionado em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior (1) e pelo menos uma cuba inferior (2).

2. Fomo metalúrgico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o pelo menos um queimador (10) estar posicionado pelo menos uma fileira de ventaneiras (3,4).

3. Fomo metalúrgico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o pelo menos um queimador (10) compreender um tubo central (12), por onde é injetado o combustível, e um tubo exterior (14) que o envolve, por onde passa um comburente.

4. Fomo metalúrgico, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o comburente ser ar atmosférico insuflado pelas ventaneiras (3, 4).

5. Fomo metalúrgico, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de o comburente e o combustível do queimador (10) serem misturados e queimados em uma região (16) a jusante do queimador, no interior do forno.

6. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos um duto de abastecimento de combustível (5) acoplado ao pelo menos um alimentador de combustível.

7. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de o pelo menos um alimentador de combustível compreender pelo menos um de válvula estanque e dispositivo de evacuação de gases (6).

8. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos um de pelo menos uma cuba superior (1) e pelo menos uma cuba inferior (2) compreende seção transversal circular ou retangular.