BR102015005373A2 - forno metalúrgico de obtenção de ligas metálicas - Google Patents

Abstract

forno metalúrgico de obtenção de ligas metálicas. a presente invenção refere-se a um forno metalúrgico, compreendendo pelo menos uma cuba superior (1), pelo menos uma cuba inferior (2), pelo menos um alimentador de combustível posicionado substancialmente entre a pelo menos uma cuba superior (1) e a pelo menos uma cuba inferior (2), 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, posicionado em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior (1) e pelo menos uma cuba inferior (2), e compreendendo adicionalmente pelo menos uma coluna de combustível permeabilizador alimentada através de pelo menos uma coifa (6) localizada na cuba superior (1) que se estende longitudinalmente pelo forno.

Description

“FORNO METALÚRGICO DE OBTENÇÃO DE LIGAS METÁLICAS” CAMPO TÉCNICO

[001] 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

[002] Já são conhecidos processos clássicos de obtenção de ferro gusa, que podem ser realizados, 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.

[003] 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 fomo, 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 CO2 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.

[004] 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 fúndido.

[005] Os gases formados em contracorrente com a carga pré aquecem- na e saem pela parte superior. Este gás é constituído principalmente de CO, CO2, H2 e N2, sendo encaminhado aos pré-aquecedores regenerativos do ar de combustão que entra no fomo e a outros dispositivos de aquecimento.

[006] 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 + CO2. O CO2 gerado nesta reação difunde-se em sentido oposto ao CO e incorpora-se à corrente gasosa que sai do fomo 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.

[007] As pelotas autorredutoras, 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-constmídas no interior da pelota com este objetivo: [008] 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. Altemativamente, 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 fomo de cuba proporcionada pelos gases ascendentes.

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

[0010] Por outro lado, nos processos de fusão em fomos 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 CO2, ascendente, em regime de contracorrente, segundo a reação de Boudouard , 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.

[0011] O documento PI9403502-4, da mesma Requerente, soluciona o problema acima apontado ao prover um fomo compreendendo uma alimentação de combustível separada da entrada da carga (matéria prima). Em particular, o fomo 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.

[0012] 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 (CO2 + 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.

[0013] Entretanto, para utilização de aglomerados auto redutores é essencial um controle adequado do fluxo gasoso para possibilitar a autorredução dos mesmos de forma homogênea. Apesar de apresentar inúmeras vantagens, como as citadas acima, o forno descrito no documento PI9403502-4 não possui um controle adequado do fluxo gasoso na cuba superior, permitindo o escape brusco de gases em determinados pontos do forno, dificultando assim o controle de troca de energia entre o gás e a carga na cuba superior.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0014] O objetivo da presente invenção é o de prover um forno metalúrgico de obtenção de ligas metálicas por autorredução de aglomerados que possuam óxidos do metal, incluindo a obtenção de ferro líquido, ferro gusa e ferro fundido, bem como ligas metálicas, o forno permitindo um controle adequado do fluxo gasoso e da troca de energia para possibilitar a redução de aglomerados auto redutores de forma homogênea.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[0015] 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, (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, posicionado em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior e pelo menos uma cuba inferior, e compreendendo adicionalmente (v) pelo menos uma coluna de combustível permeabilizador alimentada através de pelo menos uma coifa que se estende longitudinalmente pelo forno.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0016] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas, as quais: - a figura 1 ilustra um forno com uma coifa de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção; - a figura 2 ilustra um meio de carregamento de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção; - as figuras 3A e 3B ilustram o fluxo gasoso obtido através da presente invenção em relação ao fluxo gasoso dos fomos descritos no estado da técnica.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0017] 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.

[0018] A presente invenção provê um fomo metalúrgico dotado de inovações que permitem um controle adequado do fluxo gasoso para possibilitar a redução de aglomerados auto redutores de forma homogênea, controlando também a troca de energia entre o gás e a carga, princípio fúndamental do processo de autorredução.

[0019] O fomo metalúrgico da presente invenção é ilustrado na figura 1, sendo constituído essencialmente de uma cuba superior 1 onde a carga (matéria-prima) é carregada no fomo. E importante notar que a cuba pode possuir diversos formatos como, por exemplo, um formato cilíndrico possuindo uma seção transversal circular, ou um formato de paralelepípedo possuindo seção transversal retangular, dentre outros. Assim, ressalta-se que a presente invenção não está limitada a qualquer formato específico do forno.

[0020] 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 O2. Além disso, pode-se injetar pelas ventaneiras 4 combustível gasoso, líquido ou sólido juntamente com o ar insuflado.

[0021] 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.

[0022] 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 O2 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.

[0023] Caso seja insuflado ar quente nas ventaneiras primárias 3 e/ou secundárias 4, pode-se utilizar conjuntos de insuílação 7, que podem ser conectados a um sistema de aquecimento de ar (não mostrado) qualquer conhecido do estado da técnica.

[0024] Opcionalmente, a cuba inferior 2 pode possuir revestimento refratário e/ou possuir painéis refrigerados.

[0025] Em adição, o forno de acordo com a presente invenção compreende pelo menos uma coluna de combustível permeabilizador alimentada através de pelo menos uma coifa que se estende longitudinalmente pelo forno, conforme ilustrado na dita figura 1. Essa coifa 6, que é, preferencialmente, um duto vertical posicionado no eixo vertical central do forno, consiste em um equipamento que serve para canalizar o gás gerado em contracorrente com o fluxo da carga, permitindo um melhor controle da distribuição gasosa de toda cuba superior 1. Dessa forma, a presente invenção provê um excelente controle da troca de energia entre o gás e a carga, possibilitando a redução de aglomerados auto redutores de forma homogênea e gerando ganhos de estabilidade operacional do processo.

[0026] A coifa 6 está localizada acima da cuba superior 1 e se estende longitudinalmente pelo forno, limitando-se, preferencialmente, acima das ventaneiras secundárias 4. A coifa 6 é preferencialmente formada por um conjunto de painéis estruturados de ferro fundido, aço ou qualquer outra liga, preenchidos com concreto refratário e ancorados em uma chapa soldada na estrutura do forno. A coifa 6 pode também ser, opcionalmente, toda ou parcialmente feita de painel refrigerado. Durante a operação, parte da coifa 6 fica enterrada na carga, forçando a passagem dos gases gerados tanto na região da ventaneira primária 3 quanto na região das ventaneiras secundárias 4, ou seja, a coifa atua como um canalizador de gases.

[0027] Cabe ressaltar que existe uma região, chamada de zona de coesão 11, onde ocorre o amolecimento e fusão da carga metálica, e com isso é a zona de menor permeabilidade que dificulta consideravelmente a passagem dos gases. Essa dificuldade na passagem de gás ocasiona uma passagem preferencial do gás em pontos específicos da cuba superior 1 impossibilitando o controle de fluxo gasoso e ocasionando uma irregular troca térmica entre a carga e o gás. O modelo base de operação prevê o carregamento de um combustível permeabilizador no centro, que não só fornece aporte térmico, mas também tem a função de garantir a passagem dos gases pela zona de coesão 11, conforme ilustrado na figura 2. Quando a carga metálica se funde, ela forma uma zona de material líquido e pastoso de baixíssima permeabilidade (zona de coesão 11). Quando o combustível permeabilizador é carregado juntamente com a carga metálica na parte superior do forno, o mesmo permite que os gases provenientes da cuba inferior consigam chegar com facilidade à cuba superior. Portanto, idealmente, o combustível permeabilizador é formado a partir de pelo menos um material que não se funde a temperaturas internas do forno metalúrgico, preferencialmente a base de carbono (C), como, por exemplo, coque metalúrgico, coque verde de petróleo, carvão mineral, carvão vegetal, antracito, briquete combustível, entre outros.

[0028] Adicionalmente, um meio de carregamento 8 é provido para possibilitar o carregamento do combustível permeabilizador para o interior do forno. Tal meio de carregamento 8 pode ser, preferencialmente, um sistema simples, por exemplo, contendo um silo fechado 9 e um silo aberto 10, com válvulas dosadoras na descarga de cada silo, possuindo também, opcionalmente, um sistema de equalização de pressão para possibilitar o dito carregamento do combustível permeabilizador a partir do silo fechado para o interior do forno. O meio de carregamento 8 juntamente com a coifa 6 possibilita uma canalização do gás gerado na combustão do combustível da cuba inferior 2 com o ar insuflado pelas ventaneiras primárias 3 e ventaneiras secundárias 4, controlando com maior eficiência a distribuição gasosa no fomo.

[0029] As figuras 3A e 3B ilustram a diferença do fluxo gasoso do fomo 12 da presente invenção em relação ao fluxo gasoso do fomo 13 descrito no estado da técnica. Nota-se que, no fomo 12 da presente invenção, ocorre uma canalização do gás gerado devido à área de maior permeabilidade formada pelo combustível permeabilizador carregado pelo meio de carregamento 8. Como já mencionado acima, isso possibilita um maior controle da permeabilidade da cuba superior 1, controlando assim a troca de energia entre o gás e a carga, possibilitando a redução de aglomerados auto redutores de forma homogênea gerando ganhos de estabilidade operacional do processo.

[0030] A configuração da coifa 6 define a distribuição de carga no fomo 12. Assim, a carga assume as dimensões impostas por ele, ou seja, a largura entre as paredes da coifa 6 é a largura da coluna de combustível permeabilizador na cuba superior que obedecerá às dimensões e distâncias entre as paredes. Durante operação, parte da coifa 6 fica enterrada na carga, forçando a passagem dos gases gerados tanto na região da ventaneira primária 3 quanto na região das ventaneiras secundárias 4, conforme ilustrado na figura 5.

[0031] O fomo da presente invenção permite, portanto, que o combustível não seja todo carregado com a carga no alto da cuba, diferindo assim dos processos clássicos de fabricação e, consequentemente, minimizando as reações de gaseificação do carbono (reações de Boudouard) e elevação tanto do consumo de calor como de combustível no fomo.

[0032] Além disso, o fomo da presente invenção se difere dos demais fomos do estado da técnica pois utiliza combustível permeabilizador em pequenas quantidades no alto da cuba, visando apenas obter um controle da permeabilidade da cuba superior 1. A utilização desse combustível permeabilizador, de forma geral, não prejudica a redução e fusão da carga, pois nesse forno são utilizados, preferencialmente, briquetes auto redutores (porém não limitados a eles). Nesse caso, o carbono necessário para redução da carga está contido dentro do briquete autorredutor, não necessitando, portanto, que todo o gás passe pela coluna de carga como é realizado nos fomos convencionais do estado da técnica e nos processos clássicos de fabricação.

[0033] 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.

REIVINDICAÇÕES

Claims (8)

1. Fomo metalúrgico, compreendendo: pelo menos uma cuba superior (1); pelo menos uma cuba inferior (2); pelo menos um alimentador de combustível posicionado substancialmente entre a pelo menos uma cuba superior (1) e a pelo menos uma cuba inferior (2); 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, posicionado em pelo menos um de pelo menos uma cuba superior (1) e pelo menos uma cuba inferior (2); e caracterizado por compreender adicionalmente pelo menos uma coluna de combustível permeabilizador alimentada através de pelo menos uma coifa (6) que se estende longitudinalmente pelo fomo.

2. Fomo metalúrgico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a pelo menos uma coifa (6) ser formada por um conjunto de painéis estmturados de ferro fúndido, aço ou qualquer outra liga, preenchidos com concreto refratário e ancorados em uma chapa soldada na estrutura do fomo.

3. Fomo metalúrgico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pela pelo menos uma coifa (6) ser toda ou parcialmente feita de painel refrigerado.

4. Fomo metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por compreender adicionalmente um meio de carregamento de um combustível permeabilizador ao longo da coifa (6).

5. Fomo metalúrgico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo combustível permeabilizador ser pelo menos um dentre o grupo que consiste em coque metalúrgico, coque verde de petróleo, carvão mineral, carvão vegetal, antracito e briquete combustível.

6. Forno metalúrgico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo meio de carregamento (8) compreender um silo fechado (9) e um silo aberto (10), com válvulas dosadoras na descarga de cada silo.

7.

Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado pelo meio de carregamento (8) compreender um sistema de equalização de pressão.