BR102023007551B1 - Forno metalúrgico - Google Patents

Abstract

FORNO METALÚRGICO. A presente invenção esta' 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. 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 uma entrada de combustível (10) posicionada entre a pelo menos uma cuba superior (1) e a pelo menos uma cuba inferior (2); (iv) pelo menos uma entrada de carga (3) posicionada na pelo menos uma cuba superior (1); (v) pelo menos um meio físico (5) de separação interna da cuba superior (1) que se estende longitudinalmente a partir do topo da mesma para baixo, o meio físico (5) sendo adaptado para dividir a cuba superior (1) em uma porção central (6) e uma porção periférica (7); e (vi) pelo menos uma saída de gases (4) posicionadas na parte superior da porção periférica (7) da pelo menos uma cuba superior (1). As saídas de gases (4) são responsáveis por gerar uma região de pré-aquecimento da carga (7) que amplia a flexibilidade operacional do forno.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção está relacionada a processos e equipamentos metalúrgicos. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada a um forno metalúrgico para produção de ferro-gusa.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] A mineração é uma atividade importante para o desenvolvimento econômico do país, sendo responsável por cerca de 20% das exportações brasileiras no ano de 2022. O setor mineral contribui com a geração de receitas, para geração de empregos e melhoria da infraestrutura do estado. Contudo, é importante destacar que a mineração também gera impactos ambientais e sociais, portanto, deve ser realizada de forma responsável e sustentável.

[003] No sentido de se buscar soluções que utilizem cada vez menos matéria-prima mineral, uma das tendências do mercado de produção de aço se fundamenta na utilização dos co-produtos gerados ao longo da cadeia produtiva siderúrgica. A rota tradicional de produção do aço utiliza o alto- forno (AF) como reator de redução para obtenção do ferro o qual é destinado a aciaria para produção de aço em conversores a oxigênio (BOF - Basic Oxygen Furnace). Pela rota AF - BOF, em média 500 kg de resíduos são gerados para cada tonelada de aço líquido produzido. Além disso, cada tonelada de aço líquido obtido a partir de fornos elétricos a arco, que utilizam a sucata como carga majoritária, geram cerca de 185 kg de resíduos.

[004] Estima-se que a reciclagem de sucata ferrosa no Brasil seja de dezenas de milhões de toneladas por ano. Se todo esse material fosse destinado aos aterros sanitários, certamente haveria um sério problema ambiental. A reciclagem e o reaproveitamento deste co-produto ajudam a reduzir a quantidade de resíduos lançados no ambiente, evitando a poluição do solo e da água, além de economizar recursos naturais e energia.

[005] Atualmente não existem no mercado fornos metalúrgicos que sejam capazes de operar com uma ampla gama de matérias-primas e combustíveis. De maneira geral, se fazem necessárias novas configurações estrutural e operacional para adequar o processo de redução das fontes ferrosas aos combustíveis utilizados. Sendo assim, é de extrema importância desenvolver tecnologias flexíveis, que visem o reaproveitamento e a reutilização dos materiais, objetivando mitigar os impactos ambientais sem impactar a produtividade do processo e a qualidade dos produtos gerados.

[006] O documento BR 10 2013 033702 1 A2, de titularidade da mesma Requerente, descreve a inserção de queimadores em um forno autorredutor que possibilita uma maior versatilidade na utilização de combustíveis sólidos carbonosos pulverizados, combustíveis líquidos e combustíveis gasosos. Apesar da versatilidade, esses combustíveis são considerados auxiliares e há uma limitação na utilização deles.

[007] A patente BR 11 2017 012467 0 B1, de titularidade da mesma Requerente, descreve um forno metalúrgico autorredutor que opera com um fluxo de ar quente preferencial central devido a presença de uma coifa (Curtain Wall) localizada na cuba superior que se estende longitudinalmente pelo forno, que possibilita a utilização de materiais ferrosos de qualidade inferior ao minério, como a sucata, em função de um controle adequado do fluxo gasoso para possibilitar a redução homogênea da carga ferrosa. Entretanto, as cubas são vedadas de forma que a passagem de ar pelas laterais do equipamento seja impossibilitada, o que dificulta a contracorrente de ar quente na carga e, consequentemente, o seu pré-aquecimento na cuba superior.

[008] A invenção ora proposta soluciona os problemas do estado da técnica acima descritos de forma simples e eficiente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] A presente invenção tem como um primeiro objetivo prover um forno metalúrgico para produção de ferro-gusa a partir de matérias-primas variadas, tais como briquetes autorredutores produzidos a partir de fontes de óxidos de ferro, como minérios e co-produtos siderúrgicos, além de sucatas, briquetes de sucata e HBI (Hot Briquetted Iron).

[0010] A presente invenção tem como um segundo objetivo prover um forno metalúrgico para produção de ferro-gusa que seja capaz de operar com diversos tipos de combustíveis, podendo ser antracito, briquete de combustível, carvão mineral, carvão vegetal, coque metalúrgico, coque verde de petróleo, além de combustíveis adicionais, como gás de síntese e H2.

[0011] A presente invenção tem como um terceiro objetivo prover um forno metalúrgico flexível para produção de ferro-gusa que seja capaz de contribuir para a mitigação dos impactos ambientais e para o aumento da eficiência energética do processo de produção metalúrgica.

[0012] 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 uma entrada de combustível posicionada entre a pelo menos uma cuba superior e a pelo menos uma cuba inferior; (iv) pelo menos uma entrada de carga posicionada na pelo menos uma cuba superior; (v) pelo menos um meio físico de separação interna da cuba superior que se estende longitudinalmente a partir do topo da mesma para baixo, o meio físico sendo adaptado para dividir a cuba superior em uma porção central e uma porção periférica; e (vi) pelo menos uma saída de gases posicionadas na parte superior da porção periférica da pelo menos uma cuba superior.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0013] A descrição detalhada apresentada a seguir faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência.

[0014] A figura 1 mostra uma concretização preferencial do forno metalúrgico de acordo com a presente invenção.

[0015] A figura 2 mostra um detalhamento da região de pré- aquecimento da carga no forno metalúrgico de acordo com a concretização preferencial da presente invenção.

[0016] A figura 3 mostra uma concretização preferencial do forno metalúrgico de acordo com a presente invenção onde é provida uma pluralidade de saída de gases e entradas de carga.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0017] Preliminarmente, ressalta-se que 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.

[0018] A presente invenção provê um forno metalúrgico dotado de inovações que permitem um controle adequado do fluxo gasoso, possibilitando que a operação seja realizada de maneira versátil e com uma ampla gama de matérias-primas e combustíveis.

[0019] O forno metalúrgico da presente invenção, ilustrado nas figuras 1 e 2, compreende pelo menos uma cuba superior 1 onde a carga (matéria-prima) é inserida no reator. Preferencialmente, a seção transversal da cuba 1 é circular ou retangular. Entretanto, ressalta-se que a presente invenção não está limitada a qualquer formato específico do forno.

[0020] O forno metalúrgico da presente invenção compreende ainda pelo menos uma cuba inferior 2, de seção transversal preferencialmente circular ou retangular. O diâmetro ou largura da seção transversal da cuba 2 é preferencialmente maior do que o da cuba 1.

[0021] A presente invenção compreende ainda pelo menos uma entrada de combustível 10 posicionada entre a pelo menos uma cuba superior 1 e a pelo menos uma cuba inferior 2. Dutos de abastecimento de combustível podem ser acoplados para garantir a carga de combustível para a cama do forno evitando ocorrências de arraste de carga quando materiais finos forem utilizados.

[0022] Preferencialmente, a cuba superior 1 compreende um conjunto de ventaneiras superior 8 e a cuba inferior 2 compreende um conjunto de ventaneiras inferior 9, que servem para insuflar ar quente ou frio no interior do forno metalúrgico. O ar insuflado pode, eventualmente, ser enriquecido com O2. Pode-se injetar ainda pelas ventaneiras 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, pode-se ainda utilizar conjuntos de insuflação 11, conforme ilustrado na figura 1, que podem ser conectados a um sistema de aquecimento de ar (não mostrado) conhecido do estado da técnica.

[0023] O forno metalúrgico da presente invenção compreende ainda pelo menos uma entrada de carga 3, posicionada preferencialmete na parte superior lateral da cuba superior 1.

[0024] Adicionalmente, o forno metalúrgico da presente invenção compreende um meio físico 5 de separação interna da cuba superior 1, que se estende longitudinalmente a partir do topo da mesma para baixo, o meio físico 5 sendo adaptado para dividir a cuba superior 1 em uma porção central 6 e uma porção periférica 7. Preferencialmente, o meio físico 5 é uma coifa (Curtain Wall) que se estende longitudinalmente do topo da cuba superior 1 até metade do comprimento da mesma, conforme mostrado nas figuras 1 e 2.

[0025] Preferencialmente, o meio físico 5 é adaptado para receber, a partir do topo, combustível permeabilizador de modo a formar pelo menos uma coluna de combustível permeabilizador localizada na porção central 6.

[0026] O forno metalúrgico da presente invenção compreende ainda pelo menos uma saída de gás 4 posicionada na parte superior da porção periférica 7 da cuba superior 1. Preferencialmente, o forno metalúrgico da presente invenção compreende uma pluralidade de saída de gás 4 e uma pluralidade de entradas de carga 3.

[0027] Preferencialmente, para cada saída de gás 4 é provida, adjacentemente, uma entrada de carga 3. Nesta concretização preferencial ilustrada na figura 3, o forno metalúrgico da presente invenção possui um conjunto de pelo menos trinta e seis entradas de cargas 3 e saídas de gás 4.

[0028] A utilização de saídas de gás 4 no forno metalúrgico da presente invenção aumenta consideravelmente a eficiência do mesmo. Isto ocorre porque as saídas de gás 4 possibilitam que o fluxo ascendente de ar quente proveniente da cuba inferior 2 atravesse também a região periférica, gerando ali uma região de pré-aquecimento da carga. Essas saídas de gases contribuem para que sejam formadas novas correntes convectivas dentro do forno, aumentando a eficiência das trocas térmicas e ampliando o controle operacional. Isso permite que a operação do forno possa ser realizada com uma ampla gama de matérias-primas e combustíveis. O forno metalúrgico da presente invenção, portanto, aproveita o calor gerado no interior do mesmo de maneira mais eficiente, o que diminui a demanda energética do processo de produção.

[0029] O forno metalúrgico da presente invenção pode ser operado por qualquer um dos combustíveis permeabilizadores do grupo que consiste em: antracito, briquete de combustível, carvão mineral, carvão vegetal, coque metalúrgico, coque verde de petróleo, gás de síntese, H2.

[0030] O forno metalúrgico da presente invenção pode ser operado com qualquer carga que consista em briquetes autorredutores produzidos a partir de fontes de óxidos de ferro, como minérios e co-produtos siderúrgicos, além de sucatas, briquetes de sucatas e HBI (Hot Briquetted Iron).

[0031] O forno metalúrgico da presente invenção apresenta flexibilidade no controle de pressão, temperatura e na mistura de gases em diferentes regiões do forno, possibilitando que o mesmo equipamento possa operar com variadas qualidades de cargas ferrosas e combustíveis.

[0032] 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 (7)

1. Forno metalúrgico compreendendo: pelo menos uma cuba superior (1); pelo menos uma cuba inferior (2); pelo menos uma entrada de combustível (10) posicionada entre a pelo menos uma cuba superior (1) e a pelo menos uma cuba inferior (2); pelo menos uma entrada de carga (3) posicionada na pelo menos uma cuba superior (1); e pelo menos um meio físico (5) de separação interna da cuba superior (1) que se estende longitudinalmente a partir do topo da mesma para baixo, o meio físico (5) sendo adaptado para dividir a cuba superior (1) em uma porção central (6) e uma porção periférica (7), caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: pelo menos uma saída de gases (4) posicionada na parte superior da porção periférica (7) da pelo menos uma cuba superior (1) para gerar uma região de pré-aquecimento da carga; em que para cada saída de gases (4) da pelo menos uma saída de gases (4) é provida, adjacentemente, uma entrada de carga (3) da pelo menos uma entrada de carga (3), fazendo com que a carga inserida entre em contato com a região de pré-aquecimento da carga.

2. Forno metalúrgico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio físico (5) é adaptado para receber, a partir de cima, combustível permeabilizador na porção central (6) de modo a formar pelo menos uma coluna de combustível permeabilizador.

3. Forno metalúrgico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o combustível permeabilizador é pelo menos um do grupo consistindo em antracito, briquete de combustível, carvão mineral, carvão vegetal, coque metalúrgico, coque verde de petróleo, e combustíveis adicionais como gás de síntese e H2.

4. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a carga é pelo menos uma do grupo consistindo em briquetes autorredutores produzidos a partir de fontes de óxidos de ferro, como minérios e co-produtos siderúrgicos, além de sucatas, briquetes de sucatas e HBI (Hot Briquetted Iron).

5. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um meio físico (5) se estende longitudinalmente do topo da cuba superior (1) até metade do comprimento da mesma.

6. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a cuba superior (1) comapreende um conjunto de ventaneiras superior (8) e a cuba inferior (2) compreende um conjunto de ventaneiras inferior (9).

7. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que conjuntos de insuflação (11) são conectados aos conjuntos de ventaneiras (8, 9) para insuflar ar quente no forno metalúrgico.