BR112017012467B1

BR112017012467B1 - Forno metalúrgico

Info

Publication number: BR112017012467B1
Application number: BR112017012467-0A
Authority: BR
Inventors: Hermes Joaquim Ferreira Filho; Kleiton Gonçalves Lovati; Luciano Augusto Morais Maia; André Silva da Luz; Geovane Viturino da Silva; Roberto Okada Junior
Original assignee: Tecnored Desenvolvimento Tecnologico S.A.
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2021-12-14
Also published as: BR102015005373A2; EP3235912B1; CN107208167A; RU2017125002A; AU2015367250A1; ZA201704638B; EP3235912A1; AU2021202096B2; DK3235912T3; KR102469391B1; UA119892C2; CA2970818A1; US20170343285A1; PT3235912T; AU2021202096A1; CN107208167B; CA2970818C; RU2017125002A3; WO2016094994A1; KR20170101241A

Abstract

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 (5) 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 uma 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, (v) pelo menos uma coifa chamada de curtain wall localizada na cuba superior que se estende longitudinalmente pelo forno, e (vi) pelo menos um sistema de carregamento de combustível permeabilizador no centro da cuba superior chamado de sistema de carregamento de booster. a utilização do sistema de carregamento booster (8) juntamente com a curtain wall (6) possibilita uma canalização do gás gerado na combustão do combustível da cuba inferior (2) com o ar insuflado pelas ventaneiras primarias (3) e ventaneiras secundarias (4), controlando com maior eficiência a distribuição gasosa no forno.

Description

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 os processos clássicos de obtenção de ferro gusa como, como, por exemplo, em altos fornos e fornos 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 fornos, ferro líquido ou sólido de determinada composição.

[003] Em altos fornos, 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 forno é introduzido ar atmosférico, pré-aquecido em aquecedores regenerativos ou não, a uma temperatura aproximada de 300 a 1200oC, 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 fundido.

[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 forno 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

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 fornos com elevados tempos de residência de carga no seu interior, como são tipicamente os altos fornos.

[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-construídas 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. 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.

[009] Sendo assim, torna-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.

[0010] 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 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-fornos, assim como no caso de todos os demais fornos 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 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.

[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

, que é endotérmica, e que adicionalmente consome apreciáveis quantidades de carbono. Assim os gases de exaustão que saem do equipamento compõem-se essencialmente de CO2 e N2.

[0013] Entretanto, 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 escapada brusca de gases em determinados pontos do forno dificultando assim o controle de troca de energia entre o gás e a carga na cuba superior.

[0014] Para utilização de aglomerados autorredutores é essencial um controle adequado do fluxo gasoso para possibilitar a auto redução dos aglomerados de forma homogênea.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0015] O objetivo da presente invenção é o de prover um forno metalúrgico de obtenção de ligas metálicas por auto redução de aglomerados que possuam óxidos do metal. Isto inclui a obtenção de ferro líquido, incluindo ferro gusa e ferro fundido, bem como ligas metálicas.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[0016] 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 uma coifa chamada de CURTAIN WALL localizada na cuba superior que se estende longitudinalmente pelo forno, e (vi) pelo menos um sistema de carregamento de combustível permeabilizador no centro da cuba superior chamado de sistema de carregamento de BOOSTER.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0017] 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 uma coifa de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção; - a figura 4 ilustra sistema de carregamento BOOSTER de acordo com uma concretização preferencial da presente invenção - a figura 5 ilustra o fluxo gasoso obtido através das modificações de instalação da instalação do CURTAIN WALL com o sistema de carregamento BOOSTER em relação ao fluxo gasoso do forno descrito no documento PI9403502-4.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0018] 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.

[0019] A presente invenção provê um forno metalúrgico dotado de inovações que permitem um controle adequado do fluxo gasoso para possibilitar a redução de aglomerados autorredutores de forma homogênea, controlando também a troca de energia entre o gás e a carga, princípio fundamental do processo de auto redução.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] A cuba inferior 2 possui uma ou mais fileiras de ventaneiras primárias 3 que, assim como as secundárias descritas acima, servem para insuflar 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.

[0024] 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.

[0025] Opcionalmente, a cuba inferior 2 pode possuir revestimento refratário e/ou possuir painéis refrigerados.

[0026] Em adição, a cuba superior 1 compreende uma coifa que chamamos de CURTAIN WALL 6, conforme ilustrado na figura 3. Esse CURTAIN WALL 6 consiste em um equipamento que serve para canalizar o gás gerado controlando assim a distribuição gasosa de toda cuba superior 1. O CURTAIN WALL 6 está localizado acima da cuba superior 1 e se estende longitudinalmente pelo forno limitando-se acima das ventaneiras secundárias 4, é formado 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. O CURTAIN WALL 6 pode também ser todo ou parcialmente feito de painel refrigerado. Durante a operação parte do CURTAIN WALL 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, o CURTAIN WALL atua como um canalizador de gases.

[0027] O modelo base de operação prevê o carregamento de um combustível permeabilizador no centro que tem a função de garantir a passagem dos gases na zona de coesão 11, conforme ilustrado na figura 4. A zona de coesão 11 é onde ocorre amolecimento e fusão da carga metálica, com isso é a zona de menor permeabilidade dificultando 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 fluxo gasoso e ocasionando uma irregular troca térmica entre a carga e o gás. Com o sistema de carregamento de BOOSTER 8 proposto na presente invenção, ocorre uma formação de uma coluna de combustível permeabilizador no centro do forno, essa coluna possibilita a formação de uma janela de permeabilidade no meio da zona de coesão e permite que o gás seja direcionado para a área do combustível permeabilizador, área essa que possui maior permeabilidade.

[0028] O sistema de carregamento BOOSTER 8 é um sistema simples, com um silo fechado 9 e um silo aberto 10, com válvulas dosadoras na descarga de cada silo, possui também um sistema de equalização de pressão para possibilitar o carregamento do combustível permeabilizador do silo fechado para o interior do forno. O sistema de carregamento BOOSTER 8 juntamente com o CURTAIN WALL 6 possibilita uma canalização do gás gerado na combustão do combustível da cuba inferior 2 com o ar insuflado pelas ventaneiras primarias 3 e ventaneiras secundarias 4, controlando com maior eficiência a distribuição gasosa no forno.

[0029] A figura 5 ilustra a diferença do fluxo gasoso do forno da presente invenção 12 em relação ao fluxo gasoso do forno descrito no documento (PI9403502-4) 13. Nota-se que no forno da presente invenção ocorre uma canalização do gás gerado devido à área de maior permeabilidade formada pelo combustível permeabilizador carregado pelo sistema de carregamento BOOSTER 8. 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 autorredutores de forma homogênea gerando ganhos de estabilidade operacional do processo.

[0030] A configuração do CURTAIN WALL 6 define a distribuição de carga no forno. Assim, a carga assume as dimensões impostas por ele, ou seja, a largura entre as paredes do CURTAIN WALL 6 é a largura da coluna de combustível permeabilizador na cuba superior que obedecerá às dimensões e distâncias entre as paredes. Durante operação, parte do CURTAIN WALL 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 forno 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 forno.

[0032] O forno da presente invenção difere do forno descrito no documento PI9403502-4, pois se utiliza combustível, em pequenas quantidades, no alto da cuba visando apenas obter um controle da permeabilidade da cuba superior 1. A utilização desse combustível permeabilizador não prejudica a redução e fusão da carga, pois nesse forno é utilizado briquetes autorredutores, ou seja, o carbono necessário para redução da carga está contido dentro do briquete autorredutor, não necessitando que todo o gás passe pela coluna de carga como é realizado no forno descrito no documento PI9403502-4 e nos processos clássicos de fabricação.

[0033] Com os aperfeiçoamentos relativos a cubas e zonas distintas de reação, flexibilidade quanto a formato das cubas, e presença de ventaneiras secundárias, 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, devido à injeção de ar nas ventaneiras secundárias, 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.

[0034] O forno 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 fornos cubilôs clássicos.

[0035] 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. Forno metalúrgico compreendendo: pelo menos uma cuba superior (1); pelo menos uma cuba inferior (2); pelo menos um alimentador de combustível posicionado 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 uma 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 uma de pelo menos uma cuba superior (1) e pelo menos uma cuba inferior (2); o forno metalúrgico caracterizadopelo fato de que compreende ainda pelo menos uma coifa (6) que se estende longitudinalmente pelo forno, adaptada para, quando em uso, alimentar um volume de um combustível permeabilizador como uma carga no centro, tal que pelo menos uma coluna de combustível permeabilizador é provida.

2. Forno metalúrgico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de a pelo menos uma coifa (6), chamada de Curtain WALL (6), ser 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.

3. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizadopelo fato de que a pelo menos uma coifa (6) é toda ou parcialmente feita de painel refrigerado.

4. Forno metalúrgico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizadopelo fato de compreender um sistema de carregamento BOOSTER (8) para o carregamento do combustível permeabilizador através da coifa (6).

5. Forno metalúrgico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o combustível permeabilizador é pelo menos um do grupo consistindo de coque metalúrgico, coque verde de petróleo, carvão, carvão vegetal, antracito e briquete de combustível.

6. Forno metalúrgico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o sistema de carregamento booster(8) compreende um silo fechado (9) e um silo aberto (10), com válvulas dosadoras na descarga de cada silo.

7. Forno metalúrgico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o sistema de carregamento booster(8) compreende um sistema de equalização de pressão.