BRPI1003443A2 - equipamento refrigerado para montagem de queimador e/ou lanÇa utilizado em fornos destinados a fabricaÇço de metais - Google Patents

Abstract

EQUIPAMENTO REFRIGERADO PARA MONTAGEM DE QUEIMADOR E/OU LANÇA UTILIZADO EM FORNOS DESTINADOS A FABRICAÇçO DE METAIS. Equipamento refrigerado para montagem de queimador e/ou lança para injeção de gases ou materiais sólidos particulados em fornos elétricos a arco (FEA) ou fornos de energia otimizada (EOF) de fabricação de aço que permite a movimentação do queimador e/ou lança em direção ao banho metálico aumentando a eficiência do processo de fabricação de aço e que compreende um bloco refrigerado (120) onde são montados um queimador ou lança (125) para injeção de gás oxidante ou material sólido particulado para o interior de um forno (100), dispondo o bloco refrigerado (120) de uma entrada de líquido refrigerante (165), uma saída de líquido refrigerante (170), uma abertura (140) e um mecanismo de movimentação (130) destinado a promover a movimentação de um queimador ou lança (125), em direção ao interior do forno (100) e de retorno em direção à parede de painéis refrigerados laterais do forno (115).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção "EQUIPAMENTO REFRIGERADO PARA MONTAGEM DE QUEIMADOR E/OU LANÇA UTILIZADO EM FORNOS DESTINADOS A FABRICAÇÃO DE METAIS".

A presente invenção refere-se a um equipamento geralmente utilizado no processo de fabricação de metais, mais particularmente a um equipamento refrigerado para montagem de queimadores supersônicos e/ou lanças para injeção de gases ou materiais sólidos particulados em Fornos Elétricos a Arco (FEA) ou Fornos de Energia Otimizada (EOF) de fabricação de aço, que permite a movimentação do queimador e/ou lança em direção ao banho metálico aumentando a eficiência do processo de fabricação de aço.

Estado da Técnica

Fornos elétricos a arco (FEA) ou Fornos de energia otimizada (EOF) produzem aço através da fusão de uma carga de sucata, gusa sólido, gusa liquido, pré-reduzido (DRI ou HBI), finos de FeeC e outros, de forma isolada ou uma combinações destes. No caso de um forno elétrico a arco (FEA), em complemento à energia elétrica gerada pelo arco elétrico, energia química é fornecida ao processo através de queimadores oxi-combustíveis subsônicos e/ou supersônicos, que produzem calor pela queima do combustível injetado juntamente com o oxigênio e/ou pelas reações de oxidação dos elementos presentes no banho metálico, ou ainda, pela pós-combustão do monóxido de carbono (CO). A carga, composta de sucata, podendo conter carbono e escorificantes, é geralmente carregada no forno FEA através de uma cesta que se posiciona em uma abertura no teto do forno, ocorrendo o carregamento para o interior do forno FEA pela utilização de um mecanismo que permite a abertura inferior da cesta permitindo que a sucata caia de uma altura determinada, sendo em geral necessárias mais de uma cesta de carga para o completo carregamento do forno FEA. Após o carregamento da cesta o teto fecha-se e os eletrodos começam a baixar iniciando a abertura do arco elétrico em contato com a carga, promovendo assim sua fusão, auxiliado por queimadores oxi-combustíveis. Este metal fundido deposita-se no fundo do forno, formando o chamado banho metálico. Tipicamente após o banho metálico ser formado, pela fusão da carga, começa a fase de refino e/ou descarburação. Nesta fase o banho metálico continua a ser aquecido pela energia gerada pelo arco elétrico, fundindo a escória, que combina-se com as impurezas contidas no banho metálico. Quando o carbono do banho metálico atinge a temperatura de ebulição, este se combina com o oxigênio presente no banho para formar bolhas de monóxido de carbono, que saem do banho metálico e, estando a escória fundida sobrenadando o banho, permeiam a escória fazendo com que esta aumente de volume, ocorrendo o chamado "processo de formação de escória espumosa". Geralmente nesta fase, os queimadores estão operando em purga, ou seja, um volume mínimo de injeção objetivando apenas o não entupimento do equipamento, e jatos de oxigênio de alta velocidade, geralmente supersônicos, são soprados através do queimador supersônico ou lança para produzir a descarburação do banho metálico pela oxidação do carbono contido neste. Usualmente para se gerar jatos supersônicos com velocidades "Mach 2 ou maiores", ou seja, duas vezes a velocidade do som, um bocal de "Lavai" é utilizado. Quando o teor de carbono no banho metálico for menor que 2% este ferro fundido, torna-se aço. O teor de carbono do aço continua a ser reduzido até atingir menos de 0,2% de acordo com a classe de aço que se queira produzir.

Os processos de obtenção de aço em FEA se baseiam no correto uso da energia elétrica e da energia química, e na menor resultante de energia total possível (Energia Total = Energia Elétrica + Energia Química). Por sua vez, os fornos EOF são fornos que para sua correta operação necessitam do uso de 100% (cem por cento) da energia química (Energia Total = Energia Química). Vários equipamentos e práticas operacionais são empregados para obter o maior rendimento possível dos insumos utilizados, que no caso do FEA, são energia elétrica, eletrodos, tijolos refratários, massa refratária, oxigênio, combustível, carvão particulado, cal, dolomita, bem como, a melhoria de eficiência, visando a redução da energia total necessária para a fusão e refino do aço, com a diminuição das perdas de energia e, conseqüentemente, menor custo do processo de produção e redução da agressão ao meio ambiente, através da diminuição dos fumos gerados, e ainda um menor desgaste do forno. A injeção de gases como oxigênio, nitrogênio, argônio, gás natural, gás liqüefeito de petróleo, dióxido de carbono ou misturas destes, e de materiais como óleo combustível, sólidos particulados, finos de antracita, coque de petróleo, carvão mineral, cal, dolomita, finos de minério de ferro, finos de óxidos metálicos, em fornos FEA ou EOF, visa gerar energia química para o processo, propiciar a correta formação de escória espumosa, a oxidação do carbono e dos elementos indesejáveis contidos no banho metálico durante a fabricação de aço nestes fornos.

Com a necessidade imperativa de se aumentar a produtividade no forno

FEA, a redução do tempo de processo se torna necessária, e a forma mais rápida e econômica de se atingir este objetivo é através do aumento da participação da energia química de maneira mais eficiente no processo.

A injeção de gases e particulados sólidos nos fornos vem sendo feita atualmente através do uso de vários equipamentos, tais como manipulador de tubos de aço consumível, manipulador de lança refrigerada supersônica, lança móvel e/ou bloco refrigerado e lança subsônica, ou supersônica sem jato coerente, ou supersônica com jato coerente, montado de forma fixa na parede refrigerada do forno FEA ou forno EOF. O manipulador de tubos de aço consumíveis é uma das maneiras mais

antigas e apresenta a desvantagem de a injeção de gases e particulados sólidos ser feita com velocidade subsônica, através de tubos de aço que vão se consumindo, e por entrarem no forno pela região da porta de escória, necessitando manter a porta de escória do FEA aberta, propiciam a entrada de ar ambiente frio, aumentando assim as perdas térmicas, além de gerarem compostos de óxidos nitrosos. Em função da necessidade de espaço para a instalação destes manipuladores, estes concentram a injeção em um único ponto do FEA trazendo como desvantagem uma deficiência de homogeneização térmica e química do banho metálico, limitando assim o aporte de energia química, além de serem dependentes da habilidade do operador para o correto posicionamento destas lanças na posição de sopro.

Os manipuladores de lanças refrigeradas supersônicas apresentam as

mesmas desvantagens descritas acima, pois também necessitam manter a porta de escória do FEA aberta, ocupam um grande espaço na frente do forno concentrando a injeção de gases e finos em um único ponto, podendo gerar eventualmente reações químicas de forma inesperada com prejuízos à operação e à segurança. Também dependem da habilidade do operador para o correto posicionamento das lanças refrigeradas na posição de sopro. Ainda, em função de ser uma injeção supersônica de jato não coerente, é necessário que o bocal supersônico esteja a uma pequena distância do banho metálico o que acarreta um desgaste acelerado do bocal. Em alguns fornos elétricos a arco podemos encontrar a utilização de lança

refrigerada móvel para a injeção supersônica do oxigênio que, diferentemente do manipulador, apresenta um sistema de movimentação geralmente posicionado externamente ao FEA, na região dos painéis refrigerados. Esta lança refrigerada quando na posição de descanso, está posicionada fora do forno e, para entrar em operação, é movida para dentro do forno através de uma abertura que é feita no painel refrigerado em um ângulo determinado. O caminho que a ponta da lança (bocal de saída do oxigênio supersônico) tem de percorrer até atingir uma distância do banho metálico na qual o jato possa atuar com eficiência é muito grande, fazendo com que o comprimento desta lança seja muito grande, o que dificulta a montagem em outras posições ao redor do forno, prejudicando assim a operação. Desta forma, a abertura feita no painel refrigerado deve ser grande o suficiente para permitir o recuo da lança para sua posição de descanso, trazendo consigo escória aderida ao seu corpo e gerando os transtornos de entrada de ar ambiente frio no forno, além de projeções de escória e aço para fora do forno que danificam o seu sistema de movimentação.

É descrito ainda, no estado da técnica, a utilização de lança de jato supersônico e coerente fixa em um bloco refrigerado que é montado em uma abertura da parede lateral refrigerada do forno FEA. Este bloco refrigerado junto com a lança pode ser instalado com o bocal de saída de gases e finos faceando internamente o painel refrigerado do forno ou avançado, em direção ao centro do forno. Em geral esta lança de jato supersônico e coerente é instalada no bloco refrigerado com inclinação em relação ao banho metálico de 38 a 50 graus. Este jato de gás oxidante, em geral oxigênio, de alta velocidade (alta energia cinética), deve percorrer o caminho formado pela diagonal entre o bocal de saída e o banho metálico, com o mínimo de perda de velocidade, em geral supersônica e maior que Mach 1,6, por necessitar de manter a força para penetrar a camada de escória e banho metálico.

Em muitos casos, em função da arquitetura do forno FEA, da posição de montagem do bloco na parede lateral do forno e da altura do nível de banho metálico, a injeção do oxigênio feita através de jato supersônico coerente gera uma distância diagonal a ser percorrida pelo jato supersônico, desde a saída do bocal até atingir o banho metálico, superior à distância que este jato deve percorrer de forma a manter a sua velocidade supersônica. Como conseqüência, esta diminuição da velocidade acarreta uma penetração ineficiente do jato no banho metálico, bem como uma deficiência na reação química com os elementos desejáveis.

No caso da injeção de particulados sólidos/finos, a eficiência resultante desta operação é pior em função destes particulados sólidos/finos serem transportados em velocidade subsônica ou, no máximo sônica, sendo em muitos casos boa parte destes particulados sólidos succionados pelo sistema de exaustão.

Uma maneira de tentar equacionar ou minimizar estes problemas está relatada na patente americana US 6,749,661 e no documento WO 2007/100441, que descrevem o uso de um bloco refrigerado que avança a partir da posição de montagem na parede lateral do forno FEA em direção a parte interna do forno, de modo a diminuir a distância diagonal que este jato de oxigênio tem de percorrer até penetrar no banho metálico, procurando assim diminuir a perda de velocidade e, conseqüente, a perda de força e de eficiência que este jato de oxigênio tem para penetrar e oxidar o carbono e outros contaminantes existentes no banho metálico. Este bloco refrigerado assim descrito veio contribuir para a melhora da eficiência de injeção de oxigênio, mas não atende a todos os tipos de tamanhos e arquiteturas de FEA e, em muitos casos, não propicia uma melhoria significante na injeção de oxigênio e, principalmente, na injeção de particulados sólidos.

A arquitetura do FEA é muito variada em função da sua capacidade, que pode ser de 5 toneladas a valores superiores a 250 toneladas, dos tipos de carga, como por exemplo sucata sólida, gusa sólido, gusa liquido, pré-reduzido ou combinações destes, ou ainda, da energia elétrica que pode ser em corrente contínua (CC) com um eletrodo, ou em corrente alternada (CA) com três eletrodos. Consequentemente, não se tem uma altura única e fixa entre o banho metálico e o bocal de injeção, principalmente para o caso de cargas de pré- reduzido onde o material é carregado no forno de forma contínua através de uma esteira na abertura no teto, subindo o nível de banho metálico continuamente conforme é carregado o pré-reduzido. Em geral, no inicio da operação o banho metálico está a uma distância superior ao que o jato deve percorrer de forma eficiente, mesmo no caso do bloco refrigerado avançado. Isto também ocorre em fornos de grandes dimensões, acima de 100 toneladas, onde a arquitetura do FEA em muitos casos faz com que o banho metálico presente na cuba refratária inferior, esteja a uma grande distância do painel refrigerado, tendo o jato que percorrer uma distância superior à qual deve percorrer com eficiência até penetrar o banho metálico.

É conhecido que o processo de fabricação de aço feito través da descarburação do banho de ferro fundido depende da cinética das reações e dos mecanismos de transporte de massa, sendo vantajoso o aumento da superfície

Claims (14)

1. EQUIPAMENTO REFRIGERADO PARA MONTAGEM DE QUEIMADOR E/OU LANÇA UTILIZADO EM FORNOS DESTINADOS A FABRICAÇÃO DE METAIS, que compreende um bloco refrigerado (120) onde são montados um queimador ou lança (125) para injeção de gás oxidante ou material sólido particulado para o interior de um forno elétrico a arco (FEA) ou forno de energia otimizada (EOF) para produção de aço, dispondo o bloco refrigerado (120) de uma entrada de líquido refrigerante (165), uma saída de líquido refrigerante (170) e uma abertura (140), caracterizado por dispor o bloco refrigerado (120) de um mecanismo de movimentação (130) destinado a promover a movimentação de um queimador ou lança (125), em direção ao interior do forno (100) e de retorno em direção à parede de painéis refrigerados laterais do forno (115).

2. Equipamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do queimador ou lança (125) serem retráteis.

3. Equipamento de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pelo fato do queimador ou lança (125) ser supersônico.

4. Equipamento de acordo com a reivindicação 1 a 3, caracterizado pelo fato do gás oxidante injetado ser oxigênio.

5. Equipamento de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pelo fato do queimador ou lança (125) permitir a injeção de sólidos particulados.

6. Equipamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da abertura (140) do bloco refrigerado (120) estar posicionada de forma alinhada verticalmente com a face quente do refratário (135) da cuba do forno.

7. Equipamento de acordo com as reivindicações 1 e 6, caracterizado pelo s fato do da diferença entre o diâmetro da abertura (140) do bloco refrigerado (120) e o diâmetro do queimador ou lança (125) ser entre 1mm e 10 mm. m

8. Equipamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do queimador ou lança (125) ser montada com uma inclinação entre 25 graus e graus em relação ao nível do banho metálico (105).

9. Equipamento de acordo com a reivindicação 1, 4 e 8, caracterizado pelo fato do jato supersônico de oxigênio ser injetado para penetração no banho metálico (105) com uma angulação entre 40 graus e 65 graus.

10. Equipamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do bloco refrigerado (120) ser montado em uma posição da parede de painéis refrigerados laterais do forno (115).

11. Equipamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do bloco refrigerado (120) ser montado em mais de uma posição da parede de painéis refrigerados laterais do forno (115).

12. Equipamento de acordo com a reinvidicação 1 e 2, caracterizado pelo fato do queimador ou lança (125) dispor de uma ou mais entradas de gás oxidante (175 ,185) e uma entrada de gás combustível (180) e uma ou mais saídas para o gás oxidante (190) e gás combustível (195).

13. Equipamento de acordo com a reinvidicação 1 e 2, caracterizado pelo fato do queimador supersônico ou lança retrátil (125) ter um comprimento variável de acordo a geometria do forno.

14. Equipamento de acordo com a reivindicação 1 e 12, caracterizado pelo fato do queimador supersônico ou lança retrátil (125) ter um cumprimento de modo a proporcionar uma distância ideal d1 de sopro ao banho de metal liquido.