O Que Acontece No Interior Do Alto Forno?

Falaremos neste artigo sobre as etapas siderúrgicas com a utilização dos fornos industriais ou alto forno, que permitem corrigir impurezas do ferro, assim como adicionar propriedades como resistência a desgaste, corrosão, entre outras.

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Cimento CP-III (NBR 5.735) ou Cimento Portland de Alto-forno: tem em sua composição de 35% a 70% de escória de alto-forno. Apresenta maior impermeabilidade e durabilidade, além de baixo calor de hidratação, assim como alta resistência à expansão devido à reação álcali-agregado, além de ser resistente a sulfatos.

O Alto Forno é um equipamento indispensável para a indústria siderúrgica. É nele que são produzidos os materiais básicos para a fabricação de aço, como ferro-gusa e ferro-ligas. Ele é o coração da siderurgia, pois é responsável por transformar minérios em aço. O alto forno é composto por uma câmara de combustão, onde o carvão é queimado, e um recipiente de metal refratário, onde o minério de ferro se funde.

Na rampa, acontecem a combustão e a fusão. Para facilitar esses processos, entre o cadinho e a rampa ficam as ventaneiras, que são furos distribuídos uniformemente por onde o ar pré-aquecido é soprado sob pressão. A cuba ocupa mais ou menos dois terços da altura total do alto- forno.

Vantagens da Utilização de um Alto Forno

Nas etapas siderúrgicas, precisamos levar em conta os componentes que serão trabalhados ali. Por exemplo, o minério é transformado em pelotas e o carvão é destilado para obtenção do chamado coque (a mistura originada desse processo). Dele obtêm-se subprodutos carboquímicos.

Rampa – com formato tronco-cônico; suas dimensões variam desde o diâmetro do cadinho até 10,5 ou mais, com altura que pode superar 4m. A rampa tem a espessura do refratário menor que a do cadinho, exigindo assim um resfriamento externo mediante o emprego de placas metálicas (na circulação de água).

Dúvidas comuns:

Rampa:- Região na qual as paredes do tronco de cone, tem inclinação de aproximadamente 80o com a horizontal. Possui, altura de aprox. 4 metros , sendo revestida com refratário de resistência a altas temperaturas, a ação corrosiva do metal fundido e da escória, e ao pêso da carga do forno.

Quais são as reações químicas que ocorrem no alto forno?

Os produtos das reações que ocorrem no alto-forno são o ferro-gusa e a escória, escoados no estado líquido para a base do reator e separados por diferença de densidade. O ferro-gusa é conduzido por canais refratários para os carros torpedos para ser transportado para as aciarias.

Hoje, um alto-forno pode ter até 35 metros de altura. Fica dentro de um complexo industrial chamado usina siderúrgica e é o principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro. Sua produtividade diária gira em torno de 8.000 toneladas.

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Principais Funções do Alto Forno

Além disso, o alto forno também é usado para produzir aço. Para isso, o ferro fundido é adicionado ao alto forno juntamente com carvão, gás natural ou coque. A temperatura dentro do alto forno é então aumentada ainda mais, permitindo que os elementos químicos se misturem e formem novos compostos metálicos. Esta mistura resultante é conhecida como “metal líquido” e é então despejada em moldes para formar barras ou lingotes de aço.

É também possível defini-lo como uma liga ferro-carbono de teores variáveis de silício, manganês, enxofre e alto teor de carbono, conforme os insumos usados nos processos de produção.

O alto forno é uma máquina essencial para a produção de aço e outros metais. Ele é usado para aquecer os materiais a temperaturas extremamente altas, permitindo que os elementos químicos se misturem e formem novos compostos metálicos. Esta mistura é conhecida como “metal líquido”, que é então despejada em moldes para formar barras ou lingotes.

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A história do Alto Forno remonta à Idade Média, quando as pessoas descobriram que era possível extrair ferro de minérios e transformá-lo em aço. Naquela época, os fornos eram construídos em locais abertos e eram alimentados com lenha e carvão vegetal. Com o passar dos anos, esses fornos evoluíram para se tornarem mais sofisticados e modernizados – chegando até nossos dias como o Alto Forno.

O Alto Forno é um equipamento imprescindível para a indústria siderúrgica, responsável por transformar minérios de ferro em aço. É como se fosse o coração deste tipo de produção industrial. Se você já parou para pensar como os objetos que usamos diariamente são feitos, provavelmente já imaginou que algumas etapas complicadas estão envolvidas no processo. Pois bem, o Alto Forno é uma delas e é justamente aqui que tudo começa!

O cadinho é uma parte crucial na operação do alto-forno por muitas razões. No entanto, por ser o local de acumulo de gusa e escória, este deve ter volume suficiente e facilitar uma drenagem sem distúrbios. Por isto, o estado do redutor/combustível, chamado “homem morto” desempenha uma importante função.

Altos-fornos

O alto forno é um dos verdadeiros responsáveis pelo crescimento dos metais consumidos pela nossa civilização, nos mais diversos processos industriais. Vamos entender o porquê dessa afirmação.

Desde os primeiros fornos, nos quais os gases eram perdidos na atmosfera, aperfeiçoamentos técnicos constantes são realizados, aumentando assim a capacidade desses aparelhos. Hoje em dia, por exemplo, podem-se produzir até 10.000 toneladas de ferro gusa em 24 horas.

Etapas siderúrgicas: os principais processos de um alto forno

A fabricação do aço ocorre geralmente em duas etapas: primeiramente a obtenção do chamado ferro gusa, material metálico composto majoritariamente por ferro, porém contendo também altos teores de carbono (da ordem de 4,5 %) e altos teores de impurezas (enxofre, fósforo e outros elementos), que é produzido a partir do minério de ferro aglomerado sob a forma de sínter ou pelotas (obtidos respectivamente nos processos de sinterização e pelotização), ao qual são adicionados fundentes (cal, sílica e substâncias semelhantes) e o chamado coque metalúrgico (basicamente o resultado da coqueificação do carvão mineral ou vegetal), a qual é sucedida pela conversão do ferro gusa em aço na chamada aciaria, onde nos conversores ocorre basicamente a oxidação do excesso de carbono e das impurezas, que são assim removidos, resultando numa liga ferrosa com teor de carbono bem mais baixo (em geral inferior a 1 %) e com baixíssimo nível de impurezas, que pode ser considerado residual.

A obtenção de ferro gusa geralmente ocorre no chamado alto forno, embora um material quimicamente semelhante, porém com aspecto esponjoso possa ser obtido pelo processo de redução direta, e depois utilizado de modo semelhante ao ferro gusa sólido obtido no alto forno.

No alto forno é introduzido o minério de ferro sob a forma de sínter ou pelotas (o minério inicialmente contendo cerca de 99 % de Fe2O3, que após ser submetido à sinterização ou pelotização, que reduz o teor de Fe2O3 para cerca de 80 %), é transformado em ferro gusa líquido com teor de fero da ordem de 95 %. Após a produção no alto forno o ferro gusa é submetido à conversão em aço na aciaria a oxigênio, que também recebe sucata como parte da matéria-prima, tendo o teor de ferro elevado pela eliminação de impurezas e grande parte do carbono. O aço líquido é submetido ao lingotamento contínuo (mais comum atualmente, por questões de produtividade do que a solidificação em lingoteiras) e assim, solidificado, é encaminhado aos processos de conformação mecânica, como laminação (inicialmente a quente e posteriormente a frio) e o forjamento.

Uma rota alternativa prevê a alimentação de minério de ferro e pelotas numa usina de redução direta de minério de ferro, constituída por fornos de redução direta, que são retortas verticais com gás reformado. Por esta rota, ao invés do ferro gusa, é obtido o chamado ferro esponja (no estado sólido), que junto com sucata é utilizado como matéria-prima nos fornos elétricos, onde é obtido o aço líquido, solidificado no lingotamento contínuo e depois ás operações de conformação mecânica do aço sólido, como laminação e forjamento. A redução direta faz parte do escopo de outro texto deste conjunto de textos sobre a fabricação de aço.

O alto forno produz ferro gusa como seu principal produto, contendo cerca de 4,5 % de carbono, 0,3 a 0,7 % de silício, 0,01 a 0,04 % de enxofre, no máximo 0,1 % de fósforo e cerca de 0,1 5 de manganês. Além disso, produz escória contendo 30 a 40 % de SiO2, 5 a 15 % de Al2O3, 35 a 45 % de CaO, 5 a 15 % de MgO e 1 a 2 % de enxofre. Recentemente tem crescido o aproveitamento da escória de alto forno para a fabricação de cimentos e outros materiais cerâmicos. A basicidade (B) da escória é dada pela razão entre a soma dos teores de CaO e MgO e a soma dos teores de SiO2 e Al2O3.

O gás de topo, que escapa do alto forno contém cerca de 22 % de CO, 22 % de CO2 (razão CO/CO2 praticamente unitária) 3 % de H2, 50 % de N2 e 3 % de H2O. Quando o ar é soprado no alto forno, o oxigênio, ao entrar em contato com o coque, reage para formar CO e CO2:

C + O2 = CO2 ; C + 1/2O2 = CO; CO2 + C = CO

O ar pode estar seco ou úmido. Se estiver úmido, a uma temperatura de cerca de 1300 ºC e pressão de 4,3 atm H2O é convertida em H2. A pressão de topo é de 2,5 atm.

Os gases CO e H2 assim formados são redutores:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO (na verdade FexO, onde x é cerca de 0,97.

FexO é reduzido a ferro líquido, o chamado gusa (em inglês: “pig iron”, devido ao excesso de impurezas).

O alto forno é alimentado (inserção de matéria-prima) por guindastes, enquanto o produto (ferro gusa) é retirado por baixo e transportado por meio de carros torpedos, que o levam diretamente à aciaria. O cadinho do alto forno apresenta uma base de argila com cerca de 3 metros de espessura. Os regeneradores são do tipo Cowpers.

A escória é resfriada por jatos d’água, sendo utilizada como matéria-prima para a fabricação de cimento, principalmente do tipo Portland.

Antes de chegar á aciaria o ferro gusa é armazenado em imensos fornos rotativos, de modo que a quantidade de gusa não seja superior ao que pode ser processado na aciaria, e nestes fornos sua temperatura e sua composição química são controladas. O gusa também pode ser produzido em lingotes para exportação. Quando o baixo teor de enxofre é uma necessidade muito aguda, utiliza-se o carvão vegetal como parte da matéria-prima. O tempo de vida médio de um alto forno é de 12 anos aproximadamente.

A razão de coque é de 250 kg de coque para cada tonelada de minério. Antigamente era e de 1 tonelada para cada, mas foi reduzida com as melhorias no processo de aglomeração do minério e também com o pré-aquecimento do ar, assim como também com o uso de moinhos de coque.

A pressão no topo é de 2 a 3 atm: C + CO2 = 2CO (reação de Boudouard). A distribuição da carga no alto forno é otimizada. A temperatura de sopro do ar é elevada: cerca de 1300 ºC. A carga deve ser preparada com muito cuidado. Utiliza-se certa injeção de óleo, gás e ar.

O minério extraído das minas é empilhado em pilhas de cerca de 200.000 toneladas com 600 a 700 camadas. É então transportado para a unidade de sinterização, na qual é introduzido com água, coque e fundentes, resultando no sínter que é transportado para o alto forno.

O alto forno pode ser divido em três zonas principais:

A – Trocador químico superior.

B – Zona de reserva química (FeO).

C – Trocador químico inferior.

Em A e B ocorre a redução indireta (zona de preparação) e em C a redução direta (zona de elaboração).

No fundo do alto forno, na região denominada cadinho, deposita-se o ferro gusa, contendo em elevados teores: C, Si, Mn, P, S e outros elementos. A escória localiza-se sobre o metal líquido, por ser menos densa. Na interface entre metal e escória ocorre a migração de elementos químicos entre estes produtos.

A hematita Fe2O3 é reduzida a magnetita (Fe3O4) e esta a wustita (FeO). Na wustita líquida as gotas que atravessam a parte inferior do alto forno (“chuva”) são reduzidas (altas temperaturas e alto potencial redutor).

Na parte inferior do alto forno, na chamada zona de elaboração, o ar é soprado entre 1600 e 2100 ºC. Por cima a escória contém SiO2 e outros óxidos (Fase I), enquanto embaixo o ferro gusa líquido contém Fe e outros metais (Fase II).

As ventaneiras sopram ar que contém O2, que oxida o C a CO2 em ambiente turbulento, com muita agitação. As ventaneiras estão localizadas entre a fase I e a fase II, juntas ou separadas e o sopro atravessa a região de turbulência.

Em outra região ocorre a reação de Boudouard: CO2 + C = 2CO. A válvula do gás de topo controla as pressões dos gases (princípio Le Chatelier).

Logo abaixo do sopro contendo oxigênio existe uma atmosfera de gás, mais abaixo a escória e abaixo desta o metal líquido. Nessa situação o gás não se difunde para o metal, ao contrário do que corre mais acima.

Fe2O3 e Fe3O4 são reduzidos a FeO líquido, o qual reage com C: FeO + C = FeC, sendo que este carbeto difunde-se para p Fe líquido. Na verdade o Fe3O4 é um espinélio: FeO.Fe2O3, o qual é dissociado numa temperatura de cerca de 650 ºC, liberando Fe2O3 e FeO.

De modo semelhante, para o manganês: MnO, Mn2O3, Mn3O4 (Mn2O3.MnO) corre esta reação com C: MnO + C = MnC, sendo que este carbeto também se difunde para o ferro líquido.

SiO2 + C + SiO , S → SixSy: o óxido e o sulfeto de Si são gases, controlados no topo.

Cr, Ni, Zn e Cu são importantes elementos de liga. Alguns elementos são particularmente importantes para o ferro gusa, como Si e Mn: a oxidação destes elementos é exotérmica, fornecendo calor ao processo. Na aciaria não há outra fonte de calor. Estes elementos devem ser controlados através das variações de pressão no gás de topo. O S e o P são controlado na carga: CaCO3 = CaO + O2, sendo que o CaO controla o S: CaO + FeS = CaS + FeO (CaO fica na escória e FeS no metal). FeO + C = Fe + CO. Como CaS é muito mais estável que FeS, passa para a escória e permanece nesta (não se reduz).

A estatística operacional de um alto forno com alta produtividade pode ser descrita genericamente a seguir: para uma produção de 1000 ton/dia, partindo de uma carga com 60 a 40 % de sínter e 40 a 60 % de pelotas, combustível da ordem de 535 kg ton de Fe, sendo o 450 kg de coque e 85 litros de óleo. O cadinho teria 14 m de diâmetro e volume interno de 4373 m3. A vazão do sopro seria de 8000 m3/min, a pressão do topo seria 2,5 bar, a pressão de sopro 4,3 bar e a temperatura seria 1350 ºC, sendo o teor de oxigênio de até 3 %.

A matéria-prima, na entrada do alto forno seria composta por: 7820 ton/dia de sínter, 8439 ton/dia de pelotas, 14976 ton/dia de sopro, 4500 ton/dia de coque, 400 ton/doa de calcário e 700 ton/dia de óleo.

O material na saída teria a seguinte composição: 10.000 ton/dia de ferro gusa, 3.000 ton/dia de escória e 20.966 ton/dia de gás.

Características básicas de operação do alto forno: pressão de topo, que afeta a reação de Boudouard: 2 a 3 bar, boa distribuição no topo (passagem de gás na ventaneira), alta temperatura de sopro (cerca de 1350ºC, acima disso não compensa termodinamicamente), excelente preparação de carga, injeção de O2, quantidades adequadas de óleo, finos de C no sopro e coque “rate”.

O alto forno é um reator termicamente eficiente, que funciona em regime de contracorrente: gás-sólido (coque e minério), efetua queima de coque (produz CO e CO2) e promove a redução do minério: Fe2O3 → FeO (wustita) → Fe sólido a partir do Fe saturado com C no estado líquido.

O coque sofre amolecimento na altura das ventaneiras, prejudicando a passagem de gás. Fundentes como CaO e MgO fluidificam o material, reduzindo a tensão superficial, a qual aumenta com a elevação da proporção de SiO2 e Al2O3, além de promoverem dessulfuração.

O CaCO3 proveniente do calcário e da dolomita decompõe-se em CaO e CO2.

O ferro gusa contém cerca de 4 a 5 % de carbono, 0,3 a 0,7 % de silício e cerca de 0,1 % de manganês. O teor de enxofre no gusa é da ordem de 0,01 a 0,04 % e o de fósforo em torno de 0,1 %.

A escória contém 30 a 40 % de SiO2, 5 a 15 % de Al2O3, 35 a 45 % de CaO, 5 a 15% de MgO e 1 a 2 % de S (proveniente do CaS e MgS). A basicidade (B) é da ordem de 1,1 a 1,2, definida como a razão entre a soma dos teores de CaO e MgO e a soma dos teores de SiO2 e Al2O3.

A reação entre O2 e C do coque é uma combustão perfeita: C coque + O2 = CO2, e posteriormente, o CO2 formado reage instantaneamente: CO2 + C coque = 2CO. Na zona de fusão existe coque amolecido e metal e escória fundidos, na cuba (parte inferior do alto forno, em forma de tronco de cone invertido) , onde mais em cima predomina FeO e ganga sólidos. O ar é soprado por baixo e logo forma CO.

A reação de Boudouard (CO2 + C coque = 2CO) é endotérmica e acarreta a gasificação do coque. O CO produzido reage com FeO sólido: CO + FeO sólido = Fe sólido + CO2, a pós as reações de redução na origem: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO. O CO reduz o FeO a Fe, havendo 70 % de CO e 30 % de CO2, e na reação de Boudouard o CO2 é reduzido a CO (100 % de CO). essas reações ocorrem a cerca de 927 ºC.

A reação de Boudouard é endotérmica, ou seja, reduz a temperatura, mas a redução de FeO a Fe é levemente exotérmica, evitando que a temperatura caia abaixo de 927 ºC. Se aumentar a temperatura de sopro na ventaneira, produz mais CO2, que reage para formar CO, reduzindo a temperatura. Na temperatura de 927 ºC a razão CO/CO2 é de aproximadamente 2,3. Na redução direta: FeO + C = CO2 (combustão perfeita), FeO + C = CO: redução indireta (combustão imperfeita).

Óxidos:

CO + 3Fe2O3 = 2Fe3O4 + CO2 (exotérmica).

CO + Fe3O4 = 3FeO + CO2 (endotérmica).

A temperatura do gás no topo do alto forno cai devido à reação endotérmica e ao seu encontro com a carga fria,.

Reações e comportamento no alto forno:

Zona (%)	Comportamento químico (m/Wmm2)
Cadinho	Saturação do Fe com C, redução final: (CaO)3P2O5, SiO2 e MnO.
Ventaneiras	Oxidação do C do coque e dos hidrocarbonetos: CO, CO2: primeiro o CO2 e depois o CO.

Na rampa: óxidos (impurezas) são reduzidos, e o Fe absorve C. O Fe líquido reage com C sólido para formar FexC líquido. Cada gota de metal líquido percola o C sólido do coque e o C do CO e por difusão e dissolução do C ocorre a absorção deste elemento pelo Fe

Comportamento térmico:

Nas ventaneiras: evolução de calor resultante da combustão. Transporte de calor: o calor do gás ascendente é transferido para a carga descendente. Então corre fusão da carga: formação e fusão da escória, redução final do FeO e transporte de calor.

Reações cíclicas: redução do FeO, gaseificação. Ocorre redução da temperatura dos gases ascendentes. Na metade da cuba encontra-se a zona de residência química: à temperatura de 927 ºC: Fe2O3 + CO = FeO + CO2: no quarto de cuba superior: a hematita se reduz.

Ventaneiras:

O ar é soprado com temperatura e pressão controladas. Mais próxima à saída das ventaneiras foram-se a zona de combustão e imediatamente depois a zona de oxidação, até chegar à zona externa.

Na zona de combustão existem os gases: O2, CO, CO2, N2, H2 e H2O, ocorrendo as reações:

O2 + C + CO e CO2, H2 → H2O e H2O → H2.

Na zona de oxidação existem os gases: CO, CO2, N2, H2 e H2O. O O2 residual reage com C para formar CO e CO2.

Na região externa existem os gases CO, H2 e N2. As reações que acontecem são:

O2 + C = CO e CO2 + C = 2CO.

As ventaneiras apresentam largura da ordem de 1,5 a 1,7 m, atingem altíssimas temperaturas com gás (não definido) em circulação.

Redução do Silício:

No ferro gusa destinado à aciaria existe silício em proporções significativas. Se a proporção de silício for insuficiente, acarretará problemas na aciaria, pois a escória se tornará muito básica. Entretanto, se o teor de silício for muito alto, problema inverso ocorre, a escória será muito ácida e excessiva, acarretando perdas de metal. Na região das ventaneiras baixas temperaturas afetam o coque “rate”, enquanto altas temperaturas afetam o comportamento químico. Nesta região corre redução da SiO2 a Si, MnO a Mn e P2O5 a P, sendo que estes elementos (Si, Mn e P) são absorvidos pelo ferro líquido, para o qual se difundem.

Se houver condições termodinâmicas favoráveis, podem ser formar silicatos (CaOxSiO2y), que inviabilizam a redução, por serem muito estáveis termodinamicamente, prejudicando assim todo o processo.

Na zona de combustão ocorre a formação de SiO e SiS. O SiO é estável em altas temperaturas: Si + SiO2 = 2SiO.

Na rampa ocorre a transferência de Si e S para gotas de metal líquido e escória.

Posteriormente ocorre a oxidação do Su pelo FeO e MnO na escória: a gota de Fe/Si atravessa a escória contendo MnO e FeO, formando uma camada de SiO2 em torno da gota de Fe líquido. Do mesmo modo, a gota de Fe/S atravessa a camada de CaO, formando CaS em torno da gota de Fe líquido.

As reações químicas que ocorrem nestes processos são:

SiO2 = 2[C] = Si + 2CO

MnO + [C] = [Mn] + CO

CaO + [S] + [C] = (CaS) + CO

A tabela a seguir sumariza os processos:

Zona	Composição química (m/Wmm2)	Nível de silício (m/Wmm2)
Rampa	Fe	Bem Baixo
Ventaneiras	Ganga transferindo Si para o metal (Fe)	3 a 4 %
Escória	Escória recebendio Si do metal e metal reagindo com C: Fe + 4 % C	1 a 2 %

Na escória formam-se vários óxidos: MnO, SiO2, CaO, Al2O3 e também FeO. As reações entre a atmosfera do forno, a escória , o metal líquido e o refratário tendem a aumentar a fluidez, favorecendo reações nas interfaces.

Dessulfuração no Alto Forno

Parte do enxofre está na escória e parte no metal líquido. A reação de sulfetação ocorre do seguinte modo: [S] + [Me] = (MeS), onde Me = Fe ou Mn.

O diagrama de Ellingham para sulfetos indica que, do ponto termodinâmico, o manganês apresenta maior afinidade pelo enxofre do que o sódio, magnésio, cálcio e cério (nessa ordem decrescente).

No Fe líquido: S → [FeS]. No alto forno: 3[Fe] líquido + SiO2 ganga = [FeS] + 2(FeO): na saturação o FeO se precipita; 2[Fe} líquido + S2 ganga = 2[FeS]. O teor de enxofre do ferro gusa é menor ou igual a 0,07 % (0,02 a 0,07 %), mas na aciaria o teor de enxofre cai muito mais.

[S] + (CaO) + [C] = (CaS) + CO gasoso.

O logaritmo da constante (k) desta reação corresponde ao logaritmo da razão entre a multiplicação da concentração de CaS pela pressão de CO e a multiplicação das atividades de S, C e CaO. Normalmente a temperatura atingida é de cerca de 1400 ºC, a pressão de CO é 1 atm e as atividades de CaO, CaS e C são unitárias (1).

No alto forno o chamado ponto de equilíbrio químico (W em inglês “pinch point”) deve ser evitado, pois nesse caso é difícil reduzir o FeO a Fe. No W há 100 % de FeO, mesmo com alto consumo de coque, que teria grande impacto econômico desfavorável. Há um determinado tempo de residência na região das ventaneiras. Mudando a temperatura e a pressão no topo, modificam-se as posições das zonas no alto forno.

Deve haver controle de: carga (composição e qualidade), sopro (velocidade, temperatura, pressão e umidade: afetam as reações das zonas das ventaneiras: C → CO2 → CO em função de delta H).

Em W ocorre dissociação do vapor: consome calor e libera H2 (enriquece o gás como agente redutor).

A distribuição da carga no topo influi na descida da carga através da altura do alto forno, mas a velocidade de decida deve ser controlada. A distribuição de gases revela presença de N2, CO e CO2 na região inferior da cuba, acima das ventaneiras. As regiões mais controladas são o topo (parâmetros da carga: massa, composição e sequência de carregamento) e as ventaneiras (parâmetros do sopro: temperatura, W, pressão e vazão; injeções de óleo, carvão, oxigênio e gás). Se for utilizada dolomita em vez de calcário, acarreta-se dissociação em condições diferentes, alterando a posição das zonas dentro do alto forno. Para mantê-las seria necessário alterar a pressão do gás de topo, a composição do ferro gusa e o carregamento. Na parte de baixo do alto forno produz-se ferro gusa com controle de composição química, temperatura, quantidade (massa em toneladas) e teor de silício. O gás de topo, além do controle de pressão, pode ter outras variáveis controladas como temperatura, % CO, CO2, H2 e N2.

De um modo geral, na entrada são controladas: a carga, % Fe, W coque; durante o processo: a demanda de coque (seco), a razão O2 para CO (redutor), a razão O2 para H2 (redutor) e a razão O2 para C (redutor); e na saída: coque (W) e ferro gusa.

Input: sopro, volume, temperatura, W, O2 e óleo. Processo: combustão de C, calor de fusão, ferro gusa líquido, escória, redução de MnO, FeO, P2O5 e dissociação da H2O, variação de entalpia: sopro, coque, carga: redução da SiO2, superaquecimento da escória e gás de entrada.

Dissociação de carbonetos metálicos: MCO3 = MO + CO2 (gás), onde M pode ser: Ca, Mg, Fe, Mn e outros. No caso da dolomita, composta por uma mistura de MgCO3 e CaCO3, primeiramente dissocia-se o carbonato de magnésio (MgCO3 a 400ºC) e depois calcário (CaCO3 a 900ºC). O MgCO3 é mais caro e aumenta a viscosidade.

Cinética (velocidade/taxa) de dissociação dos carbonatos:

A partícula é formada por um núcleo de MCO3 sobre o qual se forma uma camada de MO, óxido muito poroso, havendo uma interface entre MCO3 e MO. Calor é transferido para a interface, permitindo correr a reação de dissociação. CO2 é liberado e migra da interface através da camada de MO para fora da partícula. Este é o modelo idealizado, topoquímico, com encolhimento (redução ou contração) do núcleo. A partícula possui formato aproximadamente esférico. Ocorrem: transferência de calor, transporte do gás CO2 e a reação química de MCO3 para MO, com variação de pressão e temperatura. Fenômenos envolvidos: sinterização, densificação de grãos (que impede o transporte de gás), trincamento e formação de canais preferenciais. Todo o processo de dissociação dos carbonatos apresenta um período inicial de incubação.

À medida que a transformação ocorre de fora para dentro, fecham-se os canais para a saída dos gases, dificultando cada vez mais o prosseguimento da reação.

Na prática o MCO3 é praticamente puro, a partícula aproximadamente esférica, o volume da partícula praticamente constante, praticamente não surgem trincas e a sinterização seria praticamente inexistente se as condições do processo forem muito próximas das condições ideais.

A taxa de transferência de calor para a interface MCO3/MO é diretamente proporicinal à condutividade térmica efetiva da camada de MO produzida e ao gradiente térmico da superfície para o interior da partícula, sendo inversamente proporcional à diferença entre os valores inversos dos raios (dimensões) das camadas, superficial e interna.

Há três possibilidades de controle do processo:

A) Controle pela interface.

B) Controle pelo transporte de gás CO2.

C) Controle pelo transporte de calor.

A pressão (em mm de Hg) varia aumento com o tempo, porém com diferentes taxas de aumento. Entretanto, a taxa de variação da pressão com o tempo decresce continuamente á medida que o tempo se prolonga. A fração convertida (em óxido) aumenta inicialmente a uma taxa elevada, que se reduz com o tempo, aumentando assim cada vez mais lentamente até atingir o ponto de saturação em quase 100 %. A dimensão de partícula de óxido transformado aumenta com o tempo, sendo maior em temperaturas mais latas.

Na decomposição do carbonato: além desta reação em si: CaCO3 = CaO + CO2, a reação de oxidação do carbono: C+O2 = CO2 também é importante, pois ao contrário da outra, é fortemente exotérmica, fornecendo calor para que a decomposição do carbonato aconteça.

Na análise do processo de decomposição dos carbonatos adota-se o seguinte procedimento:

1 – Preparação do material: moagem, observação em microscópio ótico, secagem, pesagem em balança e prensagem em forma de esferas.

2 – Colocação da amostra: em vácuo, pois o ar é removido, mede-se a pressão (se cair, isso indicará vazamento), fecha-se o vácuo, abre-se o forno (antes coloca-se CO2), coloca-se a amostra: CO2 até 1 atm, temperatura de cerca de 900ºC e tempo de cerca de 5 minutos. A temperatura permanece estável, a pressão de CO2 é de 1 atm, o vácuo de até 0,01 mm de Hg, pára-se o ensaio e faz-se a medição: bombeia-se até 40 mm e pára novamente: passa-se argônio, retira-se a amostra, que é colocada em dessecador, deixa-se esfriar, mede-se o peso e leva-se o material para observação em microscópio ótico. A vazão de CO2 é diretamente proporcional à variação da pressão com o tempo.

Outros aspectos devem ser analisados: a forma geométrica das partículas, a microestrutura do carbonato e do óxido, incluindo a presença de trincas e os efeitos da sinterização (como por exemplo o efeito da temperatura de sinterização), a utilização de catalisadores e a nucleação e o crescimento de grão do óxido.

No balanço de massa e no balanço térmico do processo de decomposição do carbonato em óxido são considerados vários parâmetros, como o teor de silício (máximo de 0,9 %), teor de carbono (cerca de 4,5 %), proporção de 1,5 tonelada de sínter ou pelota para cada tonelada de ferro gusa produzido, 50 kg de sucata, e outras quantidades de óleo, coque, calcário, temperatura de sopro da ordem de 1050ºC e W = 0,22 (enriquecimento em O2 = 22 %).

Parte do manganês da sucata é perdida pro arraste, principalmente o do aglomerado.

As perdas concentram-se no arraste, na escória e nos respingos. No sopro, quando são realizadas adições de vapor, devem ser consideradas modificações na composição e na quantidade do gás.

De um modo geral, na operação do alto forno os fatores mais importantes são: a termodinâmica das reações de redução, de Fe2O3 até chegar a Fe metálico, pressão de O2 e sua influência sobre os óxidos, as zonas do alto forno (reserva), onde deve haver controle dos teores de silício e de enxofre, as ventaneiras (pressão de CO), os fenômenos de amolecimento e o controle da quantidade de combustíveis.

Para a adequada redução do minério no alto forno é necessário que a carga seja bem distribuída e nivelada. Para alcançar estes objetivos, utilizam-se dispositivos que promovem a distribuição e o nivelamento da carga, que é distribuída em camadas alternadas de coque, minério e calcário.

A produção em massa desse material foi iniciada na segunda Revolução Industrial, por volta de 1850. Desde o processo das estradas de ferro, até os dias de hoje, atua em plena 4ª Revolução Industrial.

Na parte inferior do forno, onde as temperaturas sobem bem mais de 3000 Fahrenheit, escória derretida flutua em uma piscina de ferro fundido, que é de quatro ou cinco pés de profundidade.

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