Alto-forno
O alto-forno
é um equipamento siderúrgico onde vão ser introduzidos todos os elementos que
referimos no capítulo sobre a ‘’ metalurgia do ferro’’: minério, combustível, fundente e comburente e onde se desenrolam as
transformações necessárias para a obtenção da gusa da 1° fusão.
O
alto-forno é um forno de cuba de eixo vertical, com 20 a 35 metros de altura,
na secção circular, e revestido interiormente por tijolos refratários,
envolvido por uma estrutura metálica.
O alto-forno
é constituído por:
- Boca – zona superior cilíndrica por
onde se introduzem as cargas e saem os fumos. Possui um dispositivo na parte
superior que isola o alto-forno da atmosfera durante a operação, permitindo simultaneamente
a carga. Os gases saem por condutas laterais.
- Cuba – zona tronco-cônica de pequena
inclinação, com a base maior para baixo. As paredes são revestidas por tijolos refratários
de 80cm de espessura e constituídos por cerca de 70% de sílica. Este
revestimento tem de suportar choques devido a carga do alto-forno, pelo que
deve possuir elevada resistência.
A sua
estrutura assenta sobre uma galeria circular de betão que se apoia no selo. O
arrefecimento da blindagem exterior é feito por rego direto ou por intermédio
de tubos de agua que circulam em intervalos da alvenaria.
- Ventre – zona cilíndrica de maior
diâmetro. O seu revestimento refratário é semelhante ao da cuba.
- Zona de fusão – região tronca-cônica de
base maior para cima. As paredes são constituídas por tijolos refratários sílico-aluminosas
com cerca de 40% de alumina, ou por tijolos de carbono com cerca de 1m de
espessura. O arrefecimento faz-se por circulação forcada de agua na alvenaria
ou por rego da blindagem.
- Cadinho – zona cilíndrica inferior,
cuja parte superior – a obra –contém as tubeiras ou algaravies que conduzem o
ar. Na parte inferior possui dois orifícios, a níveis diferentes, chamadas sangradores: o superior destina-se ao
escoamento da escoria e o inferior ao escoamento da gusa.
O
arrefecimento e o revestimento são idênticos aos da zona de fusão.
A
espessura do fundo do cadinho é de cerca de 3m.
A
estrutura de apoio da zona de fusão e do cadinho assenta em placas de betão.
Envolvendo
o alto-forno existe uma complexa estrutura metálica que suporta os dispositivos
de carga e de captação dos gases de escape.
Órgãos anexos
Os recuperadores
Os
recuperadores são aparelhos constituídos por uma torre cilíndrica com cerca de
30 metros de altura e 7 de diâmetro, formada por uma câmara de combustão e por
um conjunto de tubos refratários sílico-aluminosas.
Estes
aparelhos são recuperadores de calor, e destinam-se a aquecer o ar que vai
aquecer o alto-forno.
O seu
funcionamento é alternativo. Inicialmente fazem-se entrar os gases de escape e
provoca-se a sua combustão, obrigando os fumos a sair. A temperatura conseguida
no interior do recuperador é de ordem dos 1300°C.
Numa
segunda fase, interrompe-se a entrada dos gases de escape e introduz-se o ar
que ao entrar em contato com os tubos aquece, saindo a uma temperatura da ordem
dos 800°C.
Numa
siderurgia existem vários recuperadores, funcionando simultaneamente, uns com
gases e outros com o ar.
A
alternância das correntes gasosas é efetuada por meio de válvulas.
Câmara
de poeiras
A
câmara de poeira é um aparelho constituído por um grande cilindro, com cerca de
15 metros de altura e 6 de diâmetro, destinado a eliminar a grande parte de
resíduos sólidos existentes nos gases de escape. Assim, os fumos ao entrarem na
câmara de poeira vão sofres uma diminuição de velocidade e uma variação brusca
de sentido, o que vai originar que os resíduos sólidos, mais pesados se
depositem por ação de gravidade. As poeiras ferrosas são eliminadas por
magnetização.
Na
maior parte das siderurgias existem outros mecanismos (câmara de lavagem,
filtros) que completam o desempoeiramento dos gases, para que possam ser
utilizados como combustível, não só nos recuperadores, mas também em motores
térmicos (turbinas, motores de pistão, etc.).
Turbocompressores
e motores térmicos
Os
turbocompressores ou as máquinas de pistões, são aparelhos utilizados para a
compressão do ar destinado a alimentação do alto-forno.
Estes
aparelhos são acionados, direta ou indiretamente por motores que utilizam como
combustível os gazes de escape do alto forno e produzem a energia necessária
não só aos turbocompressores, como a toda a siderurgia. Dado que estes motores
utilizam os gases de escape como combustível, verifica-se um aproveitamento em
circuito fechado de elevada rentabilidade.
Carga e funcionamento do alto-forno
A
carga do alto-forno é constituída por coque
minério e fundentes.
Antes
de dar entrada no alto forno, cada um destes elementos é submetido a um
conjunto de tratamentos preliminares, com o fim de se obter uma carga formada
por fragmentos de dimensões semelhantes.
Esta homogeneização
de carga é importante, porque torna mais regular a descida no alto-forno e
facilita a circulação dos gases, assegurando as transformações químicas
necessárias ao processo.
Na
carga introduz-se em camadas sucessivas,
coque, minério e fundentes. É importante que as camadas que se depositam no
alto-forno se disponham alternadamente, dependendo disso o êxito da operação.
A alternância
é fundamental entre o minério e o combustível. O fundente pode ser misturado
com o minério sem qualquer conveniente.
Durante o processo de transformação verificamos que as temperaturas
desenvolvidas nas diferentes zonas do alto-forno são crescentes de cima para
baixo, variando desde os 200°C na boca até cerca de 1600°C no cadinho.
No
alto-forno podemos considerar dois fluxos opostos: o da carga, de cima para
baixo, e o dos gases, de baixo para coma.
Transformações na descida da carga
O
minério introduzido no alto-forno é constituído geralmente por hematite – pois,
mesmo quando se trata de magnetite, esta, na maior parte dos casos, sofre uma
circulação prévia que a transforma em óxido de ferro III.
Após
ser introduzido pela tremonha, o minério conecta com a corrente gasosa, que
contém monóxido de carbono e está, a uma temperatura compreendida entre os 200
e os 270°C. então, o oxido de ferro III reage com monóxido de carbono,
transformando-se em oxido de ferro II e III.
A
transformação não é completa devido a velocidade de descida do minério. Assim,
a partir do meio da cuba, teremos uma mistura de magnetite e ferro sólido
(pastoso).
Para
temperaturas superiores a 570°C. continua a redução do ferro já na parte média
e inferior da cuba, mas agora com a formação intermedia de óxido de ferro.
No
entanto a concentração necessária de CO é sempre assegurada, dada a existência
de carbono em abundancia proveniente do coque, o qual produz a dissociação do
dióxido de carbono.
A
cerca de 1000°C, portanto no ventre, praticamente já só existe ferro pastoso e
pequenas quantidades de óxido de ferro II que é reduzido diretamente pelo
carbono puro.
No
final da operação deposita-se, no fundo do cadinho, o ferro liquido com algum
carbono dissolvido e pequenas quantidades de fósforo, silício e manganês. A
sobrenadar este banho, existe uma massa pastosa – a escória – resultante das reações verificadas entre a ganga e o
fundente.
As
reações químicas que referimos são reversíveis, o que significa que tanto se
pode realizar num sentido como no outro, dependendo isso da concentração dos
elementos em presença e da temperatura.
O
elemento chave para a realização destas reações no sentido da esquerda para a
direita é como se referiu, o monóxido de
carbono, que terá de existir em elevada percentagem durante todo o
processo. A sua existência em grande quantidade explica-se facilmente
entendendo ao que se passa no trajeto ascensional dos gases.
Transformações na subida dos gases
O ar
injetado ao nível da parte superior do cadinho através dos algaravies, a uma
temperatura da ordem dos 750°C e uma pressão entre 1.5 e 2 atmosferas.
Dos
elementos que constituem o ar, somente o oxigênio nos vai interessar para a
explicação deste processo.
Assim,
o oxigênio atravessa o coque a
elevada temperatura, combina-se com o carbono e forma o dióxido de carbono,
como se referiu anteriormente. Esta reação liberta grande quantidade de calor e
a principal responsável pela elevação da temperatura no ventre entre 1600 a
1750°C. como o carbono existe em grande quantidade e a temperatura é elevada,
realiza-se a dissociação do dióxido de carbono, originado do monóxido de carbono.
Esta
reação, ao contrário da primeira, é endotérmica,
isto é, consome calor, e portanto faz baixar a temperatura.
É
importante assinalar que no conjunto destas duas reações resulta uma libertação
de calor importante.
A
reação de dissociação do dióxido de
carbono, embora mais intensa no ventre, verifica-se na maior parte do
alto-forno (pois este, como se referiu, é carregado alternadamente com coque e
minério), só se deixando de realizar quando a temperatura é inferior a 400°C,
já na parte superior da cuba.
Estas
reações também explicam a variação da temperatura no alto-forno que é máxima
junto aos algavarizes, diminuindo daí para cima. Para temperaturas inferiores a
700°C por vezes, o monóxido de carbono
dissocia-se dando origem ao dióxido e ao carbono.
Mas a
reação ocorre em pequena escala e não altera substancialmente a percentagem do
CO.
A
saída, os fumos são constituídos, essencialmente, por monóxido e dióxido de carbono, azoto, vapor de agua, hidrogênio,
carbonetos e poeiras.
Descarga do alto-forno
Periodicamente procede-se a descarga das escorias e da gusa depositada
no cadinho. Embora o procedimento dependa da instalação industrial, a purga das
escorias efetua-se a intervalos regulares, de 1 a 4 horas, e a descarga da gusa
a intervalos de 4 a 12 horas.
Produtos do alto forno
Podemos considerar como produtos do alto forno a gusa, a escória e os gases de escape.
A gusa da primeira fusão
A gusa
depositada no cadinho do alto-forno contém, além de ferro, o carbono em
percentagem superior a 2% e pequenos teores de silício, manganês, fósforo e
enxofre.
O seu
vazamento efetua-se pelo sangrador inferior, podendo seguir duas vias:
- Ser lançada num misturador (panela de
grandes dimensões), no qual é mantida no estado líquido e onde se reúnem gusas
de vários vazamentos para posterior transformação em aço.
- Ser vazada em lingoteiras, onde
solidifica sobre uma forma de lingotes que
se destinam a ser transformados em ferro fundido ou gusa da segunda fusão.
A gusa de primeira fusão funde a temperaturas
de ordem dos1150°C, é frágil, resiste muito mais a esforços de compressão do que
de tração e não se pode maquinar nem forjar.
Dadas estas
caraterísticas, a gusa da primeira fusão só excepcionalmente é utilizada na
produção direta de peças, como é o caso de fabrico de tubos de grande série,
placas de esgoto e cabeças de amarração de navios.
Escória
A
escoria é constituída por uma massa pastosa, resultante da ganga e do fundente,
formada por silicatos de alumínio e cálcio e pequenas quantidades de óxidos de
magnésio, de ferro e vários sulfuretos.
De
acordo com a sua composição é usual classificar as escórias em ácidas ou básicas.
As escórias acidas tem uma percentagem
de silício superior a 30%, e apresentam um aspecto vítreo.
As escórias básicas tem uma percentagem
de silício inferior a 30%, cor escura e são espessas e viscosas.
O
volume de escória a purgar depende da composição da carga, podendo variar, para
uma tonelada de gusa, entre 800 a 1300 kg. Como se trata de quantidades
elevadas, é importante que a purga efetuada pelo sangrador superior, seja
rápida, o que depende da viscosidade. Quando as escórias são básicas, é usual
adicionar-lhes magnésio para aumentar a sua fluidez.
É igualmente
importante encontrar uma aplicação para este material. Atualmente utiliza-se,
com bons resultados, na fabricação de cimento, como constituinte de pavimentos
e isolante térmico.
Os gases de escape
Pelas
condutas situadas na boca saem os gases resultantes das reações no alto-forno a
uma temperatura de ordem dos 200°C os quais são escoados a altas velocidades.
Estes
gases são constituídos, em média por 27% de CO, 12% de CO2, 2% de H2, 0,5% de
CH4 (metano) e 58% de N2, e ainda por vapor de agua e poeiras. Possuem um poder
calorifico de ordem dos 1000 cal/m3, o que os classifica como combustíveis
pobres.
O
principal inconveniente da sua utilização reside no elevado conteúdo de
impurezas sólidas abrasivas e isolantes que tem de ser previamente eliminadas.
Assim,
os gases, após saírem do alto-forno passam por aparelhos que eliminam os
resíduos sólidos, podendo depois ser utilizado como combustível nos
recuperadores e nos motores.