doi: 10.4322/tmm.00502008
OPERAÇÃO DOS ALTOS-FORNOS DA V&M DO BRASIL COM ALTAS
TAXAS DE INJEÇÃO DE CARVÃO PULVERIZADO
Rafael Porto de Oliveira 1
Hélio Manetta 2
Jadir das Graças Cruz 3
Mário Emílio da Silveira Maia 4
Denise Araújo Gomes 5
Mário Rosa Monteiro 6
Guilherme Borges da Costa 7
Resumo
A motivação deste trabalho foi devido ao interesse em alcançar elevadas taxas de injeção de carvão vegetal
pulverizado nas ventaneiras dos Altos-Fornos da V&M do Brasil, visando reduzir o consumo global de carvão vegetal
e conseqüente custo de produção. O projeto teve início em março de 2005 e consistiu na adoção e implementação
de alguns parâmetros operacionais e investimentos para a otimização do sistema de injeção, instalação de uma nova
moagem, nova planta de peneiramento de carvão, implantação de dupla lança de injeção e projetos de P&D para estudo
da combustão de carvão vegetal pulverizado. Com a melhor distribuição do tempo de injeção, melhor qualidade do
carvão vegetal, injeção com dupla lança e conhecimento adquirido com os projetos de P&D foi possível elevar a taxa de
injeção média nos altos-fornos da V&M do Brasil em 50 kg/t com conseqüente redução do consumo de carvão de topo
com altas produtividades.
Palavras-chave: Altos-fornos; Carvão vegetal pulverizado; Taxa de injeção.
OPERATION OF THE BLAST FURNACES OF V&M DO BRASIL WITH HIGH PCI
Abstract
This work was created to increase PCI (Pulverized Charcoal Injection) rates on the blast furnaces of the V&M from
Brazil in other to reduce the global charcoal consumption and costs. This project began in March 2005 by implementation
of some operational controls and some investments as PCI plant revamp, implementation of a new milling, double tuyere
project, new charcoal screen and some research and development projects. After the benefits of all implementation the
PCI rates were increased in 50 kg/t with charcoal reduction and high productivity.
Key words: Blast furnace; Pulverized charcoal; PCI.
1 INTRODUÇÃO
A grande maioria das empresas produtoras de ferro gusa
em altos-fornos vem praticando a injeção de carvão pulverizado
pelas ventaneiras, prática que permite redução do consumo de
carvão vegetal ou coque carregado pelo topo permitindo um
ganho econômico, uma vez que os redutores carregados pelo topo
apresentam custo superior aos finos de carvão injetados.
Para uma usina integrada a carvão vegetal,
sem sinterização como a da V&M do Brasil
tem-se a geração de grande quantidade de finos.
O carvão vegetal desde sua fabricação nas carvoeiras até o alto-forno gera uma quantidade de finos
(fração < 12 mm) que podem chegar a 31%. Estes
finos gerados podem ser vendidos para outras
usinas ou processados para serem ­injetados. A
Engenheiro Metalurgista, Gerência de Produção de Ferro Gusa. Rua Aristóteles Caldeira 30/202 30410-170 – Belo Horizonte – MG.
[email protected]
2
Engenheiro Metalurgista, Gerente Responsável pela Produção de Ferro Gusa. Av. Olinto Meireles, 65 30640-010 - Belo Horizonte - MG.
[email protected]
3
Técnico Metalúrgico, Coordenador Técnico. Av. Olinto Meireles, 65 30640-010- Belo Horizonte - MG. [email protected]
4
Engenheiro Metalurgista, Gerência de Produção de Ferro Gusa. Av. Olinto Meireles, 65 30640-010 - Belo Horizonte - MG.
[email protected]
5
Engenheira Química, Engenharia de Processos e de Desenvolvimento. Av. Olinto Meireles, 65 30640-010- Belo Horizonte - MG.
[email protected]
6
Técnico Industrial, Engenharia de Processos e de Desenvolvimento. Av. Olinto Meireles, 65 30640-010- Belo Horizonte - MG.
[email protected]
7
Estagiário de Engenharia Metalúrgica da UFMG.. Av. Olinto Meireles, 65 30640-010- Belo Horizonte - MG. [email protected]
1
Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo, v. 5, n. 2, p. 105-110, out.-dez. 2008
105
maioria das empresas vem buscando praticar a segunda opção, pois a
injeção de carvão vegetal pulverizado proporciona outras vantagens
relacionadas ao aumento do tempo de residência da carga metálica
contribuindo para um melhor aproveitamento dos gases redutores e
conseqüente redução do consumo de carvão vegetal.(1)
Para uma melhor avaliação dos benefícios, é necessário
determinar o limite econômico para a pratica da injeção de carvão
pulverizado que deve levar em consideração a produtividade bem
como o custo da carga carregada no alto-forno.
Ao longo deste trabalho, serão apresentadas as medidas
adotadas e implementadas para elevar a taxa de injeção nos altosfornos da V&M do Brasil.
2 MODIFICAÇÕES IMPLEMENTADAS
ções de ferro fundido ou de aço inox e promover
o aquecimento do ar de sopro através da troca
de calor com o ar transportado no interior da
tubulação. Devido à limitações de temperatura
de ar quente do alto-forno 2 foi necessário fazer
algumas modificações operacionais nos glendons
de forma a aumentar a troca térmica(2) e conseqüente elevação da temperatura do ar soprado
pelas ventaneiras. Com temperaturas maiores foi
possível manter a temperatura de chama constante para maiores taxas de injeção de carvão
pulverizado que tem efeito negativo no cálculo
da temperatura de chama conforme descreve a
formula abaixo.
Tchama=1463 + 0,7 x TS + 44 x E – 5 x U – 1,5 x Ticp
2.1 Mudanças Operacionais dos Altos-Fornos
Tchama= temperatura de chama (ºC);
TS = temperatura de ar quente (ºC);
2.1.1 Alto-forno 1
E = enriquecimento do ar com O2 (%);
Os altos-fornos 1 e 2 da V&M do Brasil são equipados com o
sistema de distribuição de carga dotado de placas moveis e sondas
radiais transversais instaladas no topo do alto-forno como ilustra a
Figura 1. Através das placas móveis é possível a pratica de vários
programas de distribuição de carga para definir a melhor pratica
para uma melhor performance do alto-forno. Para um melhor
aproveitamento dos gases redutores foi definido que a melhor
relação entre a temperatura do centro (pontos 15, 5 e 10) sobre
a temperatura das extremidades (pontos 1, 6 e 11) estariam entre
o valor 2 a 2,5.
Sonda 3
11
12
13
14
15
GUSA
6
7
8
10
9
5 4 3 2 1
Sonda 1
Sonda 2
Figura 1. Posição dos termopares das sondas radiais instaladas no topo do
alto-forno 1.
Foi implementado, ainda, nos altos-fornos 1 e 2, o monitoramento da injeção de carvão pulverizado em cada lança de injeção
de carvão permitindo o controle de obstruções de lanças através
da sala de controle.
U = Umidade do ar (g/Nm3);
Ticp = taxa de injeção de carvão pulverizado
(kg/t de gusa).
2.2 Implantação da Nova Injeção de Finos
no Alto-Forno1
Este projeto teve como objetivo reduzir
obstruções das tubulações de injeção de carvão
para uma melhor distribuição do carvão vegetal
pulverizado injetado por ventaneira e conseqüente
distribuição de gases no interior do alto-forno.
O projeto consistiu na substituição do
sistema original do alto-forno 1 que apresentava
muitas obstruções não permitindo uma distribuição regular da injeção de carvão pulverizado
nas 12 ventaneiras.
O novo projeto implantado em outubro de
2005, consistiu na substituição do fundo dos vasos
de injeção composto por 6 saídas que se subdividiam em duas dando origem à 12 ­tubulações, uma
para cada ventaneira e passou a ter uma única saída
se subdividindo em 12 tubulações (Figura 2).
a
b
2.1.2 Alto-forno 2
Ao contrário da grande maioria dos altos-fornos que utiliza
cowpers como regeneradores de calor o alto-forno 2 está equipado com glendons, equipamento constituído basicamente por
queimadores que geram o calor necessário para aquecer tubula106
Figura 2. Foto ilustrativa do vaso de injeção de carvão pulverizado do alto-forno 1 a) antes e b) após a ­implantação
do novo sistema de injeção.
Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo, v. 5, n. 2, p. 105-110, out.-dez. 2008
2.3 Implantação da Moagem 3
Buscando ser auto-suficiente na produção de carvão pulverizado para a prática de altas taxas de injeção, foi implantada em
junho de 2006 uma nova instalação de moagem. Ao contrário do
moinho de bolas 1 e 2 em operação na V&M do Brasil, a moagem 3
tem como princípio operacional a utilização de pêndulos, sendo
equipada também com separador de cinzas.
Esta melhoria combinada com o monitoramento do fluxo de carvão pulverizado em cada
lança possibilitou um melhor controle horário
do tempo de injeção por ventaneira conforme
descrito na Figura 4.
12
2.4 Projeto de Peneiramento de Carvão (Projeto
Paraopeba)
42
47
10
Figura 3. Foto ilustrativa da instalação da dupla lança de injeção no alto-forno 1.
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A implantação do novo sistema de injeção no alto-forno 1
proporcionou redução de obstrução das linhas de transporte de
carvão pulverizado permitindo uma melhor distribuição do carvão
injetado em cada ventaneira e um melhor fluxo dos gases redutores na carga do alto-forno.
3
40
51 4
6
42
42
9
41
5
30
8
6
7
2.5 Projeto Dupla Lança de Injeção
Este projeto teve origem de um trabalho de P&D(3) desenvolvido pela V&M do Brasil em parceria com a UFOP (Universidade
Federal de Ouro Preto), em que foi constado através de experimentos em laboratório o efeito do contato entre combustível e
comburente na combustão do carvão vegetal pulverizado.
O projeto consistiu na implantação de duas lanças de
injeção em cada 1 das 12 ventaneiras do alto-forno 1 (Figura 3)
com o objetivo de melhorar o contato entre carvão pulverizado
e o ar quente soprado no interior do alto-forno proporcionando
uma melhor combustão do carvão injetado na zona de combustão,
essencial para prática de altas taxas de injeção.
a
2
48
50
42
40
30
20
10
7
0
11
Este projeto foi coordenado pela gerencia de matérias primas
da V&M do Brasil e teve como objetivo fazer um pré-peneiramento
do carvão vegetal antes de ser transportado para a V&M do Brasil
de forma a reduzir o percentual de finos carregado no topo dos
altos-fornos além de uma separação da fração de carvão abaixo de
2 mm na qual esta concentrado o maior teor de contaminantes.
A planta de beneficiamento foi instalada em Paraopeba MG e esta em operação desde novembro de 2006.
1
60
12
58
11
57
1
60
59
50
40
30
b
2
59
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20
10
0
10 59
56
57
9 59
59
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3
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4
5
6
7
Figura 4. Variação horária do tempo de injeção por ventaneira a) antes e b) após a implantação do novo sistema de
injeção no alto-forno 1.
Foi constatado uma melhoria significativa
da distribuição do tempo de injeção por ventaniera
após a implantação do novo sistema de injeção
do alto-forno 1. O tempo médio de injeção por
ventaneira passou de 35 para 58 minutos durante
a hora. Com o maior tempo de injeção durante a
hora obteve-se uma distribuição da temperatura
de chama mais homogênea e por conseqüência
uma melhor distribuição de energia em toda
circunferência do reator.
Com a implantação da moagem 3 foi
possível a produção de carvão pulverizado com
uma melhor qualidade química uma vez que a
nova instalação esta equipada com separador de
contaminantes indesejáveis. O percentual destes
contaminates apresentou redução de 3,25% após
Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo, v. 5, n. 2, p. 105-110, out.-dez. 2008
107
instalação da moagem 3 e redução de 2% devido à melhora na
qualidade da moinha (fração de carvão vegetal < 12 mm) após
início de operação da nova instalação de peneiramento de carvão
em Paraopeba.
O comportamento operacional dos altos-fornos bem como
os resultados de consumo específicos de carvão para a pratica de
altas taxas de injeção de carvão pulverizado foi avaliado durante
o processo de implementação das modificações. Foram gerados
gráficos correlacionando diferentes variáveis para ilustrar as
tendências com a elevação da taxa de injeção. A Figura 5 ilustra
o consumo de carvão de topo com a elevação da injeção para os
altos-fornos 1 e 2.
Através da análise das Figuras 5a e 5b observa-se a tendência
de decréscimo no consumo de carvão carregado pelo topo com a
elevação da taxa de injeção de carvão vegetal pulverizado medida
em kg/t (peso de carvão pulverizado injetado por tonelada de ferro
gusa produzido).
a
700
190
650
170
600
160
150
550
140
500
130
120
450
185-190
175-180
165-170
155-160
140-145
130-135
120-125
110-115
100-105
110
100
CV topo AF1 (kg/t)
Injeção AF1 (kg/t)
180
400
Injeção (Kg/t)
450
40
400
CV topo AF2 (kg/t)
60
155-160
500
145-150
80
135-140
550
125-130
100
115-120
600
105-110
120
95-100
650
85-90
140
75-80
700
65-70
160
50-55
Injeção AF2 (kg/t)
b
Injeção (kg/t)
Taxa de injeção média
Linear (consumo de CV topo)
Consumo de CV topo
Figura 5. Correlação entre a taxa de injeção de carvão pulverizado e o consumo de carvão de topo no a) alto-forno1; e b) alto-forno 2.
108
O coeficiente de correlação linear R2
entre a taxa de injeção e o consumo de carvão
de topo do alto-forno 1 no período de Janeiro
de 2005 à outubro de 2007 foi de –24%, considerado um valor baixo de correlação uma vez
que a variável resposta “consumo de carvão de
topo” é explicada pela variável explicativa “taxa
de injeção de carvão pulverizado” com apenas
24% de confiança. Retirado do banco de dados o
período de operação do alto-forno 1 com obstruções nas linhas de injeção (janeiro à agosto 2005)
a correlação passou a ser de -89% que reflete o
resultado das melhorias implantadas.
No alto-forno 2 para taxas de injeção
de até 160 kg/t a tendência de decréscimo do
consumo de carvão de topo apresentou coeficiente de correlação linear R2 de –90%.
Um dos parâmetros avaliados para a
prática de altas taxas de injeção é a geração
especifica de pó do coletor por tonelada de gusa
produzida. Com o aumento da taxa de injeção,
observou-se uma tendência no aumento da
geração do pó do coletor nos altos-fornos como
ilustrado na Figura 6. Esse aumento pode estar
associado à não combustão do carvão pulverizado
na zona de combustão(4) em que as partículas não
queimadas podem estar sendo arrastadas para o
topo do alto-forno e retiradas no coletor de pó.
A análise da regressão mostrou que a variável
resposta “geração de pó do coletor” é explicada
pela variável explicativa “taxa de injeção de carvão
pulverizado” com nível de confiança de 68% e
80% para os altos-fornos 1 e 2 respectivamente.
A liberação do gás hidrogênio na zona de
combustão bem como o aumento do tempo de
residência da carga metálica no interior do altoforno proporcionam um melhor aproveitamento
dos gases redutores que refletem diretamente no
rendimento gasoso, dado pela divisão da fração
mássica de gás CO pela soma da fração mássica
dos gases CO e CO2 coletadas no topo do altoforno. Pela analise da Figura 7 foi determinado os
coeficientes de correlação R2 concluindo que a variável resposta “rendimento gasoso” é explicado pela
variável explicativa “taxa de injeção” com nível de
confiança de 87% para o alto-forno 1 e 68% para o
alto-forno 2 evidenciando através de dados práticos
um melhor aproveitamento dos gases redutores
com o aumento da taxa de injeção.
Com a melhor distribuição do tempo
médio de injeção por ventaneira, melhor
qualidade granulométrica e química do carvão
vegetal, injeção com dupla lança e conhecimento adquirido com os projetos de pesquisa
e desenvolvimento foi possível elevar a taxa de
injeção média nos altos-fornos da V&M do Brasil
Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo, v. 5, n. 2, p. 105-110, out.-dez. 2008
b
22
19
16
Injeção (kg/t)
Taxa injeção (kg/t)
145-150
140-145
135-140
130-135
115-120
110-115
105-110
13
Geração pó coletor (kg/t)
25
100-105
15
28
90-95
165-170
160-165
155-160
150-155
145-150
140-145
135-140
130-135
125-130
120-125
115-120
18
31
95-100
21
34
85-90
24
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
80-85
27
Injeção AF2 (kg/t)
30
Geração pó coletor (kg/tg)
33
110-115
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
105-110
Injeção AF1 (kg/t)
a
10
Injeção (kg/t)
Linear (geração pó coletor (kg/t))
Taxa de injeção
Geração pó coletor (kg/t)
Linear (taxa de injeção)
Geração pó coletor (kg/t)
Figura 6. Correlação entre a taxa de injeção de carvão pulverizado e a geração de pó no coletor no alto-forno 1 6(a) e alto-forno 2 6(b).
b
49
130
110
48
90
47
Taxa injeção média
Linear (rendimento gasoso)
Rendimento gasoso
155-160
145-150
135-140
125-130
115-120
105-110
Injeção (kg/t)
95-100
50
85-90
70
Rendendimento gasoso AF2
150
75-80
180-185
40
170-175
100
160-165
42
150-155
120
140-145
44
130-135
140
120-125
46
110-115
160
50
65-70
48
Injeção AF2 (kg/t)
180
170
Rendendimento gasoso AF1
50
100-105
Injeção AF1 (kg/t)
a
200
46
Injeção (kg/t)
Taxa de injeção média
Linear (rendimento gasoso)
Rendimento gasoso
Figura 7. Correlação entre a taxa de injeção de carvão pulverizado e o rendimento gasoso no alto-forno 1 7(a) e alto-forno 2 7(b).
em 50 kg/t com conseqüente redução do consumo de carvão de
topo. Os resultados de taxa de injeção e consumo de carvão de
topo média alto-forno 1 e 2 obtidos em cada etapa do projeto
estão ilustradas na Figura 8.
4 CONCLUSÕES
1.Com a implantação de projetos de investimentos e
projetos de pesquisa e desenvolvimento foi possível
aumentar as taxas de injeção nos altos-fornos da V&M do
Brasil com conseqüente redução do consumo de carvão
de topo para taxas de injeção de até 200 kg/t no altoforno 1 e 160 Kg/t no alto-forno 2.
Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo, v. 5, n. 2, p. 105-110, out.-dez. 2008
2.O novo sistema de injeção do
alto-­forno 1 permitiu uma melhor
distribuição do carvão pulverizado
injetado por ventaneira, garantindo um
melhor fluxo de gases e calor no interior do alto-forno.
3.A Moagem 3 permitiu à V&M ser
auto-suficiente na produção de carvão
pulverizado contribuindo também com
a produção de um carvão pulverizado
de melhor qualidade com menor teor
de contaminates.
4.Com o projeto de peneiramento de
carvão em Paraopeba foi possível a utilização de carvão com melhor qualidade
granulométrica e química.
109
2 - Injeção AF1
3 - Moagem 3
CV topo
CV injeção
180
140
120
100
80
60
Taxa de injeção (kg/t)
160
20
out/07
ago/07
jul/07
abr/07
fev/07
dez/06
out/06
ago/06
jul/06
abr/06
dez/05
out/05
ago/05
jun/05
fev/06
Topo
Injeção
200
5 - 2 lanças
4 - Proj. Paraopeba
6- Projeto P&D
abr/05
250
1 - Mudanças
operacionais
fev/05
350
2007
450
126
139
158
625
108
593
115
599
120
543 122
554
132
129
552
525
147
554 122
505
136
502
140
132
553
593
118
564
120
127
546
595
118
579
118
132
522
499
153
499
152
154
492
516
150
507
151
496
158
514
152
527
157
119
576
509
148
463
155
158
459
490
162
162
464
451
168
441
171
175
449
550
558
526
483
Carvão topo (kg/t)
650
2005
750
Figura 8. Evolução da taxa de injeção de carvão pulverizado e consumo de carvão de topo média alto-forno 1 e 2.
5.O projeto de pesquisa e desenvolvimento(3) foi de fundamental importância na aquisição de conhecimento técnico
que auxiliaram nas tomadas de decisão para implantação
de projetos de investimento e na avaliação de processo.
Agradecimentos
Aos funcionários do departamento de produção de ferro
gusa. “Este trabalho não seria possível e não teria seus resultados
alcançados sem o comprometimento de todos os funcionários do
departamento de produção de ferro gusa da V&M do Brasil que
fizeram ser possível”.
Ao Vamberto Ferreira pelo apoio no inicio
do trabalho.
Ao Consultor da V&M do Brasil Ronaldo
Santos Sampaio pelo apoio técnico durante o
projeto.
À gerencia de matérias primas da V&M do
Brasil.
À gerencia de manutenção siderurgia da
V&M do Brasil.
REFERÊNCIAS
1 NOLASCO SOBRINHO, P.J. Comportamento de diferentes materiais injetados através das ventaneiras dos
altos-fornos. 1998. Dissertação (Mestrado em Metalurgia) Rede Temática em Engenharia de Materiais – Escola de
Minas, Ouro Preto, 1998.
2 CUSTÓDIO, B.; BOTELHO, L.; CRUZ, J.G.; VILELA, J.; SAMPAIO, R.S. Estudo termoquímico de trocadores de calor
tipo glendon. In: SEMINÁRIO DE REDUÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO E MATÉRIAS PRIMAS, 37., 2007, Salvador,
BA. Anais... São Paulo: ABM, 2006. p. 241-8.
3 OLIVEIRA, R.P.; ASSIS, P.S.; MANETTA, H.R.; DINIZ, F.E.; COSTA, B.C. Determinação da combustão de carvão
vegetal pulverizado em um simulador de injeção para aumento da taxa de injeção nos altos-fornos da V&M do Brasil.
In: SEMINÁRIO DE REDUÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO E MATÉRIAS PRIMAS, 37, 2007, Salvador, BA. Anais…
São Paulo: ABM, 2007. p. 56
4 ATKINSON, C.J.; WILLMERS, R.R. Blast furnace coal injection studies using a single tuyere raceway investigation rig.
In: FUEL PROCESSING TECHNOLOGY CONGRESS, 24, 1990. Amsterdam: Elsevier, 1990. p. 107-15.
Recebido em: 14/12/07
Aceito em: 31/10/08
Proveniente de: SEMINÁRIO DE BALANÇOS ENERGÉTICOS GLOBAIS E UTILIDADES, 28., 2007, Vitória, ES. São
Paulo: ABM, 2007.
110
Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo, v. 5, n. 2, p. 105-110, out.-dez. 2008