Panorama do Setor Siderúrgico
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Estudo Prospectivo
do Setor Siderúrgico
NT USO DE CARVÃO VEGETAL EM
MINI ALTOS-FORNOS
Ronaldo Santos Sampaio/
RSConsultants LTDA
1
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
Presidenta
Lucia Carvalho Pinto de Melo
Diretor Executivo
Marcio de Miranda Santos
Diretores
Antonio Carlos Figueira Galvão
Fernando Cosme Rizzo Assunção
Projeto Gráfico
Equipe Design CGEE
Estudo Prospectivo do Setor Siderúrgico: 2008. Brasília: Centro de Gestão
e
Prospectivo
para Energia Fotovoltaica: 2008. Brasília: Centro de Gestão e Estudos
EstudosEstudo
Estratégicos,
2008
Estratégicos,
Ano
15
p : il.
200 p : il. ; 21 cm.
1. Carvão Mineral – Brasil. 2. Mine Altos-Fornos – Brasil. I. Centro de Gestão e
1.
EnergiaEstratégicos.
– Brasil. 2. Energia
Solar - Brasil. I. Título. II. Centro de Gestão e
Estudos
II. Título.
Estudos Estratégicos.
Centro de Gestão e Estudos Estratégicos
SCN Qd 2, Bl. A, Ed. Corporate Financial Center sala 1102
70712-900, Brasília, DF
Telefone: (61) 3424.9600
Http://www.cgee.org.br
Este documento é parte integrante do Estudo Prospectivo do Setor Siderúrgico com amparo na Ação 51.4 (Tecnologias
Críticas em Setores Econômicos Estratégicos) e Subação 51.4.1 (Tecnologias Críticas em Setores Econômicos
Estratégicos) pelo Contrato de Gestão do CGEE/MCT/2008.
Todos os direitos reservados pelo Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE). Os textos contidos nesta publicação
poderão ser reproduzidos, armazenados ou transmitidos, desde que citada a fonte.
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Estudo Prospectivo do
Setor Siderúrgico
Supervisão
Fernando Cosme Rizzo Assunção, Diretor CGEE
Horacídio Leal Barbosa Filho, Diretor Executivo da ABM
Equipe, CGEE
Elyas Ferreira de Medeiros, Coordenador
Bernardo Godoy de Castro, Assistente
Consultor, CGEE
Marcelo de Matos, De Matos Consultoria
Equipe, ABM
Gilberto Luz Pereira, Coordenador
Ana Cristina de Assis, Assistente
Comitê de Coordenação do Estudo
ABDI, ABM, Aços Villares, Arcelor Mittal
BNDES
CGEE, CSN
FINEP, Gerdau
IBRAM, IBS
MDIC, MME
Samarco
Usiminas
Valourec-Mannesmann, Villares Metals, Votorantim
Comitê Executivo do Estudo
Elyas Ferreira de Medeiros, CGEE
Gilberto Luz Pereira, ABM
Horacídio Leal Barbosa Filho, ABM
Lélio Fellows Filho, CGEE
Revisão
Elyas Ferreira de Medeiros
Maria Beatriz Pereira Mangas
Endereços
CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS ESTRATÉGICOS (CGEE)
SCN Quadra 2, Bloco A - Edifício Corporate Financial Center, Salas 1102/1103
70712-900 - Brasília, DF
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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE METALURGIA E MATERIAIS (ABM)
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04605-030 – São Paulo, SP
Tel.: (11) 5534-4333 Fax: (11) 5534-4330
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URL: http://www.abmbrasil.com.br
3
SUMÁRIO
Capítulo 1
A produção do ferro gusa (e aços) a partir do carvão
5
Capítulo 2
O valor da unidade de ferro
6
Capítulo 3
. O valor do combustível-redutor
6
Capítulo 4
. Análise do setor
8
(4.1)
Retrospectiva
8
(4.2)
Situação atual
8
Possibilidades para ganhos integrados
9
vegetal
Capítulo 5
Conclusão
12
Referências Bibliográficas
14
4
Capítulo 1. A PRODUÇÃO DO FERRO GUSA (E AÇOS) A PARTIR DO CARVÃO
VEGETAL
A tecnologia de redução de minérios de ferro e seus aglomerados em altos-fornos a
coque é avançada e otimizada. Os seus desenvolvimentos, na atualidade, são
incrementais, não passando de 1% de ano para ano. Mesmo assim, a mesma não
tem competidores a altura e responde por 96% de todo o ferro primário produzido
no mundo. Neste cenário, os altos-fornos a carvão vegetal representam apenas 1%
da produção de ferro gusa no mundo e 1/3 da produção brasileira.
O estado da arte da tecnologia de uso dos combustíveis-redutores fósseis é
magnífico, não havendo muito espaço para ganhos adicionais de eficiência
superiores a 10% dos níveis atuais. O que está acontecendo, em alguns casos
recentes, são mudanças a montante na produção coque, passando das tradicionais
coquerias: carvão coqueificável = coque + carboquímicos + gás de coqueria, para
apenas carvão coqueificavel = coque + eletricidade. É uma relação de preços dos
insumos químicos e energéticos regionais que está favorecendo as coquerias não
recuperadoras e cogeradoras.
Os fósseis são commodities importadas. Assim, os fretes marítimos, a variação
cambial e os custos de internação criam os diferenciais de custo entre as
siderúrgicas do Brasil e suas competidoras no mercado mundial. Um país como a
Ucrânia ou a Austrália que têm o carvão e o minério em quantidades apreciáveis,
estão com potencial competitivo superior ao do Brasil quando se olha para estes
dois insumos vitais da competitividade da siderurgia mundial (outros como Canadá,
África do Sul, Rússia são competidores de peso). Energias alternativas fósseis como
coque de petróleo, gás natural e termoeletricidade (siderúrgicas co-gerando para
venda de eletricidade ao mercado) poderão modificar um pouco este quadro a favor
do Brasil.
Podemos assumir, com muita confiança, que o diferencial de custos operacionais da
produção do ferro gusa (e por conseqüência do aço em usinas integradas) depende
praticamente dos preços das unidades de ferro e de carbono utilizadas em sua
produção e de seus consumos específicos. Esta é uma situação do momento
histórico pelo qual passamos, resultado da expressiva elevação do valor dos
insumos básicos minério de ferro e carvão mineral, resultado da crescente elevação
da renda per capta dos habitantes do planeta Terra, China em especial.
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Capítulo 2. O VALOR DA UNIDADE DE FERRO
A dolarização e a globalização dos preços internos dos minérios de ferro reduziram
a competitividade da siderurgia brasileira. O valor dos fretes para se chegar aos
mercados internacionais passou a ser o único diferencial, além da excelente
qualidade de nossos minérios, forçando as usinas integradas a fazerem pesados
investimentos a montante em direção ao minério no Brasil e ao carvão no exterior.
•
Preço unidade de finos de minérios em Vitória - 2008: 1,341 US$/%Fe = US$
87,16/t 65% Fe.
•
Preço pelotas em Vitória: 2,2020 US$/%Fe -2008 = US$ 143.13 US$/t 65%
Fe.
A diferença entre finos e pelota, de US$ 55.97, é diminuída pelo uso do sínter da
pelota produzida em casa (In-House-Pellet) ou uso de Hematitinhas, possível nos
Mini-Altos-Fornos e não recomendada para os grandes AFs a coque. No Brasil só
agora se inicia o interesse por pelotizações dentro das siderúrgicas.
Assim, as integradas que não possuem suas minas de Fe só conseguem diferencial
competitivo no quesito unidades de ferro, com uso do sínter e também por estarem
nas proximidades das minas (ganho no frete). O setor guseiro, siderurgia a carvão
vegetal, tem as hematitinhas e a proximidade das minas como pontos favoráveis ao
custo das unidades de ferro além do carvão vegetal.
Capítulo 3. O VALOR DO COMBUSTÍVEL-REDUTOR
O combustível-redutor tem um potencial maior de diferenciação em face das várias
alternativas possíveis. No entanto, para o caso brasileiro, podemos definir três tipos
de fontes de carbono:
a) Carvão mineral para coque (topo AFs)
b) Carvão mineral para injeção
c) Carvão vegetal para topo e injeção.
Assim, neste quesito vital de competitividade, o carvão vegetal tem que ser mais
atraente em preço que os seus equivalentes fósseis e, mais do que antes, o carvão
vegetal
precisa
criar um diferencial
maior para compensar as perdas de
competitividade que existia com os minérios.
A compreensão dos fundamentos da redução de minérios em altos-fornos a carvão
vegetal, MBF, tem sido emprestada e emulada e, pelo que se sabe, estudada para
os reatores que utilizam o coque. Muito pouco conhecimento e estudo científico,
6
balizado em experimentos e medições, tem sido realizado com o carvão vegetal. O
professor Rubens Correia da Silveira foi o grande expoente desta fase de
experimentação nas décadas de 70 e 80 e, de lá para cá, muito pouco ou quase
nada experimental aconteceu. O conhecimento não se adentrou no necessário para
a compreensão do carvão vegetal, combustível redutor com quantidades de voláteis
da ordem existente nos carvões minerais e não no coque metalúrgico. Assim todo o
conhecimento, equipamentos, tecnologias e procura de compreensão do processo
de alto-forno a carvão vegetal é uma simples emulação daquele desenvolvido para
o coque metalúrgico.
Logo, a matéria prima, o carvão vegetal, com propriedades físicas, químicas e
geométricas bem diferentes do coque, continua um desconhecido e os tabus e
paralelos com o coque são feitos a torto e a direita. Aqueles que desejam ter o
mesmo nível de conhecimento do coque e suas funções no alto-forno para o carvão
vegetal,
que
tenham
muita
paciência
e
procurem
gerar
muitos
estudos
experimentais ao longo dos próximos 10 anos, como aconteceu com o coque nos
últimos 150 anos.
Para aqueles que querem ganhar tempo é melhor assumir que o carvão vegetal vai
terminar sua coqueificação no interior dos altos-fornos, AFs, liberando boa parte da
energia dos voláteis pelos gases do topo. Portanto, este gás precisa ser utilizado
para pagamento desta energia adicional com co-geração de eletricidade, por
exemplo. Assim, estamos otimizando o uso da energia original da madeira.
O reator de alto-forno é um processo de leito poroso obtido pelos granulados
componentes da carga (redutor e minérios), onde gases quentes e com energia
química são gerados nas partes inferiores pela gaseificação do carvão com ar préaquecido e outros combustíveis auxiliares. O gás combustível e quente sobe através
dos poros, transferindo energia térmica e promovendo reações químicas onde
prevalece a redução dos óxidos de ferro a ferro metálico e sua fusão, formando a
liga ferro carbono denominada de ferro gusa. O material com capacidade de atuar
como meio poroso, em toda a extensão do reator, é o carbono presente nos grãos
do combustível redutor sólido, carvão vegetal e/ou coque.
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Capítulo 4. ANÁLISE DO SETOR
4.1 RETROSPECTIVA
A imagem do setor era ligada aos aspectos negativos existentes na atividade, como
o uso de carvão vegetal de florestas nativas, baixo nível de controle ambiental,
ciclo de produção intermitente, etc. O setor sempre teve dois grupos distintos: os
produtores de ferro gusa para fundição e os produtores de ferro gusa para aciaria.
O mercado de commodities do gusa para aciaria, com seus períodos freqüentes de
altas e baixas, sempre forçou a existência do efeito “vagalume” no setor. Os fornos
são ligados quando o mercado está atraente e desligados quando não. Esta é a
principal razão pela inexistência de plantios florestais por boa parte do setor.
O carvão comprado do mercado spot base metro-de-carvão, mdc, não dava valor
aos finos gerados no peneiramento, sendo este “resíduo” vendido para as
cimenteiras. Os investimentos em sistemas de injeção de finos ainda eram da
mesma ordem dos investimentos nos altos-fornos dificultando ainda mais o uso
desta tecnologia.
Os altos-fornos a carvão vegetal eram de pequena capacidade: 50 a 250 ton. de
gusa/dia de produção, com custo de investimento ao alcance de empreendedores
de pequeno e médio porte e o consumo bruto de carvão vegetal médio do setor
ficava na casa de 850 kg/ton gusa.
A tecnologia de redução era e continua sendo simples e dominada com engenharia
e detalhes de domínio públicos.
4.2 SITUAÇÃO ATUAL
O Brasil tem hoje dois grandes centros de produção de ferro gusa a carvão vegetal
e três outros que dão sinais claros de crescimento. O Sistema Norte, onde o ferro
gusa é dedicado ao mercado de ferro primário para aciarias e o Sistema Sul, que
convive com o gusa de aciaria, o gusa nodular, o gusa de fundição e o gusa líquido
nas aciarias integradas. O Sistema Sul é mais desenvolvido em termos de formação
técnica, gerenciamento produtivo e controle ambiental em relação ao sistema
norte, no qual a deficiência de florestas próprias é maior. Os novos centros em
crescimento se situam no Mato Grosso do Sul e em Pernambuco e Bahia.
Várias siderúrgicas ainda utilizam o "metro-de-carvão" como unidade para a
compra e uso do carvão vegetal. Hoje já se utiliza o peso do CV enfornado, mas
não se sabe o seu conteúdo de energia e, portanto, as reais eficiências energéticas.
Essas inconsistências continuam dificultando os investimentos necessários em
sistemas de injeção de finos e na co-geração da energia desperdiçada pelos gases
do topo dos altos-fornos.
8
Os altos-fornos a carvão vegetal aumentaram sua capacidade para 300 a 700 ton.
de gusa/dia de produção. Entre as pequenas e médias empresas siderúrgicas
independentes, ainda há muitas empresas sem florestas próprias e umas poucas
com 100% de suprimento próprio.
A tecnologia de mini altos-fornos, MBF, em boa parte emula as desenvolvidas para
os grandes altos-fornos a coque. No entanto, muito ainda precisa ser estudado e
conhecido sobre o carvão vegetal, material bem diferente do coque. Ainda são
enormes as necessidades de aumento da eficiência das siderúrgicas independentes
a CV. O poder calorífico dos gases de exaustão dos MBFs é, em média, 15%
superior ao dos fornos a coque devido à liberação dos voláteis do CV ainda a baixas
temperaturas.
As
tecnologias
existentes
de
melhorias
do
processo,
como
tratamento térmico dos minérios, injeção de finos, uso de aglomerados (sinter,
pelota, bloquetes), um rigoroso e permanente controle do carregamento dos
componentes da carga de topo, ainda estão longe de atingir números de
performances similares aos da siderurgia a coque.
Capítulo 5. POSSIBILIDADES PARA GANHOS INTEGRADOS
Para que a ordem de relevância possa ainda ser melhor visualizada, a Tabela 1
mostra um exemplo ilustrando a média percebida do cenário atual (Ronaldo
Sampaio
–
visão
do
especialista
sem
comprovação
estatística
disponível),
denominado de cenário referência, onde a produtividade de florestas de eucalipto é
assumida como sendo de 14 toneladas de madeira seca por hectare/ano (madeira
com 540 kg/m3) e seu crescimento para os atuais 20 t m.s/(ha*ano) dos novos
plantios em MG; o rendimento da conversão de madeira em carvão vegetal (75%
carbono fixo) de 27% e sua melhoria para 37%; a inserção da conhecida tecnologia
de injeção de finos apenas para zerar finos gerados no beneficiamento do carvão e
redução das necessidades de carregamento de granulado pelo topo dos altos-fornos
nas siderúrgicas (assumidos como 17% do total para as usinas não integradas
neste exemplo, e da ordem de 29% para as integradas) e finalmente a melhoria do
“fuel rate” nos altos-fornos.
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Tabela 1- Exemplo simplificado do potencial de redução do custo operacional com melhorias nos índices de produtividade
florestal, rendimento gravimétrico na carbonização e melhoria de eficiência e performance nos altos-fornos a carvão vegetal.
ITENS RELEVANTES
REFERENCIA
PROD. FL.14 para 20
R. Gravim. 27 p37
INJ. FINOS 0-P 106
RED. FUEL RATE
Custo da madeira em pé
17.5
13.0
11.5
11.5
11.5
Custo da colheita da madeira
21.1
22.2
19.8
19.8
19.8
Custo do baldeio e transporte
29.5
31.1
27.7
27.7
27.7
Custo da carbonização
18.8
19.8
24.1
24.1
24.1
Custo do transporte de CV
11.3
11.9
14.5
14.5
14.5
Custo do beneficiamento CV
1.9
2.0
2.4
2.4
2.4
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
27
27
37
37
37
Produtividade florestal
14.0
20.0
20.0
20.0
20.0
Consumo bruto de CV
Consumo de CV enfornado (FR)
Finos de CV gerados
Perdas de CV
Valor do custo do carvão vegetal, % referencia
Tamanho da floresta necessária, %
Redução no custo operacional por etapa, %
808.0
640.0
136.0
32.0
100.0
100.0
0
808.0
640.0
136.0
32.0
94.7
70.0
-5.3
808.0
640.0
136.0
32.0
77.8
51.1
-17.0
631.3
606.3
106.3
25.0
60.8
39.9
-17.0
577.2
562.0
162.9
14.3
55.5
36.5
-5.2
Rendimento gravimétrico
10
A Tabela 1 mostra que, ao contrário dos fósseis, o estado da arte das tecnologias
de conversão de biomassa em carvão ainda é primitivo e, por isso, com potencial
de ganhos de eficiência e econômicos de várias orde
ns aos seus equivalentes
fósseis ainda a serem ainda auferidos. Os ganhos em redução dos custos
operacionais podem chegar até a 56 % dos valores médios atualmente praticados.
Tais ganhos integrados são acompanhados de redução do tamanho necessário de
floresta plantada, que pode chegar a perto de 40 % em relação à média das
florestas existentes. Aqui é importante ressaltar que novas florestas que estão
sendo plantadas pelo setor já possuem esta vantagem de 20 toneladas de madeira
seca / (hectare*ano).
11
CONCLUSÃO
Assuntos e metas relevantes na produção do ferro gusa nos mini altos-fornos:
a) Fomentar e viabilizar a adoção permanente do sistema internacional de
unidades com o uso do peso seco de madeira e de carvão vegetal produzido
dentro de critérios referência de qualidade para o carvão e para as madeiras.
b) Atuar em legislações estaduais e federais que incentivem a agregação de
valor aos recursos naturais como é a produção de ferro gusa e aços a partir dos
minérios no Brasil. O vetor suprimento de carvão vegetal pode vir a ser
reforçado com suprimento de madeira de produtores independentes fomentados
pelos órgãos públicos de financiamento ao desenvolvimento de pequenos e
médios empresários do campo. Assim, as regras legais precisam melhor incluir
também o produtor independente de madeira e carvão vegetal de florestas
plantadas.
c) Racionalizar e otimizar o uso dos recursos naturais hoje desperdiçados por
boa parte dos atores do setor independente de produção de CV (carvão vegetal).
Assim, o aproveitamento dos gases de exaustão dos altos-fornos independentes
precisam ter destino na co-geração, em especial, por ter comprovada tecnologia
e atratividade, assim como a injeção de finos pelas ventaneiras dos AFs. Estas
medidas forçam a perenização e reduzem custos operacionais e demanda
externa de eletricidade é eliminada com sobras para venda. As escórias de MBFs
precisam ser co-processadas a cimento por grupos empresariais fora do
oligopsonio vigente da indústria do cimento.
d) Viabilizar a agregação de valor ao ferro gusa como o fomento a produção de
aço por micro-aciarias, produzindo aços especiais para não complicar o cenário
macro econômico e altamente competitivo das grandes siderúrgicas nacionais.
e) Criar formas para a contínua formação e treinamento de mão-de-obra
especializada na operação e controle dos altos-fornos a carvão vegetal. Os
treinamentos devem partir de equipes aprovadas por especialistas reconhecidos
dentro dos métodos desenvolvidos e específicos para o setor e por ele
aprovados.
f) O suprimento de minérios granulados in natura está no fim (tanto em MG
quanto no Norte, segundo analistas): viabilizar, fomentar e inserir tecnologias de
aglomeração de minérios para atender o setor. Seja por consórcio de empresas
na produção de grandes volumes em uma pelotização central, ou o uso de
tecnologias mine para aglomeração de finos, tanto a quente como a frio.
12
g) O carvão vegetal de plantios florestais tem o formato com predominância
cilíndrica e propriedades químicas ainda com grandes variações. Torna-se
necessário, para melhores resultados nos MBFs, desenvolver e incentiva a
produção de CV no formato mais granular, seja no processo de carbonização ou
seu posterior beneficiamento.
h) Os resíduos da siderúrgica a CV podem ser (todos eles) reciclados dentro do
sistema integrado floresta até siderúrgica. Criar formas de se atingir esta meta é
uma necessidade para o Ecossistema de Manufatura e, portanto, assunto
relevante.
i)
As formas tradicionais e bem conhecidas de melhorias da produtividade, da
qualidade e do consumo específico de energia precisam encontrar espaço para
atingir a todas as empresas. Um dos entraves é a disponibilidade de oxigênio
para enriquecimento do ar se sopro nos MBFs. Trazer de fora novos
fornecedores de O2 ou viabilizar a produção de O2 em PSAs de pequeno e médio
porte deve ser motivo de estudo.
j) Otimização da carga metálica:
1. Definição da relação granulado/sinter/ pelota.
2. Definição/caracterização dos componentes da carga metálica.
k) Otimização da carga redutora:
1. Proporção do CV de topo vs finos injetados;
2. Qualidades do CV granulado e do CV fino injetado.
l)
Controle de fluxo gasoso:
1. Distribuição de carga;
2. Segregação granulométrica;
3. Utilização de finos.
m) Drenagem do cadinho definindo parâmetros de controle; metodologia de
vazamento e fazendo controle de temperatura de soleira.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Azevedo, Flávio; Siderurgia e os desafios do desenvolvimento sustentável;
I ENCONTRO NACIONAL DA SIDERURGIA, IBS, 2008.
(2) SILVEIRA, R. C. et. Alii. Contribuição ao escoamento gasoso no Alto-forno.
Metalurgia, Vol. 30 – No. 199, junho 1974.
(3) MAGALHÃES NETO; J.L. Siderurgia a Carvão Vegetal no Brasil. Integração
Floresta-Indústria. IN: SEMINÁRIO SIDERURGIA A CARVÃO VEGETAL. Ouro
Preto, 1981, 17p.
14