IMPLANTAÇÃO DE PERFURATRIZ HIDRÁULICA
NO ALTO FORNO 2 DA CST-ARCELOR BRASIL
Leonardo da Cunha Andrade (1)
Márcio Azevedo de Oliveira (2)
Paulo Roberto M. Junior (3)
Diego Rodrigues Freire (4)
Célio Geraldo Ferreira (5)
Carlos Braz Cola Neto (6)
Gisele M. B. de Bortoli (7)
Pedro Paulo Zattoni (8)
Resumo
A operação de abertura de Furo de Gusa é considerada como uma das mais
importantes operações de um Alto Forno, sendo fundamental para a
estabilidade operacional da planta.
A criticidade da Perfuratriz no processo produtivo exige deste equipamento um
elevado índice de disponibilidade, não havendo espaço para falhas.
Objetivando o aumento da disponibilidade do equipamento, menores custos de
manutenção e operação, melhor controle do processo de perfuração e maior
qualidade do furo de gusa, desenvolveu-se a substituição das Perfuratrizes
Pneumáticas (originais de projeto) por Perfuratrizes Hidráulicas.
Aliada às alterações mecânicas no equipamento, foi realizada também a
atualização tecnológica do sistema de controle e acionamento, baseado em
Controladores Lógico Programáveis e Sistema Supervisório. A implantação
destas novas funcionalidades permite um melhor diagnóstico de falhas, além
de maior suporte a operação e manutenção, uma vez que estes possibilitam
um maior acompanhamento preditivo de todo o sistema.
O presente trabalho tem como objetivo mostrar as funcionalidades do sistema
implantado, bem como os resultados da implantação de uma perfuratriz
hidráulica em substituição às perfuratrizes com acionamentos pneumáticos,
representando importante ferramenta na busca de estabilidade operacional e
redução de custos no processo de perfuração dos Furos de Gusa do Alto Forno
2 da CST.
PALAVRAS CHAVE: ALTO FORNO, PERFURATRIZ HIDRÁULICA, FURO DE GUSA
(1) Engenheiro Especialista de Manutenção Mecânica de Altos Fornos – CST - Arcelor Brasil
(2) Engenheiro Especialista de Altos Fornos - CST - Arcelor Brasil
(3) Técnico de Predição e Inspeção de Controle de Processos de AFs - CST - Arcelor Brasil
(4) Técnico de Predição e Inspeção Mecânica de Altos Fornos - CST - Arcelor Brasil
(5) Engenheiro Especialista de Engenharia Elétrica e Eletrônica - CST - Arcelor Brasil
(6) Engenheiro Especialista de Manut. de Controle de Processos de AFs – CST - Arcelor Brasil
(7) Engenheiro Especialista de Engenharia Mecânica - CST - Arcelor Brasil
(8) Engenheiro Coord. de Projetos Investimentos Área de Gusa e Utilidades -CST-Arcelor Brasil
1- INTRODUÇÃO
A operação de abertura de Furo de Gusa é considerada como uma das mais
importantes operações de um Alto Forno, sendo fundamental para a
estabilidade operacional da planta.
A criticidade da Perfuratriz no processo produtivo exige deste equipamento um
elevado índice de disponibilidade, não havendo espaço para falhas.
Uma importante evolução do processo de perfuração se deu com o início do
uso de brocas refrigeradas, para a abertura dos furos de gusa, em substituição
às “barras batidas”, em meados de 2000. Houve uma evolução sob o aspecto
de segurança operacional, meio ambiente, qualidade do furo de gusa e
estabilidade operacional.
Objetivando o aumento da disponibilidade do equipamento, menores custos de
manutenção e operação, melhor controle do processo de perfuração e maior
qualidade do furo de gusa, desenvolveu-se a substituição das Perfuratrizes
Pneumáticas (originais de projeto) por Perfuratrizes Hidráulicas.
2- DESENVOLVIMENTO
2.1 - PROCESSO DE ABERTURA DO FURO DE GUSA
Para uma melhor eficiência na operação de abertura dos Furos de Gusa, é
importante a adequada combinação das variáveis de perfuração abaixo
relacionadas:
a)
b)
c)
d)
Tipo de broca e refrigeração usadas;
Velocidade (rpm) e força de giro da broca;
Velocidade (m/min) e força de avanço da broca;
Freqüência e Amplitude do martelo de impacto;
Uma perfuração com “BOA QUALIDADE” pode ser medida através dos
seguintes pontos:
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Ausência de trincas no interior dos Furos de Gusa;
Estabilidade do comprimento dos Furos de Gusa;
O diâmetro final do FG seja o mesmo da broca escolhida;
Consumo de apenas 1 ferramenta / abertura do FG, sem necessidade
de uso de barras ou tubos de O2;
Rapidez na abertura do FG;
Bom esgotamento do cadinho;
Causar o menor impacto possível, na região do Furo de Gusa, durante a
sua abertura;
Manter estável o cogumelo (proteção interna do cadinho);
Menor variação no comprimento dos Furos de Gusa entre cada corrida;
Menor consumo de massa de tamponamento;
Disponibilidade eletro-mecânica, dentre outros tópicos.
Na Figura 1 são representadas duas condições diferentes de abertura do Furo
de Gusa.
A
B
Figura 1 - Situações de trabalho das brocas, durante a abertura dos FGs
Situação A: Através de uma adequada combinação das variáveis de
perfuração pode-se facilmente obter uma superfície interna do furo de gusa
isenta de trincas.
Situação B: A combinação das variáveis de perfuração exerce um trabalho
mais “agressivo”, podendo facilmente promover trincas internas.
2.2 - PERFURATRIZ HIDRÁULICA
A tecnologia de perfuração usando perfuratrizes hidráulicas é baseada na
substituição dos acionamentos pneumáticos por acionamentos hidráulicos dos
principais componentes como Giro da Ferramenta, Martelo de Impacto, Martelo
de Reverso e Motor de Avanço/Retorno por componentes de acionamentos
hidráulicos.
Resultados Esperados:
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Maior disponibilidade operacional e menor custo de manutenção;
Maior flexibilidade operacional dos recursos do equipamento;
Possibilidade de automação da operação;
Redução do nível de ruído;
Redução da variabilidade operacional - repetibilidade dos resultados;
Aumento da vida útil do cadinho
Maior torque;
Maior freqüência e menor amplitude dos impactos;
Menor ocorrência de trincas;
Redução do consumo de ferramentas;
O uso de perfuratrizes hidráulicas, em substituição às pneumáticas, resulta
como um importante recurso na busca do aumento da disponibilidade do
equipamento, redução da variabilidade operacional e garantia da repetibilidade
de resultados.
2.2.1 - DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO
Na Figura 2 são apresentados a foto e o desenho esquemático da perfuratriz
hidráulica, instalada no Alto Forno 2 da CST-Arcelor Brasil.
Principais Componentes
Martelo de Impacto
Hidráulico
Motor de Giro
Hidráulico
Martelo
Reverso
Hidráulico
Alojamento do
Mandril
Mandril
Figura 2 - Foto e Desenho Esquemático da Perfuratriz Hidráulica
Os principais sistemas de uma perfuratriz hidráulica são:
- Avanço/recuo do Carro: Utilizado para avançar ou recuar a broca durante o
processo de perfuração
- Motor de Giro: Este sistema realiza o giro da broca para execução da
perfuração do furo de gusa em conjunto com o martelo de impacto e o avanço
da broca.
- Martelo de Impacto: É utilizado para executar a perfuração, trabalhando em
conjunto com o giro e avanço da broca. Caso se encontre algum obstáculo
mais resistente durante a utilização do giro/avanço, o martelo de impacto entra
em operação para facilitar a penetração da broca.
- Martelo Reverso: É utilizado durante a retirada da broca, caso a utilização do
giro e recuo da broca são sejam suficientes para retirá-la devido à presença de
algum obstáculo mais resitente.
Na Tabela 1 são apresentados os dados comparativos entre a Perfuratriz
Hidráulica e a Perfuratriz Pneumática, instaladas no AF-2.
Torque Giro
Velocidade de Giro
Martelo de Impacto
Energia de Impacto
Amplitude martelo (Piston Stroke)
Martelo de Reverso
Energia de Impacto
Nível de Ruído
*ipm - Impactos por minuto
Perfurador Hidráulico
680 Nm
300 rpm
3.000 ipm
330 Nm
30 mm
3.000 ipm
300 Nm
96,3 db
Perfurador Pneumático
250 Nm
150 rpm
1.800 ipm
350 Nm
105 mm
1.600 ipm
255 Nm
107,8 db
Tabela 1 - Comparativo Perfuratriz Hidráulica x Perfuratriz Pneumática
- Centralizador: É responsável pela centralização da broca em relação ao furo
de gusa. Este sistema, instalado com a implantação da perfuratriz hidráulica,
contribui para a redução da variabilidade do processo de abertura do furo de
gusa uma vez que limita os movimentos indesejáveis da broca, resultando em
um furo com melhor qualidade.
Foto 1 – Detalhe do centralizador aberto
Foto 2
fechado
-
Detalhe
do
centralizador
2.2.2 - CARACTERÍSTICAS DA PERFURATRIZ HIDRÁULICA
2.2.2.1 - FREQÜÊNCIA E AMPLITUDE DO MARTELO
Com o desenvolvimento dos diferentes tipos de massas de tamponamento,
uma tendência é o uso de massas cada vez mais duras e dessa forma, muitas
vezes só o giro e uma boa broca são insuficientes para o corte da massa,
havendo assim a necessidade do uso da marreta do perfurador.
A freqüência e amplitude da marreta são itens importantes a serem
observados, sendo os responsáveis por:
•
•
•
•
Velocidade de abertura;
Qualidade do FG;
Ocorrência de trincas;
Estabilidade do cogumelo
A maior freqüência e menor amplitude do martelo na perfuratriz hidráulica,
comparativamente com a pneumática, fazem com que os parâmetros acima
descritos se verifiquem superiores quando se opera com a primeira.
2.2.2.2 - VELOCIDADE E TORQUE DE GIRO
A velocidade de giro da perfuratriz hidráulica é praticamente o dobro da
velocidade de giro da perfuratriz pneumática. Devido ao seu elevado torque, a
velocidade de giro da broca permanece praticamente constante durante a
operação e isto nem sempre acontece durante a operação com as perfuratrizes
pneumáticas.
A elevada velocidade de giro muitas vezes é suficiente para a abertura do FG,
evitando dessa forma o uso da marreta, o que reduz o potencial de ocorrência
de trincas.
2.2.2.3 - REFRIGERAÇÃO DA BROCA
Um dos pontos de destaque da perfuratriz hidráulica é o seu sistema de
refrigeração de ferramentas, onde o refrigerante (uma mistura de N2 e H2O) é
alimentado pelo lado externo do mandril, sem a necessidade de passagem pelo
interior da haste longa.
No sistema anterior, utilizado na perfuratriz pneumática, a passagem do
refrigerante pelo interior da haste longa geralmente fragilizava esta peça,
diminuindo a sua vida útil.
Com o novo sistema de refrigeração, além de uma menor ocorrência de falha
no equipamento, não há perda de refrigerante pelo corpo da perfuratriz. Como
conseqüência, tem-se uma melhor refrigeração da broca, garantindo, assim,
uma maior integridade e eficiência da mesma durante o seu uso.
Nas Fotos 3 a 8 são mostrados o sistema de refrigeração da perfuratriz
hidráulica, o tipo de broca utilizada e um comparativo entre os pontos de
encaixe da broca no mandril dos perfuradores e a pulverização da mistura
refrigerante.
Foto 3 - Sistema de refrigeração perfurador
hidráulico
Foto 5 - Detalhe dos orifícios
refrigeração da broca utilizada
de
Foto 4 - Detalhe do mandril de encaixe da
broca no perfurador pneumático
Foto 6 - Detalhe da pulverização da mistura
refrigerante
na
ponta
da
broca
(Pneumático)
Foto 7 - Detalhe do mandril de encaixe da
broca no perfurador hidráulico
Foto 8 - Detalhe da pulverização da mistura
refrigerante na ponta da broca (Hidráulico)
2.2.3 – UNIDADE HIDRÁULICA
Para tornar possível a operação das perfuratrizes hidráulicas, foi instalada uma nova
unidade hidráulica com a função de fornecer o óleo para os sistemas hidráulicos a
serem movimentados.
A nova unidade hidráulica é composta por 3 bombas, acionadas por motores
elétricos, 1 tanque de óleo e 5 filtros de óleo. Durante o processo de perfuração, 2
bombas operam e 1 permanece em stand-by, ocorrendo automaticamente o
revezamento entre as 3 de forma a garantir o funcionamento adequado de todo o
sistema. Esta sistemática garante ao processo uma maior segurança operacional e
confiabilidade do equipamento.
Foto 9 – Nova unidade hidráulica instalada
Caso o sistema da perfuratriz esteja selecionado em modo automático, a unidade
hidráulica será acionada de acordo com a seqüência automática. Caso esteja em
modo manual, a unidade hidráulica será acionada, automaticamente, assim que
algum comando for efetuado pelo operador via rádio ou mesa de comando.
2.2.4 – SISTEMA DE CONTROLE E ACIONAMENTO
Seguindo o avanço das alterações mecânicas no equipamento, foi realizada também
a atualização tecnológica do sistema de controle e acionamento. As modificações
basearam-se, principalmente, na implantação de novo Controlador Lógico
Programável (CLP), em substituição ao sistema de controle existente, e de Sistema
Supervisório, não existente no sistema anterior. Um novo CCM também foi
implementado, a fim de acionar as novas bombas da nova Unidade Hidráulica
instalada. Este novo CCM, alimentado pelo Sistema de Emergência do Alto-Forno,
garante acionamento dos equipamentos, mesmo em situações de falta de energia.
Figura 3 – Arquitetura do Sistema de Controle
Figura 4 – Telas do Sistema Supervisório
A implantação de novo sistema de controle e acionamento, aliado às características
da Perfuratriz Hidráulica implantada, possibilitam, alem da operação em Modo
Manual, o desenvolvimento de um novo sistema de Perfuração em Modo
Automático. Esta nova modalidade de operação permitirá o registro,
acompanhamento e adoção das melhores práticas de perfuração do Furo de Gusa.
Deve ser ressaltada a iniciativa inédita desse automatismo para esta atividade, no
âmbito de perfuração em Altos-Fornos.
Foto 10 – Nova Unidade Hidráulica com dispositivos de monitoração e acionamento instalados
A implantação das novas funcionalidades permite assim um melhor diagnóstico de
falhas, além de maior suporte à Operação e Manutenções, possibilitando um
monitoramento contínuo de variáveis relevantes e acompanhamento preditivo mais
eficaz de todo sistema. Fornece também ferramentas de automação, que permitem
perseguir as metas de maior controle e repetibilidade do processo de perfuração.
3 - RESULTADOS
A implantação da perfuratriz hidráulica gerou um resultado bastante positivo no que
tange a disponibilidade do equipamento, com uma redução de 25% das intervenções
por falha em relação à perfuratriz pneumática.
A operação com perfurador hidráulico também trouxe uma expressiva redução no
consumo de ferramentas, com conseqüentemente impacto no custo. No Gráfico 1 é
apresentado o comparativo de consumo de ferramentas e no Gráfico 2 são
apresentados os respectivos custos de perfuração por tipo de perfurador.
Gráfico 1 - Comparativo consumo de ferramentas por tipo de perfurador
Gráfico 2 - Comparativo custo de perfuração por tipo de perfurador
Considerando uma média de 14 corridas diárias (5.110 corridas /ano), é projetada
uma economia anual de US$ 121,531.75/ano, com a troca dos dois perfuradores
pneumáticos por hidráulicos.
Conforme já comentado, o objetivo é a abertura do furo de gusa usando apenas 1
broca, sem o uso de barras e tubos de oxigênio. No Gráfico 3 é apresentada a
freqüência da abertura do furo de gusa usando apenas 1 broca, com o resultado
demonstrando uma maior eficiência e estabilidade da perfuração hidráulica.
Gráfico 3 - Índice de abertura usando apenas 1 broca
Na Tabela 2 são apresentados os tempos médios de perfuração em relação à
quantidade de ferramentas utilizadas.
TEMPO MÉDIO / PERFURAÇÃO
No DE FERRAMENTAS USADAS /
PERFURAÇÃO
PNEUMÁTICO
HIDRÁULICO
1
2’ 43”
2’ 24”
2
5’ 43”
4’ 16”
3
7’ 07”
6’ 13”
4
9’ 34”
7’ 42”
Tabela 2 - Tempo Médio Perfuração / Número de Ferramenta
O tempo médio gasto por perfuração, usando o perfurador hidráulico, apresentou-se
ligeiramente inferior em relação ao perfurador pneumático, mas devido à maior
eficiência durante a perfuração (menor consumo de ferramentas), as atividades
como troca de brocas, uso de barras e oxigênio são reduzidas e dessa forma, é
importante considerar o tempo médio global de perfuração, em relação às
ferramentas consumidas. Este resultado é apresentado no Gráfico 4.
Gráfico 4 - Tempo Médio Global / Perfurador
Este importante resultado tem grande reflexo na segurança e saúde ocupacional,
uma vez que o tempo de exposição do operador a condições de risco e ruído é
reduzido em 42,2%, quando comparado com as operações usando perfuradores
pneumáticos.
No Gráfico 5 é apresentado o comparativo entre o nível de ruído medido durante a
operação do perfurador hidráulico e o perfurador pneumático.
Gráfico 5 - Nível de ruído durante a operação do perfurador
Na tabela 3 é apresentado o resultado do cálculo da “dose de exposição do
operador” em condição de nível de ruído.
Nível de Ruído Gerado
Corridas por turno
Tempo Médio Abertura FG
Tempo Total de Exposição
Tempo Máximo Permitido
Dose de Exposição do Operador
unidade
dB (A)
corridas
minutos
minutos
minutos
PNEUMÁTICA
108
5
5' 45''
29
20
D = 1,45
HIDRÁULICA
96
5
3' 20''
16
105
D = 0,15
Tabela 3 - Comparativo Nível de Ruído
Pelo exposto, não há dúvidas que os ganhos com relação à segurança e saúde
ocupacional foram significativos após a implantação das perfuratrizes hidráulicas.
4 - CONCLUSÃO
A implantação das perfuratrizes hidráulicas no Alto Forno 02 da CST-Arcelor Brasil
possibilitou um aumento da disponibilidade operacional do equipamento, menores
custos de manutenção e operação, melhor controle do processo de perfuração e
maior qualidade do furo de gusa.
Conforme mostrado no desenvolvimento deste trabalho, ganhos mensuráveis e não
mensuráveis foram obtidos com a implantação da perfuratriz hidráulica, contribuindo
para a estabilidade operacional, redução de custo e segurança e saúde ocupacional.