IMPLANTAÇÃO DE PERFURATRIZ HIDRÁULICA NO ALTO FORNO 2 DA CST-ARCELOR BRASIL

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1 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

2 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 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 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) Tipo de broca e refrigeração usadas; b) Velocidade (rpm) e força de giro da broca; c) Velocidade (m/min) e força de avanço da broca; d) Freqüência e Amplitude do martelo de impacto; Uma perfuração com BOA QUALIDADE pode ser medida através dos seguintes pontos: 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 O 2 ; 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.

3 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 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: 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 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.

4 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. Perfurador Hidráulico Perfurador Pneumático Torque Giro 680 Nm 250 Nm Velocidade de Giro 300 rpm 150 rpm Martelo de Impacto ipm ipm Energia de Impacto 330 Nm 350 Nm Amplitude martelo (Piston Stroke) 30 mm 105 mm Martelo de Reverso ipm ipm Energia de Impacto 300 Nm 255 Nm Nível de Ruído 96,3 db 107,8 db *ipm - Impactos por minuto Tabela 1 - Comparativo Perfuratriz Hidráulica x Perfuratriz Pneumática

5 - 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 - Detalhe do centralizador fechado CARACTERÍSTICAS DA PERFURATRIZ HIDRÁULICA 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 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.

6 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 N 2 e H 2 O) 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 4 - Detalhe do mandril de encaixe da broca no perfurador pneumático Foto 5 - Detalhe dos orifícios de refrigeração da broca utilizada Foto 6 - Detalhe da pulverização da mistura refrigerante na ponta da broca (Pneumático)

7 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) 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 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

8 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

9 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

10 Na Tabela 2 são apresentados os tempos médios de perfuração em relação à quantidade de ferramentas utilizadas. N o DE FERRAMENTAS USADAS / TEMPO MÉDIO / PERFURAÇÃO PERFURAÇÃO PNEUMÁTICO HIDRÁULICO 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

11 Na tabela 3 é apresentado o resultado do cálculo da dose de exposição do operador em condição de nível de ruído. unidade PNEUMÁTICA HIDRÁULICA Nível de Ruído Gerado db (A) Corridas por turno corridas 5 5 Tempo Médio Abertura FG minutos 5' 45'' 3' 20'' Tempo Total de Exposição minutos Tempo Máximo Permitido minutos Dose de Exposição do Operador D = 1,45 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.