START-UP INJEÇÃO DE FINOS DE CARVÃO VEGETAL EM MINI ALTO-FORNO / CISAM (1)

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1 START-UP INJEÇÃO DE FINOS DE CARVÃO VEGETAL EM MINI ALTO-FORNO / CISAM (1) Resumo Ricardo Luchese de Moraes (2) Wagner de Oliveira Lima (3) Roberto de Menezes Ferreira (4) José Luiz da Cruz (5) Fabiano Gontijo Fonseca (6) Eduardo Fonseca Santos (7) No dia 06/05/2002 realizou-se o start-up de uma instalação de injeção de finos de carvão vegetal no forno da CISAM, localizado em Pará de Minas/MG-Brasil. As características principais deste forno são: volume interno 147 m 3, produção média anual de 310 t gusa/dia ano, consumo específico de carvão granulado via topo em 580 kg/t gusa (base seca), carbono fixo de 424 kg/t gusa, drenagem do ferro gusa de forma continua, 6 ventaneiras e 100% minério de ferro como carga metálica. Após 3 meses de operação, a unidade de injeção apresenta excelente resultado como: taxas de injeção de finos de 116 kg/ t gusa, relação de troca combustível de 1 X 1 ou seja 1 kg carvão granulado enfornado pelo topo por 1 kg pó injetado através das ventaneiras e aumento de produtividade no forno da ordem de 8%. A visão da Praxair Metals Technology que desenvolveu a unidade de injeção de finos denominada MBF-PCI/Praxair, direcionou a mesma para ser implantada em mini altos fornos com os seguintes objetivos: ser compacta, segura, fácil operação, integrar o aproveitamento dos gases de exaustão dos trocadores de calor (glendons) para secagem do carvão a ser moído, e reaproveitamento dos finos carvão gerados na usina (peneiramento + sólidos em suspensão). O trabalho em questão discorre sobre a unidade de injeção de finos de carvão vegetal, dados operacionais antes e após start-up, contornos de situações especificas e preparativos necessários para o start-up. Palavras chaves : alto forno, combustível, carvão vegetal (1) Contribuição ao 58 o Congresso Anual da ABM, 21 a 24 julho de 2003, Rio de Janeiro/RJ - Brasil. (2) Engenheiro Metalurgista, consultor da White Martins /"Praxair Inc." (3) Engenheiro Metalurgista, gerente da "Praxair Metals Technology (4) Engenheiro Metalurgista, gerente da CISAM/CIAFAL (5) Engenheiro Metalurgista, gerente operação AF CISAM (6) Engenheiro Civil, gerente processo da CISAM (7) Engenheiro Mecânico, presidente CIAFAL/CISAM

2 Introdução: Os esforços atuais de uma unidade industrial atuando no mercado interno e/ou externo, são direcionados para que a mesma seja competitiva em itens como: redução no consumo de combustível, flexibilidade na matriz energética, melhora na produtividade, produto de maior valor agregado, estabilidade na qualidade físico/química do produto e compromissos de entrega para clientes. Todos estes fatores, aliados ao cumprimento da legislação ambiental. Para o segmento de produção de ferro gusa no Brasil, encontram-se 3 grupos de produtores ou seja: via siderurgia à coque, via usinas integradas à carvão vegetal e via produtores independentes à carvão vegetal. No ano de 2001, a participação de produção de ferro gusa destes grupos foi de ton. via siderurgia à coque (71,5%), ton. via usinas integradas à carvão vegetal (4,7%) e ton. via produtores independentes à carvão vegetal (23,8%). O trabalho em questão, é direcionado para o terceiro grupo; obtenção de ferro gusa em mini altos fornos e destinado como matéria prima aos mercados de Aciaria (produção aço) e Fundição (produção de peças fundidas). A tecnologia prevê a injeção de finos de carvão vegetal nestes altos fornos, adaptada às condições técnicas operacionais existentes nas usinas. Os produtores independentes no Brasil contam com um total de 115 mini altos fornos, range de 100 a 500 ton. gusa/dia/forno, com 27 paralisados (dados agosto/2002). No mês agosto/2002, a produção estimada de ferro gusa nestes fornos foi de ton. ferro gusa; ritmo de 7 milhões ton. ano. O consumo específico médio de carvão vegetal granulado via topo em um mini alto forno é cerca de 580 a 600 kg/t gusa, implicando em uma demanda de cerca de 410 a 430 kg carbono fixo/t gusa produzida. A adequada injeção de finos de carvão vegetal como combustível auxiliar nestes fornos, com taxas de 120 kg pó/t gusa, reduz a dependência do energético principal em 20%. Assumindo uma densidade do carvão vegetal à seco de 215 a 225 kg/m 3, a demanda em um mini alto forno varia de 2,6 a 2,8 m 3 carvão vegetal enfornado via topo/t gusa produzido sem injeção de combustível auxiliar. O sistema de peneiramento para o carvão vegetal existente nas usinas, geram cerca de 7 a 10% em peso de finos (moinha, fração abaixo de 6 mm), sendo que a aplicação industrial deste energético pode ser considerada não nobre na maioria dos mini altos fornos (vendida à terceiros). A utilização deste subproduto atual, denominado moinha, no próprio forno através da sua injeção pelas ventaneiras, é considerada como uma aplicação nobre para este energético. A necessidade total de carvão vegetal em um mini alto forno sem injeção de combustível auxiliar, é a somatória do enfornado via topo + peneiramento + captação sólidos em suspensão + captação no sistema de limpeza de gases gerados no forno. A somatória destes valores, nos mostram que a necessidade de entrada total de carvão vegetal na usina para produzir 1 ton. de ferro gusa é da ordem de 3,0 a 3,2 m 3 carvão vegetal. Durante o ano de 2001, foi montada a instalação de injeção de finos de carvão vegetal denominada MBF-PCI/Praxair na usina CISAM, localizada em Pará de Minas/MG-Brasil. O start-up ocorreu na data de 06/05/2002, com evolução gradativa na taxa de injeção de finos até valores de 116 kg pó/t gusa (1.750 kg pó/hora) 3 meses após a partida da unidade.

3 Dados históricos usina/cisam em 2001: Uma fase importante adotada foi a coleta de dados operacionais antes da injeção de finos de carvão, afim de ter uma base estatística que será utilizada para comprovar/avaliar o sucesso da aplicação da tecnologia MBF-PCI/Praxair. Foram coletadas médias diárias do forno, dos meses compreendidos de janeiro a outubro/2001 (gráfico 1). Este período compreende meses considerados como chuvosos e secos, os quais podem influenciar a produção e/ou o consumo de energia do forno devido principalmente a sua interação com a qualidade da matéria prima enfornada. Podemos notar pelo gráfico 1, uma média de consumo de combustível no período de 10 meses analisados de 424,2 kg carbono fixo/t gusa e produção 308,7 ton. gusa dia relativo a janeiro a outubro/2001 (produtividade 2,10). No período em questão, verificamos também o recorde ocorrido no mês de julho/2001 (gráfico 2 e 3), com demanda de 412 kg carbono fixo/t gusa e produção 323,3 ton. gusa dia mês (produtividade 2,20). A produção do forno foi basicamente ferro gusa para o mercado de Aciaria, com o elemento Si gusa variando de 0,20 a 0,50%. A carga metálica operou com 100% minério de ferro, densidade média de 210 kg/m 3 carvão vegetal enfornado (base seca) e % carbono fixo de 74 (base seca). Preparativos para start-up da unidade injeção de finos: Entre os preparativos realizados antes do start-up, destacam-se: - Treinamento dos operadores, supervisores e técnico laboratório químico. - Simulações matemáticas do processo, prevendo taxas de até 120 kg finos/t gusa e TTC superior a 1750 o C. - Procedimentos operacionais relacionados a emergências, tais como: queda EE, arriamentos, engaiolamentos, queda sistema injeção de finos, entupimentos linha e/ou lança, resposta térmica do forno com a injeção, variação da temperatura sopro e queima de ventaneira. - Verificação da influência da injeção finos na qualidade da escória obtida. - Inclusão de novas variáveis operacionais na planilha de controle existente, tais como: umidade do ar, TTC e % O 2 no ar soprado. - Formatação de telas para o CLP. - Definição de intertravamentos (segurança) => forno X injeção finos. - Definição de pontos amostragem (moinha e finos) e análises. - Analisado o sistema de carregamento e drenagem do forno, em função da possibilidade de aumento da produção. - Melhora na qualidade da água de refrigeração do forno (redução do índice de queima das ventaneiras). - Montagem dos novos algaravizes, com auxílio de um gabarito externo. - Melhora no sistema de peneiramento de carvão. - Testes exaustivos do sistema de moagem e injeção dos finos. - Testes dos painéis de O 2 e N 2 (automático e manual). Nota: como item de segurança, a movimentação de pessoas na área operacional foi monitorada por um detetor portátil de monóxido de carbono (CO). O sistema de alarme sonoro e visual, era acionado acima de 39 ppm do gás CO.

4 Informações gerais sobre a unidade injeção finos: Moinho de rolo pendular, produção de 2,0 ton. pó/hora, com alimentador tipo rotativo, expulsor de impurezas e classificador estático de duplo cone (fig. 2). Ciclone coletor de pó, tipo simples de 1 estágio, com isolamento externo, válvula rotativa de descarga e válvula alivio de sobre pressão. Filtro manga, com área filtrante de 80 m 2, isolamento externo, válvula rotativa de descarga e sensor de temperatura para controle térmico da secagem. Exaustores, 3, para arraste do produto combustão dos glendons ao moinho, arraste gás + pó para ciclone e gás + pó para o filtro de manga. Sistema de mistura entre o ar atmosférico e o gás proveniente dos glendons efetuado através de registros tipo venezianas acionadas por atuadores pneumáticos rotativos, em função da temperatura objetivada na entrada do moinho (secagem). Silo pulmão, com volume interno de 60 m 3, corpo cilíndrico, sistema descarga tipo cone, válvula guilhotina e possibilidade de descarga manual para drenar o silo. Injetor, capacidade para kg pó/hora, sistema automático e continuo, pressão trabalho em 3,0 bar, sensor de nível alto no vaso superior, sensor nível baixo no vaso inferior, sensor pressão e válvula alivio (fig. 1). Compressor de ar, 2, um em operação e outro de reserva, vazão de ar total 42 m 3 /min, pressão de trabalho de 50 a 115 psig com filtro de ar. Secador de ar, vazão máxima de entrada 180 Nm 3 /hora. Lanças de injeção de finos, 6, material aço inoxidável, com válvula esférica isolamento ¾, e diâmetro interno de 10 mm. Splitter (distribuidor), 1, separador estático, 6 vias saída com 10 mm diâmetro interno (fig. 3). Painéis para gases, controle via CLP, individuais, gases O 2 e N 2. Dados reais operação no start-up /CISAM: O inicio da operação da injeção ocorreu no dia 06/05/2002, com taxas mínimas de introdução de finos (pó) no forno. Taxas estas na ordem de 300 kg/hora (função do equipamento), implicando em cerca de 22 kg finos/ton. gusa. A injeção ocorreu em todas as 6 ventaneiras simultaneamente, sem alterar a carga do forno. Um dia após a injeção de forma continua, observou-se um aquecimento do forno via temperatura do gusa, composição química e visual (experiência dos supervisores) sendo então iniciado um programa de adequação da carga do forno em função da resposta térmica do mesmo. A continuidade da evolução da taxa de injeção, ocorreu com preparativos da coluna de carga, ou seja: alterava a carga metálica no topo do forno, e após um número de cargas enfornado era então aumentado o peso de pó para o interior do forno (gráfico 4 e 5). Durante o período, foi observado uma evolução na pressão da base do forno, sendo corrigido com atuação no peneiramento da matéria prima. No caso da CISAM, valores superiores a 650 g/cm 2, a tendência apresentar engaiolamentos aumenta muito. A programação de subida na taxa de injeção seguiu uma programação preestabelecida com a operação do forno. O comportamento térmico do forno foi muito bom, respondendo as alterações executadas.

5 Durante o mês de junho, a unidade parou alguns dias para sua adequação as novas necessidades técnicas identificadas (ver item relacionado com situações especificas no start-up ). A evolução mensal no forno correspondente a maio/junho/julho/agosto-2002 (tabela 1), nos mostra valores de consumo específico de carbono fixo via o carvão granulado topo, via finos injetados e da produção de ferro gusa. Verificamos ganhos de produtividade no forno na ordem de 7 a 9% (gráfico 6) e de relação de troca de combustível em 1 X 1 (gráfico 7), usando mês de julho/2002 contra julho/2001 como referência. A demanda de gases industriais, atingiu valores dentro do previsto pelas simulações matemáticas para este forno, ou seja: gás oxigênio de 20 a 25 Nm 3 / t gusa e gás nitrogênio em 2 Nm 3 /t gusa produzida. Situações específicas no start-up na CISAM: Necessidade de ajustes em tempos do flow-chart, relacionado com o sistema de injeção finos, procurando maximizar a disponibilidade do pó. O tempo do ciclo, compreendido entre inicio e fim de carregamento do pó deve ser o mínimo possível. Devido principalmente a necessidade de compra de terceiros e/ou manuseio, a qualidade da moinha direcionada ao moinho deve ter cuidados redobrados como: peneiramento superior na moega, impurezas misturadas como pó de balão e terra, e retirada de peças metálicas antes da moega. O sistema de secagem da moinha, utilizando o produto de combustão dos glendons como energético com temperaturas de saída neste equipamento variando de 450 a 500 o C, foi adequado a velocidade e posições das venezianas de ar frio e ar quente em função da umidade da moinha introduzida e da produção do moinho requerida; a temperatura na entrada do moinho apresentou valores de 250 a 280 o C. O sistema em questão, é integrado com a temperatura de entrada dos gases no moinho e no filtro de manga. Durante o inicio de operação da injeção, trechos compreendidos entre o splitter e a lança, apresentaram vazamentos de pó (furos). A causa foi identificada, como sendo a maneira adotada para se fazer o raio da tubulação ( tipo dentado). A solução foi confeccionar as novas tubulações com raio longo (sem dobradura). Uma única lança, localizada na ventaneira 5, apresentou queima na parte frontal da mesma. A solução foi encurtar a lança, em cerca de 4 cm, e a situação foi contornada. Acredita-se que a movimentação (expansão/dilatação) do conjunto algaraviz + ventaneira em relação à carcaça do forno, tenha ocasionado este desvio da posição objetivada do bico da lança com o bico da ventaneira. A tubulação de entrada dos gases quentes provenientes dos glendons no moinho, necessitou ser reposicionada. O angulo de inclinação entre os mesmos foi adequado em função de minimizar o acumulo de pó na base da tubulação proveniente da recirculação, com objetivo de eliminar a possibilidade de entrada de pó incandescente para o interior do moinho (segurança). Paradas em emergência não programadas da instalação de injeção finos, com taxas de 60 a 80 kg pó/t gusa, necessitaram que o forno trocasse a carga para operar sem a injeção de finos (suporte energético). Procedimentos operacionais foram executados, e o forno recuperou a marcha sem perda de produção e qualidade do gusa.

6 Durante o período em questão, ocorreu a alteração da malha (abertura) do peneiramento secundário do carvão vegetal, passando de 6 para 9 mm, visando melhorar a permeabilidade da carga. Em função do sistema de limpeza de gases gerados no forno estar operando com taxas de sólidos em suspensão alta, durante estes meses foi intensificada a limpeza dos glendons com a finalidade de evitar uma queda no valor da temperatura do ar soprado para o forno. No mês de outubro 2002, o forno parou cerca de 1 semana afim de se adequar a legislação ambiental (sólidos em suspensão). O sistema implantado (filtros manga e exaustores) foi baseado na captação do pó gerado nas fases de entrega do carvão vegetal, transporte e peneiramento. O pó capturado, foi analisado física/quimicamente e aproveitado com combustível auxiliar no forno. Conclusão: - Unidade de fácil operação - Possível atingir taxa máxima de injeção em 3 meses operação - Ganho na produtividade do forno em 7a 9% - Troca de combustível em 1 X 1 - Importância do treinamento antes do start-up - Importância na qualidade da moinha - Maior estabilidade térmica do forno - Possibilidade de injetar o pó captado no sistema despoeiramento Bibliografia: Dados da ABRACAVE / Associação Brasileira de Carvão Vegetal Curso ABM Aspectos Tecnológicos Relativos à Preparação de Carga e Operação de Alto Forno, 20 a 24 junho de 1994, Belo Horizonte - MG.

7 Figuras, gráficos e tabelas: Figura 1: sistema injeção finos carvão, kg/hora de forma continua. Figura 2: moinho pendular, produção 2,0 ton. pó/hora Figura 3: splitter (distribuidor) com 6 vias.

8 jan fev mar abril mai jun jul agos set out produção carb. Fixo Gráfico 1: dados históricos CISAM / Médias mensais sem injeção finos. Produção média em 308,7 ton. gusa/dia, e carbono fixo em 424,2 kg/t gusa. P rodução C IS A M // julho Produção => t gusa / dia ,00 2,80 2,60 2,40 2,20 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 Produtividade produç ão produtividade d ia Gráfico 2: evolução da produção de gusa junho/2001 / recorde Produção média em 323,3 t gusa/dia e produtividade em 2,20. C onsum o C a rbo no C IS A M // julho kg Carbono/t gusa Total granulado finos dia Finos => kg Carbono/t gusa Gráfico 3: evolução do consumo carbono fixo no mês de junho/2001 / recorde Consumo médio em 412 kg carbono fixo / t gusa.

9 Produção CISAM // maio-2002 Produção => t gusa / dia dia => 3,00 2,80 2,60 2,40 2,20 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 Produtividade produção produtividade Gráfico 4: evolução da produção de gusa maio/2002. Produção média em 309,5 t gusa/dia e produtividade em 2,11. C onsumo Carbono, C ISAM // maio-2002 kg Carbono/t gusa Finos => kg Carbono/t gusa Total granulado finos dia => Gráfico 5: evolução do consumo de carbono fixo no mês de maio/2002. Consumo médio total em 420,7 kg carbono fixo / t gusa.

10 Produção CISAM // julho-2002 Produção => t gusa / dia ,00 2,80 2,60 2,40 2,20 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 Produtividade produção produtividade dia => Gráfico 6: evolução da produção de gusa julho/2002. Produção média em 345,5 t gusa/dia e produtividade em 2,35. Consumo Carbono CISAM // julho-2002 kg Carbono/t gusa Finos => kg Carbono/t gusa Total granulado finos dia => Gráfico 7: evolução do consumo de carbono fixo no mês de julho/2002. Consumo médio total em 410,7 kg carbono fixo /t gusa. Tabela 1: dados operacionais após inicio injeção finos de carvão vegetal na CISAM. maio/2002 junho/2002 julho/2002 Agos/2002 C. veg. granul. 389,5 389,6 357,7 355,2 Kg carbono fixo/t gusa Finos injetado 31,2 35,1 53,0 57,4 Kg carbono fixo/t gusa C fixo total 420,7 424,6 410,7 412,6 Kg carbono fixo/t gusa Produção forno 309,5 339,5 345,5 341,0 t gusa/dia (média mensal) Produtividade 2,11 2,31 2,35 2,32 t gusa/dia/m 3 vol. interno Obs.: maio/2002, apartir do dia 06, start-up da injeção de finos para o forno.

11 IMPLEMENTATION OF CHARCOAL FINES INJECTION IN MINI BLAST FURNACES / CISAM (1) RICARDO LUCHESE DE MORAES (2) WAGNER DE OLIVEIRA LIMA (3) ROBERTO DE MENEZES FERREIRA (4) JOSÉ LUIZ DA CRUZ (5) FABIANO GONTIJO FONSECA (6) EDUARDO FONSECA SANTOS (7) Abstract Charcoal Fines Injection technology was implemented at CISAM (Pará de Minas, Brazil) on May 6 th /2002. The main characteristics of the blast furnace are: inner volume 147 m 3, average production rate of 310 t/day of pig iron, specific consumption of granulated charcoal of 580 kg/t PIG IRON (dry basis), fixed carbon of 424 kg/ t PIG IRON, continuous pig iron drainage, 6 tuyeres and the raw material used was 100% of iron ore as metallic charge. After 3 months of operation, the charcoal fine injection shows good results such as: fines injection rate of 116 kg/t PIG IRON, fuel over granulated charcoal replacement ratio of 1:1 and production increase by 8%. The fine injection unit denominated MBF-PCI has been developed by PMT / WMGI to be implemented in Mini Blast Furnaces with the following characteristics: use the exhaust gases from Glendons to dry the charcoal prior to grinding, re-use the charcoal fines generated in the plant, compact unit, safe, easy to be operated and high benefits/cost ratio. The paper describes the fines injection unit, operating data before and after the technology implementation, and some situations occurred during the start-up Keywords: blast furnaces, energy, fuel, charcoal (1) Contribution to the 58 o Annual Congress, ABM, July 21 to 24/2003, Rio de Janeiro/RJ - Brazil. (2) Metallurgical Engineer, Consultant of White Martins /"Praxair Inc. (3) Metallurgical Engineer, Manager of Praxair Metals Technology (4) Metallurgical Engineer, Manager of CISAM/CIAFAL (5) Metallurgical Engineer, Blast Furnace Manager of CISAM (6) Civil Engineer, Process Manager of CISAM (7) Mechanical Engineer, President of CIAFAL/CISAM