Estudo de Reciclagem dos Resíduos Siderúrgicos por meio da Tecnologia Tecnored para uso em Forno Elétrico a Arco

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1 15 André Silva da Luz Fundação Universitária Vida Cristã FUNVIC Estudo de Reciclagem dos Resíduos Siderúrgicos por meio da Tecnologia Tecnored para uso em Forno Elétrico a Arco Pindamonhangaba SP 2016

2 1 André Silva da Luz Fundação Universitária Vida Cristã FUNVIC Estudo de Reciclagem dos Resíduos Siderúrgicos por meio da Tecnologia Tecnored para uso em Forno Elétrico a Arco Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de Bacharel pelo curso Engenharia de Produção da Faculdade de Pindamonhangaba Orientador: Prof. Dr. Cláudio Augusto Kelly Pindamonhangaba SP 2016

3 2 Luz, André Silva Estudo de Reciclagem dos Resíduos Siderúrgicos por meio da Tecnologia Tecnored para uso em Forno Elétrico a Arco / André Silva da Luz / Pindamonhangaba-SP : FUNVIC Fundação Universitária Vida Cristã, f. :il. Monografia (Graduação no curso de Engenharia de Produção) FUNVIC-SP. Orientador: Prof. Dr. Cláudio Augusto Kelly. 1 Ferro Gusa. 2 Tecnored. 3 Aço. 4 Aciaria Elétrica. 5 Resíduos. I Estudo de Reciclagem de Resíduos Siderúrgicos por meio da Tecnologia Tecnored para uso em Forno Elétrico a Arco. II André Silva da Luz.

4 3 ANDRÉ SILVA DA LUZ ESTUDO DE RECICLAGEM DOS RESÍDUOS SIDERÚRGICOS POR MEIO DA TECNOLOGIA TECNORED PARA USO EM FORNO ELÉTRICO A ARCO Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte dos requisitos para obtenção do Diploma de Bacharel pelo curso Engenharia de Produção da Faculdade de Pindamonhangaba Data: 23/11/2016 Resultado: BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Dailton Freitas Faculdade de Pindamonhangaba Assinatura Prof. Dra. Daniela Vernilli Faculdade de Pindamonhangaba Assinatura Prof. Weliton Santos Abreu Faculdade de Pindamonhangaba Assinatura

5 4 RESUMO Os resíduos sólidos siderúrgicos, produzidos na confecção de aços, tornam-se um passível ambiental por não apresentar um local adequado para estocagem e armazenamento dentro das unidades siderúrgicas espalhadas pelo mundo. Técnicas ligadas a metalurgia do pó visando a reutilização destes resíduos tem sido empregada por algumas empresas. No entanto, restrições ligadas a contaminantes impedem a total utilização destes resíduos, principalmente nos processos de redução dos mesmos. O trabalho em questão apresenta a produção de aço em escala mundial e sua cadeia de geração de resíduos, assim como o potencial de fornos denominados Tecnored dentro de siderúrgicas integradas ou semi-integradas na recuperação de teores metálicos e carbonosos destes insumos oriundos das aciarias elétricas e de altos fornos de redução. A tecnologia Tecnored possibilita desenvolver um ciclo ambientalmente correto de reutilização destes resíduos, em função da formação de aglomerados com características físicas e químicas ideais. Outro ponto de enfoque está direcionado a estratégia de utilização do metal líquido produzido a partir de resíduo, nos fornos elétricos para produção de aço, condição esta que possibilita agregar valor ao aço produzido, com ganhos consideráveis no consumo de energia e produtividade dos fornos elétricos a arco. Palavras - Chaves: FEA, Forno Tecnored, resíduo, siderurgia, aço.

6 5 ABSTRACT The steel solid waste produced in the making of steel becomes an environmental subject, not to present a suitable place for storage and storage within the steel plants around the world. Techniques related to powder metallurgy aimed at reuse of this waste have been used by some companies. However, restrictions linked to contaminants prevent full use of waste, especially in the reduction processes thereof. The work in question has steel production worldwide and its waste generation chain and the potential furnaces "Tecnored" within integrated steel or semi-integrated into the recovery of metal content and carbonaceous these inputs coming from the electric steelworks and high reduction furnaces. The Tecnored technology enables to develop an environmentally friendly reuse of this waste cycle, due to the formation of agglomerates with optimal physical and chemical characteristics. Another focal point is directed to liquid metal use strategy produced from waste in electric furnaces for steel production, a condition that makes it possible to add value to steel produced, with considerable gains in energy consumption and productivity of electric arc furnaces. Key - Words: FEA, Furnace Tecnored, waste, steel making, steel.

7 6 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Produção mundial de aço... 9 Tabela 2 - Maiores produtores mundiais de aço Tabela 3 - Geração de resíduos siderúrgicos. Dados estimados Tabela 4 - Caracterização química dos resíduos siderúrgicos Tabela 5 - Composição química típica do ferro gusa Tabela 6 - Dados dos Fornos Elétricos Tabela 7- Estudo Comparativo de Operação Tabela 8 - Cálculo do payback simples...31

8 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Produção média anual por regiões a Figura 2 - Comparativo médio entre os maiores produtores de aço a Figura 3 - Cenário da produção média anual de aço no Brasil a Figura 4 - Principais resíduos sólidos gerados nas usinas siderúrgicas Figura 5 - Rota de Produção em usinas integradas Figura 6 - Rota de Produção de aço em usinas semi-integradas Figura 7 - Seção transversal do forno Tecnored Figura 8 - (a) redução de óxidos com tecnologia clássica, (b) por autorredução Figura 9 - Layout do método utilizado no trabalho Figura 10 - Circuito de fabricação do briquete Figura 11 - Indicação de carregamento do forno Figura 12 - Preparação da mistura Figura 13 - Circuito de briquetagem Figura 14 - Fluxograma simplificado do processo Tecnored Figura 15 - Distância entre as regiões Figura 16 - Comparativo de consumo de energia em kwh/t Figura 17 - Fluxo operacional do gusa liquido Figura 18 - Redução do consumo de energia no FEA com adição de gusa líquido na carga. 27 Figura 19 - Redução no Power off do FEA com adição de gusa líquido na carga Figura 20 - Influência do gusa líquido no intervalo de corrida, média mensal Figura 21 - Projeção de consumo e produtividade em função do % de metal líquido... 30

9 8 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO REVISÃO DE LITERATURA Processo de Produção do Aço e Rotas Tecnológica Aciaria Elétrica Forno Tecnored POEIRA DE ALTO FORNO CAREPAS DE LAMINAÇÃO FINOS DE COQUE FINOS DE MINÉRIO DE FERRO Redução dos briquetes de resíduo MATERIAIS E MÉTODOS Resíduos do processo Recebimento de matéria primas Dosagem e Mistura Briquetagem Forno Tecnored RESULTADOS E DISCUSSÃO Energia Elétrica Power Off Intervalo de Corrida Considerações econômicas CONCLUSÕES REFERÊNCIAS... 33

10 9 1 INTRODUÇÃO Entre as maiores descobertas catalogadas, a evolução e consolidação do processo de produção de aço, tornou-se um ponto fundamental para construção de uma sociedade moderna. A utilização do aço (liga Fe-C) pode ser praticamente visualizada em todos os ramos de desenvolvimento, como por exemplo, construção civil, indústria automobilística entre outras. Atualmente a produção mundial de aço gira em torno de 1,6 milhões de toneladas/ano (Tabela e Figura 1). Tabela 1 - Produção mundial de aço Obs.: Dados correspondentes a produção de aço bruto dos países associados a Worldsteel Fonte: Worldsteel Elaboração própria Unid: 10 6 ton GRUPOS AMÉRICA DO SUL AMÉRICA DO NORTE U.E OUTROS U.E C.I.S AFRICA ÁSIA OCEANIA OUTROS MUNDO Figura 1 - Produção média anual por regiões a 2015

11 10 Neste contexto, o continente asiático é o maior produtor mundial de aço, números estes impulsionados pela China conforme tabela 2, os quais se mantiveram nos primeiros meses de 2016, com a produção de 64 milhões de toneladas em janeiro, indicando um ritmo de mais de 760 milhões de toneladas/ano. Todavia pode-se verificar uma sobre capacidade produtiva, visto que apenas 67,5% de todo o aço produzido no mundo foi utilizado, pode-se constatar também o Brasil como um mercado estável na produção de aço, se avaliar a média dos últimos cinco anos apontadas na figura 2. Tabela 2 - Maiores produtores mundiais de aço Unid: 10 6 ano GRUPOS CHINA JAPÃO EUA ÍNDIA RÚSSIA CORÉIA DO SUL ALEMANHA BRASIL Obs.: Dados correspondentes a produção de aço bruto dos países associados a Worldsteel Fonte: Worldsteel Elaboração própria 767,4 Produção de aço [Mt/ano] 108,6 86,6 79,3 69,6 68,8 42,8 34,0 CHINA JAPÃO EUA ÍNDIA RÚSSIA CORÉIA ALEMANHA BRASIL Figura 2 - Comparativo médio entre os maiores produtores de aço a 2015

12 11 Apesar disso, nos últimos cinco anos observar-se uma queda gradativa na produção de aço no Brasil (Figura 3) devido ao impacto de fatores estruturais e conjunturais sobre a indústria de transformação, refletindo em perda de competitividade e queda do consumo interno. Fato esse, observado principalmente nos três segmentos (automotivo, construção civil e bens de capital) que juntos representam 80% do consumo de aço no Brasil. Figura 3 - Cenário da produção média anual de aço no Brasil a 2015 Fonte: Worldsteel Elaborado pelo autor No entanto em contrapartida a esse cenário tem-se uma enorme geração de resíduos sólidos. No Brasil aproximadamente 21 milhões de toneladas de resíduos siderúrgicos oriundos dos processos de fabricação de aço são produzidos. Esses resíduos são constituídos por poeiras de altos fornos e aciarias, carepas de laminação, finos de combustíveis carbonosos, entre outros. Conforme mostrado na figura 4. Finos de Minério 32% Poeira de Alto Forno 6% Lama de Alto Forno 5% Pó de Sinterização 10% Escória de Aciaria 11% Pó de Aciaria 11% Carepas 12% Finos de Coque 13% Figura 4 - Principais resíduos sólidos gerados nas usinas siderúrgicas

13 12 As tabelas 3 e 4 mostram respectivamente a geração específica de resíduos siderúrgicos em kg/ton de aço produzido, assim como a caracterização química específica, e dados estimados de geração destes resíduos em milhões de toneladas ano no Brasil e no mundo. RECICLÁVEIS Tabela 3 - Geração de resíduos siderúrgicos. Dados estimados MUNDO BRASIL Kg/ton Milhões t/ano Milhões t/ano Poeira de Alto Forno 8 6,6 0,13 Lama de Alto Forno 7 5,8 0,12 Pó de Sinterização 15 8,7 0,17 Finos de Coque 19 15,7 0,31 Carepas 17 28,1 0,56 Poeira de Aciaria elétrica 15 24,8 0,50 Escória de Alto Forno ,94 Escória de Aciaria 15 5,0 0,08 Finos de Minério 46 38,0 0,70 Obs.: Dados estimados da geração específica de resíduos Fonte: Elaboração própria Tabela 4 - Caracterização química dos resíduos siderúrgicos Resíduo %SiO₂ %Al₂O₃ %Cao %MgO %Fe₂O₃ FeT %FeO %C Umidade Poeira de Alto Forno 8,3 1,61 11,80 0,82 26,80 29,32 13,50 23,00 8,00 Lama de Alto Forno 5,93 0,8 3,39 0,68 43,80 46,86 12,00 26,50 30,00 Pó de Sinterização 5,3 3,7 15,20 1,40-54,10 11,50 11,50 - Finos de Coque 46,84 24,3 4,98 1,41 17,34 6,44-81,50 3,50 Carepas 0,39 0,1 0,23 0,22 32,40 73,80 65,70 0,70 5,00 Pó de Aciaria 4,72 2,2 26,10 7,28-62, ,00 Escória de Alto Forno 32, ,00 8, , Escória de Aciaria 18,0 6,0 40,0 10, ,0 - - Finos de Minério 2,8 1, Os resíduos siderúrgicos, infelizmente na maioria das empresas, ainda não possuem uma destinação adequada, normalmente são depositados diretamente no solo, e sobre a influência das condições climáticas de cada região, situações estas que podem gerar danos irreversíveis de caráter ambiental, operacional e até mesmo perdas fatais. A tecnologia Tecnored apresenta características que permitem o reaproveitamento destes resíduos. Tais como avançadas técnicas e processos de aglomeração capaz de tornar os

14 13 resíduos siderúrgicos em matéria prima para produção de ferro gusa, o qual é amplamente utilizado na produção de aço de usinas integradas e semi-integradas. Dados estatísticos mostram que 58% do aço produzido em escala industrial utiliza o ferro gusa como fonte metálica. A tecnologia Tecnored permite a recirculação dos resíduos sólidos, agregando desta forma valores ao produto final por meio de uma política de produção ambientalmente correta. A pesquisa proposta neste trabalho tem como principal objetivo, mostrar que é possível produzir aproveitando o máximo que os recursos naturais podem oferecer, utilizando processos emergentes como o caso da tecnologia Tecnored, na qual resíduos oriundos de beneficiamento e transformação minero-metalúrgicos, retornam ao processo produzindo metal líquido com características químicas e físicas idênticas a rota tradicional, de tal maneira que o metal produzido possui propriedades metalúrgicas, que o colocam em condições de serem utilizados como carga parcial em aciarias elétricas, prática que pode tornar o processo de fabricação do aço altamente competitivo, no que se refere a ganhos de produtividade e redução no consumo de energia elétrica.

15 14 2 REVISÃO DE LITERATURA 2.1 Processo de Produção do Aço e Rotas Tecnológica O aço é uma liga metálica composta basicamente de ferro e carbono, onde o ferro é responsável por 95% da composição e o carbono com até 4%, além dos principais elementos a liga contém enxofre (S) e fósforo (P) que são provenientes de sua formação. Existem ainda elementos que são incluídos em seu processo de fabricação, a fim de melhorar ainda mais suas propriedades mecânicas (durabilidade, dureza e maleabilidade), alguns dos elementos adicionados são o Cr e o Ni. Por outro lado, quando os elementos P e S estão com seus valores acima do especificado, tornam o aço impróprio para a maioria das aplicações, podemos dividir o processo de produção do aço em três etapas distintas: Redução: Este processo é normalmente realizado via Alto Forno, onde o minério de ferro, sínter ou pelota são transformados em ferro gusa. Refino: O processo ocorre por meio de forno elétrico e forno panela, onde são retiradas as impurezas contidas no aço, o teor de carbono é reduzido, nesta etapa será obtido o aço propriamente dito. Conformação Mecânica: O produto semiacabado (lingotamento) é laminado na forma desejada (chapas, barras, fios, tubos, etc.), onde serão posteriormente trabalhados nas indústrias. 2.2 Aciaria Elétrica O forno elétrico a arco (FEA) começou a ser utilizado na produção de aço no final do século XX. No entanto o processo só começou a ser aperfeiçoado após a segunda guerra mundial. Na possibilidade do FEA controlar com grande precisão a composição química e a temperatura do metal o processo tornou-se muito utilizado para obtenção de aços especiais, aços inoxidáveis e aços ligados. Nos últimos anos o FEA passou a ser utilizado na produção de aços ferro carbono, sendo uma característica das usinas semi-integradas. Além disso, ao mesmo tempo em que a competitividade está forçando as aciarias a investirem em novas tecnologias para melhoria da qualidade e redução de custos, a legislação ambiental está desafiando a indústria a desenvolver processos de fabricação de aço mais limpos e eficientes (EPA, 2000). Assim sendo, verifica-se que as aciarias têm dedicado cada vez mais investimentos para a aquisição de equipamentos e formação de quadros técnicos capazes de solucionar os problemas ambientais (MASUERO, 2000).

16 15 No caso das usinas semi-integras as principais matérias-primas na fabricação do aço é a sucata e o ferro gusa, geralmente a carga do FEA é constituída na proporção 80/20% respectivamente. O processo de produção do aço corresponde na fusão da sucata de aço e do ferro primário (Gusa sólido ou ferro-esponja) a partir do calor liberado por um arco elétrico formado entre eletrodos de grafita ou entre os eletrodos e a carga metálica, a carga é fundida juntamente com os elementos formadores da escória. Após a fusão da carga, injeta-se oxigênio por meio de uma lança, a fim de promover a oxidação do fósforo, silício, manganês e carbono, entre outros. A produção de aço no setor siderúrgico pode seguir duas rotas distintas, e cada uma com sua particularidade no que tange ao layout de suas unidades, podemos dizer que são divididos em dois seguimentos: As usinas integradas abrangem os três processos de produção do aço citados, conforme figura 5: Figura 5 - Rota de Produção em usinas integradas

17 16 Enquanto que as semi-integradas partem da fusão e refino da carga metálica, sucata, gusa ou ferro esponja, figura 6. Figura 6 - Rota de Produção de aço em usinas semi-integradas 2.3 Forno Tecnored O processo Tecnored de produção de ferro primário é uma tecnologia emergente desenvolvida no Brasil, que se destaca por sua geometria inovadora, por utilizar matériasprimas de baixo custo e ainda pela capacidade de processar uma carga constituída de resíduos que atualmente são classificados como material de descarte nas usinas siderúrgicas (NOLDIN Jr, 2005). Estes resíduos considerados como subprodutos das indústrias siderúrgicas, são empregados como fontes carbonosas (finos de carvão, lama e poeiras de alto forno, entre outras), e fontes metálicas (finos de minério, carepas de laminação, etc.), os quais serão previamente aglomerados via briquetagem, resultando em briquete autorredutor que serão curados, secados, e posteriormente carregados no forno Tecnored obtendo como produtos: gás

18 17 de topo, escória e metal líquido, este último também conhecido como ferro gusa, largamente utilizado na produção de aço em usinas integradas e semi integradas. Dentre os principais resíduos gerados nas indústrias siderúrgicas, as poeiras de alto forno, carepa de laminação, finos de coque e finos de minério, são as principais fontes de ferro e carbono, e representarem 63% dos principais resíduos sólidos gerados nas usinas siderúrgicas POEIRA DE ALTO FORNO Também conhecida como balão de pó, é obtida no primeiro estágio a seco do sistema de limpeza de gases dos altos-fornos CAREPAS DE LAMINAÇÃO A carepa de laminação é uma camada de óxido de ferro, formada na superfície do metal durante o processo de laminação a quente FINOS DE COQUE A moinha de coque com granulometria abaixo de 6 mm, é oriunda dos processos de coqueificação do carvão mineral, e peneiramento do coque antes do carregamento nos fornos de redução FINOS DE MINÉRIO DE FERRO Partículas com tamanho médio menor que 6,35 mm, são resultado da extração do minério, britagem e peneiramento nas plantas de beneficiamentos e nos circuitos de carregamento dos fornos de redução. Os resíduos que foram utilizados no processo Tecnored para produção de metal líquido, no primeiro momento são submetidos a uma análise granuloquímica e granulométrica, com objetivo de garantir a melhor composição entre as misturas para produção do briquete. No segundo momento estes resíduos são enviados a planta de mistura e aglomeração com a receita das matérias primas definidas por meio de um balanço de massa, nesta etapa terá como principal produto o briquete autorredutor. Na operação de briquetagem temos como principais equipamentos: Misturador: Responsável pela homogeneidade das matérias prima que compõem a mistura, em termos de composição química, umidade e distribuição do ligante;

19 18 Briquetadoras: Equipamento utilizado para formação do briquete, o material é prensado entre os rolos gerando um briquete com resistência mínima para garantir seu transporte e manuseio. 2.4 Redução dos briquetes de resíduo O processo Tecnored, tornou-se nesta fase o reator responsável pela redução dos briquetes produzidos. Através de um sistema de contra corrente, em que a carga descendentes de briquetes é carregada pelo topo do forno, e o ar quente insuflado pelas ventaneiras de sopro, é responsável pela oxidação do carbono. Combustível Fornecimento de energia Carga Metálica Briquete autorredutor (resíduo metálico + resíduo carbonoso) Principais reações do processo Nas partículas de Carvão (Geração do gás redutor) CO 2 + C = 2 CO Nas partículas de óxido Fe 2 O 3 + CO = Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO = FeO + CO 2 FeO + CO = Fe (sólido) + CO 2 Metal Escória Figura 7 - Seção transversal do forno Tecnored A combinação da baixa granulometria, contato íntimo e elevada pressão parcial do redutor favorece o aumento da velocidade de reação entre os reagentes, o que pode se refletir em um avanço tecnológico para diversos processos pirometalúrgicos. Outra vantagem oferecida por essa tecnologia, principalmente em função da baixa granulometria requerida, é o seu potencial de reciclagem de resíduos e de utilização de materiais redutores alternativos (D ABREU, 2008).

20 19 (a) (b) Figura 8 - (a) redução de óxidos com tecnologia clássica, (b) por autorredução (D' ABREU, 2008) A tecnologia Tecnored, mostra-se altamente competitiva em mercados cada vez mais exigentes quanto aos atendimentos das demandas ambientais, mediante a renovação que podem ser atingidas através deste processo, no que tange a sustentabilidade na produção de ferro gusa e aço, dentre as quais podemos destacar: Uso racional das matérias primas, menor exigências quanto à qualidade quando comparado com processos convencionais; Alta capacidade de reciclagem de resíduos siderúrgicos que atualmente não possuem destinação adequada; Flexibilidade quanto a faixa granulométrica, pois possui uma tecnologia de aglomeração de resíduos com granulometria inferior a 1mm; Desta forma, sendo o ferro gusa a principal matéria prima utilizada para produção de todo aço comercializado no mundo, o qual é obtido em reatores de redução (alto forno, forno Tecnored, entre outros), nos mostra que o desenvolvimento e evolução constante destes processos, visando maximizar todo e qualquer recurso natural, tornam-se fatores fundamentais para um crescimento com foco em sustentabilidade. Na Europa e EUA, a tendência é de desativar as áreas de reduções por questões de custos e restrições ambientais, aumentando a compra de semiacabados, placas, blocos, tarugos e pães de gusa dos países em desenvolvimento, ampliando a produção de suas aciarias elétricas a partir de sucata. Este quadro implicará na elevação do preço de sucata e produtos semiacabados, portanto todo o esforço no melhor aproveitamento de resíduos que possam vir a gerar matéria prima (sucata, gusa sólido e/ou líquido) será de enorme valia na questão econômica (REVISTA METALURGIA & MATERIAIS, 2006).

21 20 3 MÉTODO Nesta etapa do trabalho estaremos mostrando o ciclo industrial de produção do metal líquido por meio da tecnologia Tecnored, assim como a pesquisa de cunho quantitativo, referente ao valor em uso do metal líquido em fornos elétricos tipo FEA. Quatro etapas foram realizadas para obtenção do metal líquido através do processo Tecnored, utilizando os resíduos siderúrgicos, a fim de viabilizar a utilização nos fornos elétricos. São elas: seleção dos resíduos utilizados como matéria prima, recebimento das matérias primas, dosagem e mistura, briquetagem e forno Tecnored. A figura 9 representa uma visão geral do método utilizado, desde as etapas para produção do ferro gusa, até o trabalho de campo, no intuito de mensurar o valor em uso do ferro gusa líquido no FEA. Pesquisa de campo para mensurar o valor em uso do metal líquido nas aciarias elétricas. Figura 9 - Layout do método utilizado no trabalho 3.1 Resíduos do processo As matérias primas utilizadas no processo para fabricação do briquete foram as seguintes: Finos de minério Fonte de ferro Carepa de laminação Fonte de ferro Pó de balão e fino de carvão Fonte de carbono redutor

22 21 Figura 10 - Circuito de fabricação do briquete No forno Tecnored como combustível e redutor foram enfornados carvão mineral e coque metalúrgico, e como fonte metálica o briquete autorredutor. 3.2 Recebimento de resíduos Figura 11 - Indicação de carregamento do forno Resíduos ferrosos: A carepa e o fino de minério foram recebidos por caminhão e depositados em baias cobertas, onde posteriormente seguiram para o sistema de classificação e dosagem. Após definida

23 22 procedência e composição química, foram estocados e dispostos para consumo diário em pilhas específicas. Resíduos Carbonosos: Estes resíduos também foram recebidos por caminhões, e estocados em pátios cobertos, de acordo com a sua composição química. 3.3 Dosagem e Mistura Para preparação das misturas, o minério, a carepa, os finos de carvão e o pó de balão, foram dosados e pesados. Para isto, foram transferidos da área de recebimento para seus respectivos silos de dosagem. Na sequência da pesagem, os materiais foram então transferidos para o misturador para homogeneização da mistura. Mistura seca: 70s Mistura úmida: 80s Ligante Figura 12 - Preparação da mistura 3.4 Briquetagem A mistura preparada com homogeneidade e umidade ideais foi então transferida para as briquetadoras para produção dos briquetes autorredutores.

24 23 Na saída das briquetadoras os briquetes foram classificados para remover os finos e briquetes com defeitos de fabricação (quebrados e/ou menores do que 15 mm), na sequência foram levados para o secador de briquetes para retirada do excesso de umidade, bem como cura para ganho de resistência mecânica. Figura 13 - Circuito de briquetagem Após a saída do secador, os briquetes secos foram transferidos para os silos de armazenamento, os quais alimentam as correias transportadoras de carregamento do forno. 3.5 Forno Tecnored A carga do forno é constituída basicamente do aglomerado e do combustível (coque, carvão mineral e briquete autorredutor), as quais são transportadas para o topo do forno por correias transportadoras, e posteriormente distribuídas ao longo do reator. O processamento da carga de briquetes, associada com a queima do combustível pela oxidação do carbono (C + O 2 = CO 2 ), reação esta altamente exotérmica garantindo um perfil de calor na ordem de 2000 C, energia suficiente para redução e fusão da carga de briquetes, resultando como produtos na saída do forno: metal líquido (com temperatura de 1350 a 1430 C) e composição química do ferro gusa conforme tabela 5, escória e gases de topo. Tabela 5 - Composição química típica do ferro gusa Produto %Fe %Si %Mn %P %S %C Ferro Gusa 95 0,2 a 1,0 0,04 0,07 0,20 3,5 a 4,2

25 24 Figura 14 - Fluxograma simplificado do processo Tecnored O metal é então dessulfurado na saída do forno, seguindo para a roda de lingotar e depois para estoque, enquanto a escória é granulada com jato de água imediatamente após a saída do reator, em seguida transportada para os seus respectivos lotes. O gás gerado é reaproveitado em regeneradores para aquecimento do ar insuflado e secagem dos briquetes. No intuito de mostrar o potencial do uso de metal líquido nos fornos elétricos, obtido por meio dos resíduos siderúrgicos gerados, foi desenvolvido um trabalho de pesquisa, por meio de entrevistas e preenchimento de tabelas e planilhas referente aos dados reais de processo, com técnicos operacionais e equipe de processo dos fornos estudados. Correlacionou-se informações de processo em situações típicas de corrida de fornos elétricos com carga de metal líquido variando de 0 a 30%. As informações reais de operação foram levantadas para o FEA (a) na região norte do país localizada no distrito industrial de Marabá- PA, e para o FEA (b) na região sudeste com operação no Estado de São Paulo. Tabela 6 - Dados dos Fornos Elétricos Forno elétrico Região Volume do forno Produção Carga FEA (a) Norte 57m³ 44ton Sucata + Gusa líquido FEA (b) Sul/Sudeste 110m³ 85ton 100% sucata

26 25 FEA (a) FEA (b) Figura 15 - Distância entre as regiões Fonte: Google Maps

27 kwh/ton 26 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Nesta etapa do trabalho, serão apresentados os resultados obtidos através da análise de dados reais de processo comparando dois fornos elétricos em regiões distintas, com e sem uso de gusa líquido na carga do FEA, mostrando o real valor em uso do gusa líquido produzido por meio da tecnologia Tecnored com os resíduos oriundos da própria cadeia de produção, principalmente no que tange a redução do consumo de energia elétrica, power off 1 das corridas e tempo de duração das corridas, com foco no ganho de produtividade. 4.1 Energia Elétrica Os valores representados na figura 16 demonstram o consumo típico do FEA (b), com a carga composta exclusivamente de sucata e gusa sólidos, e FEA (a) com 30% da carga com gusa líquido. Consumo de Energia FEA (kwh/t) FEA (100% Sucata) FEA ( Gusa Líquido_30%) Média mensal Figura 16 - Comparativo de consumo de energia em kwh/t A adição de gusa líquido na carga do forno elétrico, em substituição parcial a carga de sucata, nos mostra um enorme potencial na redução do consumo de energia elétrica, o gusa líquido fornece calor adicional ao processo, tal que a adição de 30% de metal líquido com temperatura média em torno de 1400 C, garante a redução de 26,70% no consumo de energia em kwh/t de aço produzido, quando comparamos o pior cenário de consumo do FEA (100% 1 Power off Paradas do forno elétrico para carregamento de sucata

28 Energia (KWh/t) 27 de sucata), com a média de consumo do FEA (Gusa líquido_30%), isto representa uma redução de 3,80 kwh/t por ponto percentual de gusa líquido adicionado na carga, como podese visualizar na figura 18. Figura 17 - Fluxo operacional do gusa liquido 440 Consumo de energia Vs % Gusa Líquido na carga % 5% 10% 15% 20% 25% 30% %Gusa Líquido na carga do FEA Figura 18 - Redução do consumo de energia no FEA com adição de gusa líquido na carga 4.2 Power Off Na operação dos fornos elétricos a densidade da sucata em ton/m³, é normalmente o que define a quantidade de cestões que devem ser carregados no FEA para completar a corrida, o impacto destes consecutivos carregamentos, está diretamente ligada a perda de tempo e elevação no custo de produção em virtude do maior consumo de energia elétrica, estimado para cada carregamento um valor em torno de kwh/ton (John, 2009). O uso de gusa

29 Intervalo de corrida (minutos) minutos/corrida 28 líquido na carga do FEA reduz a quantidade de carregamentos e, por conseguinte, o número de paradas para este fim. Haja vista, a densidade da sucata pode variar em torno de 0,6 a 0,8 ton/m³, em contrapartida o metal líquido possui valor de densidade em torno de 6,9 ton/m³. A figura 19 exemplifica a redução no power off nos dois casos estudados. FEA (100% Sucata) Power Off (min/corrida) FEA (Gusa Líquido_30%) Média mensal Figura 19 - Redução no Power off do FEA com adição de gusa líquido na carga 4.3 Intervalo de Corrida A análise seguinte faz uma correlação entre o intervalo de corrida no FEA (a) com capacidade de produção de 44 ton/corrida, nos instantes em que trabalhou com carga sólida (100% de sucata), e períodos de operação com 30% de gusa líquido na carga metálica, figura 20. Duração das corridas no forno elétrico 50 FEA (100% Sucata) FEA (Gusa Líquido_30%) Figura 20 - Influência do gusa líquido no intervalo de corrida, média mensal

30 29 Nota-se um ganho representativo nos intervalos de corrida quando comparamos o FEA com e sem gusa líquido na carga, entre 36 a 32 min e 45 a 40 min, respectivamente. Desta forma, é possível prospectar o ganho de produção e a redução no consumo de energia elétrica do forno. A tabela 7 demonstra os valores de mercado para energia elétrica, a qual foi estipulado uma média ponderada para o seu valor em R$/MWh, neste caso também adotou-se que o FEA em estudo terá sua operação interrompida no horário de pico, prática adotada em diversas empresas, em virtude do custo da energia neste período inviabilizar os gastos de produção, levamos em consideração também o valor de venda do aço, desta forma pode-se inferir sobre alguns aspectos relacionados a geração de valor com essa proposta de mudança. Ressalta-se que o estudo para o cenário a seguir, mostrando os ganhos de produtividade e consumo de energia elétrica, foi realizado a partir de dados e informações do FEA (a) nos instantes em que trabalhou com carga sólida (100% sucata) e com metal líquido na carga, para padronizar a análise adotou-se os maiores consumos atingidos durante a operação em ambos os casos. Tabela 7- Estudo Comparativo de Operação FEA (a)_100% Sucata FEA (a)_sucata + 30% Gusa Líquido Produção ton/corrida 44 Produção ton/corrida 44 Disponibilidade % 80 Disponibilidade % 80 Dias de Operação dias 30 Dias de Operação dias 30 Tempo real de produção horas 616 Tempo real de produção horas 616 Intervalo de corrida minutos 45 Intervalo de corrida minutos 35 Numero de corridas dia 27 Numero de corridas dia 35 Numero de corridas mês 821 Numero de corridas mês 1056 Produção ton/mês Produção ton/mês Consumo energia MWh/mês Consumo energia MWh/mês Custo mensal energia R$ Custo mensal energia R$ Ganhos Estimados Ganho de produção ton/mês Custo da tonelada R$ 600,00 R$/ton Receita com Produção R$ R$/mês Receita c/ produção $ US$/ano Gasto c/ energia $ US$/ano Margem $ US$/ano Redução c/ gusa líquido 43,63 US$/ton Para o caso acima, foi fixado a disponibilidade em torno de 80% do FEA para ambos os casos, a fim de avaliarmos os ganhos de produção nas duas condições de operação. Os resultados mostram que o metal líquido na carga do forno elétrico, além de reduzir o intervalo de corrida, também garante um aumento expressivo de 28,6% na produtividade do FEA

31 KWh/t % 30 durante operação, valor este que representou um ganho em torno de 343 ton de aço/dia para o exemplo citado. No que tange ao consumo de energia, tivemos um acréscimo em torno de 1,5%, para o FEA (a) com 30% de gusa líquido na carga, em virtude do aumento do ritmo de produção, passando de MWh/mês para MWh/mês. A figura 21 mostra a prospecção de produção e consumo de energia do FEA para os diversos mix de carga, com valor máximo de 30% para carga líquida. Através do qual pode-se inferir que o uso de metal líquido na carga do FEA, garante uma condição inversamente proporcional entre produtividade e consumo de energia elétrica, corroborando a ideia de que a energia fornecida ao processo por meio do metal liquido, torna extremamente competitiva as aciarias elétricas e, por conseguinte, o aço de sua cadeia produtiva. Consumo de energia x Produtividade Consumo de energia Ganho de Produção % % % % % % % 250 0% 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% % Gusa Líquido na Carga Figura 21 - Projeção de consumo e produtividade através do % de metal líquido Desta forma, o reuso e reaproveitamento dos resíduos siderúrgicos, os quais são gerados durante a produção do ferro gusa em Altos-Fornos, assim como nas aciarias elétricas durante a fusão e refino do metal, mostra o potencial do processo Tecnored, quanto a eficiência em transformar materiais que anteriormente não possuíam um sistema capaz de absorver toda esta

32 31 demanda de geração de resíduos, criando gigantescos passivos ambientais a céu aberto, em metal líquido para a cadeia de transformação mineral, bem como a sua eficácia de criar um sistema fechado de circulação de resíduos sólidos, reduzindo o impacto ambiental no tocante as atividades de extração mineral. Haja vista, esta reutilização dos resíduos siderúrgicos minimiza a retirada dos recursos minerais não renováveis. 4.4 Considerações econômicas Atualmente o investimento inicial de uma planta Tecnored, está em torno de US$ 400 por tonelada instalada, para o caso estudado será necessário uma planta com capacidade anual de ton/ano, isto implicará em um CAPEX inicial de US$ ,00, considerando 15% de fator de segurança para o projeto. O ganho de produção alcançado no forno elétrico com metal líquido representa aproximadamente ton/mês, gerando um caixa adicional de US$ por ano. Em contrapartida tivemos um acréscimo de US$ no consumo de energia anual, por conta de um maior ritmo de produção, gerando um fluxo de caixa em torno de US$ levando em consideração estes valores, podemos analisar o prazo de recuperação do capital investido com a implantação do forno Tecnored, em 3,60 anos conforme tabela 8, a qual representa o payback simples para o investimento. Tabela 8 - Cálculo do payback simples ANO FL CX FL CX ACUM 0 $ ,00 1 $ ,00 $ ,00 2 $ ,00 $ ,00 3 $ ,00 $ ,00 4 $ ,00 $ ,00 PAYBACK 3,60 anos Importante ressaltar que os pontos econômicos citados, foram sinalizados em fatores intrinsicamente ligados a proposta. Contudo, é extremamente possível que tenhamos outros lucros em etapas posteriores do processo. Todavia, os resultados levantados são dados práticos e podem ser considerados para mensurar os resultados econômicos a serem atingidos.

33 32 5 CONCLUSÕES O domínio da tecnologia de briquetagem dos resíduos siderúrgicos torna altamente viável a recirculação destes subprodutos gerados na produção do aço e ferro gusa, sendo capaz de produzir aglomerados com características físicas e mecânicas satisfatórias para o processo de redução e fusão. A tecnologia Tecnored com suas particularidades e flexibilização quanto a absorção destes insumos em seu processo produtivo, assegura a possibilidade de transformar os resíduos siderúrgicos, em matéria prima para fabricação de metal líquido, tornando cada vez mais sustentável o crescimento da indústria neste segmento, mostrando uma rota ambientalmente correta e consolidada, com uma cadeia composta por briquetagem, e forno para redução e fusão. O uso do metal líquido proporciona uma redução nas paradas programadas para carregamentos de sucata no FEA, principalmente por possuir densidade em torno de oito vezes maior que a sucata, facilita a preparação da carga de fusão. Outro ponto que podemos destacar está ligado a redução no intervalo entre corridas, variando de 35 a 45 minutos para operações com uso de metal líquido, e operação com 100% de sucata, respectivamente. Todavia, parte da carga no forno elétrico já se encontra fundida eliminando desta forma o tempo de fusão. O uso de metal líquido com 30% na carga do forno elétrico em substituição parcial da carga de sucata garante uma redução no consumo de energia na ordem de 26,7%, representando um valor específico de 3,80 kwh/t por ponto percentual de gusa líquido na carga, com ganho de produtividade em torno de 28,6%. Demonstrando que as variáveis analisados seguem caminhos inversos durante a operação. Isto garante uma redução em torno de US$ 43,00/ton de aço produzido.

34 33 REFERÊNCIAS BAGATINI, M. C. Estudo de Reciclagem da Carepa através de Briquetes Autorredutores para uso em Forno Elétrico a Arco. Tese (Doutorado em engenharia de materiais) Universidade do Rio Grande do Sul, CUNHA, A. F.; FILHO, G. A.; JÚNIOR, A. M.; ASSIS, P.S. Aspectos técnicos da utilização da carepa gerada em processos siderúrgicos e tratada por desagregação ultrasônica. Revista Metalurgia & Materiais, São Paulo, v. 3, n. 2, p. 1-5, out.- dez D Abreu, J. C.; MOURÃO, M. B.; COSTA, P. H. C.; JÚNIOR, J. H. N.; MARCHEZE, E. Curso de Auto-redução Carbo-metalotérmica 7 Simpósio Brasil Japão, EPA 3050b, disponível em acessado em 25/10/2016. JOHN, A. L. Melhorias no desempenho dos injetores supersônicos em operação em um forno elétrico a arco. Dissertação. PPGEM: UFRGS, MASUERO, A.B.; A.C. VILELA e D. DAL MOLIN. Emprego de Escórias de Aciaria Elétrica como Adição a Concretos. Seminário Nacional sobre Reuso/Reciclagem de Resíduos Sólidos Industriais, São Paulo, NOLDIN Jr, J. H.; D ABREU, J. C. Contribuição ao estudo da cinética de redução de briquetes auto-redutores. Dissertação de mestrado Pontifícia Universidade Católica, do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, NOLDIN JUNIOR, J. H; D ABREU. Flexibilidade de Matérias-primas no Processo Tecnored. Tecnologia em Metalurgia e Materiais, v. 3, n. 3, p.22-24, 2007.

35 32 Autorizo cópia total ou parcial desta obra, apenas para fins de estudo e pesquisa, sendo expressamente vedado qualquer tipo de reprodução para fins comerciais sem prévia autorização específica do autor. Autorizo também a divulgação do arquivo no formato PDF no banco de monografias da biblioteca institucional. André Silva da Luz Pindamonhangaba, dezembro 2016