Um alto-forno é uma instalação industrial destinada a desoxidar e fundir simultaneamente os metais contidos em um minério , pela combustão de um combustível sólido rico em carbono . Normalmente, o alto-forno transforma minério de ferro em ferro fundido fundido , queimando coque que serve como combustível e agente redutor . Embora o ferro fundido produzido seja um material em si, esta liga é geralmente destinada a ser refinada emsiderúrgicas .
O alto-forno produz fundição de ferro-gusa , ao contrário do fundo do forno , que produz uma lente de ferro sólido. No entanto, é uma evolução direta, mas não se generalizou até que soubéssemos como valorizar o ferro fundido produzido. Assim, a China vem desenvolvendo a partir do século I o uso de alto-forno ao longo da fundição . O Ocidente vai adotá-lo após a XII th século, com o desenvolvimento de métodos de refinação de ferro fundido de aço naturais . Foi aí que ele evoluiu para sua forma atual, com o uso generalizado de coque e o pré-aquecimento do ar de combustão contribuindo para a primeira revolução industrial .
Tendo se tornado uma ferramenta gigante, sem que seu princípio fundamental mudasse, o alto-forno é agora um conjunto de instalações associadas a um forno. Apesar da idade do princípio, o todo continua sendo uma ferramenta extremamente complexa e difícil de dominar. Sua eficiência térmica e química excepcional lhe permitiu sobreviver até o início do XXI th século, as alterações técnicas que marcaram a história da produção de aço .
Seja “catedral de fogo” ou “estômago”, o alto-forno também é um símbolo que muitas vezes resume um complexo de ferro e aço . No entanto, é apenas um elo: localizado no coração do processo de fabricação do aço , deve estar associado a uma coqueria , uma fábrica de aglomeração e uma siderúrgica , fábricas que são pelo menos tão complexas e caras. Mas o desaparecimento dessas fábricas, regularmente anunciado em função do andamento da aciaria elétrica e da redução direta , ainda não está previsto.
Do ponto de vista do léxico , a história da palavra de certa forma precede a história do objeto. Nós de fato "de alto-forno" reunidos na XV th século, mas até o XIX th século, este nome regularmente ao lado de outros nomes como "forno", "fornalha de ferro", "forno de fusão", "grande forno", "High fogão" , etc. Todos esses nomes se referem a um forno de fundição, em oposição a um forno de lupa . Mas as alturas, que variam de 5 a 20 metros, não determinam o nome. Nas pesquisas, muitos fornos são realmente mais altos do que os altos-fornos . Não foi até meados do XIX ° século, o objeto se junta ao nome. Como escreve Roland Eluerd : “Polido por quatro séculos de história, o nome alto-forno pode se tornar o puro símbolo da modernidade, um presente esplêndido do passado no vocabulário de uma indústria siderúrgica onde o forno, elevado a mais de quarenta metros, é verdade sinal da empresa, sem dúvida se tornaria o alto- forno. "
O francês corresponde, portanto, à denominação Hochofen do Francique . Por outro lado, a palavra em inglês alto-forno se refere a uma característica fundamental do alto-forno, a injeção forçada de ar de combustão, o “vento”.
A primeira ferramenta de redução de minério foi o alto-forno . Em sua forma mais primitiva, chamada de “baixa lareira”, é um buraco no solo com cerca de 30 cm de diâmetro, preenchido com carvão e minério. O fogo é geralmente alimentado por um fole construído com um acréscimo de couro. Ao cabo de dez horas, demole-se o forno e recupera-se uma lupa incandescente, do tamanho de um punho, mistura heterogênea de ferro mais ou menos reduzida e de escória. Apesar da temperatura ter atingido entre 700 e 900 ° C , é suficiente para a redução de minério de ferro, é medida a partir da temperatura de fusão do ferro, 1535 ° C .
A evolução para o forno de fundo “clássico” consiste em elevar a construção e dotá-la de uma abertura lateral na sua base para facilitar o fornecimento de ar. Uma chaminé curta facilita a recarga do forno durante a operação, ao mesmo tempo em que ativa a tiragem. São atingidas temperaturas de 1000 a 1200 ° C e a escória, que se tornou líquida, pode ser extraída pela abertura.
O teor de ferro dessa escória, chamada escória , diminui com o aumento da temperatura. O fogo é então alimentado reforçando a tiragem natural aumentando a altura inclinando, por exemplo, a construção contra um declive. Da mesma forma, os foles permitem um suprimento de ar mais eficiente e melhor controlado. Esses fogões de “tiragem natural” e “fole” produzem uma lupa pesando de alguns quilos a vários quintais ao final de uma campanha de 4 a 20 horas. Esta lente de aumento é imediatamente removida de pedaços de carvão e escória alternando-se a amarração com vários reaquecimentos e, finalmente, forjada para obter os objetos desejados. Na Europa Ocidental , as instalações e as forjas adjacentes, dizer "fazendas de raposas" continuam a ser generalizados até o XVIII th século. Em seguida, empregavam de 5 a 10 homens, a capacidade dos altos-fornos da época girava em torno de 60 a 120 t de burls por ano, e consumiam 270 kg de carvão por 100 kg de ferro.
O Japão importa a parte inferior do forno do continente para o VIII º século. A técnica é aperfeiçoada até que termina no XV th século, o tatara . A configuração do forno muda conforme o produto procurado: tataras de 0,9 a 1,2 m de altura são destinadas à fabricação de aço; além de 1,2 m, eles produzem ferro fundido branco que só é extraído do forno depois de solidificado. A baixa permeabilidade das areias ferruginosas utilizadas limita a altura a 1,6 m e, portanto, bloqueia o movimento em direção ao alto-forno. Utilizado até o início do XX ° século, tatara , em sua forma final, é uma estrutura industrial perene dedicados à exploração de um forno em forma de imersão, e produzir algumas toneladas de metal no curso de uma campanha de cerca de 70 horas, para que deve ser adicionado à construção do forno.
Na África , os vestígios mais antigos de fornos de ferro e aço são burls de ferro e carbono descobertos na Núbia (principalmente em Meroe ) e em Aksum , e datados de 1000 a 500 aC AD . Low projectos de fogões naturais são utilizados no continente até o início do XX ° século. Alguns, com altura de 1 a 3 m , são construídos em cupinzeiros devidamente escavados e nos quais é construída uma fornalha de barro. Os bicos cerâmicos inseridos na base do forno permitem um adequado fornecimento de ar. Após cerca de vinte horas, colhemos uma lupa do tamanho de uma bola de futebol. Esses altos-fornos, típicos do país de Bassar, no Togo , utilizam o minério muito puro de Bandjéli .
Os chineses estão começando a derreter o ferro da V ª século aC. BC durante o período dos Reinos Combatentes durante os quais ferramentas e armas agrícolas por derretimento tornar-se predominante, enquanto os fundadores da III ª século aC. AD emprega equipes de mais de duzentos homens.
O ferro, obtido a partir de uma lupa obtida em alto-forno, é então fundido em fornos semelhantes aos de cúpula . Mas quando o ferro quente entra em contato com o carvão, ele absorve o carbono contido no combustível até ficar saturado. Obtém-se então o ferro fundido, mais fácil de fundir que o ferro, homogêneo e isento das impurezas presentes na lupa. Os chineses desenvolveram o desenvolvimento de todos os compostos de ferro: além do refino e mazéage ferro fundido, é produzido no I st século aC. AD do aço misturando ferro e ferro fundido.
Em 31 DC AD , o chinês Du Shi melhora a ventilação com o uso de força hidráulica para mover o fole. A combustão é os primeiros altos-fornos que produzem ferro directamente a partir do minério, apareceu na China no mais forte e eu st século, durante a dinastia Han . Esses altos-fornos primitivos são construídos de argila e usam um aditivo, uma "terra negra" contendo fósforo (possivelmente vivianita ) como fundente . O beneficiamento do Du Shi também permite que o ar de combustão passe por uma carga maior e os fornos atinjam dimensões imponentes: os restos de um cadinho oval de 2,8 × 4 m colocado sobre uma base de terra de 12 × 18 m , com restos de instalações periféricas (canal, mecanismo de içamento de minério, foles, etc. ) foram encontradas. Esse aumento de tamanho, característico do “alto-forno”, contribui para a obtenção de uma temperatura mais elevada.
Durante a dinastia Han , a técnica se desenvolveu, a indústria do ferro foi até nacionalizada . O uso de altos-fornos e fornos de cúpula permaneceu generalizado durante as dinastias Tang e Song . No IV th século, a indústria de ferro chinês limita o desmatamento adotando o carvão para derreter ferro e aço. Porém, se os processos desenvolvidos garantem a ausência de contaminação do metal pelo enxofre contido no carvão, não há vestígios de uso combinado do carvão com o alto-forno. Com efeito, apenas o carvão vegetal tem qualidade compatível com o uso no alto-forno, pois deve estar em contato com o minério para poder cumprir seu papel de agente redutor.
Em XIX th século, estes fornos têm a forma de um cone truncado invertido, 2 m de altura, um diâmetro interno 1,2-0,6 evoluindo m a partir do topo para a base. As paredes são de barro e reforçadas com treliça de ferro. A lareira pode ser inclinada aproximadamente 30 ° para uma colheita mais conveniente do ferro fundido. É carregado com limonita ou minério de ferro carvão e, dependendo da construção, com carvão vegetal ou coque. O vento é injetado por um soprador de pistão. Esse aparelho produz então 450 a 650 kg de ferro fundido por dia, com um consumo de 100 kg de coque por 100 kg de ferro produzido.
Esta tecnologia não desaparece no início do XX ° século. Por volta de 1900, um alto-forno semelhante pode ser encontrado em Bulacan , nas Filipinas . Ainda mais tarde, o "alto-forno no pátio" defendido por Mao Zedong durante o Grande Salto para a Frente é desse tipo. A experiência é uma falha técnica apenas em regiões onde o know-how não existe, ou já desapareceu.
Na EuropaO forno é baixa, ao longo dos Idade Média , um processo nômade que constrói dependendo afloramentos de minério e disponibilidade de combustível, mas no início do XIII th século, fogões parecem ser mais eficazes. Estes, ao usarem energia hidráulica para soprar o ar de combustão, tornam-se maiores e usam melhor o combustível. Esses "fornos de massa" são altos-fornos cujo tanque é preservado: a lupa é extraída por uma grande abertura na base do forno. Um exemplo bem sucedido este tipo de fornalha é o Stückofen , de secção quadrada e alvenaria, que é de 4 m na Idade Média, até 10 m no XVII th século, para as Vordernberg em Styria , em seguida, um centro da Europa Central ferro fundido Produção. Capazes de atingir temperaturas em torno de 1.600 ° C , esses fornos podiam derreter metal parcial ou totalmente. Chamados neste último caso de Flussofen (ou seja, “fornos de fusão”), são autênticos altos-fornos que produzem ferro fundido fundido.
Este, o forno inferior a um forno de massa tão avançada, que pode produzir ferro fundido, ocorre na Europa em vários locais do XII th ao XV th século. O local exato e a data de aparecimento dos primeiros altos-fornos ainda não foram estabelecidos com certeza: os mais antigos altos-fornos europeus atestados são vestígios de Lapphyttan , na Suécia , onde o complexo esteve ativo de 1150 a 1350 . Em Noraskog, na freguesia sueca de Järnboås , também foram encontrados vestígios de altos-fornos ainda mais antigos, possivelmente datados de 1100. Na Europa continental, as escavações desenterraram altos-fornos na Suíça , no vale de Durstel perto de Langenbruck , e datados entre XI th e XIII th séculos. Também tem sido identificada na Alemanha um forno de produção de ferro fundido (um Flussofen ) no vale Kerspe datada de 1275 e, no Sauerland , altos-fornos e original datada XIII th século. Finalmente, na França e na Inglaterra, os cistercienses estudaram e propagaram as melhores tecnologias metalúrgicas: a eficiência de seus fornos de massa acabou sendo muito próxima à de um alto-forno.
A transmissão de tecnologia da China para a Europa é possível, mas nunca foi demonstrada. No XIII th século, Al-Qazwini notar a presença de uma indústria de ferro nas montanhas Alborz sul do Mar Cáspio , cujas técnicas poderia acontecer pela Rota da Seda . Essa tecnologia poderia então ter se espalhado para a Europa, para a Suécia, seguindo a rota comercial de Varègues ( Rus ' ) ao longo do Volga , ou para o norte da Itália onde, em 1226, Le Filarète descreveu um processo em dois tempos em Ferriere , com um alto-forno cujo ferro fundido era despejado duas vezes por dia na água para fazer um pellet.
Se é mais provável que o alto-forno tem aparecido na Escandinávia e em outros lugares, independentemente de invenções chinesas, a generalização do alto-forno na Europa começou no borgonhesa Holanda entre Liège e Namur no meio da XIV ª século. É o desenvolvimento de um processo eficiente de refino do ferro fundido, o " Método Valão ", que permite a produção massiva de aço natural . A partir daí, os altos-fornos se espalharam pela França, no país de Bray (Normandia), depois na Inglaterra, em Weald ( Sussex ).
No XVI th século, as necessidades de artilharia , impulsionadas pelo sucesso da arma para a batalha de Marignan , vai acelerar a criação de grandes forjas aquecido com lenha. 20 a 30 são construídos a cada ano, além dos 460 já existentes. Em 1546, François 1 r tido para reduzir o número de limitar a destruição de florestas. Bacias estão surgindo, especialistas nesta atividade. Liège se torna o centro metalúrgico da Europa.
Ao contrário dos chineses, se "os europeus fizeram o elenco na Suécia ao XIII th século, eles não usado para fazer peças fundidas . Não temos panelas, frigideiras (para cozinhar), sinos ou pratos de lareira datados desse período. “ Além do desenvolvimento de métodos de fusão de refino (métodos Walloon, Champagne, Osmond , etc. ), a atividade se torna cada vez mais capital . As necessidades de madeira e minério, bem como a disponibilidade de energia hidrelétrica, são críticas. Em 1671, os altos-fornos de Putanges , na Baixa Normandia , foram vendidos em bloco por 500 libras , a serem substituídos por um alto-forno alugado 1.200 libras por ano. Esta restrição explica a baixa sobrevivência de fogões melhorados, como a forja catalã que, em França , desaparece no início do XIX ° século, quando Thomas processo spreads.
A produção de ferro fundido, assim como sua conversão em ferro, permanece muito limitada por suas necessidades de madeira. O consumo de combustível é considerável: para se obter 50 kg de ferro por dia, são necessários 200 kg de minério e 25 metros cúbicos de madeira por dia ; em quarenta dias, uma única mina de carvão limpa uma floresta em um raio de 1 km . Isto coloca nenhum problema, desde que as clareiras são úteis para o desenvolvimento da agricultura, mas o XIII th século, um limite é atingido: as florestas mantêm um papel importante nutrir, a madeira é essencial para a construção e aquecimento e nobreza obtiver rendimentos da exploração madeireira. Consequentemente, o corte de madeira torna-se cada vez mais regulamentado.
Carvão, como combustível e agente redutor, havia sido adotado pelos chineses durante o período dos Reinos Combatentes da IV ª século aC. AD . Apesar de terem desenvolvido um forno de carvão em que o combustível não entrar em contacto com o ferro, e o carvão foi amplamente utilizado, além de madeira nas forjas no XVIII th século, a substituição de madeira de carvão por esta rocha em um alto-forno deu apenas ferro fundido de baixa qualidade.
Na verdade, o carvão duro contém elementos que, por falta de pós-tratamento adequado ( grade ), modificam a qualidade do ferro fundido. O silício , limitando a solubilidade do carbono no ferro, provoca a formação de lamelas de grafite que enfraquecem o metal. O enxofre é mais problemático: é um elemento que se fragiliza e se enfraquece quando seu teor ultrapassa 0,08%. Quando se combina com o manganês , comum nos minérios de ferro, degrada consideravelmente as qualidades dos aços. Ao contrário do silício, a extração do enxofre dissolvido no ferro líquido é difícil porque não pode ser consumido pelo ar.
Abraham Darby realizou em 1709 a primeira fundição de ferro fundido com coque , no pequeno alto-forno de Coalbrookdale que havia alugado:
“Ocorreu-lhe que era possível fundir o ferro no alto-forno com carvão e, a partir daí, tentou primeiro usar carvão bruto, mas não deu certo. Ele não estava desanimado, virou o carvão em cinzas, como é feito com malte kilning , e, finalmente, obtido satisfação. Mas ele descobriu que apenas um tipo de carvão era mais adequado para fazer ferro de boa qualidade ... ”
- TS Ashton , Ferro e Aço na Revolução Industrial
Comunicando muito pouco sobre os detalhes do processo, os Darbys aprimoram continuamente o processo e a qualidade do ferro fundido produzido. Por volta de 1750, Abraham Darby II conseguiu converter seu ferro fundido a coque em aço de boa qualidade. Mas antes da generalização do empoçamento no início do XIX ° século, há então nenhum processo capaz de converter qualquer fusão ocorreu. A adoção do molde moldado para fabricar objetos duráveis e baratos é um componente chave da Revolução Industrial .
A generalização do coque é lenta, tanto pela sua qualidade muitas vezes medíocre e pela relutância de certos mestres da forja , mas também pelo protecionismo praticado pelos países produtores (França, Alemanha, etc.) em relação à expansão da Indústria siderúrgica britânica. Em 1760, o Reino Unido ainda tinha apenas 17 altos-fornos com coque, mas 20 anos depois, o novo processo se generalizou por lá.
De fato, libertando-se da baixa disponibilidade de carvão, a produção britânica de ferro fundido está explodindo. Em 1809, um século após a invenção da fundição de coque, a produção anual atingiu 400.000 toneladas, enquanto a da fundição de carvão oscilou entre 15.000 e 25.000 toneladas no mesmo período. Após essa data, os altos-fornos a carvão vegetal desapareceram do país, enquanto na França e na Alemanha, a produção de coque ainda era muito marginal, apesar de alguns testes encorajadores (em 1769 em Hayange e em 1796 em Gleiwitz ). Mas a partir do fim das guerras com a Inglaterra, o processo se desenvolveu no continente. A indústria siderúrgica americana, menos limitada pela disponibilidade de madeira, desenvolverá o uso do antracito , abundante na Pensilvânia , antes de abandoná-lo gradativamente em favor do coque.
No XIX th século, o uso de coque permite uma mudança radical na arte. Além da disponibilidade desse combustível, sua resistência à compressão em altas temperaturas permite manter uma boa permeabilidade ao gás redutor. A altura dos altos-fornos chega então a vinte metros, o que melhora significativamente a eficiência térmica. O aumento de tamanho também altera a aparência do forno: a antiga arquitetura piramidal em alvenaria é substituída por uma construção mais leve e resistente em ferro. Melhor resfriado, o revestimento refratário também dura mais.
Devido à sua qualidade, o ferro fundido a carvão sobrevive, porém, com baixíssima produção. Bessemer , durante o desenvolvimento de seu processo , dedicou-se ao refino do ferro fundido sueco com carvão. No início do XXI th século, ainda existem alguns altos-fornos de carvão vegetal de eucalipto , principalmente no Brasil .
Vento quenteAumentar a produtividade do alto-forno soprando-o com um vento pré-aquecido é um passo lógico: durante a dinastia Han (206 aC a 220 dC ), os chineses faziam o vento de suprimento soprar acima da garganta para recuperar o calor.
No entanto, a técnica está perdida. Só em 1799 um engenheiro chamado Seddeger defendeu a ideia e outro, Leichs, a validou por meio de experimentos de 1812 a 1822. Mas, em 1828, quando o escocês Neilson patenteou o princípio, essas pesquisas foram recebidas com certo ceticismo:
“Sua teoria estava em total desacordo com a prática estabelecida, que privilegiava o ar mais frio possível, sendo a ideia comumente aceita que o frio do ar no inverno explicava a melhor qualidade do ferro fundido então produzido. A partir dessa observação, os esforços dos mestres da forja sempre foram direcionados para o resfriamento do ar soprado, e vários expedientes foram inventados para esse fim. Assim, os reguladores foram pintados de branco, o ar foi passado sobre a água fria e em alguns casos os tubos de injeção foram até rodeados de gelo. Então, quando Neilson propôs reverter totalmente o processo e usar ar quente em vez de frio, a descrença dos ironmasters é facilmente imaginável ... ”
- R. Chambers , Dicionário biográfico de eminentes escoceses
Na verdade, ninguém havia entendido então que a vantagem do ar frio reside apenas no fato de ser mais seco. Mas Neilson, que era um industrial, convenceu os diretores da Clyde Iron Works a realizar alguns testes encorajadores em 1829. Logo se torna capaz de atingir 150 ° C e, três anos mais tarde, Calder Works implementa um aparelho de ar a cerca de 350 ° C .
Mesmo levando em consideração o consumo de combustível do aquecedor tubular, o calor fornecido permite uma economia geral de coque de até um terço ao mesmo tempo em que reduz significativamente o teor de ferro da escória. Finalmente, enquanto os pesquisadores debatem a influência do vento quente no comportamento químico e físico, os fabricantes rapidamente entendem que limitar os requisitos de coque torna possível colocar mais minério no mesmo tanque e reduzir a quantidade de coque. Ao contrário do uso de coque, que levou quase um século para suplantar o carvão, o processo foi adotado rapidamente.
Uma vantagem do dispositivo Neilson é que ele se contenta com carbono de baixa qualidade. No entanto, o poder calorífico dos gases do alto-forno , que se acendem espontaneamente ao sair da garganta , não escapou a ninguém: a partir de 1814, o francês Aubertot os recuperou para aquecer alguns fornos adicionais de sua fábrica. Na verdade, esses gases contêm uma pequena proporção (cerca de 20% na época) de monóxido de carbono , um gás tóxico, mas combustível. Em 1837, o alemão Faber du Faur desenvolveu o primeiro aquecedor de ar a gás de alto-forno.
Resta desenvolver uma instalação de captação de gás no topo que não interfira no carregamento de materiais. A Faber du Faur retira esses gases antes de saírem da carga, por meio de aberturas na espessura do tanque, e os coleta em um tubo anular. As cargas localizadas acima dessas aberturas servem então como um fechamento. Em 1845, James Palmer Budd patenteou uma melhoria, retirando gás de debaixo da garganta. Por fim, em 1850, em Ebbw Vale, surge o sistema de fecho da campainha com campainha, que vai sendo imposto.
Esses gases, que passaram pela carga, devem ser espanados para não entupir os fornos: potes de pó , ciclones e filtros purificam esses vapores a níveis de pó de alguns miligramas por metro cúbico normal . Estas instalações têm em consideração os constrangimentos associados à gestão de um gás tóxico produzido em grandes quantidades.
No entanto, acima de 400 ° C , mesmo as melhores caldeiras de metal degradam-se rapidamente. Para incentivar o desenvolvimento de um aquecedor eficiente, Neilson se contentou com uma modesta royalties de um xelim por tonelada produzida com seu processo.
Enquanto um aparelho de tijolo refratário permite a operação em temperaturas mais altas, a baixa condutividade térmica do material leva à operação baseada no acúmulo e liberação de calor em vez de condução. Com isso em mente, o engenheiro britânico Cowper registrou uma patente em 1857. Os primeiros testes começaram em 1860, nas fábricas da Clarence e permitiam ultrapassar os 750 ° C , mas os tijolos, empilhados em filas escalonadas segundo a ideia de Carl Wilhelm Siemens , não resistiam à ciclagem térmica. Cowper reagiu propondo no mesmo ano melhorias que prenunciavam o forno definitivo: a chama foi afastada dos tijolos, e estes incluíam canais retilíneos.
Se os fornos continuarem a evoluir, são adotados os princípios técnicos que permitem atingir uma temperatura de 1000 ° C graças a uma energia anteriormente não utilizada: os “ cowpers ” tornam-se inseparáveis do alto-forno.
O termo “alto-forno” às vezes designa o próprio forno, mas se refere mais precisamente a todas as instalações relacionadas à operação do forno. Quanto ao forno em si, pode ser chamado de “tanque”, mas sendo o próprio tanque uma parte do forno, o termo “aparelho” é usado para designá-lo.
No início do XX ° século, altos fornos eram frequentemente construído na bateria e foi frequentemente associada com a produção de ferro-gusa, um coque e minério unidade de sinterização . No XXI th século, altos fornos são ferramentas gigantes e separar estas ferramentas a montante.
Uma instalação de alto-forno compreende, portanto, para além do próprio forno, um conjunto de outras instalações essenciais que asseguram a recepção do coque e do aglomerado . Possui oficina de preparação de sólidos, com sistema de alimentação contínua até o topo . A produção do vento e seu reaquecimento formam uma instalação separada, mas intimamente associada à operação do alto-forno. Existem também instalações dedicadas ao tratamento de gás de alto forno , bem como aquelas que gerenciam escória e ferro fundido.
Os materiais que constituem a carga chegam por trem, por barco ou, no caso de usinas integradas, por correias transportadoras da unidade de aglomeração e da coqueria. Os materiais são armazenados, mais ou menos secos, em moegas de concreto ou aço. Um armazenamento ao pé da ferramenta é um requisito estratégico para o "alto-forno do XX ° século é condenado a trabalho contínuo. Só pode ser extinto com as maiores precauções. Seu fechamento, por mais curto que seja, pode arruinar a forja e as indústrias que dela derivam. Por isso mesmo, requer estoques consideráveis de combustível e minério. "
Historicamente, essa necessidade impôs a instalação de usinas siderúrgicas próximas a depósitos de carvão ou minério. Essa proximidade era essencial para a lucratividade até a década de 1970 e explica as diferenças no projeto dos altos-fornos, incluindo as instalações de preparação de carga de muitos altos-fornos atuais.
Qualquer que seja o alto-forno, o aglomerado e o coque são sistematicamente peneirados imediatamente antes do carregamento, para remover os finos criados pelas várias operações de manuseio e que tendem a entupir o forno. Existem também circuitos mais ou menos numerosos para adições, como fundentes ( sílex , minério de ferro rochoso), agentes redutores (coque pequeno ou antracito ), enriquecimento de ferro da alimentação ( sucata , minério de ferro pré-reduzido , pelotas ) e às vezes aditivos especiais ( ilmenita para proteger os refratários, bauxita para aumentar a hidraulicidade da escória granulada, etc. ).
CarregandoDa oficina, o coque e o aglomerado são montados na abertura superior do tanque, o " gueulard ". Se, historicamente, pulsos foram usados, agora usamos apenas pulsos ou correias transportadoras .
O feed de pular é o mais compacto. Os altos-fornos usam saltos com dois saltos associados para contrabalançar. Se o espaço permitir, preferimos instalar esteiras transportadoras de alimentos. Embora só possam subir encostas mais baixas, têm maior capacidade, são mais fáceis de automatizar e danificam menos os materiais.
Fechando a gargantaO gás de alto-forno que sai da garganta é um gás pobre composto essencialmente de nitrogênio (N 2) - vindo dos bicos e que passa pela carga sem reagir, monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO 2) A recuperação deste gás tóxico, mas combustível tornou-se generalizada no meio do XIX ° século, quando Parry desenvolve um obturador cônica permitindo a recuperação de gás sem interromper o carregamento.
No início do XX th século, McKee melhora gueulard Parry através de um sistema de dois sinos sobrepostos, a parte superior distribuir o material, a vedação inferior, o conjunto se comportar como um bloqueio . Esse sistema e suas variantes tornaram-se inevitáveis até a década de 1970. Nessa época, com o aumento do diâmetro e da pressão dos altos-fornos, tornavam-se necessárias gargantas de 3 ou 4 sinos pesando cada um até 120 toneladas: a tecnologia então atingiu o seu limite.
A invenção do sino sem sino pela empresa luxemburguesa Paul Wurth , no início dos anos 1970, marcou um avanço no design dos altos-fornos modernos. É constituído por um ou mais silos que, após serem pressurizados pelo alto-forno, drenam gradativamente para o alto-forno, sendo a queda dos materiais canalizada por uma calha orientável. Enquanto sinos forno superior ainda existem no início do XXI th século, o alto-forno, sem sino e seus derivados estão se espalhando desde então. Com efeito, embora mais complexa que os sinos, a sua leveza e flexibilidade são essenciais para o abastecimento dos altos-fornos gigantes (a mais de 8.000 toneladas por dia), enquanto a sua estanqueidade permite operações a alta pressão ( 3 bar). produtividade do tanque.
O reator de alto-forno (também chamado de “forno”, “tanque” ou “dispositivo”) herda a forma de chaminé de seus ancestrais , que promove tanto a tiragem quanto o contato entre os materiais e o gás. Esta chaminé muda de seção para acompanhar as modificações pelas quais o minério sofre à medida que desce: expansão térmica , contração devido à sinterização do minério e finalmente derretimento . As formas ideais foram, e ainda são, determinadas empiricamente, a partir de observações de fornos em final de vida; assim, a seção circular se impôs apesar de sua construção mais delicada, e a barriga criada nas áreas de desgaste:
“O perfil que deve ser dado a um recuperador é obviamente aquele que vai assumir depois de algumas semanas de funcionamento e que se manterá ao longo do tempo em que o ritmo for regular. "
- E.-L. Grüner, Tratado sobre metalurgia
Embora a diversidade de perfis tenha sido justificada pelas peculiaridades dos minerais locais (mais ou menos permeáveis, ricos ou fusíveis) e combustíveis (altos-fornos a carvão vegetal podem ser reconhecidos por seu pequeno cadinho), a forma geral do reator tende a homogeneizar, seguindo nisso a generalização do uso de ricos minérios importados e a compreensão das reações metalúrgicas.
O cadinho é especial porque coleta os líquidos da fundição do minério, que se infiltram no coque não queimado, enquanto o restante do tanque vê apenas sólidos e gases. Assim, o cadinho era, até recentemente, independente do tanque. Quando colocado nas colunas, o alto-forno é denominado " madrasta ". Essas colunas complicam a acessibilidade ao poço e os problemas de vedação entre as duas partes sendo críticos, este projeto foi gradualmente abandonado desde 1960, em favor de tanques em um único elemento: o alto-forno é dito ser "autossustentável . ".
Dimensões“Este reator, o maior de todos os reatores industriais”, trabalha contra a corrente (gases quentes sobem e materiais frios caem). A sua altura assegura uma excelente desempenho térmico, maior do que 70%, mas limitada pela resistência ao esmagamento de minério sinterizado , que se estabilizou em cerca de 30 metros a partir da extremidade de XIX th século. A sua capacidade de produção, que depende do seu volume interno, pode, portanto, resumir-se ao seu diâmetro interno, considerado ao nível dos bicos ou do cadinho. Essa superfície circular é um gargalo que limita as reações porque é aí que a velocidade de subida dos gases é máxima (por causa de sua temperatura): ela então se opõe à descida dos materiais que derretem: uma produtividade de 75 toneladas / m 2 / dia é o limite em 2012.
Região e época |
Ø cadinho d (m) |
Alto. H (m) |
Voar. útil (m 3 ) |
Produção (t / d) |
|
---|---|---|---|---|---|
1) | 1861 | 0.9 | 15,3 | 64 | 25 |
2) | Especificações do ferro fundido da Alemanha . Década de 1930 |
4,5 | 20,0 | 425 | 450 |
3) | Aço fundido da Alemanha e Thomas 1961 |
6,5 | 24,0 | 900 | 1.200 |
4) | FRG 1959 | 9,0 | 26,1 | 1.424 | > 2.000 |
5) | URSS 1960 | 9,8 | 29,4 | 1.763 | 4000 |
6) | Japão 1968 | 11,2 | 31,5 | 2 255 | 6.000 |
7) | Alemanha 1971/72 | 14,0 | 36,7 | 4.100 | ≈ 10.000 |
O uso de coque, permitindo alta de construção grandes fornos, envolvem a perda durante os séculos XIX th edifícios do século em pedra de cantaria em favor de um invólucro de metal. O invólucro de um alto-forno autônomo moderno é um vaso de metal cuidadosamente construído, o "escudo", que varia em espessura de 10 cm no cadinho a 4 cm no topo. Esta blindagem desempenha essencialmente duas funções: transportar o revestimento interno refratário e evacuar o calor.
O revestimento interno refratário deve resistir a ataques térmicos, mecânicos e químicos. Como essas tensões mudam de acordo com as zonas, e não há dúvida, por razões de custo, de generalizar materiais de melhor qualidade, existem refratários de composição variável.
Zoneado | Estresse físico | Material refratário | Calor a ser extraído (kW / m² em operação estabilizada) |
---|---|---|---|
Topo do tanque | Choques mecânicos e abrasão. | “Placas de impacto” de aço duro fundido . Carboneto de silício ligado com argila . |
12 |
Tanque médio | Ataque químico por CO e álcalis . Possíveis flutuações térmicas. |
Refratários aluminosos : silimanita (62% Al 2 O 3) ou corindo (84% Al 2 O 3) | 18 |
Mostradores de barriga no fundo do tanque |
Desgaste por gases e cargas. Ataque químico por CO e álcalis . Calor, fortes flutuações térmicas. |
Carboneto de silício ligado com sialon (Si 3 Al 3 O 3 N 5) Às vezes: grafite com alta condutividade térmica . |
37 29 23 |
Cadinho | Circulação de materiais fundidos. Pressão. |
Carbono puro de alta densidade. | 10 |
Após a queima, um alto-forno moderno pode operar continuamente por 15 a 20 anos: os refratários são, portanto, cuidadosamente escolhidos. Além da qualidade do material, a montagem deve levar em consideração as expansões. O cadinho é geralmente feito de blocos de carbono pesando várias toneladas, montados sem argamassa ou folgas maiores do que alguns décimos de milímetro. Quando usado, o dispositivo deve ser completamente drenado para reconstruir, de baixo para cima, o revestimento refratário.
ResfriamentoO aparelho de um alto-forno produzindo 6.000 toneladas de ferro-gusa por dia pode ser considerado um forno de fusão de cerca de um gigawatt . Essas trocas de calor requerem um resfriamento vigoroso para evitar a destruição rápida da blindagem do dispositivo. Como qualquer falha de resfriamento pode ser catastrófica, ela é garantida contra falhas de várias maneiras. O projeto de um circuito moderno é semelhante ao de uma usina nuclear , sendo que o circuito de resfriamento do dispositivo fica em um circuito fechado para ser capaz de detectar qualquer vazamento ou poluição da água.
Apesar da presença de resfriamento potente, a eficiência térmica de um alto-forno é alta, acima de 70%. Paradoxalmente, melhora quando o dispositivo é intensamente resfriado. Na verdade, o resfriamento permite o aparecimento de um forro interno, tanto de proteção contra desgaste quanto de isolamento térmico. Este papel só é cumprido corretamente se sua adesão e espessura forem controladas, de forma a não atrapalhar o fluxo dos materiais.
Diversas tecnologias coexistem para o resfriamento do aparelho:
Quando o funcionamento do alto-forno é perturbado (instabilidades no fluxo de gases ou materiais, mudança de regime operacional, etc. ), as perdas de calor pelo topo e pelo vaso aumentam. O sistema de resfriamento pode ter que evacuar localmente 300 ou mesmo 500 kW / m 2 , ou 15 vezes a potência média. São esses picos que impõem o dimensionamento dos circuitos.
A injeção forçada de ar de combustão, o "vento", é uma característica essencial do alto-forno. Sua tradução para o inglês, alto-forno , chega a restringir o processo a este ponto. A obtenção das temperaturas necessárias à fusão do metal só é possível de fato com um vento potente, que a força muscular não pode produzir; os foles acionados por rodas de pás são inseparáveis da aparência do alto-forno. Esta combinação é abandonada quando o tamanho crescente das instalações (portanto a pressão cai ) e o reaquecimento do vento (que envolve a passagem por altos-fornos quentes e a injeção de um vento em expansão) requerem energia. Aumentando: a energia hidráulica foi substituída por motores a vapor a partir de 1776, rapidamente adaptado aos gases do aço ( gás de alto-forno e gás de coqueria ). Os pistões de ferro fundido também substituíram o fole nesta época. Finalmente, no início do XX ° século, os pistões estão sendo eliminados em favor de compressores centrífugos ou turbocompressores .
Este é também o início do XX ° século, com a invenção de processos de liquefação do ar, que tentou a injeção de oxigênio no vento frio. O processo se generalizou na década de 1960, aumentando tanto a produtividade dos altos-fornos quanto a injeção de combustível pelas ventaneiras.
Para poder atravessar a carga e trabalhar em alta pressão, o vento é comprimido entre 2 e 4,5 bar . Sendo a vazão e o teor de oxigênio do vento frio de fácil e rápida modificação, pode-se atuar por este meio no funcionamento do alto-forno.
CowpersUma capota moderna consiste em um cilindro de aço vertical de 6 a 9 m de diâmetro e 20 a 35 m de altura . Este invólucro é preenchido com tijolos refratários, cuja natureza depende da função: tijolos isolantes protegem a face interna da blindagem do cowper enquanto outros tijolos são usados para armazenar e liberar calor. Estas últimas são utilizadas para a construção do poço de combustão, onde é implantada a chama, e o rûching, uma pilha de tijolos perfurados que absorve o calor dos fumos. O poço é frequentemente integrado ao cilindro, onde ocupa cerca de um terço da seção do forno. Os maiores cowpers são equipados com poços externos que permitem que a zona de combustão seja melhor isolada da zona de acumulação / liberação de calor.
Sendo o aquecimento mais lento do que o resfriamento, cada alto-forno é equipado com três, às vezes quatro, cowpers passando alternadamente em cada fase. Em operação contínua, um cowper restaura seu calor por cerca de 30 min , antes que o vento seja direcionado para o cowper que acaba de terminar um reaquecimento de 50 min (tempo ao qual devem ser adicionadas as fases de pressurização, que duram 10 min. ).
Um cowper moderno pode aquecer cerca de 1,4 toneladas de vento a 1200 ° C , por tonelada de ferro fundido. Quando ele libera seu calor, é, portanto, para um alto-forno que produz 6.000 toneladas de ferro fundido por dia, um forno com uma potência de aproximadamente 100 MW . O aquecimento é feito pela queima de parte do gás produzido pelo alto-forno, que deve ser misturado a um gás rico para atingir as temperaturas desejadas.
Explosão quente circular e bicosO vento quente (de 900 a 1300 ° C dependendo das características do alto-forno) é trazido das carenagens por um tubo forrado com refratário, depois é distribuído aos bicos por um tubo em forma de toro , o circular. Na saída dos bicos, o vento atinge 200 m / s , inflama o coque, que elevou a temperatura para 2000 - 2300 ° C .
Produtos | Máximo teórico (kg / t de ferro fundido) |
Equivalência de coque |
---|---|---|
Plásticos | 70 | 0,75 |
Óleo combustível pesado | 65 | 1,2 |
Óleo / O 2 | 130 | |
Gás de forno de coque | 100 | 0,98 |
Carvão | 150 | 0,85 - 0,95 |
Carvão / O 2 | 270 |
A combustão do coque permite tanto a produção do gás redutor ( CO ) quanto a obtenção das temperaturas necessárias ao processo. Para reduzir o consumo de coque, são utilizados combustíveis substitutos em diversas fábricas, que, injetados no vento na ponta dos bicos, queimam com os mesmos efeitos químicos e térmicos. Líquidos ou finamente moídos, os possíveis combustíveis complementares são inúmeros: farinha animal , óleo combustível pesado , resíduos de plástico , gás natural ou de coque , linhita , etc. Porém, o produto mais eficiente continua sendo o carvão finamente moído, cuja injeção combinada com o enriquecimento do oxigênio do vento permite repor até a metade dos 480 kg de coque necessários para a fabricação de uma tonelada de fundido.
Ao contrário dos tubos de explosão a quente, os bicos não são revestidos com um refratário isolante para limitar seu volume. São peças de cobre, resfriadas intensamente com água. Devem ser facilmente substituíveis, pois estão sujeitos tanto a altas temperaturas devido à combustão do coque e dos combustíveis injetados, quanto ao desgaste, pois podem se projetar até 50 cm no interior do forno.
O gás coletado na parte superior contém 5 a 10 g / Nm 3 de poeira arrancada da carga. Trazido para a base do alto-forno por grandes tubulações, o gás passa por uma primeira etapa de purificação em separadores estáticos. Na verdade, a pressão, a temperatura e o teor de poeira do gás podem flutuar muito rapidamente, são necessárias tecnologias simples e robustas: potes de poeira e ciclones são usados. Eles podem remover até 85% da poeira.
Como esses dispositivos estão conectados diretamente à garganta, eles são protegidos de sobrepressões catastróficas (geralmente devido a instabilidades que, com o superaquecimento do gás, o dilatam) pelos sangradores , válvulas de segurança localizadas no topo do alto-forno.
Purificação úmida ou secundáriaO gás semi-purificado é então tratado na purificação secundária que combina 3 funções:
Essas três funções podem ser realizadas simultaneamente em um lavador úmido, um dispositivo que pulveriza água quando o gás é descomprimido. Essa tecnologia se espalhou com altos-fornos trabalhando em alta pressão de topo.
Os grandes altos-fornos também foram recentemente equipados com um turbo-alternador que pode produzir até 15 MW de eletricidade, recuperando a energia da descompressão dos gases. Nesse caso, a purificação por um purificador úmido é mais difícil porque não pode mais se beneficiar da descompressão do gás. Além disso, como é vantajoso manter o gás quente para aproveitar seu maior volume, a purificação secundária seca reapareceu desde os anos 2000, principalmente na Ásia.
O ferro e sua ganga , enquanto derretem no nível das ventaneiras, fluem para o cadinho. Esses líquidos se infiltram por pedaços de coque não queimado que enchem o cadinho. Quando o nível do líquido sobe, uma máquina, a “broca”, fura o cadinho na sua base para drená-lo. À medida que afunda, o material fundido corrói rapidamente o buraco da torneira. Em seguida, é selado com uma massa de argila injetada pelo "rolhador", uma máquina cujo funcionamento é semelhante ao de uma seringa . Um alto-forno moderno produz entre 8 e 14 peças fundidas por dia, cada uma com duração de 80 a 180 minutos.
O capsulador e a broca são poderosos, precisos e críticos. A broca deve realmente perfurar novamente o orifício no tampão de argila criado pelo tampão anterior, mais rápido do que a broca derrete. O capsulador deve, por sua vez, ser capaz de tampar o orifício da torneira penetrando, se necessário, no jato de material fundido: é um dispositivo de segurança que deve poder interromper o vazamento a qualquer momento.
O material fundido flui para o canal principal. É neste, que pode medir de 8 a 14 m e que contém de 30 a 60 t de mistura de fusão-escória, que a escória, três vezes menos denso do que o ferro fundido, gradualmente separa-se o ferro fundido para flutuar na sua superfície. O canal principal termina com um sifão invertido . Isso interrompe a escória, que segue para canais rasos. O ferro fundido que passou pelo sifão é despejado em carros torpedeiros , que o levam até a aciaria ou fundição .
Além de uma produção diária de 6.000 toneladas de ferro fundido, é necessário ter vários furos roscados. Os altos-fornos têm de 1 a 5 furos, que extraem o ferro fundido e a escória do cadinho. A manutenção de máquinas e calhas, bem como a análise e encaminhamento de líquidos fundidos, tornam as instalações de fundição complexas. As restrições mecânicas e térmicas associadas à passagem regular de fluidos quentes geralmente levam a projetos de canais e lajes articuladas. Grandes sistemas de coleta de poeira (normalmente 700.000 Nm 3 / h) também são necessários.
Tratamento de escóriaPara uma caminhada com minérios ricos, produzimos cerca de 300 kg de escória por tonelada de ferro fundido, mesmo volume dadas as respectivas densidades. A escória derretida é resfriada no local ou retirada em vagões especiais. É resfriado principalmente de duas maneiras:
A escória líquida contém entre 1 e 2% de enxofre, fixado pelo cálcio . Seu tratamento, principalmente quando resfriado com água, provoca emissões de enxofre.
O aparato de um alto-forno é um reator químico , cuja operação contra a corrente (os gases sobem enquanto a matéria sólida cai) garante excelente eficiência térmica. Seu princípio consiste essencialmente em criar monóxido de carbono , cuja afinidade pelo oxigênio do minério é maior do que a afinidade entre oxigênio e ferro, para desoxidar o minério. Numerosas trocas térmicas e químicas, principalmente entre gás e sólidos no tanque, às quais são adicionados líquidos nas prateleiras e no cadinho, ocorrem para reduzir e cementar o ferro.
As muitas reações químicas combinadas com mudanças no estado dos materiais complicam significativamente a compreensão do funcionamento ideal de um alto-forno. As temperaturas, pressões e movimentos materiais proíbem mesmo o XXI th século, qualquer medida no coração do dispositivo. É extremamente difícil compreender e antecipar instabilidades térmicas ou mecânicas, algumas das quais podem ter consequências catastróficas. Não foi, por exemplo, até a década de 1970, graças à têmpera de altos-fornos completos realizados no Japão, que a forma de sino das isotermas foi descoberta em particular , invalidando a teoria do "homem morto" (uma pilha cônica de coque e ferro solidificado repousando sobre a lareira do cadinho), notou a extensão de certas instabilidades e comprovou a importância da alimentação de coque e minério em estratos distintos.
Uma condição necessária para o bom funcionamento é garantir uma boa permeabilidade dos materiais. Coque desempenha um papel essencial porque conserva as suas propriedades mecânicas até 1500 ° C , enquanto o minério de sinterização de 900 ° C . As isotermas em forma de sino cruzam as camadas de material criando venezianas no nível das camadas de coque, que concentram os gases no centro do tanque antes de espalhá-los na carga. Os pedaços de coque não queimados preenchem a parte inferior do aparelho, com exceção das cavidades que se formam à frente de cada bocal. Eles, portanto, carregam o peso dos materiais empilhados acima deles, permitindo a passagem de líquidos e gases.
A operação contínua, com fluxo de materiais tipo pistão , exige a evacuação de todos os elementos que nela entram, sob pena de entupimento. Isso é verdade para a escória, mas também para certos elementos, como zinco ou metais alcalinos .
Para reduzir o minério de ferro, você deve primeiro fabricar os gases redutores necessários. Isso acontece na parte inferior do alto-forno, pela combustão do carbono contido no coque, com o oxigênio do vento: C + O 2 → CO 2 produzindo 401,67 kJ / mol
Sendo esta reação muito exotérmica , a temperatura nos bicos injetores de explosão sobe de 1800 a 2000 ° C , ou mesmo 2250 ° C se o vento for enriquecido em oxigênio. No entanto, uma reação endotérmica segue imediatamente, o que reduz a temperatura para entre 1600 e 1800 ° C : CO 2 + C → 2 CO consumindo 163,45 kJ / mol
Esta última reação não é total, é sobre o equilíbrio de Boudouard . Isso garante a regeneração do CO consumido pela redução em toda a parte inferior do dispositivo: CO 2 + C ⇋ 2 CO enquanto T> 1000 ° C
Contanto que dióxido de carbono CO 2permanece na faixa de temperaturas acima de 1000 ° C , é constantemente transformado pela reação de Boudouard em monóxido de carbono CO, que assim fica disponível para o processo de redução.
Outro gás redutor, hidrogênio H 2, é produzido simultaneamente pela decomposição térmica do vapor d'água, natural ou artificialmente presente no vento. Embora de importância secundária, esse gás é particularmente eficaz em torno de 900 ° C e além: um conteúdo de apenas 10% de hidrogênio no gás de reação triplica a taxa de redução. Esta produção é, como a do monóxido de carbono, muito endotérmica: H 2 O + C → H 2 + CO consumindo 131,4 kJ / mol
Os óxidos de ferro são reduzidos na seguinte sequência:
Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO → Fe hematita → magnetita → wustita → ferro
Cada transição de um óxido para o próximo é devido a várias reações de redução simultâneas:
Temperaturas | Redução indireta | Redução direta | Redução de hidrogênio |
---|---|---|---|
100 ° C <T < 260 ° C | Dessecação | ||
500 ° C <T < 600 ° C 600 ° C <T < 900 ° C |
3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2 |
3 Fe 2 O 3 + C → 2 Fe 3 O 4 + CO Fe 3 O 4 + C → 3 FeO + CO |
3 Fe 2 O 3 + H 2 → 2 Fe 3 O 4 + H 2 O Fe 3 O 4 + H 2 → 3 FeO + H 2 O |
900 ° C <T < 1.100 ° C 1.100 ° C <T < 1.150 ° C |
FeO + CO → Fe + CO 2 | FeO + C → Fe + CO | FeO + H 2 → Fe + H 2 O |
1200 ° C <T < 1600 ° C | Carburação e fusão |
A ganga e as impurezas do minério também sofrem várias reações químicas durante sua descida em direção ao cadinho; todos são endotérmicos. Reações à de carbonatação de siderite (FECO 3) e calcário ( CaCO 3) ocorrem antes das reações de redução de ferro:
FeCO 3 → FeO + CO 2 para 500 ° C <T < 700 ° C
CaCO 3 → CaO + CO 2 para 700 ° C <T < 900 ° C
Um alto-forno reduz a metal apenas cerca de metade dos óxidos de manganês MnO 2e MnO introduzido no alto-forno com os minérios de ferro. Enquanto a redução de MnO 2 é feito rapidamente pelo CO, a redução do MnO é direta: MnO + C → Mn + CO para T> 1000 ° C
Da mesma forma, sílica SiO 2 é parcialmente reduzido por uma redução direta: SiO 2 + 2 C → Si + 2 CO para T> 1.500 ° C
Todos os óxidos de cobre , fósforo e níquel são completamente reduzidos ao metal. O cromo e o vanádio atuam como manganês, o titânio como o silício. Óxidos de cálcio ( CaO ), alumínio ( Al 2 O 3) e magnésio ( MgO ) não são redutíveis e são encontrados inteiramente na escória. O zinco , o álcali e o enxofre são os casos:
S + CaO + C → CaS + CO para T ≈ 1.550 ° C
Já o nitrogênio do vento reage pouco e de forma reversível. Portanto, ele serve principalmente como um reator térmico.
O alargamento do tanque facilita a descida das cargas e acompanha a sua expansão. O encolhimento nas prateleiras acompanha a sinterização e, em seguida, a fundição do minério. O coque, que não sinteriza ou derrete, é fundamental para a permeabilidade do gás e suporte de carga. Seu papel é, na verdade, múltiplo: para um alto-forno moderno que consome, para cada tonelada de ferro fundido, 294 kg de coque e 180 kg de carvão nos bicos, temos:
Temperaturas | Fenômenos | |
---|---|---|
Minério | Coca | |
100 ° C <T < 260 ° C | Dessecação | |
500 ° C <T < 900 ° C | Redução (Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO) | |
900 ° C <T < 1200 ° C | Redução (FeO → Fe) Carburação e sinterização |
Regeneração de CO |
1200 ° C <T < 1600 ° C | Fusão | Combustão |
T ≈ 2.100 ° C | Cavidade voltada para cada bico | |
1600 ° C | Carburação e dessulfurização | Dissolução |
O alto-forno é um reator muito sensível a qualquer anomalia. Além disso, o tamanho da ferramenta torna qualquer perda térmica ou degradação da quilometragem muito cara, até mesmo perigosa . Compreender os fenômenos físicos e químicos que ocorrem dentro do dispositivo é, portanto, essencial.
No entanto, as condições extremas que prevalecem em um alto-forno não permitem o acesso direto aos materiais que reagem a ele. As medidas são então multiplicadas na periferia da carga, ou seja, no topo, nas paredes do aparelho e na fundição. O objetivo é deduzir a pressão e a velocidade dos gases subindo pela matéria, mas também os movimentos de sólidos e líquidos. Parâmetros importantes, como a altura da superfície de alimentação ou as temperaturas das paredes, são medidos de várias maneiras, a fim de evitar qualquer falha.
Zoneado | Quantidades a serem medidas | Tecnologias utilizadas |
---|---|---|
Gueulard | Altura da carga Morfologia da superfície dos materiais Distribuição radial da temperatura e / ou composição do gás que sai da carga |
Sonda mecânica ou radar de mapeamento por radar Feixe de medição radial |
Topo do tanque | Distribuição radial de temperatura e / ou composição de gás e carga | Sonda móvel penetrando horizontalmente na carga |
Fundo do tanque para as prateleiras |
Fluxo de material Desgaste / revestimento de refratários |
Sondas radioativas (raras) Sondas de ultrassom |
Bicos | Natureza e taxas de fluxo de vento e aditivos injetados nos bicos Calor descarregado pela água de resfriamento |
Medição de fluxo / temperatura |
Cadinho | Composição e temperatura do ferro-gusa e escória | Medição de temperatura e amostragem de ferro fundido |
De pesquisas são realizadas para avaliar outros métodos de medição. Por exemplo, é possível explorar a observação de que a presença de materiais fundidos no cadinho gera uma baixa tensão elétrica na blindagem. O ultrassom pode ser usado para medir temperaturas ou a morfologia da superfície de materiais, etc.
No entanto, "processar uma quantidade tão grande de informações está além da capacidade computacional de qualquer ser humano" . De fato, a partir do final da década de 1990, os sistemas de auxílio à direção registraram 150 fenômenos físicos e químicos principais, avaliados constantemente em cerca de 1.000 medições. O fato de certos fenômenos serem imediatos, enquanto outros demoram muito para aparecer, levou ao desenvolvimento de sistemas especialistas , redes neurais , estudos de ergonomia cognitiva , etc.
Ao disparar um alto-forno, é necessário secar e aquecer o dispositivo lentamente o suficiente para que os refratários não sejam danificados, mas também atingir rapidamente uma temperatura suficiente para que os produtos carregados possam ser evacuados na forma líquida. Para isso, carregamos o alto-forno com uma grande quantidade de combustível (geralmente madeira), limitamos as necessidades térmicas carregando escória ao invés de minério e gradualmente ativamos a combustão ajustando o fluxo do vento. Resta que o arranque de um alto-forno, que dura algumas semanas e inicia uma campanha de produção ininterrupta por cerca de quinze anos, continua a ser uma operação delicada porque a estes constrangimentos juntam-se os inevitáveis avarias ligadas ao arranque de um instalação nova e complexa, cujo comportamento e design são sempre diferentes.
Os inevitáveis tempos de parada de manutenção ou relacionados a incidentes não podem ultrapassar alguns dias sob pena de “congelamento” do aparelho. Isso deve ser absolutamente antecipado: uma grande quantidade de coque é carregada e o vento é interrompido algumas horas depois, quando essa coque chega na frente dos bicos. Assim, na reinicialização, a combustão do coque adicional irá repor o calor perdido durante o desligamento.
Um desligamento mais longo ou final requer esvaziar o dispositivo tanto quanto possível. Um orifício específico, localizado no ponto mais baixo do cadinho, permite que todos os materiais fundidos sejam drenados. O nível de material não derretido, principalmente coque, desce para os bicos. A operação é arriscada porque as áreas baixas e quentes, que não são mais cobertas, devem ser resfriadas por pulverização com água, cuja dissociação forma um gás explosivo por ser rico em hidrogênio.
IncidentesUm incidente temido, mas raro, é o “bloqueio” do alto-forno. Se ocorrer na parte superior do aparelho, corresponde à formação de uma abóbada sob a qual os materiais continuam a descer em direção ao cadinho. Um vazio se forma sob a abóbada, até que repentinamente desaba. Um bloqueio na parte inferior corresponde a uma incapacidade de evacuar os materiais fundidos. A origem mais frequente é um alto-forno frio devido a entradas acidentais de água ou déficit de calor trazido pelo vento ou pelo coque, sabendo-se que um excesso de calor leva ao mesmo resultado. Este raro e temido incidente significou uma paralisação, talvez definitiva, da planta:
“Se o engenheiro não se apressar, será tarde demais, e a fornalha, cheia de um imenso magma, com um lobo , só terá que parar; terá mesmo que ser amplamente demolido e um trabalho longo e caro a ser feito para remover a massa de ferro, resistente que a sobrecarrega de cima a baixo e uma grande parte da qual cede prontamente apenas à força do pó ...
Portanto, um engenheiro que faz um lobo talvez esteja em uma situação mais miserável do que o marinheiro que perde seu navio; ele raramente encontra desculpas de seus líderes. Mas aqui novamente o poder de conhecimento, iniciativa, vigor moral e físico, energia humana, comparável, em uma arena menos gloriosa, àquela do general-chefe cujo exército está em perigo, ou do navegador cujo navio está em perigo de estar perdido; pois os expedientes mais imprevistos e menos fáceis de prever podem, às vezes, por si só evitar o perigo. "
- J. Garnier , Le Fer
Tão perigoso, raro e caro, um avanço na blindagem por ferro fundido é, “depois que o cadinho foi bloqueado [...], o evento mais temido, o mais odiado pela fundição e pelo alto-forno em geral. “O desgaste do fluxo de materiais também pode causar rupturas no tanque, mas geralmente precedidas por vazamentos no sistema de refrigeração, detectáveis tanto pela instrumentação dos circuitos de refrigeração quanto pela elevação do tanque. Teor de hidrogênio no gás produzido por o alto-forno. Por fim, o papel dos gases que circulam no dispositivo não é desprezível: são, ao contrário dos materiais fundidos, impossíveis de endurecer e podem gerar abrasão por jato de areia .
Por outro lado, pode acontecer que a camada que protege os refratários e obtida graças ao intenso resfriamento do aparelho, engrosse excessivamente. A saturação de zinco ou álcali promove o espessamento local desta camada. Em seguida, perturba significativamente os fluxos no dispositivo. Além disso, a "guarnição" que se forma pode pesar várias centenas de toneladas e ser instável, principalmente quando está localizada nas partes superiores do aparelho. Sua liberação repentina interrompe o funcionamento do alto-forno e pode causar um bloqueio.
Todas essas perturbações, se não forem dominadas a tempo, podem suceder-se ou mesmo combinar-se. Sobrepressões causadas pelo gás subindo do cadinho, explosões de vapor devido à entrada de água no dispositivo (geralmente do sistema de refrigeração), bolsas de gás ou poeira que se inflamam repentinamente, etc. são eventos espetaculares: a abertura das válvulas de segurança, os sangradores , é então comparável à erupção de “um vulcão [...] ouvido a quilômetros de distância; pense em 4 ou 5 aviões a jato ligando seus motores: é o ruído feito pela exaustão do gás. “ Quando as válvulas têm mais sucesso na descarga do gás, o estrago se espalha pelos dutos da usina. A explosão do dispositivo em si, tornar-se pendente no final do XX ° século, pode fazer muitas vítimas entre o pessoal.
A obtenção das altas temperaturas associadas ao processo é acompanhada por expansões e transformações de fase que são antecipadas por várias técnicas ( jogos , mechas , etc. ) no momento do disparo. Por outro lado, um resfriamento significativo, mesmo controlado, leva a distúrbios que podem colocar os fornos fora de serviço. Um grande alto-forno moderno que se incendeia inicia assim uma campanha de 10 a 20 anos, durante a qual o seu funcionamento só pode ser interrompido alguns dias por ano, para operações de manutenção nas suas instalações auxiliares.
Assim, a construção deve ser particularmente robusta, modular e redundante. Uma má escolha tecnológica, matérias-primas inadequadas, erros de condução, etc. , pode ter consequências para a duração da campanha, quando não é interrompida por um incidente ( explosão de vapor , ruína por desgaste ou corrosão, fuga de gás, etc. ) com consequências por vezes trágicas. Garantir a segurança é uma preocupação essencial do alto-forno. Um corolário dos incidentes é o impacto ambiental: embora pouco poluente (principalmente se compararmos com a coqueria e a aglomeração a ela associadas), a segurança de um alto-forno dá pouca atenção à sua vizinhança.
Na operação de uma ferramenta tão complexa, o fator humano é decisivo. Mesmo no XXI th século, a competência dos operadores está muitas vezes ligada à tradição metalúrgica local: "o nível de desempenho do setor um elenco está, portanto, em grande parte determinado antecipadamente pelo conhecimento armazenado anteriormente e espalhados na área. "
Arquetípica da indústria pesada , a indústria siderúrgica se distingue pelo tamanho e custo de suas fábricas, das quais o alto-forno é apenas um elemento. Em 2012, o custo de construção de uma moderna “usina a quente” (coqueria, sinterização , 2 altos-fornos e siderúrgica ) com capacidade de 5 milhões de toneladas de placas de aço por ano pode chegar a 9 bilhões de dólares . Desse montante, a construção de altos-fornos representa cerca de US $ 1 bilhão. O custo do capital investido na construção de um alto-forno constitui então de 25 a 30% do custo de fundição. Esse custo pode ser reduzido significativamente aumentando o tamanho dos dispositivos e sua produtividade.
A amortização do capital investido alimentou, desde a revolução industrial , uma corrida ao gigantismo. Mas, no final de uma execução de produção, um reparo pode ser suficiente para renovar o potencial da instalação. Por exemplo, o alto-forno 1 em Duisburg iniciou sua quinta campanha de produção em março de 2008. Esta reparação, que se realiza aproximadamente a cada 15 anos, custa 100 a 250 milhões de euros , dependendo da dimensão do local (substituição de refratários gastos, autómatos obsoletos, blindagem deformada, mecanismos inadequados para novos modos de funcionamento., Etc. ).
Claramente mais econômico do que a construção de uma nova fábrica, as revisões sucessivas de um alto-forno, então, colocam a vida de um complexo siderúrgico em horizontes estratégicos de pelo menos 25 anos. Porém, um reparo de alto-forno é um projeto excepcional devido à sua raridade e abrangência (1,5 a 5 anos de planejamento, seguidos de cem dias de construção) devido ao gigantismo das ferramentas. Além disso, a idade dos altos-fornos, constantemente renovados, torna ilusória a sua padronização.
Custos funcionaisOs custos de produção dependem fortemente do preço das matérias-primas. Em 2010-2011, as compras de minério e carvão corresponderam a 52% e 36%, respectivamente, dos custos de produção de ferro-gusa e coprodutos associados. Além disso, esses materiais, armazenados pelo menos a montante da cadeia, representam uma imobilização substancial de dinheiro.
Por outro lado, os custos com pessoal representam, em um país ocidental, apenas 2,2% dos custos de produção. Dadas as margens baixas, a indústria do aço continua sendo uma indústria em que as habilidades das equipes capazes de limitar as perdas de material e energia são mais importantes do que os salários. Mas a caça às perdas é difícil nos velhos países industrializados porque os complexos siderúrgicos, que são antigos, carecem de coerência.
O ferro fundido resulta da fusão do ferro que, ao entrar em contato com o coque, é carregado com carbono até a saturação . Os metais produzidos por reações de redução direta (manganês, silício, fósforo, etc. ) também estão incluídos.
Dependendo da utilização do ferro fundido, seja ele fundido ou refinado, o alto-forno visa uma composição que permita que as ferramentas a jusante operem em condições ideais. O elenco para o refino conversor (que no final do XX ° século, o que representa quase toda a fornalha de ferro), embora ela se solidifica em um " ferro branco " nunca é chamado. Este “ ferro-gusa ” fundido tem valor apenas em termos de sua composição química e temperatura. A classificação do ferro fundido, que envolve seu resfriamento e possíveis tratamentos, portanto, geralmente não é relevante na fabricação de aço .
LaticíniosA escória corresponde à ganga do minério à qual são adicionadas as cinzas do coque. A sua composição visa garantir um fácil esvaziamento do cadinho, mas também dessulfurizar o ferro fundido, ou mesmo proteger o cadinho. Após a fundição, dependendo da embalagem, torna-se uma matéria-prima popular. É principalmente utilizado na fabricação de cimento (2/3 da produção na Europa, principalmente escória vitrificada) ou como reaterro de estradas (1/3 da produção na Europa, principalmente escória cristalizada). Também é utilizado, entre outras coisas, na fabricação de vidro , lã de rocha ou como agregado de concreto ...
“Em 1982, na França, o balanço econômico [da venda de leite] era quase sistematicamente deficitário. “ Porém, esse produto, que é queimado , libera alguns gases do efeito estufa quando aquecido. Esta característica, combinada com a utilização generalizada de processos de vitrificação, paga (início XXI th século) a produção de escória. Porém, embora o volume de escória seja idêntico ao do ferro-gusa produzido (devido à diferença de densidade), o preço de venda da escória granulada representa menos de 5% do custo de produção do ferro-gusa.
Gás de alto fornoO gás de alto-forno contém 22% de dióxido de carbono (CO 2), 22% de monóxido de carbono (CO), 51% de nitrogênio (N 2) e 5% de hidrogênio (H 2) É um gás pobre com baixo poder calorífico (3000 kJ / Nm 3 ) devido à presença de monóxido de carbono e hidrogênio, mas representa uma fração significativa (≈30%) do balanço térmico do dispositivo.
Essa importância é explicada pela quantidade de gás produzida. Um alto-forno moderno produz cerca de 1.500 Nm 3 de gás por tonelada de ferro fundido. Tendo em conta a sua densidade (1,30 a 1,35 kg / Nm 3 ), o peso do gás produzido é superior ao da escória e do ferro fundido combinados. Além disso, esse gás é gerado continuamente ao longo da vida do alto-forno.
Um terço do gás produzido é reaproveitado diretamente pelos cowpers . Uma coqueria integrada a uma siderúrgica pode consumir cerca de 20% do gás produzido nos altos-fornos. O restante é valorizado em outros fornos siderúrgicos, ou é utilizado para a produção de energia elétrica , geralmente graças a uma turbina a vapor alimentada por caldeira (também encontramos motores a gás , turbinas de combustão ou usinas de ciclo . Combinadas ). Adequadamente polvilhado e possivelmente enriquecido por gases mais energéticos, sua combustão libera apenas alguns fumos e poluentes, exceto uma grande quantidade de CO 2, um gás de efeito estufa . Pela combustão do monóxido de carbono, mais dióxido de carbono é formado. Em 2019, a produção de aço é responsável por 7 a 9% das emissões globais de dióxido de carbono. A redução dessa emissão é possível com a substituição do carvão por hidrogênio, biomassa ou resíduos plásticos. Outras possibilidades são o uso de captura e uso de carbono ou tecnologia de captura e armazenamento de carbono e o uso de mais materiais reciclados.
Altos-fornos sem ferro e açoO princípio do alto-forno, ou seja, a redução e fusão em um vaso pela combustão do carbono, não se aplica exclusivamente ao ferro:
“Minérios de ferro oxidados não são os únicos que podem ser reduzidos em fornos de cuba. O mesmo princípio de tratamento, como já dissemos, foi experimentado ou aplicado a um grande número de metais, com sucesso variável. "
- E.-L. Grüner, Tratado sobre metalurgia
O diagrama de Ellingham mostra de fato que muitos óxidos de metal são reduzidos a metal pelo monóxido de carbono em temperatura mais ou menos alta. Teoricamente, pode-se obter, assim, de cobre a partir de -5 ° C , de níquel em 500 ° C , de crómio em 1441 ° C , etc.
Para outros metais, a temperatura de redução é excessivamente elevada: a alumina está, assim, reduzida a 2315 ° C . Também requer que os óxidos não evaporam quando atingem as temperaturas necessárias para a sua redução: o XIX th século, a obtenção de zinco no alto-forno foi considerado impossível, e que do chumbo difícil, por causa da baixa temperatura de vaporização de alguns de seus óxidos.
A partir dessas observações, o alto-forno tem sido usado há muito tempo para a produção de metais, em particular chumbo, cobre, níquel, etc. Mais raramente, o zinco também foi produzido por esse meio, assim como o fósforo . Mais particularmente, o alto-forno é notavelmente adequado para a produção de ferroligas : ferrossilício , ferrocromo e especialmente ferromanganês , são fáceis de obter por este meio.
A fabricação de ferrocromo no alto-forno desapareceu, o processo do forno elétrico a arco desenvolvido por Paul Héroult por volta de 1900 o ultrapassou completamente. No final da XX th século, a maioria dos outros processos de produção de metais não ferrosos alto-forno são mesmo suplantado pelo forno eléctrico, menos de capital , mais pequena e mais flexível. Os altos-fornos de manganês, cuja pirometalurgia é próxima à do ferro, eram amplamente utilizados: asseguravam a maior parte da produção de ferromanganês até 1975, quando o forno elétrico já havia se estabelecido para os demais metais. Em 2011, o alto-forno interveio apenas por 8% da produção mundial de ferromanganês. Este método de fabricação sobrevive principalmente na China (350.000 t / ano em 2011) e na Rússia (160.000 t / ano em 2011). Os chineses também têm levantado produção de níquel ferro-gusa matéria- alto-forno: desapareceu durante a XX th século, é em 2011 quase 5% da produção global de níquel.
De 1837 a 1986, ou seja, 150 anos, a produtividade de um alto-forno foi multiplicada por 1000. O rendimento do aparelho, por mais excepcional que seja, não para de melhorar: na França, a produção de uma tonelada de fundido precisava de 3 toneladas de carvão vegetal para o XVI th e XVII ª séculos, 1,5 toneladas de carvão ao XVIII th século, 1 tonelada de coque em 1961. os modernos fornos são de conteúdo, o XXI th século, 240 kg de cocaína e 200 kg de carvão.
A corrida pelo gigantismo favoreceu e penalizou o alto-forno. De acordo com o American Iron and Steel Institute : “Os altos-fornos sobreviverão no próximo milênio porque altos-fornos maiores e mais eficientes serão capazes de produzir ferro-gusa a custos competitivos com outras tecnologias. “ Porém, sua importância deve diminuir em relação ao aço elétrico , possivelmente impulsionado pela redução direta de processos . Em 2012, 30% do aço bruto mundial foi produzido em fornos elétricos a arco .
Menores e mais flexíveis, no entanto, os processos alternativos de redução direta só são lucrativos em condições específicas. Justificam-se a partir do momento em que consideramos o alto-forno como um simples elo de um complexo siderúrgico: “devemos pensar não só no alto-forno, mas também na coqueria e na aglomeração a ela associada. Hoje [início XXI th século], a construção de uma planta de coque é um empreendimento enorme quando comparado com o poder de um forno a arco . Os assentamentos, que já são uma raça em extinção [ sic ] na América do Norte , também são um grande negócio quando você olha para os requisitos ambientais. "
Os imperativos de flexibilidade financeira e técnica, combinados com as qualidades intrínsecas do processo de alto-forno, também levaram ao desenvolvimento de modernos “mini altos-fornos” (incluindo aqueles que usam carvão vegetal). Representavam, em 1990, 3,4% da produção mundial de ferro fundido (ante 2,7% da redução direta): são, portanto, também ferramentas marginais, mas avaliadas com cuidado pelas siderúrgicas.
Assim, no início do século XXI E , apesar dos anúncios, os processos alternativos, em particular de redução direta, não perturbaram a indústria siderúrgica . Foi estabelecido um equilíbrio entre a aciaria elétrica e a indústria de ferro fundido. Essa constatação leva os pesquisadores a concordarem em ver, no alto-forno, o principal processo, embora em declínio, da produção de ferro-gusa nas próximas décadas. Sua melhoria deve então levar em consideração:
Esses dois últimos pontos parecem particularmente promissores. Um vento de oxigênio puro, combinado com uma forte injeção de carvão nos bicos, transformaria o alto-forno em um verdadeiro gaseificador . Mas a combustão do gás produzido gera muito CO 2, um gás de efeito estufa. A redução pelo hidrogênio poderia então ser privilegiada, o reprocessamento dos gases tornando-se lucrativo (graças ao surgimento de modernos processos de adsorção por reversão de pressão ou tratamento dos gases por aminas ), o que aumentaria o consumo elétrico de todo o processo.