DESENVOLVIMENTO E UTILIZAÇÃO DE UM MODELO MATEMÁTICO DE BALANÇO TÉRMICO DE UM FEA COMO FERRAMENTA DE AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS TÉCNICOS E ECONÔMICOS NO USO DE GUSA LÍQUIDO1
Thiago Pinto Wandekoken2
Breno Totti
Maia3
Paulo Hopperdizel4
José Roberto de Oliveira5
Resumo
Neste trabalho foi desenvolvido um modelo matemático para o balanço térmico e de massa para Forno Elétrico a Arco (FEA) levando em consideração o percentual de gusa líquido carregado no forno. O modelo desenvolvido
é baseado em
dados
metalúrgicos e termodinâmicos, cujos resultados foram validados através da análise de dados de processo de um FEA de 80 toneladas. O modelo desenvolvido permite a parametrização das perdas térmicas envolvidas e então confronto dos valores de entrada e de saída calculados com os valores reais de processo, possibilitando a extrapolação
dos parâmetros e determinação de condições otimizadas de operação. Como resposta do modelo obtém-se, curvas que relacionam o uso do gusa líquido
com
demais parâmetros de processo do FEA, como, consumo de energia elétrica,
necessidade de carbono, necessidade de fundentes e consumo de gases.
Palavras-chave: Forno Elétrico a Arco, Gusa Líquido, Balanço Térmico.
DEVELOPMENT AND USE OF A MATHEMATICAL MODEL
OF THERMAL BALANCE FOR
EAF
AS
A TOOL FOR THE EVALUATION OF TECHNICAL AND ECONOMIC PARAMETERS AT
THE HOT METAL
USE
Abstract
In this paper was developed a mathematical model to thermal and mass balance for Electric Arc Furnace (EAF) taking into account use of hot metal charged. This model is based on metallurgical and thermodynamic data and the results were validated through analyzing
of process data from 80
tons
EAF. The model allows
the parameterization of the thermal losses involved and then to
confront the input and
output values calculated with the actual values of process. It is possible extrapolation
of
parameters to determine optimal operating conditions. In response of the model is obtained, curves that relate the use of hot metal with other FEA process parameters,
such
as, energy consumption, carbon required, need of fluxes and gas consumption.
Key words: Electric Arc Furnace, Hot Metal, Thermal Balance.
1 Trabalho a ser apresentado no 43º
Seminário de Aciaria Internacional, Belo Horizonte, Minas
Gerais de 15 a
18 de Maio de 2012,
2 Engenheiro de Controle e Automação, Mestrando do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Metalúrgica e de Materiais do Instituto Federal do Espírito Santo – IFES
e
Pesquisador da LUMAR METALS, sócio da ABM,
3 Engenheiro de Metalúrgico
e Pesquisador da LUMAR METALS, sócio da ABM,
4 Engenheiro Metalúrgico e Diretor da LUMAR METALS, sócio da ABM,
5 Professor Doutor
do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais do
Instituto Federal do Espírito Santo – IFES.
1 INTRODUÇÃO
Os fornos elétricos a arco (FEA) vêm ao
longo
dos anos aprimorando
seus
processos, notadamente pela busca de novas fontes de energia, principalmente de origem química através de injeções de gases ou através do uso de metal líquido. O uso destas novas fontes de energia é determinante na composição do custo final do
aço produzido, mas impõe novos grupos de parâmetros operacionais que necessitam de
tratativa
adequada para garantir estes
novos requerimentos
de processo, as quais: ajustes de balanço de massa, ajustes de balanço térmico(1).
Uma breve descrição dos desenvolvimentos dos fornos elétricos pode ser caracterizada em três distintos períodos, segundo Jones(2). O primeiro entre os anos de 1985 e 1995, buscando práticas operacionais e novos conceitos de projetos para
atender a redução de custos operacionais e aumento de qualidade. Também nesta época, alternativas foram
apresentadas para reduzir os custos dos convencionais
fornos elétricos de corrente alternada (AC EAF). O desenho dos fornos elétricos
sofreu alterações consideráveis, com fornos mais largos e maior aporte de energia, com claros objetivos de reduzir o tempo de fusão.
No segundo período, entre 1995 e 2005, as atenções voltaram-se para o processo
propriamente dito, com acréscimos de equipamentos com o objetivo de aumentar e
melhorar a distribuição de
energia nos fornos elétricos. Este período também é caracterizado por projetos de fornos elétricos de grandes capacidades, em torno de
1.000.000 toneladas de aço por ano. Em 2000, uma atenção especial foi dada as
escórias, pois a utilização de metal líquido e outras fontes de carbono implicaram em
um
maior aporte de sílica na escória, sendo necessárias correções na basicidade, principalmente na ternária, para a correção da alumina vinda de sucatas de má
qualidade.
Segundo
Jones(2),
o
terceiro
período de
desenvolvimento
dos fornos
elétricos
compreendem os anos de 2005 até os dias atuais, sendo este período focado em
fornos elétricos cada vez maiores e no aumento da capacidade dos transformadores, com claros objetivos de redução do tempo de elaboração do aço (Tap to Tap Time), com conseqüências na altura dos fornos elétricos.
2 OBJETIVOS
O presente
trabalho tem
como
objetivo utilizar
balanços
de massa e balanços
térmicos estáticos para investigar os efeitos da variação de carga metálica líquida
sobre os demais parâmetros operacionais de um forno elétrico a arco.
Através
da parametrização das
perdas térmicas
envolvidas no
processo de
elaboração do aço, feita a partir da coleta de dados reais de processo em um FEA
de 80t, é possível confrontar os valores de entrada e saída calculados pelo modelo com os valores reais de processo, permitindo extrapolação dos parâmetros para
determinação de condições otimizadas de
operação. Como resultado do modelo,
obtém-se a partir da variação da quantidade de gusa líquido no FEA, curvas que relacionam
parâmetros de
processo,
como por
exemplo:
consumo de
energia elétrica, necessidade de carbono, necessidade de fundentes e consumo de gases.
3 MÉTODO
A seqüência de execução dos cálculos executados pelo modelo proposto segue o fluxo apresentado na figura 1, abaixo.
Figura 1. Fluxo para resolução dos balanços de massa e de energia.
O fluxograma
apresentado
na figura 1 tem
início
com as
informações
de disponibilidade
de massa e composição dos insumos que serão empregados na produção
de aço. Além
destas informações são
necessários
informações
sobre
parâmetros de processos pretendidos, como basicidade inicial, saturação de MgO na escória assim com a composição final do aço. Estes valores têm origem em
estudos prévios e em muitos casos em experiências anteriores, mas são de extrema
importância nos
balanços de
massa
para aumentar
a
representatividade dos modelos termodinâmicos.
Os balanços
de massas
foram executados considerando a base
molar dos
elementos e as conversões para volume considerando tratar de gases ideais e,
portanto, volume molar.
A
partir
dos
volumes envolvidos,
quando
fornecido as
expectativas de tempo de processo, é possível efetuar o dimensionamento dos
equipamentos que irão compor o sistema de energia química do FEA (injetores e queimadores),
porém
este dimensionamento
não
está
sendo
considerado neste trabalho. A resposta do balanço de massa: massa de aço, massa de escória
e
volume dos gases de exaustão, são os elementos de entrada para o balanço térmico assim como as temperaturas envolvidas. No balanço térmico são consideradas as entalpias de aquecimento, transformação e reação química.
Foi realizado um trabalho prévio de validação do modelo desenvolvido, ao qual se
utilizou parâmetros de entrada dados reais de processo para determinação da perda
térmica em situações típicas de corrida, com carga de metal líquido variando de 0 a
28% da carga total do FEA, sendo a carga média total de gusa (gusa sólido + gusa líquido) das
corridas analisadas 30%. Após a análise destas corridas através do modelo proposto, para efeito
de cálculos teóricos e conceituais, o parâmetro de entrada “perda térmica” foi considerado
constante para o cálculo da previsão do
consumo de energia, consumo de gases e parâmetros da escória como
desenvolvimento de cenários teóricos e conceituais.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção serão apresentados os resultados obtidos pelo modelo desenvolvido
através da análise de dados reais de processos e também dados conceituais.
Chevrand e Cândido(3), em seu
balanço
térmico
simplificado para
FEA adotam valores de
perdas térmicas que variam entre 115 e 129 kWh/t, de acordo com a capacidade
nominal do FEA.
Após simulações
diversas com
dados reais de
processo de um FEA de capacidade de
80t foi observado que o valor médio das
perdas térmicas apuradas nas corridas analisadas
ficaram em torno de 93 kWh/t.
Este
parâmetro será utilizado para a realização da simulação de cálculos teóricos e conceituais visando a
obtenção de condições otimizadas de processo. A
perda
térmica é diferença entre o somatório de entradas de energia e o somatório de saídas de energia, representando todas as saídas não mensuradas no sistema FEA,
como calor extraído pelos
painéis refrigerados, refratários, exposição ao ambiente durante carregamentos, por exemplo.
A figura 2 apresenta o resultado teórico, obtidos através do modelo de balanço
térmico proposto, do consumo de energia elétrica em função da utilização de gusa
líquido na carga do
FEA. Os resultados obtidos mostram
que para cada ponto percentual de gusa
líquido
utilizado na carga há uma redução do consumo de energia elétrica
na ordem de
3,6 kWh/t. Este
resultado
foi
obtido através
da manipulação do consumo de energia elétrica em substituição do uso do gusa líquido
para a manutenção do valor de perda térmica constante (93 kWh/t). Paula et al(4),
após realização de testes práticos em FEA de 100t, apuraram que para o processo
em
questão o valor de equivalência de um ponto percentual de gusa líquido na
redução do consumo de energia foi
de
3,0 kWh/t.
O gráfico apresentado na figura 3 correlaciona dados reais de processo de um FEA de 80t, cujo as principais características estão apresentadas na tabela 1, que utiliza
gusa líquido na carga. O consumo de energia elétrica no processo de elaboração do aço no FEA sofre redução na medida em que se eleva o percentual de gusa líquido na carga, sendo que a equivalência energética média do gusa líquido para o caso
analisado ficou em 3,7 kWh/t, muito próximo aos 3,6 kWh/t teóricos. É esperado que se encontrem variações, tanto para cima quanto para baixo, no valor de equivalência de energia elétrica do gusa líquido nos
diferentes processos de diferentes usinas, isto principalmente
pelo
fato de
que
as práticas operacionais e equipamentos
utilizados em cada usina influenciam
diretamente
neste
parâmetro. Por
isso
é
importante antes de se utilizar modelos para otimização dos parâmetros de processo seja feito a parametrização dos mesmos a cada diferente aplicação.
O resultado geral era esperado, mas analisando os pontos é possível notar que para
a utilização de 10% e 15% de gusa líquido, o valor de perda térmica foi superior aos
demais, atingindo 126kW/t, não sendo observado a queda no consumo de energia prevista pela regressão. O fato pode estar
associado ao aumento do número de
carregamentos com a entrada da carga líquida, mas, entretanto esta quantidade ser
insuficiente para compensar as perdas geradas pelo tempo necessário (power off)
para o carregamento.
Uma vez estimada estas perdas térmicas para condição de corridas sequenciadas
com
01, 02 ou mais carregamentos, ou mesmos em condições após longos períodos de parada é possível criar um
banco de dados específico para que estes valores sejam utilizados para prever a temperatura de vazamento com base nos dados de
entrada da nova corrida.
A figura 4 apresenta outra análise de dados reais de processo. Com o aumento do
percentual de gusa líquido na carga ocorre a redução no consumo de oxigênio do FEA,
bem
como
a
redução
do consumo de
carburante.
Um
dos motivos é a substituição do carbono injetado pelo carbono do gusa líquido. Quando se utiliza
gusa líquido na carga do FEA a etapa de descarburação torna-se rápida e intensa
quando comparada com a utilização de gusa sólido. Isto é facilmente compreendido
se analisarmos que, uma vez vertido dentro do FEA, o carbono fornecido pelo gusa líquido está instantaneamente disponível, em volume e em massa, para as reações de descarburação, ao passo que, quando utilizado gusa sólido (carbono disperso em
fase
sólida) as
reações de descarburação acontecem a medida em está sendo
fundido, resumindo, a eficiência
de reação das interfaces gás-líquido é maior que
nas
interfaces gás-sólido.
Por outro lado este gráfico também mostra a baixa eficiência do sistema de injeção
de oxigênio no FEA, que é composto por injetores supersônicos convencionais. Uma vez que a quantidade total de carbono no FEA é a mesma para todas as corridas analisadas (gusa total carregado: 30%), grandes variações no consumo de oxigênio não eram esperadas. A baixa
eficiência do
oxigênio
injetado também pode
ser verificada pelo teor de FeO (óxido de ferro) presente na escória, que para o caso
citado é em média 46,8% (em massa). O percentual de FeO elevado encontrado na escória
contribui
negativamente
em outro
parâmetro
operacional
do FEA, o rendimento metálico do FEA, que para o caso analisado é de 88%.
Figura 4. Comportamento do consumo de oxigênio e carburante em função da utilização de gusa
líquido na carga do FEA – Dados práticos.
A figura 5 também apresenta dados reais de processo e mostra que para o caso
analisado a variação no consumo de GN em função do percentual de gusa líquido
utilizado na carga praticamente não existe. Isto se deve, principalmente, ao fato de
que a tecnologia de injeção de energia química utilizada no FEA analisado tratar-se
de injetores supersônicos
convencionais e queimadores
oxi-combustíveis, como equipamentos distintos. O consumo de GN ocorre basicamente na fase queimador,
programada para o início de fusão do primeiro e segundo
cesto
de sucata e a
duração da fase queimador é a mesma, seja qual for o percentual de gusa líquido
utilizado no FEA. Quando não há
utilização
de gusa
líquido
na carga
a
fase queimador é um pouco mais prolongada, justificando o consumo levemente maior de
GN para estes casos.
Espera-se
que,
em fornos
modernos,
onde a utilização de
energia química é imperativa, o consumo de GN sofra redução proporcional a redução do consumo de
oxigênio secundário dos injetores. Além da redução do consumo de gases, sistemas
de
energia química equipados com injetores de alta eficiência proporcionam ainda outros ganhos metalúrgicos e operacionais, tais
como: redução do consumo de energia elétrica, incremento do rendimento metálico (produtividade), menor geração
de respingos
(splash) e maior formação de
bolhas em
função do
alto
grau
de agitação do banho provocado pelo sistema.
Figura 6. Relação entre o uso de gusa líquido e a necessidade de consumo de
gases no FEA – Análise teórica.
.
Mantida a injeção de carbono pulverizado constante para as corridas com gusa líquido,
apenas para
efeito de
formação
de escória
espumosa
e
o
controle
do percentual de óxido de ferro (FeO) na escória, a figura 6 apresenta o cálculo teórico
que indica a necessidade do incremento de consumo de GN como fonte energética
em
substituição a redução do carbono injetado, para que o valor do termo perda
térmica, ajustado no modelo seja mantido constante. Caso o GN não seja injetado no FEA outra fonte de energia, em geral energia elétrica, será necessária para o
fechamento do balanço térmico.
Figura 7. Basicidade binária e consumo de CaO em função do uso de gusa líquido – Análise teórica.
Na figura 8, com o aumento da carga de gusa líquido existe um aporte maior de
silício que será
transformado em sílica (SiO2). Neste estudo foi determinado uma
relação inicial CaO/SiO2 fixa para todas as simulações, entretanto, considerando impurezas da sucata, o valor final da basicidade binária decresce com o aumento do
uso
de gusa líquido na carga.
Figura 8. Componentes básicos
da escória em função do uso de
gusa líquido – Análise teórica.
Outra conclusão é que o percentual de óxido de cálcio depende somente da cal
calcítica com
pequena participação da cal dolomítica. Este fato é observado na
balanço de
escória
que
aponta
uma
valor médio de
somente
4% MgO.
Valor
insuficiente para saturar a escória e proteger o refratário do forno elétrico conforme apresentado na Figura 8.
O presente estudo comprova a necessidade de correções da carga de fundentes (quantidade e tipo) em função do tipo de carga enfornada para garantir um melhor
desempenho
dos refratários
do forno.
Nestes
acertos podem ser
levados em
consideração outros fatores aos
quais
capacidade
de desfosforar assim
como incremento de MgO, visando novamente, o desempenho da campanha refratário do
forno elétrico.
Em termos econômicos,
sabendo-se dos custos envolvidos no
processo
de fabricação do aço é possível através do uso do modelo simular diversos cenários de utilização de
matérias prima
e
insumos (variando
o
consumo
de gusa líquido, consumo de GN, quantidade de carbono injetado, fundentes, pé líquido, etc) e então avaliar o impacto econômico, buscando soluções otimizadas de processo.
Além das vantagens metalúrgicas e de processo o uso do gusa líquido em FEA também se mostrou extremamente vantajoso do ponto de vista econômico. Fazendo
uma análise simplória apenas da substituição do uso da energia elétrica pelo uso do
gusa líquido no FEA é possível afirmar que o custo do Kwh/t fornecido através do gusa líquido é mais do que 16 vezes menor
do que o custo do kWh/t fornecido
através do sistema elétrico de energia, isto considerando-se que o gusa é adquirido
em
fornecedores externos. Quando a fabricação do gusa é feito internamente na própria usina esta relação torna-se ainda mais vantajosa. A figura 9 apresenta a variação do custo final estimado de produção de aço em função da variação da carga de gusa líquido.
Figura 9. Comparativo da evolução do custo de produção do aço versus o uso do gusa líquido na
carga.
6 CONCLUSÃO
As principais conclusões do presente trabalho são:
1. A metodologia utilizada e o modelo proposto apresentaram boa precisão na
previsão de redução de energia elétrica em função do uso de gusa líquido no FEA. Redução de energia elétrica prevista pelo modelo: 3,6 kWh/t para cada percentual de gusa líquido na carga. Redução de energia elétrica apurada:
3,7 kWh/t para cada percentual de gusa líquido na carga;
2. Foi verificado que para utilização de carga de gusa líquido inferior a 15% do
carregamento total do FEA as perdas térmicas inerentes a adição de mais um
carregamento no FEA são maiores que os ganhos energéticos obtidos pela adição do gusa, e por isso a redução do consumo de energia elétrica obtida nestes casos são inferiores às previstas pela regressão;
3. O uso de 28% de gusa líquido no carregamento do FEA impactou na redução
de cerca de 26,5% no consumo de energia elétrica do FEA;
4. Foi verificado um consumo menor de oxigênio para corridas que utilizam gusa
líquido. Este menor consumo está atribuído a uma melhoria na eficiência de reação do oxigênio injetado,
5. Ficou comprovada
a
necessidade de
correções
da carga de
fundentes
(quantidade e tipo) em função do tipo de carga enfornada para garantir um melhor desempenho dos refratários do forno;
6. Em termos econômicos o uso do gusa líquido em FEA também se mostrou
extremamente vantajoso. Foi apurado que o custo do Kwh/t fornecido através
do
gusa líquido é mais do que 16 vezes menor do que o custo do kWh/t
fornecido através do sistema elétrico, isto
considerando-se que o gusa é adquirido em fornecedores externos. Quando a
fabricação do gusa é feito internamente na própria usina esta relação torna-se ainda mais vantajosa.
Agradecimentos
Os componentes do trabalho agradecem a Lumar Metals pelo incentivo a pesquisa
continuada.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 CÂNDIDO, F. S., PASSOS, S. R. M., ALBUQUERQUE, B. T. S., GOMES, N. H. G.,
COELHO, E. S., Modelo de Carga Fria do FEA – UHP – 50T., Anais do 42º Seminário
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Salvador, Brasil. Mai. 2010.
2 JONES, J. A. T., EAF Steelmaking – Current State of the Art Technology and Future Developments., Anais da 18o Conferência de
Aceria. IAS.
Pag. 1 – 18. Rosário,
Argentina.
Nov. 2011.
3 CHEVRAND, L. J. S., CÂNDIDO, F.S., Balanço térmico de Forno Elétrico a Arco – Simples e Inteligente. Anais do 42º Seminário de Aciaria Internacional. ABM. Pag. 21 –
29. Salvador, Brasil. Mai. 2010.
4 PAULA, A. O., ARAÚJO, A. M., RIBEIRO, S. R., FURTADO, T. L. C., LIMA, W. L. S., Aciaria Elétrica
e
Utilização
de
Gusa Líquido.
Anais
do
42º
Seminário de Aciaria Internacional. ABM. Pag.
792 – 800. Salvador, Brasil. Mai. 2010.
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