A Forno de jateamento quente é um alto-forno de produção de ferro fornecido com ar que foi pré-aquecido - normalmente a 900–1.300 ° C - antes de ser soprado no forno através de bicos chamados ventaneiras, em vez de ser alimentado com ar em temperatura ambiente ("explosão fria"). O pré-aquecimento em si ocorre em um equipamento separado chamado fogão de explosão quente (também conhecido como fogão Cowper), e o ar aquecido resultante é conhecido como "explosão quente". Quase todos os altos-fornos em funcionamento hoje em dia utilizam este sistema, porque o ar pré-aquecido reduz drasticamente o consumo de combustível e aumenta a produção em comparação com os altos-fornos frios utilizados antes da década de 1830.
A distinção é importante porque a explosão a quente não é apenas um pequeno ajuste – é uma das poucas inovações que tornaram economicamente viável a produção de ferro em grande escala movida a coque. Altos-fornos alimentados com ar pré-aquecido a 900–1.250°C podem gerar temperaturas de fundição de cerca de 1.650°C, reduzindo significativamente o consumo de coque por tonelada de ferro produzido. Compreender como funciona o sistema de jateamento a quente – e por que a temperatura do ar é tão importante – é a chave para compreender a eficiência do alto-forno moderno.
O sistema de alto-forno quente é construído em torno de dois equipamentos conectados que trabalham juntos: o próprio alto-forno, onde ocorre a reação de fundição, e o(s) fogão(s) de alto-forno quente, onde o ar é aquecido antes mesmo de chegar ao forno.
O fogão é essencialmente uma carcaça cilíndrica vertical de aço forrada com tijolo refratário, com o interior separado em duas câmaras: uma câmara de combustão, onde são queimados os gases do alto-forno e outras fontes de combustível, e uma câmara regenerativa preenchida com um xadrez de tijolo refratário aquecido pelo gás queimado. Esses "tijolos xadrez" refratários são o meio de armazenamento de calor - eles absorvem o calor durante a combustão e o liberam mais tarde, à medida que o ar fresco é empurrado através deles.
Um fogão a quente não funciona continuamente em um modo – ele alterna entre duas fases. Durante o período de gás (queima), o gás combustível é queimado para aquecer o armazenamento térmico do tijolo xadrez; durante o período de explosão, o ar é aquecido fluindo através desse armazenamento térmico. Durante o período de descarga na explosão, o ar fresco é conduzido por um ventilador com pressão elevada através dos tijolos aquecidos e, depois de ser aquecido a até 1.200°C, esse ar – agora chamado de explosão quente – é alimentado no fundo do alto-forno para fundição de minério de ferro.
Como um fogão não pode aquecer gás e ar ao mesmo tempo, a maioria dos altos-fornos é atendida por três fogões: enquanto dois estão sendo aquecidos, o jato de ar passa pela câmara regenerativa do terceiro fogão a caminho do alto-forno. Essa rotação é o que permite que o alto-forno receba um fornecimento contínuo e ininterrupto de ar quente 24 horas por dia.
O ar aquecido viaja do fogão para a fornalha através de um tubo de agitação, que o distribui para os bicos de jato quente, ou ventaneiras, montados ao redor da base da fornalha. Como a temperatura da explosão quente precisa ser mantida constante para uma boa eficiência do forno, e a temperatura cai naturalmente à medida que o fogão esfria, a explosão quente é misturada com uma proporção controlada de explosão fria em uma câmara de mistura para manter a temperatura de entrega estável mesmo quando o calor armazenado de um fogão individual está sendo consumido.
A explosão a quente não é uma invenção moderna – ela data do início do século 19 e representa um dos avanços cruciais na história da produção industrial de ferro. Até a década de 1820, pensava-se que o ar frio produzia ferro de melhor qualidade do que o ar quente, em grande parte porque a umidade reduzida no ar frio do inverno era considerada benéfica.
A explosão a quente foi inventada e patenteada para fornos de ferro por James Beaumont Neilson em 1828 na Wilsontown Ironworks, na Escócia. Neilson descobriu que, ao aumentar a temperatura da explosão para apenas 300°F (149°C), ele poderia reduzir o consumo de combustível de 8,06 toneladas de carvão para 5,16 toneladas por tonelada de ferro produzido, com reduções adicionais alcançáveis em temperaturas mais altas. Os resultados foram dramáticos e rapidamente verificáveis em escala: números documentados da Clyde Iron Works entre 1829 e 1833 mostram que a fundição de coque a frio usou 8,2 toneladas de carvão por tonelada de ferro e produziu 37,5 toneladas de ferro-gusa por forno por semana, enquanto a explosão a quente com coque reduziu o uso de carvão para 5,3 toneladas e aumentou a produção para 54,9 toneladas por semana.
O equipamento original de Neilson tinha limitações reais. Os tubos de ferro fundido apoiados em um forno de tijolos apresentavam diferentes características de expansão, resultando em vários tubos rachados, e o equipamento de entrega utilizava ventaneiras sólidas e juntas de couro flexíveis que não suportavam as altas temperaturas. Somente em 1860 o inglês Edward Alfred Cowper inventou o primeiro fogão a quente de sucesso - o design regenerativo de tijolo xadrez que, em forma refinada, ainda é o padrão da indústria hoje. A rápida adoção que se seguiu foi impressionante: a explosão quente já era de uso geral em toda a Grã-Bretanha em 1835, apenas sete anos após a descoberta original de Neilson.
| Tipo de forno | Carvão utilizado por tonelada de ferro | Produção de ferro-gusa por semana |
|---|---|---|
| Explosão gelada com cocaína | 8,2 toneladas | 37,5 toneladas |
| Explosão quente com coca-cola | 5,3 toneladas | 54,9 toneladas |
| Explosão quente com carvão | 3,0 toneladas | 62,2 toneladas |
A principal razão pela qual a explosão a quente funciona é a termodinâmica simples: o ar frio que entra em uma fornalha precisa ser aquecido pela queima de combustível dentro da fornalha antes que possa fazer qualquer coisa útil, o que desperdiça coque simplesmente aumentando a temperatura do ar que entra. Ao pré-aquecer o jato de ar antes de entrar no forno, a entrada de calor aumenta na forma de calor sensível que reduz diretamente a taxa de coque.
A pesquisa moderna confirma que o relacionamento se mantém a um ritmo muito previsível. Para cada aumento de 100°C na temperatura do ar de saída da explosão quente, a proporção de coque do alto-forno pode ser reduzida em 4–7%, a produção pode ser aumentada em 3–5% e a capacidade de injeção de carvão aumenta correspondentemente. Uma estimativa separada da indústria coloca isso em termos absolutos: cada aumento de 10°C na temperatura da explosão a quente no tubo de agitação reduz a taxa de coque do alto-forno em aproximadamente 4 a 6 kg por tonelada de metal quente.
É também por isso que a explosão a quente se tornou essencial e não opcional à medida que a tecnologia dos fornos avançava. O pré-aquecimento da explosão de cerca de 1.200°C é agora considerado essencial quando o carvão pulverizado está sendo injetado através das ventaneiras, porque a explosão de ar quente garante aquecimento mais rápido, pirólise do carvão e combustão dos produtos gasosos resultantes.
Nem todos os fogões a quente são construídos da mesma maneira. De acordo com os diferentes layouts e estruturas da câmara de combustão e do regenerador, os fogões a quente são geralmente divididos em três formas estruturais básicas: combustão interna, combustão externa e combustão superior. A escolha entre eles é em grande parte uma questão de quanto espaço está disponível e qual é o pico de temperatura de explosão a quente que a operação está almejando.
Em um projeto de combustão interna, o fogão consiste em uma parede refratária cilíndrica com uma parede divisória vertical interna que divide o casco único em uma câmara de combustão e uma câmara xadrez contendo os tijolos xadrez. Este é o layout mais compacto e tradicional, mas apresenta uma limitação estrutural: o design da câmara de combustão interna com parede divisória tem um ponto fraco conhecido nos cantos da câmara de combustão.
Os fogões de combustão externa são compostos por uma câmara verificadora e uma câmara de combustão separadas, conectadas por um cruzamento em vez de uma parede interna compartilhada. A separação das duas câmaras em invólucros distintos remove o ponto fraco da tensão de canto do design interno e geralmente suporta temperaturas de pico mais altas.
Uma categoria mais recente de fogões não tem câmara de combustão no sentido convencional - são conhecidos como fogões de combustão de cúpula, fogões sem eixo ou fogões Kalugin. No geral, a tecnologia dos fogões a quente, especialmente o design e a qualidade dos seus refratários, sofreu grandes melhorias nos últimos anos, atingindo um nível de maturidade que garante uma vida útil de mais de 30 anos para um fogão bem construído.
Como diferentes zonas do fogão experimentam temperaturas muito diferentes, nenhum tijolo refratário pode ser usado por toda parte. A seleção do material é feita em camadas de acordo com o quão quente cada seção da câmara do verificador realmente fica.
Essa abordagem em camadas – combinando o grau do refratário com o calor real que cada zona experimenta – é o que permite que um único fogão lide com segurança com um gradiente de temperatura que se estende por centenas de graus de cima para baixo.
Os fogões a quente economizam enormes quantidades de coque, mas eles próprios são consumidores significativos de energia – um fato muitas vezes esquecido quando se avalia a eficiência geral do alto-forno. A quantidade de gás de alto-forno exigida pelos fogões representa aproximadamente 40% da produção total de gás de alto-forno, e o consumo de energia dos fogões pode chegar a 25% do consumo total de energia da planta.
Numa base por tonelada, os números são igualmente reveladores: com base em dados de seis sistemas eficientes de fogões a quente em todo o mundo, a necessidade total média de energia primária é de 1,8 GJ por tonelada de metal quente para os fogões a quente, em comparação com 11,6 GJ por tonelada para o próprio alto-forno. Isto significa que o sistema de fogão, embora menor em termos energéticos absolutos do que o forno, ainda representa uma parcela significativa e controlável do uso total de energia da planta – e onde os ganhos de eficiência se traduzem diretamente em economias de coque.
Melhorias práticas nas fábricas em operação demonstraram isso em números reais, e não em teoria. Os resultados documentados da otimização de baterias de fogões em produtores de aço integrados dos EUA incluem reduções na taxa de combustível de fogões de 8 a 15 kg por tonelada de metal quente e aumentos de temperatura de explosão a quente de 15°C a 30°C, traduzindo-se em uma redução na taxa de coque de aproximadamente 6 a 12 kg por tonelada de metal quente.
Para qualquer pessoa que opere ou avalie um sistema de alto-forno quente, vários parâmetros determinam consistentemente o desempenho dos fogões e onde a eficiência está sendo ganha ou perdida.
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