Grandes volumes de combustível são utilizados em processos de aquecimento de aço. Portanto, avanços práticos que podem reduzir drasticamente esse combustível e custos associados são de grande interesse. A empresa Michigan SeamlessTube & Pipe (MST) conseguiu uma redução de 63% no consumo específico de combustível em sua operação de reaquecimento de tarugos após a adaptação do forno de soleira rotativa com a tecnologia REBOX® Oxyfuel “flameless” (sem chama) da Linde. A solução técnica também melhorou muito a capacidade de reaquecimento e eliminou a necessidade de um forno Walking Beam (viga móvel)
O processo de conversão dos sistemas de reaquecimento oferece lições para as siderúrgicas que trabalham com reaquecimento de tarugos, lingotes, placas e outros produtos de aço. O objetivo da Michigan SeamlessTube & Pipe (MST) foi aumentar a capacidade do processo de reaquecimento de tarugos enquanto reduzia o consumo de combustível e custos de manutenção, sem sacrificar o rendimento ou a qualidade do tarugo. A MST, uma divisão da Optima Specialty Steel Group, é uma fabricante de tubos sem costura de precisão, especializada em tubulações mecânicas em carbono, ligas e alto cromo trefilados a frio. A fábrica produz cerca de 39.000 toneladas por ano de tubos sem costura.
O processo da MST é semelhante ao de outras usinas de aço sem costura. Em primeiro lugar, as barras de aço sólidas são cortadas em seu comprimento e os tarugos são depois aquecidos num forno de soleira rotativa (RHF – Rotary Hearth Furnace, em inglês). Os tarugos são, então, perfurados no estilo Mannesmann. O forno rotativo (originalmente construído no final da década de 1940) foi equipado com um sistema tradicional de aquecimento a ar-combustível. Como a MST aumentou o tamanho dos tarugos ao longo dos anos – de 2,875 para 4,75 polegadas de diâmetro – foi instalado um forno de viga móvel (WBF – Walking Beam Furnace, em inglês) no início de 1980 para pré-aquecimento desses materiais de grandes diâmetros antes do carregamento no forno rotativo.
A solução Oxyfuel apresentou um perfil de aquecimento melhorado (Fig. 3). A taxa de aquecimento mais rápida e otimizada reduziu em 50% o tempo de aquecimento dos tarugos de 4,75 polegadas em comparação com o sistema de aquecimento de ar-combustível anterior, tornando o forno WBF desnecessário para pré-aquecer tarugos de grandes diâmetros. Ele também reduziu o consumo de energia em 63%. A conversão MST incluiu a substituição dos queimadores de ar-combustível no forno rotativo por queimadores REBOX® Oxyfuel sem chama, modificação do sistema de gases de exaustão e a instalação de novos defletores na porta de carga e descarga.
Implementando o Oxyfuel Flameless
O Revamp do forno de soleira rotativa da MST resultou em uma nova solução do sistema de combustão com base na experiência de processos, conhecimento da aplicação, simuladores e modelações matemáticas. Os elementos da solução REBOX Oxyfuel foram os seguintes:
• Um projeto turnkey, instalado e comissionado dentro de 3,5 meses após a ordem de compra;
• A substituição de queimadores a ar-combustível existentes por queimadores sem chama Oxyfuel;
• Implementação de um novo sistema de controle de combustão para combustível e oxigênio, incluindo painéis de controle para cada um;
• A instalação de um tanque de oxigênio líquido e tubulações para o painel de controle do forno;
• Modificação do sistema de gases de exaustão existente, incluindo a adição de um damper ativo, desconexão do forno de viga móvel anterior e instalação de um novo sistema de exaustão (tubulação);
• Integração dos controles do forno de viga móvel em um novo sistema de controle;
• Garantia de performance e direcionamento do start up do processo.
Cronograma Curto de Projeto e Instalação
Um cronograma de 3,5 meses foi estipulado para a conclusão do projeto como um todo (incluindo o sistema de controle e programação), fabricação e montagem dos painéis de controle, queimadores e componentes do sistema de combustão. A instalação foi concluída durante uma parada de 16 dias, no verão de 2011. O trabalho no refratário também foi realizado no forno durante esta interrupção.
Os 13 queimadores sem chama Oxyfuel foram facilmente instalados nas posições deixadas pelos queimadores a ar-combustível (Fig. 1A e 1B). O sistema de gases de exaustão foi modificado, incluindo a remoção dos dutos já existentes ligados ao WBF e instalação de um novo damper (Fig. 2). O sistema de gases de exaustão anterior e conexão ao WBF estavam ociosos.
Taxas de Aquecimento Revistas e Aumentadas
Os novos autorrefrigerados queimadores cerâmicos sem chama Oxyfuel foram colocados nas mesmas posições dos antigos queimadores a ar-combustível e foram criadas três zonas de controle de aquecimento. Queimadores em duas zonas (Fig. 1 e 3) incluem os pilotos e sensores UV para supervisão de chama.
Os sistemas de combustão do forno e alterações propostas foram baseados no perfil de aquecimento revisto (Fig. 3), que leva em conta as propriedades de aquecimento Oxyfuel. Esse aquecimento com Oxyfuel inclui maior eficácia de combustão do que a combustão a ar, características melhores e uma transferência de calor mais uniforme, além de se atingir 70-80% de redução nos gases de exaustão. O tempo de aquecimento foi reduzido de 16 minutos para 08 minutos por polegada de diâmetro do tarugo (tempo de residência RHF) – Fig. 4.
Formação de Carepa
A quantidade de carepa formada em fornos de combustão com chama direta pode ser diretamente atribuída ao tempo de exposição a temperaturas acima de 1092°C. Como mostrado na Fig. 3, o tempo a estas elevadas temperaturas, para a MST, foi reduzido de 19 minutos (do sistema de ar-combustível) para 11 minutos com o sistema REBOX. Operando diariamente, no entanto, esta redução na formação de carepa não é inteiramente realizada devido a atrasos decorrentes das frequentes trocas de ferramentas na operação de perfurar, especialmente quando os níveis de produção são aumentados.
Melhoria no Controle de Temperatura do Forno
O controle da temperatura de cada zona é facilmente gerenciado com um sitema de combustão Oxyfuel e os volumes de gases são reduzidos em 70-80%. A operação bem-sucedida, com um fluxo volumétrico significativamente reduzido de gases de combustão, foi realizada por meio de pequenas modificações no interior do forno e atualizações no monitoramento de pressão e sistema de controle. Duas defletoras foram instaladas perto das portas de carga e descarga do RHF – a fim de manter o controle da pressão (e eliminar a infiltração de ar), e um damper ativo foi instalado na saída de gases de exaustão. O sistema de controle de pressão foi então reformulado. Todos os termopares foram reposicionados de acordo com o novo arranjo e exigências das zonas de controle.
Um controlador da temperatura e um controlador lógico programável (CLP), com uma interface homem-máquina (IHM), são utilizados como um sistema independente. O sistema controla a razão de oxigênio para gás natural, a taxa de fluxo de Oxyfuel e a temperatura do RHF em cada zona, bem como sequências de ignição dos queimadores e travas de segurança (Fig. 5).
Garantia de Performance Cumprida
Como parte do projeto, foram propostos testes de performance para verificar o desempenho versus garantia após a conversão do RHF para a tecnologia REBOX. Estes testes foram realizados em agosto e dezembro de 2011, e ambos alcançaram as garantias de desempenho. Uma vez que os testes de desempenho foram realizados, a MST continua a ver resultados positivos na operação diária do forno. As realizações específicas dos testes incluem:
• Para o tarugo de 2,875 polegadas, o alvo era um aumento na taxa de aquecimento de 22%. Na realidade, um aumento de 35% foi atingido sobre este tamanho de material;
• Para o tamanho de 4,75 polegadas, era esperada uma redução na taxa de aquecimento em 15%, porém reduziu somente 12,5%;
• Consumo de combustível bruto específico é menor em 63% (em unidades Btu/ton). O consumo específico de energia (o combustível necessário para aquecer efetivamente os tarugos) é agora 1,15 mm Btu/ton para o material carregado a frio.
Condições de Trabalho, Melhoria e Manutenção Reduzidas
Hoje, os operadores da MST reportam as melhores condições de trabalho com o REBOX Oxyfuel sem chama, em comparação com as movidas a ar-combustível do sistema anterior. O nível de ruído é dramaticamente mais baixo, devido à remoção dos ventiladores de ar elétricos usados para o sistema de ar-combustível anterior. A remoção dos sopradores também eliminou a manutenção associada. Como resultado da instalação, o escudo exterior do RHF é mais frio, tornando-o mais confortável para os trabalhadores durante as atividades de manutenção e reparação.
Redução de Custos de Manutenção no Walking Beam
A elevada eficiência do novo sistema de Oxyfuel permitiu o desligamento do forno Walking Beam. Na prática, a MST ainda utiliza o WBF sem aquecimento para o transporte de tarugos para o forno rotativo. Com o desligamento do WBF, foram notados benefícios operacionais significativos:
• Mais de 200 mil dólares de uma economia anual de manutenção de refratários;
• Diminuição da manutenção dos componentes mecânicos do WBF;
• Melhoria das condições de trabalho, quando as necessidades de manutenção e operacionais requerem pessoal perto do forno.
Os Desafios da Operação
Apesar da extensa engenharia e trabalhos preparatórios, alguns desafios surgiram após a instalação inicial do sistema de Oxyfuel. Com o sistema de combustão a ar tradicional, o forno operava com as portas abertas em todos os momentos durante a produção e grandes volumes de gás escapavam delas. Com o volume de gases de combustão mais baixo, associado à operação de Oxyfuel, tornou-se mais difícil manter uma pressão positiva. Com taxas de produção mais baixas, havia uma pressão negativa que permitia entrada de ar falso no forno. Esta foi uma fonte de perda de energia, que gerou variações de temperatura e um aumento global de formação de carepa nos tarugos.
Para corrigir esse problema de controle de pressão, a MST e a Linde instalaram duas mantas defletoras feitas de material de fibra MAFTECTM (Fig. 6). O material MAFTEC foi selecionado devido a sua resistência à alta temperatura, baixa taxa de encolhimento (1,5% em 1600°C), durabilidade, facilidade de instalação, flexibilidade, força física e resistência à erosão. Essas características são particularmente importantes devido à proximidade das mantas defletoras em relação à chama do queimador.
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Como o sistema Oxyfuel Flameless (sem chama) funciona
O termo “combustão sem chama” descreve o aspecto visual deste tipo de processo. Outra maneira de descrever a combustão sem chama é combustão “diluída” ou “estendida” no tempo e no espaço, pois é espalhada ao longo de um grande volume. Tal combustão tem uma temperatura mais baixa e mais uniforme de chama do que as chamas convencionais. Além disso, combustão sem chama Oxyfuel envolve a substituição de ar (como comburente) para oxigênio de grau industrial.
Um dos resultados da combustão flameless é um aquecimento mais uniforme devido a chama ser prolongada e de baixa temperatura de pico. A combustão sem chama Oxyfuel também resulta em baixos níveis da produção térmica de NOx, devido à falta de nitrogênio ser menor na temperatura da chama.
A radiação e a convecção são melhoradas com o sistema Oxyfuel, devido ao aumento das pressões parciais do dióxido de carbono e vapor de água na atmosfera do forno e são estes produtos da reação de combustão que transferem calor ao material. É também benéfico que a ausência de nitrogênio (um lastro) minimiza o calor sensível que é perdido nos fumos a partir de um processo de aquecimento. Os volumes de gases de exaustão são reduzidos em até 80 %, sem mais necessidade de volumosos sistemas de exaustão e recuperadores. O lastro de nitrogênio também tem que ser transportado por ventiladores elétricos por meio de dutos de grandes dimensões. Tudo isso tem um impacto negativo sobre os custos capitais.
A Tecnologia REBOX Oxyfuel® da Linde reduz o consumo específico de combustível em fornos de reaquecimento de aço. Além da energia mais eficiente e aumento da taxa de aquecimento, oferece significativa vantagem ambiental e de manutenção, incluindo a redução de incrustação, a formação de NOx minimizado e redução das emissões totais de gases.
O portfólio REBOX inclui equipamentos e sistemas de controle para o enriquecimento de oxigênio, lanças de oxigênio, conversão total ou parcial do sistema, podendo somente funcionar como uma “turbina” para os fornos de reaquecimento e recozimento.
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Conclusão
A instalação foi concluída com sucesso em julho de 2011 e, desde então, a MST tem percebido os benefícios do sistema de aquecimento Oxyfuel sem chama. Os resultados importantes do projeto estão resumidos a seguir:
• Diminuição do consumo específico de combustível em 63%;
• Redução do tempo de aquecimento de 16 minutos por polegada para 8 minutos por polegada para tarugos de tamanhos grandes;
• Aumento da capacidade para tarugos de tamanhos pequenos em até 35%; 3,5 meses após recebimento de ordem de compra.
Os resultados completos deste trabalho foram apresentados no AISTech de 2013, Pittsburgh, Pa., EUA, em maio de 2013, e publicado no Conference Proceedings.
Texto gentilmente revisado pela empresa Linde Gases Ltda. Para mais informações, entre em contato com: Tathiana Ostorero Lehfeld; tathiana.ostorero@linde.com; www.linde-gas.com.br.
Para mais informações sobre a tecnologia Oxyfuel REBOX, entre em contato com: Linde North America, LLC, 575 Montanha Ave, Murray Hill NJ 07974, EUA; +1 908-771-1215; www.lindemetallurgy.com ou diretamente com a Linde no Brasil no telefone 08007254633. O autor Tom Sleder é gerente hot-mill da Michigan Michigan Seamless Tube LLC, Mich., South Lyon, Michigan, EUA. Tony Palermo é gerente do programa de metalurgia e Grzegorz Moroz é engenheiro da Linde North America, LLC., EUA.
