O alto-forno de uma siderúrgica, que opera a 2.200°C por 20 anos sem desligar e transforma minério de ferro e carvão em aço líquido

Este reator químico, um dos maiores do mundo, transforma minério de ferro e carvão em aço líquido, e seu revestimento precisa suportar décadas de operação contínua.

No centro da produção de aço, uma estrutura colossal desafia os limites da engenharia: o alto-forno de uma siderúrgica. Operando de forma ininterrupta por períodos que podem superar 20 anos, este reator químico vertical atinge temperaturas internas superiores a 2.000°C para transformar matérias-primas básicas, como minério de ferro e carvão, em ferro-gusa líquido, a base para a fabricação do aço.

A capacidade de uma estrutura de aço e materiais refratários de conter um processo tão extremo por tanto tempo é resultado de uma complexa sinfonia de design, ciência dos materiais e controle operacional. Em usinas como as da Gerdau, em Ouro Branco (MG), e da Usiminas, em Ipatinga (MG), a tecnologia do alto-forno de uma siderúrgica representa o ápice da engenharia de processos em alta temperatura.

As zonas e o fluxo que transformam minério em ferro-gusa

Um alto-forno é um reator vertical que funciona em contracorrente: a carga sólida (minério, coque, calcário) desce, enquanto gases quentes sobem, garantindo máxima eficiência. Sua estrutura é dividida em zonas, cada uma com uma função e temperatura específicas.

Topo (Bocca di Carico): por onde as matérias-primas são carregadas. É a zona mais “fria”, com gases de saída abaixo de 300°C.

Cuba (Tino): a parte mais longa, onde a carga é aquecida e as primeiras reações de redução começam a cerca de 800°C.

Ventre e Rampa: aqui, a fusão se inicia e se completa. A temperatura sobe para 1.800°C a 2.000°C, e ar quente é injetado pelas ventaneiras para queimar o coque.

Cadinho (Crogiolo): a base do forno, onde o ferro-gusa líquido e a escória se acumulam, separados por densidade, a cerca de 1.600°C.

A maratona de 20 anos: a “campanha” e a ciência por trás da longevidade de um alto-forno de uma siderúrgica

O ciclo de vida de um alto-forno de uma siderúrgica é medido em “campanhas” — o período de operação contínua entre duas grandes reformas. A duração de uma campanha pode ser extraordinariamente longa. Um exemplo é o Alto-Forno 1 da ArcelorMittal Tubarão, que operou por mais de 28 anos em sua primeira campanha.

A longevidade média, no entanto, é de cerca de 17 anos. O fim de uma campanha é quase sempre ditado pela degradação do revestimento refratário interno, especialmente no cadinho, que sofre o desgaste mais intenso. Manter um alto-forno de uma siderúrgica operando por duas décadas é um objetivo de alta performance, alcançado apenas com um projeto robusto e uma operação impecável.

Os materiais refratários e a camada de “skull” que resistem ao calor

capacidade de conter o calor extremo vem de seu revestimento interno. Cada zona do forno usa materiais refratários específicos para as ameaças que enfrenta:

Cadinho: usa blocos de carbono e grafite de alta pureza, que resistem bem ao metal líquido.

Cuba e rampa: utilizam tijolos silico-aluminosos e cerâmicas avançadas de carbeto de silício (SiC), que suportam a abrasão e o calor intenso.

Talvez o segredo mais importante seja a formação de uma camada protetora de escória e ferro solidificados, chamada “skull”, na parede interna do forno. Essa crosta funciona como um escudo dinâmico e sacrificial. A manutenção dessa camada, controlada pelos operadores, protege o revestimento original do contato direto com o metal líquido, sendo crucial para a longevidade do alto-forno de uma siderúrgica.

A modernização dos altos-fornos da Usiminas e da Gerdau

As siderúrgicas brasileiras são exemplos de como essa tecnologia continua evoluindo. Em 2023, a Usiminas concluiu a reforma de seu Alto-Forno 3 em Ipatinga, um projeto de quase R$ 3 bilhões. A modernização resultou em um equipamento mais eficiente e com menor emissão de poluentes.

A Gerdau, em sua usina de Ouro Branco, anunciou em 2024 um contrato para a reforma de seu Alto-Forno 1. O projeto foca em um novo design para o cadinho, com o objetivo explícito de garantir uma vida de campanha superior a 15 anos, e integra a modernização a uma estratégia de Indústria 4.0, com “gêmeos digitais” e inteligência artificial para otimizar a produção.

Validando a operação a 2.200°C e o futuro da tecnologia

A menção a uma temperatura de 2.200°C é precisa e se refere à “Temperatura Adiabática de Chama da Zona de Combustão” (RAFT). Este é um parâmetro calculado que representa a temperatura máxima da chama em frente às ventaneiras, onde o ar quente é injetado. A faixa operacional ideal para um forno de alto desempenho fica entre 2.000°C e 2.400°C.

Manter essa temperatura é um balanço delicado, controlado pela injeção de ar quente, oxigênio e combustíveis auxiliares. O grande desafio para o futuro do alto-forno de uma siderúrgica é sua pegada de carbono. A tecnologia do século XIX sobrevive no século XXI graças a uma contínua inovação em materiais e controle, mas sua relevância futura dependerá da capacidade da indústria de integrar soluções de baixo carbono, como o uso de hidrogênio verde, para tornar o processo mais sustentável.

Fonte: Clique Petróleo e Gás