Refino - Fornos elétricos em Geral
Por:
Jean Gustavo de Aragão
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Índice Introdução............................................................................................................................... 1 1- Fornos Elétricos a arco....................................................................................... ............................................................................................... ............... ....... 2 1.1- Pressão de vapor do níquel líquido l íquido.......................................................... .................................................................. ................ ............ 2 1.2- Matérias primas para a produção de Ferro-Níquel.................................. .......................................... ................ ............ 4 1.3- Aquecimento Elétrico- Forno Elétrico................................................................. ....................................................................... ...... 5 1.4- Características Característi cas do Aquecimento Elétrico............................................................... ................................................................... .... 6 1.5- Temperatura e transmissão do calor........................................................................... 6 1.6- Condução do calor................................................................................................ ...................................................................................................... ...... 6 1.6.1- Fator de forma ..................................................................................... ............................................................................................. ................ ........ 7 1.7- Radiação de calor................................................................................ ........................................................................................ ................ ............... ....... 8 1.8- Convecção de calor..................................................................................................... 9 1.9- As Indústrias Eletroquímicas, Eletrotérmicas, Eletrometalúrgicas, Eletrolíticas e a Energia Elétrica................................................................................................................. . 9 1.10- Classificação dos Processos Eletroquímicos, Eletrotérmicos Eletrotérmi cos e Eletrolíticos Eletrolíti cos...... .......... 10 1.10.1- Processo Eletroquímico Eletroquí mico................................................................................... 10 1.10.2- Processo Metalúrgico........................................................................... .................................................................................... ............. 10 1.10.3- Processo Eletrolítico Eletrolí tico........................................................................................ 10 1.10.3.1- Em solução aquosa................................................................................ ................................................................................... ... 10 1.10.3.2- Em eletrólito fundido................................................................. ......................................................................... .............. ...... 11 1.10.4- Processo Eletrotérmico Eletrot érmico.................................................................................... 11 1.11- Vantagens técnico-econômicas do forno f orno elétrico...................................... .............................................. ............ .... 11 1.12- Classificação Classifi cação generalizada dos fornos elétricos elétri cos..................................................... 12 1.13- Classificação Classifi cação segundo o modo de utilização utili zação de energia........................................ 12 1.13.1- Fornos por processo eletroquímico............................................................. ................................................................. .... 12 1.13.2- Fornos por processo eletrotérmico................................................................ .................................................................... 12 1.13.3- Fornos ou células por processo eletrolítico eletrolí tico............................... ....................................... ................ ............. ..... 13 1.14- Classificação segundo a Natureza da corrente de alimentação ............. ..................... ................ ........ 13 1.14.1- Fornos de corrente continua...................................................................... ............................................................................ ...... 13 1.14.2- Fornos de corrente alternada.................................................................. .......................................................................... .......... 13 1.15- Classificação segundo o Sistema de transformação da energia elétrica................ 13 1.15.1- Fornos a arco.................................................................................... ............................................................................................ ............... ....... 13 1.15.2- Fornos a Resistência...................................................................................... .......................................................................................... 13 1.15.3- Fornos de Indução............................................................................... ....................................................................................... ............ .... 13 1.15.4- Fornos Mistos........................................................................................... .................................................................................................. ....... 13 1.15.5- Fornos a Plasma........................................................................ ................................................................................ ................ .............. ...... 14 1.15.6- Fornos Modernos Especiais.............................................................. ...................................................................... .............. ...... 14 1.16- Classificação segundo o Sistema de Alimentação de energia elétrica ........ ................ ............ 14 1.17- Classificação dos fornos elétricos a arco direto.................................................. ..................................................... ... 14 1.17.1- Fornos de arco indireto ou radiante............................................ .................................................... ................ ............ .... 15 1.17.2- Fornos de arco indireto ou radiante............................................ .................................................... ................ ............ .... 15 1.17.2.1- Fornos de soleira não condutora e arco em série..................................... 15 1.17.2.1- Fornos de soleira não condutora e arco em paralelo ................. ......................... .............. ...... 16 1.18- Classificação dos fornos f ornos elétricos a arco imerso i merso..................................... ............................................. .............. ...... 17 1.18.1- Fornos Elétricos de arco imergido de aquecimento direto.................. .......................... ........... ... 17 1.18.1.1- Fornos de soleira não condutora e arco em paralelo ................ ........................ ............... ....... 17 1.18.1.2- Fornos de soleira não condutora e arco em paralelo ................ ........................ ............... ....... 17
1.19- Natureza física f ísica do arco ar co................................................................................... ........................................................................................... ........ 19 1.20- Estudo do arco.......................................................................................... .................................................................................................. .............. ...... 20 1.21- Considerações Térmicas Básicas ......................................................... ................................................................. ................ ............ 23 1.21.1 - Geração do calor............................................................................................. 24 1.21.2 - Calor Gerado no n o arco..................................................................... ............................................................................. ................ ........ 24 1.21.3- Calor Gerado no eletrodo......................................................................... ................................................................................ ....... 27 1.21.4- Efeito de “Skin”......................................................................... ................................................................................. ................ ............. ..... 27 1.21.5- Coeficiente do efeito pelicular............................................................ ..................................................................... ............ ... 28 1.21.6- Calor gerado no banho.................................................................... ............................................................................. ................ ....... 29 1.22- Transmissão de calor dentro do forno.................................................................. ...................................................................... 29 1.22.1- Do suprimento de calor A................................................................. ......................................................................... .............. ...... 29 1.22.2- Do suprimento de calor B........................................................... ................................................................... ................. ............ ... 29 1.22.3- Do suprimento de calor C........................................................... ................................................................... ................. ............ ... 30 1.22.3.1- Na abóbada é feita a troca de calor por:.............................. ...................................... ................ ............ .... 30 1.22.3.2 - Nas paredes é feita troca de calor por:.................................................... 30 1.22.3.3 - No banho é feita troca de calor por:: .................................. .......................................... ................ ............ .... 30 1.23 - Perdas de calor....................................................................................................... 31 1.24 - Capacidade energética dos fornos a arco.................................................... ............................................................. ........... 31 2- Descrição do processo....................................................................................... ............................................................................................... .............. ...... 33 2.1- Sistema de refrigeração refri geração do forno.......................................................... .................................................................. ................ ........... ... 33 2.2- Sistema de refrigeração refri geração do transformador................................................... ........................................................... ............ .... 34 2.3- Sistema de emergência................................................................................. ......................................................................................... ............ .... 34 2.4- Sistema de fabricação e escorrego de eletrodos....................................................... 34 2.5- Salas de operações.............................................................................................. .................................................................................................... ...... 35 2.6- Fluxo do minério calcinado.................................................................................... ........................................................................................ 36 2.6.1- Carga quente.................................................................................................. ...................................................................................................... .... 37 2.6.2- Carga fria................................................................................................. ......................................................................................................... ............ 38 3- Eletrodos dos fornos a arco........................................................................... ................................................................................... ................. ........... 39 3.1- Eletrodos de carbono..................................................................................... ............................................................................................. ........... ... 39 3.1.1- Aspecto exterior ............................................................................................... 40 3.2- Carbono..................................................................................................................... 40 3.2.1- Vitrênio ............................................................................................................. 41 Fusênio................................................................................................................. ........ 41 Durênio......................................................................................................................... 41 3.2- Coque metalúrgico.................................................................................................... 42 3.3- Coque de petróleo ................................................................................................... ....................................................................................................... 42 3.3.1- Coqueamento retardado (Delayed Coking).................................... ............................................ ................ .......... 43 3.3.1.1- Coque esponja (Sponge ( Sponge Coke).................................................................. .................................................................... 43 3.3.1.2- Coque favolar (Honeycomb Coke)..................................................... ............................................................ ....... 43 3.3.1.3- Coque Acicular ou Agulha (Needle Coke).............................................. .................................................. 44 3.3.2- Coqueamento fluido (Fluid Coke).................................................... ............................................................ ................ ........ 44 3.4- Índice Conradson.................................................................................................... ........................................................................................................ 44 3.5- Fabricação dos eletrodos de carbono car bono........................................................ ................................................................ ............... ....... 45 3.6- Eletrodos de carbono amorfo................................................................. ......................................................................... ................ ............ 46 3.6.1- Eletrodos de carbono amorfo propriamente propri amente dito................................ ........................................ .............. ...... 47 3.6.1.1- Calcinação ..................................................................................... ............................................................................................. ............. ..... 49 3.6.1.2- Preparação granulométrica......................................................................... 49 3.6.1.3- Mistura........................................................................................................ 49 3.6.1.4- Moldagem................................................................................................... 49 3.6.1.5- Cozimento............................................................................... ....................................................................................... ................ ........... ... 50 4
3.6.2- Eletrodos de carbono amorfo destinados às células eletrolíticas ........ ............... ............ ....... 50 3.7- Eletrodos Soderberg................................................................................ ........................................................................................ ................ .......... 52 3.7.1- Eletrodos soderberg de grandes dimensões.......................................... .................................................. ............ .... 54 3.7.2- O equipamento dos eletrodos Soderberg de grandes dimensões...................... 61 3.7.3- Eletrodo Soderberg furados....................................................... ............................................................... ................ ............... ....... 67 3.8- Eletrodos El etrodos de grafita................................................................................................... 69 3.8.1- Limite Superior da intensidade de corrente........................................... .................................................... ............. 71 3.8.2- Limite inferior i nferior da intensidade de corrente .................................................... ........................................................ .... 71 3.8.3- Eletrodos recobertos..................................................................................... .......................................................................................... ..... 72 3.8.4- Condições operacionais que influem no comportamento dos eletrodos de grafita........................................................................................................... ........ ................ ........ 72 3.8.5- União dos eletrodos..................................................................................... ........................................................................................... ...... 73 3.8.5.1- Campo eletromagnético girante....................................................... ............................................................... ............ 73 3.8.6- Eletrodos refrigerados a água............................................................................ 74 3.8.7- Anéis economizadores(de eletrodos)..................................................... ............................................................. ........... ... 78 3.9- Grafitização........................................................................................ ................................................................................................ ................ .............. ...... 80 3.10- A escolha da utilização utili zação dos eletrodos..................................................... ............................................................. ............... ....... 81 3.10.1- Qualidade (Carbono amorfo ou grafita) .......................................................... 81 3.10.2- Diâmetro (Grande ou pequeno)....................................................................... 81 3.10.3- Fatores favoráveis à utilização utili zação de grandes diâmetros................. ......................... ................ ........... ... 81 3.10.4- Fatores favoráveis f avoráveis à utilização uti lização de pequenos diâmetros.................................. 82 3.10.5- Fatores favoráveis à utilização dos eletrodos de grafita nos fornos siderúrgicos......................................................................................................... ........ .......... 83 3.10.6- Fatores favoráveis f avoráveis à utilização uti lização dos eletrodos de caborno amorfo.................. 84 3.10.7- Taxa de escorregamento.................................................................................. 89 3.11- Consumo dos eletrodos...................................................................... .............................................................................. ................ ............ .... 89 3.11.1- Consumo da ponta p onta do eletrodo........................................................................ 92 3.11.2- Consumo Consumo lateral do eletrodo........................................................... ................................................................... ............... ....... 96 3.11.3- Efeito da temperatura e velocidade da atmosfera ambiente na oxidação....... .......96 96 3.11.4- Outros fatores de consumo.............................................................................. 97 4- Os refratários refratári os nos Fornos Elétricos..................................................................... ............................................................................. ............ .... 98 4.1- Revestimento Refratário, Refratári o, Materiais Cerâmicos............................................. ...................................................... ........... 98 4.2- Classificação dos Refratários Refrat ários................................................................... ............................................................................ .............. ..... 101 4.2.1- Refratários Refratár ios Sílico-Aluminosos Sí lico-Aluminosos.................................................................... ........................................................................ .... 101 4.2.2- Refratários Aluminosos................................................................................... 103 4.2.3- Refratários de Sílica.......................................................................... ................................................................................... .............. ..... 103 4.2.4- Refratários Básicos.......................................................................................... 103 4.2.5- Outros Refratários ............................................................................ .................................................................................... ............... ....... 105 Características técnicas dos refratários r efratários.......................................................................... 105 Revestimento refratário de fornos elétricos a arco....................................................... ......................................................... 106 Detalhes construtivos dos revestimentos refratários ............................................. ..................................................... ........ 107 4.5.1- Soleira.......................................................................................................... .... 107 4.5.2- Parede............................................................................................. ..................................................................................................... ................ .......... 110 4.5.3- Abóbada........................................................................................................... 114 4.5.4- Revestimento para fabricação de ferro fundido.............................................. 116 Refratários para fornos f ornos elétricos a arco imergido....................................... ................................................ ................. .......... 117 4.6.1- Características dos refratários para o forno a arco imergido........................ ............................118 118 4.6.2- Combinação de fatores para uma boa campanha............................................ 118 Índice de desgaste de Refratários ................................................................ ......................................................................... ................. .......... 120
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Práticas modernas de projeto e manutenção de revestimento refratários de fornos elétricos a arco........................................................................................... ................................................................................................... ................ ............ .... 127 4.8.1- Subsola...................................................................................... .............................................................................................. ................ .............. ...... 128 4.8.1.1- Construção em Estádio...................................................... .............................................................. ................ .............. ...... 128 4.8.1.2- Construção Contornante........................................................................... 129 4.8.1.3- Construção em Domo ou Semidomo Invertido............................... ....................................... ........ 129 4.8.2- Soleira de trabalho trabal ho........................................................................................... 130 4.8.2.1- Soleira Monolítica................................................................................. .................................................................................... ... 130 4.8.2.2- Soleiras de Tijolos.................................................................................... 133 4.8.3- Bica de corrida................................................................................................. 134 4.8.4- Furo de corrida.............................................................................. ...................................................................................... ................ ............ 134 4.8.5- Soleira da porta ................................................................................................ 134 4.8.6- Parede inferior...................................................................................... .............................................................................................. ........... ... 134 4.8.7- Parede da linha de escória........................................................................ ............................................................................... ....... 134 4.8.8- Porta do forno.............................................................................................. .................................................................................................. .... 136 4.8.9- Parede superior........................................................................................ ................................................................................................ ........ 136 4.8.10- Abóbada......................................................................................................... 138 4.8.11- Exemplo de montagem de uma abóbada convencional de um forno elétrico a arco........................................................................................................................... .. 140 4.8.12- Abóbada de alta alumina........................................................................... ............................................................................... .... 141 5- Diagrama e curvas características ................................................................ ........................................................................ ................ .......... 141 5.1- Diagrama circular e curvas características do forno a arco .......................... .................................. .......... 141 5.2- Curva característica característi ca em função da corrente para E e X constantes................... ....................... .... 144 5.2.1- Diagrama da potência ativa e reativa reati va....................................................... .............................................................. ....... 144 5.2.2- Diagrama do fator de potência................................................................ ........................................................................ ........ 144 5.2.3- Diagrama do rendimento................................................................................ .................................................................................. 144 5.3- Curva característica característi ca em função da resistência para E e X constantes......... .................. ........... 145 5.3.1- Diagrama da potência ativa e reativa r eativa....................................................... .............................................................. ....... 145 5.3.2- Diagrama da corrente.......................................................................... .................................................................................. ............ .... 146 5.3.3- Diagrama do Fator de Potência................................................................... ....................................................................... .... 147 5.3.4- Diagrama do rendimento................................................................................ .................................................................................. 147 5.4- Diagrama característica de Bergeon....................................................................... 149 5.4.1- Diagrama da intensidade de corrente de um forno em função do fator de potência potên cia...... ............ ............ ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............... ..................... ............ 149 5.4.2- Diagrama da intensidade de corrente de um forno em função do fator de potência potên cia...... ............ ............ ............ ............ ............. ............. ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............... ..................... ............ 150 5.4.3- Diagrama do fator de potência em função da potência e da intensidade absorvida pelo forno f orno e da tensão de alimentação ...................................................... 151 5.5- Conclusões........................................................................................................... ... 151 5.6- Curvas características caract erísticas operacionais dos fornos elétricos....................................... 153 5.6.1- Escolha do “tap” para o teste de curto-circuito curto-cir cuito............................. ..................................... ................ .......... 156 5.7- Diagramas operacionais e eficiência................................................................... ...................................................................... ... 157 5.8- Gráficos de operação dos fornos f ornos a arco................................................... ........................................................... .............. ...... 167 6- Balanço de Massa............................................................................................. ..................................................................................................... ............. ..... 173 6.1- Dados de entrada.................................................................................. .......................................................................................... ................ ............ 173 6.2- Cálculos para o balanço de massa...................................................................... .......................................................................... .... 174 6.2.1- Massa de metal produzida no Forno de Refino.................................. .......................................... ............ .... 174 6.2.2- Consumo total de eletrodo por corrida...................................... .............................................. ................ ............. ..... 174 6.2.3- Eletrodo utilizado no Forno de Refino....................................... ............................................... ................ ............ .... 174 6.2.4- Massa molar de carbono no Eletrodo utilizado no Forno de Refino.............. 174 6
6.2.5- Massa molar de enxofre no n o Eletrodo utilizado no Forno de Refino...... ........... ........ ... 174 6.2.6- Balanço de Massa do Carbono....................................................................... ......................................................................... 174 6.2.7- Balanço de Massa de Fósforo........................................................ ................................................................ ................ .......... 175 6.2.8- Balanço de Massa de Níquel..................................................................... ........................................................................... ...... 176 6.2.9- Balanço de Massa de Ferro................................................................ ........................................................................ ............. ..... 177 6.2.10- Balanço de Massa do Enxofre....................................................................... 178 6.2.11- Balanço de Massa do Oxigênio..................................................................... 180 6.2.12- Balanço de Massa de CaO....................................................... ............................................................... ................ ............. ..... 180 6.2.13- Balanço de Massa de CaO seguindo a estequiometria da reação................. 181 7- Balanço Térmico............................................................................................................ 181 7.1- Dados de entrada.................................................................................. .......................................................................................... ................ ............ 181 7.2- Cálculos para o Balanço Térmico............................................................. ..................................................................... ............. ..... 182 7.2.1- Entradas de energia ........................................................................ ................................................................................ ................ .......... 182 7.2.2- Saídas de energia....................................................................................... ............................................................................................. ...... 184 7.2.2- Perca de energia....................................................................... ............................................................................... ................ ............... ....... 184 Bibliografia................................................................................................. ......................................................................................................... ................. ............... ...... 185
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Introdução A redução é um processo pirometalúrgico de fusão redutora de minério, onde é utilizado cavaco de madeira ou carvão vegetal como agente redutor e eletricidade como fonte de energia e com o propósito de se obter a liga ferro-níquel na forma metálica. Este processo é realizado em forno elétrico de 22 MVA (Mega Volt Ampère) da marca Elkem, também denominado forno a arco submerso. O calor necessário para a fusão é obtido pela passagem da corrente elétrica entre três eletrodos existentes dentro do forno, através do material fundido e da carga sólida e, em alguns casos, através dos arcos elétricos formados entre a extremidade inferior dos eletrodos e o banho, caracterizando uma operação com arco aberto. O forno Elkem é constituído de uma carcaça cilíndrica de aço carbono com 25 mm de espessura, diâmetro de 14.940 mm e altura de 6.425 mm. Externamente, a carcaça é refrigerada por uma lâmina de água e, na parte interna, protegido protegido por um revestimen revestimento to magnesiano, magnesiano, da base até a altura de 5.953 mm, correspondendo parede e soleira. Dos 5.953 mm até 6.425 mm o revestimento é sílicoaluminoso. Na altura de 2.444 mm está montado montado um quadro de refratário que permite o vazamento do metal e a 800 mm acima, estão dois conjuntos de cones de cobre, de diâmetros diferentes, para vazamento da escória, refrigerados a água. O controle do processo de redução efetua-se, principalmente, pela quantidade de redutor adicionado. Sendo o Ni mais facilmente reduzido do que o Fe, o objetivo é obter somente uma redução parcial do Fe para produzir uma liga Fe-Ni com alto teor de Ni. Por outro lado, precisa-se de um certo excesso de carbono para se obter uma recuperação satisfatória. A influência do carbono na carga do forno pode ser resumida da seguinte maneira: . Aumento de C Melhora a recuperação: menos Ni na escória, diminui o teor de Ni no metal e aumenta a fluidez do metal; . Diminuição de C Baixa a recuperação: aumenta o teor de Ni na escória, aumenta o teor de Ni no metal e diminui a fluidez do metal. A liga Ferro-níquel é produzida na interface escória e carga, mas em quantidades tais que o processo pode ser considerado como fusão da escória com precipitação de partículas partículas de metal. metal. A temperatura média de vazamento da liga é da ordem de 1.470ºC e a da escória de 1.585ºC. A flui fluide dezz da escó escóri riaa é dete determ rmin inad ada, a, prin princi cipa palm lmen ente te,, pela pela rela relaçã çãoo (SiO (SiO2/ (MgO+CaO)) no minério. Para assegurar uma operação uniforme do forno é necessário manter essa relação a mais constante possível (em torno de 1,70). A fusão média diária de cada Forno é de 750 t de minério seco e, em função do grande volume de escória gerado no processo (da ordem de 80% do minério alimentado), os vazamentos da escória são de 2 em 2 horas, com média de 40 minutos por corrida. Os vazamentos da liga obedecem à programação do Refino.
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1- Fornos Elétricos a arco O níquel possui as seguintes propriedades físico-químico:
Peso atômico g/átomo - 58,71 gramas; Número Número de atômico atômico - 28; Peso específico - 8,5 g/cm 3; Valência - 0,1,2,3; Ponto de fusão - 1450ºC; Ponto de ebulição -2914ºC; Calor de fusão - 4210 cal/mol; Calor de ebulição - 89600 cal/mol; Capacidade calorífica específica - 0,1034 cal/gºC; Condutividade térmica a 0ºC - 0,1420 cal/cm/cm 2/segºC; Dureza - 3,5 escala de Mohs; Condutividade elétrica (Cu 100) - 22,7; Cor - Branca; Estrutura cristalina- α - Hexagonal compacta β - cúbica de face centrada.
Limite de resistência à tração: Arame- 1,27 de diâmetro estirado a frio - 112,5 kg/mm 2; 2 Chapas, 1,27 mm largura laminada a frio - 64,68 kg/mm ; 2 Chapas, 1,27 mm largura recozida - 53,43 kg/mm . O níquel pode ser laminado em chapas finas e trefilado a arames pois possui um alto grau de ductilidade e tenacidade.
1.1- Pressão de vapor do níquel líquido O níquel e o ferro são solúveis em todas proporções, tanto no estado líquido como no sólido, conforme Figura 1. 1. O cálculo da pressão de vapor de níquel é realizada através da equação. − 46513 + 14,6 ln P Ni (atm) = T
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Figura 1- Diagrama de fases do sistema Fe-Ni
As tabelas 1.1 e 1.4 se referem aos dados termodinâmicos das ligas sólidas e líquidas do sistema Fe-Ni. Tabela 1: Calor de mistura das ligas sólidas a 1200K NNi ∆H NNi ∆H 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
-182 -350 -524 -719 -923 ± 100
0,6 0,7 0,8 0,9
-1056 -1061 -878 -503
(1-N)Fe(γ) + N Ni(s) = Fe(1-N) Ni N(γ) Tabela 2: Quantidade parciais molares paras ligas sólidas a 1200K NFe aFe γFe ∆GFe ∆GFeEXC 0,9 0,8 0,7 0,6
0,865 0,768 0,690 0,616
0,960 0,960 0,986 1,027
-347 -629 -884 -1156
(± 0,02 0,023 3) (± 0,03 0,039) 9) (± 90) 90)
-96 -96 -33 62 (± 90) 90)
Fe(γ) = Fe(na liga)( γ)
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Tabela 3: Energia livre total de mistura para as ligas líquidas a 1300K NNi ∆G ∆GEXC NNi ∆G ∆GEXC 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
-1369 -2160 -2704 -3061 -3240 (± 90)
-159 -298 -431 -556 -661 (± 90)
0,6 0,7 0,8 0,9
-3225 -2973 -2437 -1548
-721 -700 -574 -338
(1-N)Fe(l) + N Ni(l) = Fe(1-N) Ni Ni N(l) Tabela 4: Quantidades parciais molares para as ligas líquidas a 1873K Componente de Fe Componente de Fe NNi Fe(l) = Fe(na liga) l Ni(l) = Ni(na liga) l EXC aFe γFe ∆GFe ∆GFe aNi γNi ∆GNi 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
1,000 0,897 0,794 0,693 0,587 0,470 (± 0,00 0,008) 8) 0,343
1,000 0,996 0,992 0,990 0,978 0,941 (± 0,01 0,016) 6) 0,858
0 -407 -860 -1366 -1985 -2805 (± 60) 60) -3978
0 -15 -29 -39 -84 -225 (± 60) 60) -568
0,7 0,8
0,218 0,116
0,726 0,581
0,9 1,0
0,045 0,000
0,454 0,355
-5675 -1194 -8014 -2024 11509 -2939 -∞ -3860
∆GNiEXC
0,000 0,068 0,138 0,209 0,285 0,373 (± 0,01 0,013) 3) 0,481
0,617 -∞ 0,675 -10032 0,692 -7363 0,697 -5826 0,712 -4674 0,745 -3676 (± 0,02 0,025) 5) (± 125) 125) 0,802 -2723
-1800 -1462 -1373 -1 -1345 -1 -1264 -1 -1096 (± 125) 125) -8 -822
0,614 0,756
0,877 0,945
-1815 -1042
-4 -488 -2 -212
0,888 1, 1,000
0,987 1,000
-442 0
-50 0
A energia livre de formação do óxido de níquel é: Ni(S) + ½ O2 NiO(S) ∆GNi= -5500 + 20,01*(298-1726 K) Ni(S) + ½ O2 NiO(S) ∆GNi= -5500 + 20,01*(1726-2000 K)
1.2- Matérias primas para a produção de Ferro-Níquel O principal mineral constituinte dos minérios lateríticos é a garnierita. A garnierita é um hidro-silicato de níquel e magnésio. Estudos mineralógicos definiram a garnierita como uma variedade de serpentina onde o níquel substitui o magnésio. Muitos outros nomes como noumeita, nepouita, gymnita e genthita são utilizados para as diversas espécies de silicatos de níquel, mas o termo genérico garnierita é o mais usado. Limonita niquelífera é um termo usado para óxidos férricos niquelíferos em depósitos lateríticos. A goethita é o principal constituinte das limonitas niquelífera. O conteúdo de água varia bastante.
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1.3- Aquecimento Elétrico- Forno Elétrico Forno elétrico é todo aparelho de aquecimento que serve para se obter uma determinada temperatura numa carga predeterminada , por meio da energia térmica produzida produzida pela energia energia elétrica. elétrica. Compreend Compreendendo endo uma câmara isolada, isolada, ou não, pode produzir produzir aquecimento aquecimento por fusão, refino, tratamento tratamento térmico, térmico, etc., ou para uma reação reação química de redução, decomposição ou combinação, etc. Generalizadamente os fornos elétricos a arco se dividem em duas classes distintas: fornos elétricos a arco aberto (ou direto) e fornos elétricos a arco imergido (ou de arco resistência), ou ainda de redução. Os fornos elétricos de arco aberto são caracterizados pelo fato de os arcos se fecharem entre os eletrodos e a carga, ou entre os eletrodos, servindo como fusores da carga e do seu refino. Os fornos elétricos de aço emergidos são caracterizados pelo fato de os eletrodos estarem imersos na carga de matéria-prima, e a corrente elétrica passar não apenas através dos arcos que se descarregam entre as pontas dos eletrodos e o banho fundido, mas também lateralmente aos eletrodos, através da resistência da carga de matéria-prima. Estes fornos são utilizados principalmente para a produção de ferro-ligas como ferrosilício, silício metálico, ferro-manganês, ferro-cromo, ferro sílico-manganês ferro sílicoaluminio, ferro boro, etc., bem como para a produção de produtos químicos como carboneto de cálcio, silicato de cálcio, carboneto de silício, eletrofundidos de alta alumia, etc. No nosso caso específico específico do aquecimen aquecimento to elétrico elétrico pelo arco voltaico, voltaico, desenvolvido em fornos apropriados de fusão e0ou redução, o aquecimento tem como definição a característica do calor desenvolvido principalmente pela radiação do arco e, em conseqüência, pela condução e convecção desse calor, que é transferido ao seio dos ambientes que rodeiam. O arco em si será definido posteriormente em capítulo próprio. O aqu aquec ecime imento nto elétric elétricoo envol envolve ve van vantag tagens ens cuja cuja simplic simplicida idade de e precis precisão ão de cont control role, e, parti particu cular larme mente nte nos nos forno fornoss de fusão fusão e redu reduçã ção, o, se carac caracte teriz rizam am como como inigualáveis quando comparadas com as de qualquer outro forno cuja cuja energia provenha do combustível carbono. Um forno elétrico ligado a um sistema elétrico pode ser operado 24 horas por dia e pode ser desligado desligado desse desse sistema sistema quantas vezes vezes forem necessárias, necessárias, sem maiores maiores conseqüências, salvo quanto ao consumo de energia no que se refere ao nível de potência, que envolve o preço dessa energia. Cada operação pode ser representada num diagrama de carga em eixos cartesianos da potência em função do tempo, qual permite aumentos de potência potência do forno nos momentos momentos de fraca demanda demanda (quando pré-acordad pré-acordadoo entre usuário e a concessionária da energia elétrica), ou para demandas já programadas para operações contínuas de potência com pequenas oscilações. È o caso da utilização de fornos elétricos a arco que trabalham em regime contínuo de fusão ou de redução, como refino e/ou tratamentos térmicos executados noutros tipos de fornos elétricos auxiliares. Os fundamentos da produção de calor pela eletricidade são “sui generis” na concepção, porém em termos de conseqüência são idênticos aos outros processos de produção produção de calor, como no caso da produção produção de calor pelo carbono, pela energia energia solar, nuclear, etc. Porém, é preciso ressaltar que, em qualquer dos casos, o aquecimento elétrico pode ser efetuado efetuado livre de de ponderaçõ ponderações es de gravidade, gravidade, ambiente ambiente ou pressão. pressão.
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1.4- Características do Aquecimento Elétrico O calor produzido eletricamente tem certas características distintas, a saber:
A precisão da regulagem elétrica se estende à transmissão do calor. É fácil alcançar uma temperatura uniforme entre reduzidos limites. Seu Seu dese desenv nvol olvi vime mento nto não não impl implica ica comb combus ustã tãoo de nenh nenhum umaa espé espécie cie,, portanto portanto não polui o ambiente. ambiente. As temperaturas que podem ser alcançadas não têm outro limite superior do que que o dete determ rmina inado do pelas pelas carac caracte terís rístic ticas as do mate materia riais is que que deve devem m suportar o calor.
As vant vantag agen enss deriv derivad adas as dest destas as carac caracte terís rístic ticas as varia variam m de valo valor, r, segu segund ndoo as condições de cada caso. As mais importantes entre elas são:
Aplicação no ponto exato onde se necessita. Flexibilidade; compreende uma fácil subdivisão, liberdade de colocação e uma grande facilidade de operação. Boas condições de trabalho, limpeza, funcionamento silencioso, escassa influência da temperatura ambiente, etc. Resposta rápida. Segurança. Altos níveis de temperatura, se necessário.
1.5- Temperatura e transmissão do calor Os dois princípios básicos do aquecimento industrial são: temperatura e forma de transmissão de calor. Neste segundo caso, reduz-se o campo em que se pode escolher o método de aquecimento para um processo determinado. Em geral, existem sempre vários métodos para se obter um mesmo resultado, tendo-se em contra fatores econômicos entre s quais, além do capital para a implantação ou instalação, comodidade e custos da energia, incluem-se os estudos das vantagens que oferecem os diferentes métodos e que influem no custo total da produção. Uma Uma clas classi sific ficaç ação ão conv conven enie iente nte de nívei níveiss de temp temper eratu atura ra pode pode se, se, segu segund ndoo Knowlton: I. Baixas Baixas temper temperatur aturas: as: até 400 400ºC; ºC; II. Tempe Temperatu raturas ras médias médias:: de 400ºC 400ºC até até 1150ºC 1150ºC;; III. Altas temperat temperaturas: uras: Pontos Pontos de de fusão dos metais metais refratários refratários e superiore superiores. s. O calor transmite-se por condução, radiação e convecção. Frequentemente, a transmissão do calor efetua-se por combinação dos três sistemas, com predominância, porem, de um deles.
1.6- Condução do calor A condução do calor pode-se efetuar nos três estados da matéria: sólido, liquido e gasoso. A condutividade térmica define-se como a quantidade de calor que circula na 6
unidade de tempo, através de uma área-unidade, numa placa que tenha uma espessuraunidade, e em cujas superfícies exista uma diferença de temperatura igual à unidade. A lei da condutividade térmica para um gradiente de temperatura constante se expressa como segue: Equação 1 h1=
A. K m .t ' l
em que h1 é a quantidade de calor transmitido por condução condução na unidade de tempo; A é a área da seção transversal do caminho seguido pelo calor; t’ é o gradiente de temperatura; l é o comprimento do caminho; e K m é o valor médio da condutividade térmica do material, na qual se estabeleceu um gradiente de temperatura para uma determinada temperatura.
1.6.1- Fator de forma A equação 1, tal como está indicada, é aplicável aplicável uniformemente uniformemente em percursos percursos de seção transversal uniforme. Se a área da seção transversal do caminho por onde o calor flui varia ao longo do seu comprimento, pode-se aplicar a equação apresentada se tomada a média logarítmica das áreas do caminho a percorrer. Quando as superfícies-limite a considerar não apresentam contornos suaves, o termo A/l da equação 1 deve ser substituído por um fator de forma S tal que: Equação 2 h1= S.K m.t’
São duas equações para o fator de forma S: a) Para Para recinto recintoss retang retangular ulares, es, de de acordo acordo com com a Figura 2: 2: A t
h
d A
W
Secção A-A
Figura 2- Recintos retangulares
Equação 3
S=
A t
+ 0,54.∑ l + 1,20.t
Onde A é a área da superfície interior; t é a espessura das paredes, e ∑l é a soma dos comprimentos de todas as arestas interiores. b) Para recintos recintos cilíndricos, cilíndricos, de de acordo acordo com com a .
7
t
h
a b
t
Figura 3- Recintos cilíndricos A
Equação 4
S = t
+ 0,54.∑ l +
2.π .h
b a
2,30. log10
Onde A é a área das superfícies das bases superior e inferior; t a espessura das paredes; paredes; ∑l é a soma dos compriment comprimentos os dos bordos superiores e inferiores; inferiores; h é a altura interior; b é o diâmetro exterior; e a o diâmetro interior.
1.7- Radiação de calor É um fenômeno que se produz nas superfícies. As superfícies, conforme a sua natureza emite ou absorvem energia radiante, com diferentes intensidades. A maior parte dos corpos sólidos é opaca à radiação. O quartzo é uma exceção notável, bem como os corpos transparentes ou translúcidos. Os líquidos transmitem a radiação em certo grau. Somente dois gases, vapor de água e anídrico carbônico absorve radiação em graus sensíveis. A qua quantid ntidade ade de calor calor transm transmitid itidoo por radiaçã radiaçãoo nas con condiç dições ões corren correntes tes,, na prática, vem express expressaa pela segu seguinte inte Equação 5: Equação 5
hr = ε .57.(T 04
− T a4 .10 −11
Onde hr são watts por decímetro quadrado; ε é o coeficiente de absorção da superfície receptora; T0 é a temperatura absoluta da superfície emissora; e T a é a temperatura absoluta da superfície receptora.
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1.8- Convecção de calor A transmissão do calor por convecção natural se efetua até uma superfície ou desde ela por movimento de um fluido, quando este movimento se deve exclusivamente a diferenças de densidade do fluido. Para a convecção natural no ar, a quantidade de calor transmitida vem expressa por: Equação 6
hc = 223 (t’)1,25.10-4
Onde hc são watts por decímetro quadrado e i’ é o gradiente de temperatura. Esta equação se aplica a planos verticais, verticais, cuja altura seja maior que 30 cm. Para alturas inferiores a 30 cm, deve multiplicar-se o coeficiente da Equação 6 por uma constante cujos valores são: Tabela 5- Constantes de ajuste
Altura em cm 20 15 10 5
Constante 1,36 1,54 1,77 2,80
A quantidade de calor transmitido por unidade de tempo por convecção natural desde uma superfície horizontal é de 35% superior à transmitida por uma superfície vertical, se esta encarada para cima, e de 30% inferior, se está para baixo. Portanto, para cond condiç içõe õess média médias, s, e cons conside ideran rando do todas todas as supe superfí rfíci cies es de um corpo corpo,, a média média da quantidade de calor transmitido por unidade de tempo por convecção natural pode ser calculada calculada com suficiente aproximação aproximação mediante mediante a Equação 6. Na convecção forçada, a transmissão do calor é função predominante da velocidade do fluido. Este efeito da velocidade e a facilidade com que pode regular-se, assim como o poder de penetração dos gases, fazem com que a convecção forçada seja um método eficaz para a transmissão de do calor na maioria dos casos. Tratando-se de aquecimento elétrico, a transmissão de calor na maioria dos casos. Tratando-se de aquecimento elétrico, a principal limitação que se opõe ao emprego da convecção forçada nos gases é o limite máximo de temperatura de trabalho do ventiladores, acima de 650 ºC. Em alguns casos, o gás pode aquecer-se à saída do ventilador, e, portanto, podem empregar-se temperaturas superiores às indicadas. Para cada aplicação da convecção forçada se requerem novos passos definidos para a circulação do gás.
1.9-
As Indústrias Eletroquímicas, Eletrotérmicas, Eletrometalúrgicas, Eletrometalúrgicas, Eletrolíticas e a Energia Elétrica
As indústrias eletroquímicas são as indústrias que produzem produtos químicos através da eletricidade, mas também as que produzem os ferro-ligas diversos, pois é pela eletricidade que conseguimos a reação de redução do óxido metálico que faz parte da matéria-prima para formar o ferro-liga desejado. A reação no forno também pode ser feita por decomposição eletrolítica para se atingir a formação de um produto químico determinado. 9
As indústrias eletrotérmicas são as que são capazes de produzir calor em elevados níveis de temperatura para fundir e, se necessário, refinar o produto que se deseja. As indústrias eletrometalúrgicas são as que produzem ou refinam metais ferrosos e não ferrosos através de processos eletrotérmicos, eletroquímicos ou eletrolíticos.
1.10Classificação dos Processos Eletrotérmicos Eletrotérmicos e Eletrolíticos Eletrolíticos
Eletroquímicos,
Os processos processos eletroquímico eletroquímicos, s, eletrolíticos, eletrolíticos, eletrometalú eletrometalúrgicos rgicos e eletrotérmic eletrotérmicos os podem podem ser ser agrupados agrupados em em quatro quatro grandes grandes grupos: grupos:
1.10.1- Processo Eletroquímico Neste Neste processo, processo, a reação química vem vem determinada determinada pelo efeito de Joule, Joule, quer seja alimentado por corrente contínua ou por corrente alternada. Esta categoria, a mais importante, compreende a produção de :
Carboneto de cálcio, de bário, de silício, de alumínio, etc; Não metálico metálicoss (grafita,silício (grafita,silício metálico metálico,, fósforo, fósforo, etc.); etc.); Metais (manganês, zinco, etc.); Coríndon, carborundo, cimento fundido; Compostos azotados (ácido nítrico, calciocianamida, etc.); Compostos fosfatados.
1.10.2- Processo Metalúrgico Este processo engloba os processos eletroquímicos, eletrolíticos e eletrotérmicos. Através deles poder-se-á fabricar metais ferrosos e não ferrosos, alem de ligas metálicas, tais como:
Gusa elétrico; Gusa sintético; Aço; Ferro-ligas; Metais não ferrosos e ligas metálicas.
1.10.3- Processo Eletrolítico Só alimentado a corrente contínua e utilizado com um eletrólito;
1.10.3.1- Em solução aquosa
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Para a produção de hidrogênio e oxigênio; Para a fabricação de água oxigenada e sais (persulfato e percarbonato); Para a fabricação da soda cáustica e potassa cáustica, com simultânea produção de cloro e de hidrogênio; Para a fabricação de hipocloritos, de cloratos e de perclorato alcalino; Para a fabricação de zinco, de cobre, de níquel, de ferro, etc. (eletrolíticos); Para processos de oxidação e redução.
1.10.3.2- Em eletrólito fundido
Para a fabricação do alumínio; Para a fabricação do sólido; Para a fabricação do magnésio; Para a fabricação do cálcio; Para a fabricação do berilo; Para a fabricação do Mischmetal ( ou metais das terras raras – lantanídeos).
1.10.4- Processo Eletrotérmico É o que compreende todo o processo em que a corrente elétrica tem ação exclusivamente térmica: Fusão e tratamento térmico de metais e de leitos metálicos; Cozedura de cerâmica e de refratários; Tratamento do vidro; Reaquecimento elétrico; Soldadura elétrica. De todos estes processos, alguns possuem atuação somente por energia elétrica, enquanto outros podem ser obtidos também por fornos a combustíveis. Neste Neste segundo segundo caso, caso, a escolha escolha recai soment somentee na vantage vantagem m econômic econômica. a.
1.11- Vantagens técnico-econômicas do forno elétrico As vanta vantage gens ns técn técnico ico-e -eco conô nômi mica cass do forn fornoo elét elétric ricoo em relaç relação ão ao forn fornoo a combustível são principalmente as seguintes: I. O valor comple complementar mentar do do interesse, interesse, a amortizaçã amortizaçãoo e a renovação renovação da instalaç instalação ão do forno elétrico são, geralmente, inferiores aos de um forno a combustível. II. A despesa despesa de operaçã operação, o, isto é, a despesa despesa de de mão-de-obra mão-de-obra e consumo consumo de de refratários, refratários, etc., resulta inferior à de um forno a combustível. III. O rendimento rendimento do forno elétrico elétrico é notavelme notavelmente nte superior superior ao que que se pode pode obter obter com um tipo perfeito do forno a combustível. IV. IV. As perd perdas as por por vola volati tili liza zaçã çãoo e vapo vapori riza zaçã çãoo são são meno menore ress do que que no forn fornoo a combustível.
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V. As temperatur temperaturas as alcançadas alcançadas com com o forno elétrico elétrico são notavelme notavelmente nte mais elevadas elevadas e muito mais uniformes do que aquelas obtidas com o forno a combustível. VI. VI. O forno forno elétri elétrico co prom promet etee uma uma ótim ótimaa regu regular lariz izaç ação ão da temp temper erat atura ura e uma uma fácil fácil desgaseificação. VII. A instalação instalação do forno forno elétrico elétrico requer requer um espaço espaço mais limitado limitado,, seja pela dimensã dimensãoo propriamente propriamente do forno, forno, seja pela eliminação eliminação do depósito depósito de combustível, combustível, fornalha fornalha e chaminé. VIII. VIII. A instalaç instalação ão do forno elétri elétrico co pode ser ser feita em qualque qualquerr lugar, graças graças à quase completa eliminação de fumos, pó e cinza. IX. IX. O mate materia riall prod produz uzid idoo pelo pelo forno forno elét elétric ricoo é mais mais puro, puro, mais mais homogê homogêne neoo e de características mais constantes do que as obtidas com o forno combustível. X. O forno elétrico elétrico permite obter certos certos produtos, produtos, que que não podem podem ser ser obtidos obtidos com o forno a combustível. XI. O forno elétrico elétrico permite permite obter obter produtos produtos com matéria-pr matéria-prima ima de tão baixo teor, teor, que não pode ser empregada no forno a combustível. XII. II. O for forno elétr létric icoo perm permit itee obte bter mais mais fac facilme ilment ntee um amb ambient ientee de reaç reação ão completamente neutra, ou, ao contrário, oxidante ou redutora, fazer reagirem sobre o produto fundido os gases determinantes (azoto oxigênio, etc). Tais vantagens devem assegurar tendenciosa escolha no emprego da energia elétrica em relação ao combustível quando o preço da energia o justificar.
1.12- Classificação generalizada dos fornos elétricos A classificação dos fornos elétricos pode ser feita de muitas maneiras, dada a sua diversidade nos vários setores de utilização, nas várias formas de funcionamento, nos vários tamanhos, potências e demais características. Apesar de existirem diferentes tipos de fornos elétricos, torna-se necessário um bom método de classificação. classificação. Vamos optar primeiramente primeiramente por um método que pode ser feito como segue.
1.13- Classificação segundo o modo de utilização de energia 1.13.1- Fornos por processo eletroquímico São fornos que funcionam por efeito Joule, atingindo a temperatura necessária para provocar provocar a reação reação química química no material material que constitui constitui a carga, para produzirem produzirem o produto produto que se deseja. deseja.
1.13.2- Fornos por processo eletrotérmico São fornos que utilizam o efeito de Joule para fusão e tratamento térmico do material a tratar, sem intervenção de alguma reação química.
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1.13.3- Fornos ou células por processo eletrolítico São fornos que se utilizam do efeito de Joule e que, por meio de um eletrólito, separam os elementos constituintes da carga, que está dissolvida nesse eletrólito, os quais, juntos, juntos, constituem constituem o banho eletrolítico. eletrolítico.
1.14 .14- Cla lass ssif ific icaaçã ção o segund gundo o a Natur atureeza da corr orrente ente de alimentação 1.14.1- Fornos de corrente continua São fornos empregados para todo processo eletrolítico e só raramente para outras aplicação, além de ultimamente também se empregarem no processo eletrotérmico como forno a arco ( para a fabricação de aço, etc.).
1.14.2- Fornos de corrente alternada São fornos empregados para todas as utilizações do forno elétrico, à exceção do processo processo eletrolític eletrolítico. o.
1.151.1 5- Cla Classi ssific ficaçã ação o segund segundo o o Siste Sistema ma de trans transfor formaç mação ão da energia elétrica 1.15.1- Fornos a arco São fornos quais os calores é produzido pela passagem da corrente através do espaço compreendido entre as extremidades dos dois ou mais eletrodos, ou entre a extremidade do eletrodo e a carga.
1.15.2- Fornos a Resistência São fornos nos qual o calor é produzido pela passagem da corrente através da carga, ou massa a tratar ou, no cadinho, pela corrente induzida pelo enrolamento primário.
1.15.3- Fornos de Indução São fornos nos quais o calor é produzido por efeito de Joule, da corrente induzida na massa a tratar, ou cadinho, pela corrente induzida pelo enrolamento primário.
1.15.4- Fornos Mistos
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São fornos nos qual o calor é produzido por efeito simultâneo dos precedentes tipos de fornos deste sistema.
1.15.5- Fornos a Plasma São fornos nos qual o calor é produzido por tochas de plasma que aquecem a carga a elevadíssimas temperaturas, volatilizando-a, para depois condensar seus vapores por níveis de temperatura, temperatura, separando separando seus component componentes es em altos graus de pureza, pureza, ou somente produzindo calor como nos fornos anteriores.
1.15.6- Fornos Modernos Especiais Nesta Nesta classificação classificação pode podemos mos considerar considerar os fornos de aquecimen aquecimento to dielétrico, dielétrico, de aquec aqu ecime imento nto por raios raios infrave infraverme rmelho lhos, s, de aqu aquec ecime imento nto por feixes feixes de elétron elétrons, s, de aquecimento por ondas ultra-sônicas, de aquecimento por “laser”, etc.
1. 1.16 16-- Cl Clas assi sifi fica caçã ção o se segu gund ndo o o Sist Sistem emaa de Al Alim imen enta taçã ção o de energia elétrica 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Forn Fornoo de cor corre rente nte con conti tinu nua; a; Fornos Fornos de corre corrente nte contin continuam uam ligado ligadoss em paralelo paralelo;; Fornos Fornos de corre corrente nte contin continuam uam ligad ligados os em série; série; Forn Fornos os de de corre corrente nte alte alterna rnada da;; Fornos Fornos de de corre corrente nte alter alternada nada mono monofási fásica; ca; Fornos Fornos de corre corrente nte alte alternad rnadaa bifásic bifásica; a; Fornos Fornos de corre corrente nte alte alternad rnadaa trifásic trifásica; a; Fornos Fornos de corre corrente nte alte alternad rnadaa exafás exafásica; ica; Fornos Fornos de corre corrente nte mista, mista, de plas plasma ma e espec especiais iais..
O acerto do tipo mais conveniente do forno a ser empregado para um determinado processo processo eletrotérmico eletrotérmico depende depende de um complexo complexo de circunstânc circunstâncias, ias, que deverão deverão ser examinadas, caso por caso, seja pela descrição das características de cada tipo de forno, seja pela descrição do principal processo eletroquímico ou eletrotérmico industrial.
1.17- Classificação dos fornos elétricos a arco direto
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Os fornos elétricos a arco direto empregam-se principalmente para fundir metais, e, se necessário, para refiná-los. São usados para a produção de aços comuns, aços-ligas e para a refusão refusão do do gusa gusa ou ferro ferro fundido. fundido. Em relação à transmissão do calor, eles podem classificar-se em dois tipod fundamentais:
Fornos de arco indireto; e Fornos de arco direto
1.17.1- Fornos de arco indireto ou radiante São do velho tipo os fornos a arco Stassano, Bassanese e derivados, nos quais os eletrodos são dispostos horizontalmente (Stassano), ou inclinados para baixo (Bassanese). O aquecimento do material advém da radiação na parte de reverberação e do movimento circular do arco, porém torna-se necessário que o eletrodo esteja afastado do banho de uma distância não inferior a 5 ou 6 cm. Destes tipos de fornos, o que ainda se encontra em uso generalizado é o forno a arco basculante, basculante, conhecido conhecido por forno Detroit. Detroit. Consta Consta de dois eletrodos eletrodos horizontalme horizontalmente nte dispostos no mesmo eixo, que atravessam o forno, com formato de um barril, pelos tampos. Internamente é revestido de material refratário, com uma porta única de carga e corrida, com bica, na parte bojuda. Tem um mecanismo que lhe permite a basculagem oscilante. É alimentado por corrente monofásica ou bifásica, sem neutro. Os eletrodos estão afastados um do outro no centro do barril, de maneira a permitirem a formação do arco que, por radiação direta ou refletida pelas paredes refratárias, aquece a carga a fundir. Os elet eletro rodo doss têm têm um meca mecanis nismo mo que que lhes lhes perm permite ite,, auto automat matic icam amen ente te,, esse esse afastamento, por regulagem provocada pela intensidade de corrente do arco. É empregado para fusão de vários metais ou para fabricação e refino do aço. a tensão de serviço deste tipo de forno é de 100 a 150 volts. Consumo especifico de energia varia de 400 a 500 kWh/t para bronze e de 800 a 1000 kWh/t para gusa ou aço. O forno a arco radiante encontra aplicação em pequenas fundições, nas quais se devem assegurar corridas diárias de peso são superior a 100 a 150 kg cada uma.
1.17.2- Fornos de arco indireto ou radiante Pertencem a esta categoria os modernos fornos a arco, nos quais os eletrodos se posicionam posicionam verticalmente verticalmente a poucos poucos centímet centímetros ros da carga. carga. O calor é obtido pela dissipação de sua natural radiação e pelas constantes mudanças de posição do arco, tanto na ponta do eletrodo como na carga a aquecer, e também, através da carga fechando o circuito, o que, motivado pela resistência elétrica do arco e carga, irá fazer com que a corrente elétrica produza calor pelo efeito de Joule. O forno a arco direto se distingue por duas categorias:
1.17.2.1- Fornos de soleira não condutora e arco em série É o forno tipo “heroult”, de três eletrodos, no qual o arco salta entre um eletrodo e a carga. A corrente percorre o eletrodo, saltando do eletrodo para o banho ou para a carga
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e destes para o eletrodo seguinte, ou vice-versa. Num sistema trifásico, a corrente de qualquer arco se fecha em estrema através do banho ou carga, Figura 4. 4.
Figura 4- Forno “HEROULT”
1.17.2.1- Fornos de soleira não condutora e arco em paralelo É o forno tipo “Girod” ou derivados. Nele, quase sempre, a corrente passa do eletrodo, através do arco, para a carga e vai alcançar o contra-eletrodo mergulhado na soleira soleira refrigerada, refrigerada, Figura 5 , (para um forno monofásico) ou de dois eletrodos para o contra-eletrodo submerso na carga (para o forno trifásico).
Figura 5- Forno “GIROD”
O primeiro tipo resulta mais seguro e de mais fácil condução. A regulagem é independente da altura da carga do forno e a sonoridade característica do funcionamento não é eliminada como com o eletrodo envolvido pela carga, no inicio da operação. O segundo tipo apresenta, por sua vez, as seguintes vantagens: tem mais equilíbrio entre a carga e a fase; permitem que se forme só dois arcos, pois o terceiro eletrodo ( ou melhor, contra-eletrodo) se encontra imerso na carga, mais propriamente na mistura do banho por efeito das correntes correntes induzidas, induzidas, provocadas provocadas pelos numerosos numerosos fluxos das correntes que, atravessando o banho, permitem uma via de retorno da corrente resultante da carga elétrica desequilibrada, permitindo mais fácil manobra do forno, por concentrar, na zona de trabalho do forno, o calor gerado por efeito de Joule das correntes que percorrem percorrem o banho banho.. Tais vantagens, no caso do forno do tipo de soleira condutora, propiciaram a criação do tipo misto, cujo centro do secundário do transformador (quando este tem o seu secundário 16
ligado em estrela) é ligado a um eletrodo eletrodo mergulhado na soleira. Este eletrodo eletrodo é ligado a terra, de modo que, no inicio ou durante o funcionamento, sendo provocado o equilíbrio entre suas três fases, através da carga.
1.18- Classificação dos fornos elétricos a arco imerso Os fornos elétricos a arco imergido, denominado também de aquecimento direto ou de arco-resistência, são, construtivamente, similares ao forno a arco aberto, salvo que, operaci ope raciona onalme lmente nte,, são comple completam tament entee diferen diferentes tes.. Ne Neste stess os eletrod eletrodos os estão estão sempre sempre submersos na carga, como suas pontas terminais. O calor desenvolvido nestas pontas também se processa por efeito Joule. Tais fornos são, por isso, classificados como fornos de resistência de aquecimento direto, porque se comportam como tais. Neles a resistência é constituída pelo conjunto de materiais que constitui a carga a tratar, e o calor, provocado pela passagem da corrente na carga do forno, transmite-se principalmente por condução e parcialmente por convecção. Os arcos se manifestam na parte inferior dos eletrodos formando, à volta de cada um, uma cavidade que é designada por Zona de Reação do eletrodo.
1.18.1- Fornos Elétricos de arco imergido de aquecimento direto Estes fornos são construtivamente análogos aos fornos a arco. Segundo a natureza da resistência que os caracteriza, dividem-se em:
Forno de arco imergido de resistência da carga e ebulição do produto; Forno de arco imergido de resistência da carga e produto fundido.
1.18.1.1- Fornos de soleira não condutora e arco em paralelo A esta categoria pertencem os fornos destinados à produção do zinco e do fósforo e à fabricação do sulfeto de carbono. São similares ao alto-forno, ou seja, possuem uma câmara superior de preaquecimento da carga por meio do gás da reação uma câmara intermediária de fusão e, em baixo, um cadinho para a escória. Os vapores de zinco, ou fósforo, ou sulfeto de carbono são condensados, em forma de pó, numa câmara esfriada, de formato toroidal circular, em forma de anel externo, acima da câmara de fusão. Podem também ser do tipo convencional de arco imergido fechado com abóbada, tendo tendo a câmara câmara de con conde densaç nsação ão indep independ endent entee para a con conde densaç nsação ão desse dessess vap vapore oress desenvolvidos.
1.18.1.2- Fornos de soleira não condutora e arco em paralelo
17
A esta categoria pertencem todos os fornos para a fabricação do carboneto de cálcio, ferro-ligas, gusa, etc., bem como os fornos eletrolíticos do alumínio, comportandose todos eles como reatores. Os fornos para carboneto de cálcio e ferro-ligas são geralmente constituídos por uma tina cilíndrica ou tronco cônico, chamada de carcaça ou cuba, de fundo chato, tronco de cone ou ovalado, constituída em chapas de aço e nervuras de chapa ou perfilados de aço, revestida internamente internamente com material refratário sílico-alumino sílico-aluminoso, so, encostado à chapa, ou ainda tendo de entremeio uma fina camada de quartzito. Estes revestimentos são chamados de revestimento refratário permanente. O cadinho destes fornos é formado por blocos blocos moldados moldados de carbono carbono amorfo, amorfo, ou, em vez destes, destes, por uma pasta carbonosa carbonosa de antracito calcinado, ou de coque de petróleo ou coque metalúrgico, aglutinados com piche. piche. Esta pasta carbonosa carbonosa é chamada chamada de pasta Soderberg Soderberg para soleira. soleira. Este tipo de revestimento de cadinho é empregado para a fabricação de carboneto de cálcio, ou ferroligas de alto-carbono. Quan Qu ando do se trata tratarr de fabric fabricaç ação ão de ferro ferro-li -liga gass de baixo baixo carbo carbono no,, a sole soleira ira é constituída de refratários aluminosos, ou magnesianos, ou cromo-magnesianos, ou mesmo silicosos, sob a forma de massas ou tijolos. Este tipo de forno é também empregado para a fabricação de gusa, ganhando o nome de baixo forno de redução. A capacidade destes fornos, conforme se vêm construindo, vai aumentando de ano para ano, e cada vez com melhores rendimentos, melhores sistemas de operação, controles mais sofisticados e automatizados, com maior confiabilidade, etc. Os fornos de grande capacidade são providos de abóbadas idênticas às dos fornos de arco aberto, para a total captação dos seus gases. Dentre esses gases, predomina o CO (monó (monóxi xido do de carb carbon ono), o), que, que, pela pela sua sua pres presen ença ça,, just justifi ifica ca a sua sua utili utiliza zaçã çãoo como como combustível ou redutor para combustão em fornos de reaquecimento, ou de sinterização, ou em caldeiras, ou outra utilização. Ultimamente, estes gases são utilizados, muito econo economic micame amente nte,, como como elemen elemento to reduto redutorr em instala instalaçõe çõess de reduçã reduçãoo direta direta para para a fabricação de ferro-esponja, depois de sofrerem uma depuração ou limpeza. A carcaça é provida de uma bica, quando o forno é de pequenas dimensões, ou, então, quando é de carcaça fixa. Os fornos de grande dimensão geralmente têm a carcaça móvel, isto é, susceptível de rodar sobre um pivô no centro. Esta rotação é dada por sistema de transmissão de movimento, por meio de cremalheiras circulares, engrenagens e um redutor e variador de velocidade acionado por motor elétrico. A cremalheira fica dispos disposta ta próxim próximaa às rodas rodas do tipo vag vagone oneta, ta, que se assent assentaa em um trilho circula circular, r, sustentado, por meio de mancais e eixos, a carcaça. As rodas ficam próximas da periferia do forno. Com este mecanismo, o forno tem possibilidade de rodar em torno do seu eixo muito lentamente (cerca de uma volta em 24,96 ou mais horas), ou então em frações de rotação, oscilantes e lentas, isto é, num e noutro sentido. Para fornos de carcaça ou cuba rotativa rotativa,, são empreg empregada adass três três ou mais bicas dispos dispostas tas na carcaç carcaçaa e uniform uniformem ement entee distribuídas. Além das células eletrolíticas para a redução da alumina (alumínio), que são sempre retangulares (paralelepipédicas), também existem, de fabricação da DEMAG, fornos a arco imergido para ferro-ligas retangulares. Estes fornos, dependendo do produto a ser fabricado, poderão ser de pequena ou grande capacidade. Poderão ter 3 eletrodos em linha, ou duas filas de 3 eletrodos em linha, ou 6 eletrodos em linha.
18
Pres Presen ente teme mente nte,, os refer referido idoss forno fornoss se empre emprega gam m para para a redu reduçã çãoo da gale galena na (chumbo) com fornos de 2 x 7 MVA, 6 eletrodos em linha, ou para a fabricação de ferroníquel com fornos de 2 x 82 MVA, 6 eletrodos em linha, ou para outras reduções. Em qualquer destes tipos de fornos, os eletrodos são suspensos da estrutura do prédio, prédio, com mecanismo mecanismo de subida subida e descida descida do mesmo, mesmo, mecanicame mecanicamente nte por meio de guinchos, ou hidraulicamente por meio de macacos hidráulicos e com um ou outro sistema de comando à distância de dentro da cabine de controle do forno. Os eletrodos são constituídos por cilindros de carbono amorfo de comprimento padrão, padrão, tendo condição condição de serem serem contínuos contínuos por ligação de outros outros cilindros cilindros através de niples niples roscad roscados os cilíndr cilíndricas icas ou bitronc bitronco-cô o-cônic nico. o. Mais Mais gener generaliz alizada adamen mente te pod podem em ser ser constituídos também de pasta Soderberg para eletrodos, qual é formada por coque de petróleo petróleo calcinado calcinado ou ou antracito antracito calcinado, calcinado, aglutinad aglutinadoo com piche, piche, que se moldam moldam dentro dentro de de uma camisa de chapa de aço, com nervuras também de chapas de aço pela parte interna (costelas). Este tipo de eletrodo é também constituído e de autocozimento. Os eletrodos são presos aos mecanismos de sustentação por meio de placas de contato e colar, ou anel de contacto. Tanto as placas quanto o anel de contacto são de bronze bronze cuja composição composição é de 85% de cobre e 15% de zinco. zinco. Todas Todas essas peças são resfriadas por água. A energia elétrica passa para o eletrodo através dessas placas de contato, vindo do secundário do transformador por barramentos de cobre rígidos e flexíveis. A instalação deste tipo de forno compreende um complexo de equipamentos e aparelhos diversos, como: ventiladores, exaustores, bombas de água, bombas de óleo, ar comprimido, etc.
1.19- Natureza física do arco Num forno a arco, o calor é produzido produzido por efeito de Joule, Joule, pela passagem passagem da corrente através do espaço compreendido entre as extremidades dos eletrodos ou entre eletrodos e a carga. A transmissão do calor à matéria a aquecer advém principalmente pela irradiação irradiação e só um um pequen pequenaa parte por por convec convecção ção e conduç condução. ão.
Figura 6- Forno elétrico
A câma câmara ra do forn fornoo tem tem um reve revest stim imen ento to refr refrat atár ário io onde nde se oper operam am as temperaturas que são apropriadas para o material a aquecer. O revestimento é contido por uma carcaça de chapa de aço, no fundo e nas paredes. paredes. Geralment Geralmentee as paredes paredes são de formato cilíndrico. cilíndrico.
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Usualmente o forno é constituído de duas partes: a câmara ou forno propriamente dito e a abóbada. Para fornos de arco aberto, a abóbada é destacável, para se proceder à carga do forno. Para fornos de arco-resistência ou arco imergido, a carga se processa geralmente através da abóbada, se o forno a tiver. Fornos de arco imergido de carcaça fixa podem ter abóbada. São fornos fechados. Porém, se giram em torno de seus eixos verticais, não têm abóbada. São fornos abertos. Excepcionalmente, o forno de arco imergido pode ter abóbada e girar em torno do seu eixo vertical, como é o caso dos fornos de pesquisa ou de instalações-piloto. Unicamente nos fornos de arco irradiantes e basculantes, nenhuma peça é destacável. Um transformador de potência é usado para reduzir a tensão de distribuição de 13800 volts ou mais para as tensões mais baixas, apropriadas para a operação. Barramentos pesados, de cobre ou alumínio, são necessários para transportarem a corrente elét elétric ricaa do trans transfor forma mado dorr para para o forno forno.. Para Para facili facilita tarr a basc bascula ulage gem m de forno forno ou a acomodação dos eletrodos, os barramentos, na proximidade dos eletrodos, são flexíveis. A posição do eletrodo determina o comprimento do arco para uma dada tensão, o que resulta num certo valor da corrente e da potência. A posição do eletrodo é controlada por um dispositivo automático que mantém a corrente ou a tensão num certo valor.
1.20- Estudo do arco Ao estudarmos a regulação de um forno a arco, devemos de acordo com as expressões que nos dão a potência útil (Ru) pó ser constituída, inteiramente ou não, pela resistência do arco. A principal característica de um arco elétrico, alimentado por corrente alternada, é aquela que ele possui de não constituir por si só um circuito elétrico estável. Isto se deve ao que podemos podemos chamar de “característica negativa”, isto é, a tensão e a corrente não são proporcionai proporcionais. s. Na Figura 7 temos traçada a curva A, característica de um determinado arco. “Esta curva nada mais é do que um diagrama” tensão-corrente”. A primeira vista, podemos observar que o arco não pode existir abaixo de certa tensão E 1, cujo valor corresponde corresponde a uma diminuição de corrente e daí alguns autores considerarem a curva característica do arco como sendo a hipérbole. Neste caso, o produto E.Ié constante e podemos concluir que que “o arco arco tem tem uma uma potê potênc ncia ia cons consta tant ntee e dete determ rmin inad adaa para para cada cada valo valorr do seu seu comprim compriment ento”. o”. Modific Modificand andoo a distânc distância ia entre entre os eletrod eletrodos, os, teríamo teríamoss outras outras curvas curvas características: A1,A2, etc. Como a curva A1 corresponde a uma aproximação dos eletrodos e a curva A 2 corresponde a um afastamento deles, o método de variação da potência de um arco é C C2 C1 simplesmente realizado pela modificação do seu comprimento. Y A opinião de que a potência do arco permanece constante, ao longo das curvas A 1, A2, etc., não é seguida por todos os estudiosos. Ru CM
D1
I
Y B
E1
D D2
X
X
DM
A1
A
20
A2 E
Figura 7- Curvas características de arco
Arco silencioso, para o qual E a diminui de modo notável com o aumento de I. Para esta área é valida a Equação 7 de Ayrton: Equação 7
E a
= A + B.h +
C + D.h I
Onde Ea é a queda de tensão no arco, I é a corrente absorvida, h é o comprimento do arco, e A, B, C, D são constantes positivas que dependem do diâmetro e da natureza física do eletrodo e do meio gasoso que o envolve. Zona instável, para a qual o arco é intermitente e instável. Arco sibilante, para o qual E a permanece praticamente constante ao variar a corrente I, que deixa de variar mesmo variando o comprimento do arco. Para esta área a fórmula fórmula para o efetivo efetivo valor da tensão do arco é, aproximadame aproximadamente, nte, a corresponde correspondente nte ao primeiro primeiro binômio binômio da da fórmula fórmula de Ayrton. Ayrton. Equação 8
Ea.I = A.I + B.h.I + C + D.h
Ou seja, a potência do arco é uma função do seu comprimento e da corrente, A Figura Figura 8 nos dão as curvas características de acordo com a expressão acima. Os mesmos autores consideram que a corrente no arco está em fase com a tensão, como se ele fosse uma resistência ôhmica pura, mas que desde que aquelas grandezas não são senoidais, as harmônicas resultantes dão ao arco uma defasagem, cujo fator de potência potência é: Equação 9
cos ϕ =
∑
E n . I n . cos ϕ n E . I
Onde os índi Onde índice cess repre represe senta ntam m a orde ordem m das das harm harmôn ônic icas. as. O fator fator de potê potênc ncia, ia,as assi sim m expresso, varia com diversas causas, sendo a principal a relação entreI a potência do arco e 3 a capacidade do forno. I2 h3 I3 h2 I2 I1 P P Ea h1 I1 21 I
h
h
Figura 8- Curvas características da Equação 9
Com este fator de potência, a potência do arco seria então: Equação 10
P = E a . I . cos ϕ = ( A. I + B.h. I + C + D.h ). cos ϕ
Para efeito de comparação, damos na Figura 9 a correspondente a Figura 8 , onde, porém, porém, adotamos adotamos apara a construção construção a hipótese hipótese da potência potência constante, constante, analisada analisada em primeiro primeiro lugar. lugar. Da primeira hipótese, resulta como resistência do arco: h3 h2 P
I3
h1
Ea
I2
P
I3
I2
I1
I1
I Figura 9- Curvas características da Equação 10 Equação 11
Ru
=
K
h
h
(onde K é uma função de h)
I 2
Da fórmula de Ayrton: Equação 12
Ru
=
A I
+
B.h I
+
C + D.h I 2
Outras fórmulas foram propostas, como: Equação 13
Ru
a
b
I
2
= +
I
+
c I h
E a do engenheiro Catani: 0,0565 Ru = Equação 14 I kA .5 I KA Onde I KA é a intensidade de corrente expressa em quilo-ampêres.
22
Quaisquer dos valores acima indicados confirmam a instabilidade do arco, ou seja, a sua característica negativa, da qual resulta o seu principal inconveniente,. R u é a resistência útil do arco. Até agora nós temos considerado o arco puro. Este, porém, não existe na prática. Em série com o arco existe sempre uma resistência ou reatância como seja a dos eletrodos, barramentos, etc., inerente à construção do forno ou propositadamente colocada no seu circuito, com a finalidade precípua de criar ou aumentar a estabilidade do arco. Se no diagrama da Figura 7, 7, colocarmos a curva característica de uma resistência R p, esta nos será dada pela reta B. A composição das curvas A e B ou A 1, e B1, etc., nos dará dará uma uma série série de curv curvas as resu result ltan ante tess C, C 1, C2, etc. etc.,, que que corre corresp spon onde dem m à cada cada característica resultante do sistema. O ponto mais baixo da curva C, ou seja, C m, nos dá o limite da estabilidade do conjunto, pois à esquerda do mesmo a curva tem a característica negativa do arco puro e continua, portanto, instável. À direta, a característica é positiva e possui a estabilidade dos circuitos normais. A família de curvas C, compostas para o mesmo valor da resistência Rp e diversos comprimentos de arco, nos mostra que a curva C e, portanto, para cada comprimento de arco, existe um valor de tensão e conseqüentemente de corrente, abaixo do qual, o arco, ou de uma maneira geral o circuito, se torna instável. Esta conclusão é muito importante, pois durante a regulação devemos ter em mente que devemos ajustar o comprimento do arco, para um valor de tensão, a fim de o mantermos sempre além do ponto crítico. Podemos traçar outra família de curvas D, que nos darão o limite de estabilidade para os valores valores da corrente corrente.. Evidentemente que ambas a famílias de curva dão resultados idênticos. Convém lembrar que a instabilidade do arco pode sobrevir, devido ao tipo de produto produto que está sendo sendo operado operado no forno. Na fabricação fabricação do aço, no inicio da operação, operação, a flutuação flutuação do produto, produto, dentro do cadinho, pode provocar a instabilidade e deve-se, então, recorrer, como já foi assinalado, à inserção de elementos estabilizadores adicionais. Estes elementos serão reatâncias ou resistências com vantagens e inconvenientes a elas inerentes, não só de ordem técnica como também econômica.
1.21- Considerações Térmicas Básicas As ocorrências térmicas num forno a arco podem agrupar-se dentro de sistemas que, entretanto, deverão ser tratados com algumas extensões, independentemente, noutra ocasião. Estes sistemas são (a) geração de calor, (b) transmissão de calor para a carga e paredes, paredes, e (c) (c) perdas de calor. calor.
23
B
A
C
Figura 10 - Representação esquemática de um forno a arco-aberto com geração do calor
A Figura 10, 10, acima, representa esquematicamente parte de um forno a arco-aberto com a geração do calor, transmissão do calor e as perdas indicadas esquematicamente.
1.21.1 - Geração do calor Indicamos, pelas letras A, B e C, a geração do calor, respectivamente, no arco (A), eletrodo (B) e banho (C).
1.21.2 - Calor Gerado no arco Decididamente a grande porcentagem do calor total gerado é proveniente do arco. O espaço físico do arco não é bastante desenvolvido para permitir uma análise exata. É generalizadamente admitido que a alta concentração de energia ( energia, por unidade de comprimento do caminho percorrido pelo arco) está entre os dois extremos do arco (isto é, da ponta do eletrodo à superfície do banho). Mas, a grande soma de energia é gerada na coluna central do arco ou plasma. A queda de tensão entre os extremos do arco (isto é da ponta do eletrodo à superfície do banho). Mas, a grande soma de energia é gerada na coluna central do arco ou plasma. A queda de tensão entre os extremos da parte central do arco é da ordem de grandeza de 5 a 15 V/cm. A tensão do arco tem uma posição posição usualmente usualmente entre 35 a 850 V, ou mais. Considerand Considerando-se o-se a soma dos fluxos da corrente através das extremidades do arco, assim como na coluna central, a potência é proporcional proporcional à que queda da de tensão. Conseqüenteme Conseqüentemente, nte, nos dois extremos extremos do arco, a qued quedaa de tensão será de 8 a 35% do total da potência produzida. Os desenhos da Figura 11, 11, que nos mostram o arco e o conjunto da interface do eletrodo, são esquemáticos. Atualmente, 24
o diâmetro do arco é muito menor do que o diâmetro do eletrodo. Além do mais, devido à ação das forças magnéticas, ele se move na superfície do topo inferior do eletrodo, quando antigamente isto só ocorria numa pequena área. Similarmente, o fundo do arco não tem uma posição fixa; como o metal está fundido e em estado líquido, existem na configu con figuraçã raçãoo geo geomét métrica rica da superf superfície ície trocas, trocas, isto é, simult simultane aneidad idadee com as forças forças magnéticas: trocas de área de contacto serão estabelecidas entre o arco e a carga.
o c r a A V o d o ã s n e T
Anodoo Anod
Comprimento do arco
I
V
Banho C
V
Catodo
Catodo
Plasma Anodo
Figura 11- Ilustração do arco e conjunto da interface do eletrodo
Por outras palavras: nas adjacências do anodo e do catodo existem consideráveis concentrações de potência, as chamadas quedas catódicas e anódicas, em conseqüência das quais a zona externa do arco, também chamada de zona de gotejamento, chega a atingir atingir temper temperatur aturas as superio superiores res a 200 2000ºC 0ºC.. Existe Existe ainda ainda um gradie gradiente nte de potenc potencial ial relativamente constante na zona central, chamada de coluna central ou plasma, em que a temperatura oscila entre 3000ºC a mais de 4000ºC, graficamente representada na Figura 11, 11, indicando que a resistência perto do anodo e do catodo é alta, enquanto que a resistência por unidade de comprimento da coluna é baixa. O que é um plasma elétrico? Consideremos um gás que se manifesta por processo qualquer como, por exemplo, por uma descarga elétrica de determinada freqüência entre dois condutores metálicos imersos nesse gás. Parte dos átomos desse gás se ioniza, constituindo assim um meio condutor de corrente elétrica entre os dois condutores metálicos (o gás torna-se um chamado condutor de terceira classe). Se mantivermos uma diferença de potencial conveniente entre eletrodos, circulará corrente elétrica através do gás. Com isso teremos simultaneamente, pela energia fornecida ao gás, uma maior ionização e um aquecimento. O que acontece é uma decomposição das moléculas em seus átomos e estes se ionizam, perdendo alguns suas camadas externas (que formam a valência e a covalência). O gás passa a se constituir de íons positivos, elétrons, átomos
25
neutros, etc. Este pandemônio eletrônico é conhecido como plasma, que constitui o quarto estado da matéria. Apesar de as temperaturas do arco serem elevadas, o aço, ou outro metal, é aquecido e fundido, de acordo com as leis da Física, por calorias fornecidas pelos kWh de energia elétrica. Isto é devido ao seguinte: um arco elétrico é um condutor elétrico é um condutor elétrico extremamente flexível que pode ser desviado devido a um grande número de fatores. Normalmente como o arco está a ser alimentado por uma corrente alternada, o fluxo variável do arco é orientado ao longo do eixo do eletrodo, ou melhor, ao longo da menor distância entre eletrodo e a carcaça, naturalmente como em qualquer circuito elétrico, envolvido por um campo magnético. Quaisquer variações nas grandezas, tais como como freqüê freqüência ncia,, fluxo fluxo magnét magnético ico,, tensão tensão,, intensid intensidade ade de corren corrente, te, resistê resistência ncia elétrica, indutância, capacitância, etc., relacionadas com arco, fazem variar o seu campo magnét magnético ico pelo pelo auto-in auto-induç dução, ão, criando criando forças forças eletrom eletromagn agnétic éticas as que impuls impulsion ionarão arão correntes. Essas, por sua vez, criarão fluxos e, portanto, campos magnéticos antagônicos aos originais, dando ao arco movimentos convulsivos. Por estes motivos, o arco, ou melhor, a coluna central, ou plasma de um forno elétrico a arco aberto alimentado por corrente alternada, move-se a alta velocidade sobre a carga líquida, numa área adjacente e projetada projetada para fora do eletrodo eletrodo em relação relação ao centro centro do forno, motivado motivado pela indução indução mútua (entre fases), difundindo calor sem afetar com suas elevadas temperaturas o metal ou ligas manipuladas. Em adição ao irregular impacto do arco, na superfície do metal ou ligas ligas fundid fundidas as e/ou e/ou escória escória,, promo promove ve forças forças ineren inerentes tes que que ocasio ocasionam nam uma agitaç agitação ão mecânica, tendo como conseqüência a transferência de calor para a carga e reação da escó escóri ria. a. Isto Isto é de espe special cial impo import rtân ânci ciaa para para ope operaçõ raçõees de refi refino no,, pois pois os arco arcoss estacionários, produzidos por corrente continuam perfeitos, parecem-nos à primeira vista que seriam menos eficientes no que se refere à transferência de calor, pela localização constante da radiação. A distribuição da energia sobre o comprimento do arco segue a disposição característica da tensão, com concentrações típicas do catodo e do anodo. Os valores dessa queda de tensão no catodo é da ordem de 10V, enquanto que a queda de tensão atribuída ao anodo é da ordem de 30V, segundo o original W. Schwabe e C. Robinson. A tensão do arco poderá então representar-se matematicamente (de acordo com a Equação 7 de Ayrton, simplificada) como: Equação 15
E a
= α + β . L
Onde: α = quedas de tensão catódica e anódicas, totalizando V c+Va=10+30= 40V; β = queda de tenção por unidade de comprimento, variando de 5 a 15 V/vm, de pendendo de vários fatores como: índice de basicidade da escória, estado de ionização do gás no qual se manifesta o arco, temperatura, etc.; L = comprimento do arco em centímetros. Multiplicando-se ambos os membros da Equação 15 po I.t (produto da corrente pelo tempo), obtém-se. E a . I .t = α . I .t + β . L. I .t Equação 16 Sendo: Ea.I.t= energia dissipada no arco; α.I.t= energia dissipada no catodo e anodo; 26
β.L.I.t= energia dissipada na parte central do arco. A Equação 16 mostra que quanto maior é o comprimento do arco, maior será a energia dissipada na sua coluna. As radiações de calor do catodo e anodo são essencialmente focadas dentro da área do arco, enquanto que a radiação da coluna ou plasma se espalha sobre áreas circunvizinhas mais distintas, como a carg, paredes e abóbada. Por pesquisadores do IRSID, foi desenvolvida a tensão do arco, que nos é dada em função da corrente do arco em kA, pela Equação 17: 17: Equação 17
Ea = 4,12.I + 40
Onde o número 40 é o valor atribuído a α = V c +Va.
1.21.3- Calor Gerado no eletrodo O calor gerado no eletrodo é devido à corrente que passa no eletrodo, sendo, todavia, distribuído ao longo do seu comprimento. Este calor só contribui indiretamente para a fusão da carga e, por radiação, radiação, reflete-se reflete-se no banho banho,, providenciand providenciandoo energia energia para reduzir as perdas de calor. A temperatura distribuída no eletrodo é o resultado do calor gerado pelo eletrodo e o calor de condução, proveniente do arco, que sobe por ele. Devid De vidoo ao efeito efeito de “skin”, “skin”, e à temper temperatur atura, a, depen depende dente ntess das proprie propriedad dades es elétricas e térmicas, a relação do calor gerado não é uniforme em relação ao diâmetro e comprimento do eletrodo.
1.21.4- Efeito de “Skin” Também conhecido por efeito pelicular ou efeito de Kelvin, é explicado da seguinte maneira: a resistência ôhmica verdadeira é a resistência oferecida por um condutor á passagem da corrente elétrica. Por seu lado, a resistência especifica é mesma, tanto para corrente alternada como para corrente continua, para um mesmo condutor. A resistência total de um condutor é maior para a corrente alternada que para a corrente continua. Isto é devido ao fato de que em um condutor, submetido a fluxo alternado, engendram-se forças eletromotrizes; estas forças eletromotrizes são maiores no centro do condutor que na periferia, de maneira que a diferença de potencial tende a estabelecer correntes parasitas que se opõem à corrente principal no centro e que reforçam a corrente principal principal na periferia. periferia. O resultado resultado deste fenômeno fenômeno é que a corrente se vê repelida repelida para a periferia, periferia, reduzindo reduzindo a área efetiva efetiva da seção do conduto condutor. r. Este fenômeno se denomina efeito pelicular, efeito de Kelvin ou efeito “skin”. Portanto, efeito pelicular é um fenômeno que se apresenta nos condutores que transportam correntes de intensidades instantâneas que variam periodicamente, como é o caso de correntes alternadas, o que não ocorre com correntes continua. É produzido pelo fato de que os elementos de corrente variável não encontram a mesma indutância em distintos pontos da seção do condutor. O elemento central encontra a máxima indutância e, em geral, a indutância dos elementos diminui quando a distancia ao centro aumenta, chegando a ser mínima na periferia do condutor. Isto tende a fazer com que a densidade de corrente não seja uniforme em toda a seção; a densidade é mínima no centro e máxima na periferia. Essa distribuição da corrente produz um aumento na resistência efetiva e uma 27
diminuição da indutância interna efetiva. A primeira conseqüência é de muito maior importância que a segunda. No caso de condutores grossos de cobre, com freqüência industriais, e no caso da maioria dos condutores com áudio e radiofreqüências, o aumento da resistência deve ser levado em conta.
1.21.5- Coeficiente do efeito pelicular A relação K entre a resistência de um condutor com corrente alternada senoidal R’ e a resistência com corrente contínua R, de um condutor cilíndrico reto, é: K =
Equação 18
R ' R
Onde K é o coeficiente de efeito pelicular, em função do valor do x, que nos vem dado pela Equação 19: 19: Equação 19
x
= 2.π .a.
2. f . µ ρ
Onde a é o raio do condutor em cm, f é a freqüência em Hertz, μ é a permeabilidade magnética do condutor (suposta como constante) e ρ é a resistividade em abohm-cm (abohm=10-9 ohm). Na pratica, pratica, a Equação 19 pode 19 pode ser expres expressa: sa: Equação 20
x
= 0,050136 .
f .µ R
Onde R é a resistência, em corrente continua, à temperatura de trabalho, em ohms por km. Se L’ é a indutância efetiva de um condutor linear para uma corrente alternada senoidal de uma freqüência determinada, Equação 21
L' = L1 + K '.L2
Onde L1 é a indutância externa, L 2 é a indutância da parte interna (devido ao campo magnético no interior do condutor). A indutância total efetiva por unidade de comprimento é : Equação 22
d + K '. µ 2 a
L' = 2. log e
Expressa-se nesta formula a indutância em abhenry por centímetro do condutor na parte reta do circuito; circuito; a é o raio do condu condutor tor e d é a distancia distancia ao condu condutor tor próximo próximo de retorno da corrente expressa nas mesmas unidades. O Valor de μ para materiais não magnéticos (cobre, alumínio, carbono, etc) é a unidade; para materiais magnéticos varia entre amplos limites segundo a composição,
28
processo processo de fabricação fabricação,, densidade densidade de corrente corrente,, etc, e deve deve ser determinado determinado por por ensaio, ensaio, em cada caso considerado.
1.21.6- Calor gerado no banho É também devido à corrente que flui através do banho. O calor é proveniente de duas partes: do metal fundido e da cobertura da camada de escória. A escória tem mais alta resistividade resistividade do que o banho, ainda que não seja muito. O calor é gerado na escória, escória, porque porque a maior parte dela dela é removida, removida, empurrada empurrada para longe pelas pelas forças provenie provenientes ntes do arco. Por causa da grande seção transversal que a corrente tem de percorrer no banho, a resistência passa a se baixa e, portanto, o valor do calor gerado é muito pequeno. A grande parte desta geração de calor acontece na região por baixo e entre os três eletrodos onde a corrente tem alta densidade.
1.22- Transmissão de calor dentro do forno A transmissão do calor acontece principalmente por radiação e condução; correntes de convecção no banho são de segunda ordem de importância.
1.22.1- Do suprimento de calor A Radiação:
Para o outro eletrodo; Para a superfície do banho entre eletrodos; Para a superfície do banho fora dos eletrodos; Para as paredes. Para a abóbada.
Condução:
Dirigido para cima dos eletrodos; Dirigido para baixo dos eletrodos.
1.22.2- Do suprimento de calor B Radiação:
Para a superfície do banho entre eletrodos; Para a superfície do banho fora dos eletrodos; Para as paredes e abóbada.
Condução:
Dirigido para cima; 29
Dirigido para os lados (radial).
1.22.3- Do suprimento de calor C Em vista da natureza natureza do suprimento suprimento de calor C difundido, difundido, a transmissão transmissão do calor se faz simultaneamente com as outras partes do forno (como abóbada, banho, etc.), da seguinte forma:
1.22.3.1- Na abóbada é feita a troca de calor por: Radiação com:
O eletrodo; O arco; A parte superior do banho.
Condução com: O ambiente.
1.22.3.2 - Nas paredes é feita troca de calor por: Radiação com:
O eletrodo; O arco; A superfície do banho.
Condução com: O ambiente; O corpo do banho.
1.22.3.3 - No banho é feita troca de calor por:: Radiação com:
O eletrodo; O arco; A abóbada; As paredes.
Condução com: O arco; A superfície que recebe calor por radiação; As paredes (fluxo radial) O fundo (fluxo radial) 30
1.23 - Perdas de calor As perdas de calor ocorrem através das superfícies externas do forno; o calor armazenado nas paredes e abóbada não é considerado, conseqüentemente, como perda de calor. Existem quatro grupos de perdas de calor que ocorrem através:
Dos eletrodos; Da abóbada; Das paredes; Do fundo.
1.24 - Capacidade energética dos fornos a arco Para se fundir uma dada soma de material, é requerida uma certa quantidade de calor, expressa em Kcal ou kWh. Um limitad limitadoo tempo tempo de aqu aqueci ecime mento nto,, con conseq seqüen üentem tement ente, e, exige exige uma grande grande produção produção de calor, Expres Expresss em kcal/h kcal/h ou ou kW. Cada aumento de fluxo de calor pode ser conseguido por um dos dois meios: ou pela diminuiç diminuição ão da relação relação de perdas, perdas, ou ou pelo aumento aumento da energia energia ligada. ligada. Constante a carga ligada e havendo a diminuição da relação de perdas, haverá mais energia livre para se transformar em calor útil. Se o aumento de carga ligada não for acompanhado por uma diminuição da relação de perdas, rendimentos mais proveitosos de calor não são conseguidos. A redução de perdas é até certo ponto extensiva a uma questão de projeto mecânico da instalação (por exemplo, o melhor método de carregamento é poder encurtar o temp tempoo de carr carreg egam amen ento to e, cons conseq eqüe üent ntem emeente, nte, redu reduzi zirr as perd perdas as dura durant ntee o carregamento carregamento), ), mas é largamente largamente limitada pelas propriedades propriedades da validade do material do revestimento. Um aumento da ligação de carga (energia) pode ser considerado tanto sob o ponto de vista elétrico como térmico. Um aumento da ligação de energia pode ser efetuado por um aumento da tensão, da corrente, ou de ambos. O aumento da tensão para uma instalação já existe é limitado por um certo número de fatores, a saber: segurança do pessoal operador, dificuldades de isolamento elétrico, limitada capacidade de potência (transformador, barramentos, diâmetro dos eletrodos, etc., e até da subestação alimentadora) e estabilidade do arco. Para algumas tensões, a segurança torna-se deficiente para o pessoal que opera o forno. O isolamento elétrico, projetado projetado para altas temperaturas temperaturas e para altas tensões, tensões, é difícil disponibilidad disponibilidade; e; esta dificuldade pode atender a um dos itens, porém dificilmente atende aos dois. De altas altas tensõe tensõess resulta resultam m longos longos e conse conseqüe qüente ntemen mente te limitaç limitação ão da vida vida dos revestimentos, particularmente das paredes e abóbadas. Entretanto, nas novas instalações em funcionamento ou em projeto, a tensão de serviço empregada nos fornos a arco tem continuamente aumentado, conforme vem aumentando a potência dos fornos.
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Assim em 1917, D. L. Clark e J. A. Clark, nos EE.UU., disseram que a tensão máxima entre fases usada nos fornos elétricos a arco aberto era de 200 voltes; em 1927, era de 265 V; em 1939, era de 300 V; em 1948, era de 450 V. Mas em 1951, R. J. McCu McCudy dy menc mencion ionou ou que que a tens tensão ão em uso uso ness nesses es forno fornoss pode poderia riam m ating atingir ir 550V 550V.. Posteriormente passou para 600 V essa limitação. Presentemente já ultrapassou os 800 V, atingindo já os 1000 V. Por seu lado, a potência dos fornos vem aumentando dia a dia nas instalações novas postas em funcionamento e, acompanhando o aumento da potência, vêm as tensões de serviço. Okorokov sugere-nos para cálculo dos valores das tensões de serviço E entre fases, em função da potência P do forno em watts: Equação 23 Equação 24
15.P 106 9,4.P E = 180 + 10 6 E = 134 +
O aume aument ntoo da corr correente nte requ requeer aume aument ntoo do tam tamanho anho dos eletr letrod odoos e conseqüentemente grandes barramentos condutores, tanto fixos como flexíveis. Supõe-se ser praticamente funcional, sem contestação, o uso dos sistema trifásico a três eletrodos para carregar carregar a energia energia para o forno. As dificuldades dificuldades mecânicas mecânicas em conexões conexões com a abóbada removível, basculagem do forno, e os conjuntos de cabos impõem um limitação do projeto no que se refere ao tamanho máximo dos fornos basculantes. Atualmente, esse tamanho praticamente já atingiu proporções gigantescas. Existem no Estado de Illinois, nos EE. UU. Dois fornos de arco aberto de 400 toneladas cada corrida, com 9,75 m de diâmetro de cuba, cilíndrica, de 2,50 m de altura do nível da soleira da porta até à borda superior, de 223 m 3 de volume interno, de 53,72 m 3 de capacidade de aço fundido ou cerca de 400 toneladas. A abóbada tem peso total de 135 toneladas, sendo 125 de refratários. O diâmetro da circunferência primitiva dos três eletrodos é de 1,76 m e os porta-eletrodo porta-eletrodoss comportam comportam eletrodos eletrodos de 0,61 a 0,71 m. A tensão tensão de serviço serviço entre eletrodos (entre fase) é de 840 volts, dispostos em 30 “taps” (tomadas de comutação) de 30 volts cada, a partir de 600 volts. O transformador que alimenta este forno é de 162000kVA, alimentado por tensão de serviço de 34,5 kV. A energia para estes dois fornos são provenientes de uma usina nuclear de 800000 kVA, a 150 km de distância. Mesmo assim, o custo da tonelada de aço fabricado por estes dois fornos é competitivo com o aço fabricado em qualquer outro forno elétrico. A operação de fornos elétricos a arco, com tensão de serviço tão elevadas, obriga o pessoal operacional a terem cuidados especiais de segurança, em sua operação e manutenção, principalmente no que se refere à limpeza, que terá de ser mais caprichosa, para que não venham venham a ocorrer ocorrer acidentes acidentes graves, graves, provocados provocados por descargas descargas elétricas elétricas ocasionadas pelas poeiras acumuladas. Há outros aspetos a se considerar além destes, quando se empregam altas tensões nas tensões secundárias secundárias dos fornos elétricos a arco. Como já vimos, os vários aspectos de consideração térmica, no que se refere aos aumentos de tensão, se relacionam com o aumento de potência. Esses aspectos podem ser essencialmente reduzidos aos problemas de concentração de energia. No forno elétrico a arco, a maior quantidade de energia é gerada no arco. Como é na conexão eletrodo-material que a carga elétrica é aumentada, a densidade de energia (W/cm3) próxima desse ponto principal de contato aumenta também 32
e as diferenças de temperaturas tornam-se grandes, com os inerentes perigos de oxidação e/ou vaporização do material, devido às sobre-temperaturas nesse ponto. Esse perigo é particularmente pronunciado diretamente por baixo do eletrodo, mas ele é apreciavelmente calmo na área acidentada descrita por um círculo que circunda o eletrodo. Por outro lado, lado, coloca colocando ndo os eletrod eletrodos os mais afastados afastados,, os arcos arcos pod podem em ser ser fechados com a abóbada e/ou coma as paredes. Estas considerações encontram expressão na relação entre o diâmetro primitivo dos três eletrodos dispostos eqüidistantes e o diâmetro do eletrodo, no diâmetro do forno.
2- Descrição do processo Para Para garanti garantiaa de funcio funcionam nament entoo dos equ equipam ipamen entos tos do proces processo so de Reduç Redução, ão, alguns elementos são de suma importância, tais como, sistema de refrigeração da carcaça, cones, unidade hidráulica, chaminé, barramentos, anel de pressão e fundo do forno, sistema de refrigeração do transformador, fabricação e escorrego de eletrodos e controle operaci ope raciona onall (sala (sala de ope operaç ração). ão). Assim Assim,, antes antes da descr descrição ição do fluxo fluxo do minério minério no processo processo de Redução, Redução, descre descreverem veremos os esses esses sistemas. sistemas.
2.1- Sistema de refrigeração do forno A água para refrigeração é proveniente da caixa de água abastecida da represa. “Desta “Desta caixa a água vem, por gravidade, gravidade, através de uma tubulação de 24” de diâmetro, diâmetro, a 2 uma pressão da ordem de 7Kgf/cm . Dessa tubulação saem ramificações com diâmetros menores para refrigeração da carcaça, cones, chaminés e para o manifold. Do manifold saem tubulações independentes que vão refrigerar o transformador, a unidade hidráulica dos eletrodos, barramentos, placas de contato contato e anel de pressão. pressão. Nesse Nesse sistema sistema é com com água industrial. industrial. Esse manifold é também alimentado com água que vem diretamente da represa da Serra da Mesa, com mais baixa dureza, que entope e incrusta menos as tubulações. Essa água é bombeada para uma torre denominada torre de abrandamento, que nada mais é que uma torre que serve serve como um pulmão pulmão para o circuito fechado fechado da água e para resfriá-la por ventilação ventilação forçada e chuveiros chuveiros.. Tal água é bombeada através de tubulações independentes para os fornos, onde temos automação por válvulas elétricas e automáticas, que podemos escolher qual água deverá ser utilizada no manifold, a tratada ou a industrial. O gradiente da temperatura ideal na saída, em relação a entrada (temperatura ambiente), é da ordem de 10ºC. A refrigeração da carcaça do forno é feita através de tubos que jorram água, em forma de "spray", formando uma película em torno de toda a carcaça. As chaminés são refrigeradas por tubos e os cones por uma ramificação da mesma tubulação. A refrigeração da unidade hidráulica de movimentação dos eletrodos é feita através de um trocador de calor, onde o óleo circula em contra corrente com a água alimentada por uma tubulação do "manifold". E, por último, o fundo do forno é refrigerado por um ventilador instalado na sua parte inferior. inferior.
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2.2- Sistema de refrigeração refrigeração do transformador Para cada forno possui um transformador trifásico, com capacidade de 22 MVA. Os transformadores para fornos de redução diferem dos comuns dos sistemas de potência, pela necess necessidade idade de apresentar apresentar no secund secundário, ário, corrente corrente muito muito alta em baixas baixas tensões tensões.. Bem como contar com dispositivo que permita a variação da tensão de saída dentro de uma faixa compatível com as variações da resistência da carga. Os principais requisitos para um transformador de forno elétrico de redução são:
Suportar grandes cargas com elevação de temperatura dentro de faixas toleráveis, de tal forma que o isolamento de seus enrolamentos não se danifique; Suportar os esforços mecânicos advindos das variações acentuadas de corrente que ocorre durante a operação; Possuir número de "taps" de tensão compatível com as variações da resistividade elétrica das cargas com possibilidade de troca dos mesmos sob carga; Alta relação de transformação.
A refrigeração do óleo do transformador em operação, é feita em contra corrente com a água, através de dois trocadores de calor. Quando o disjuntor do forno está ligado, duas bombas de óleo (para circulação dentro do transformador) está automaticamente ligada e a terceira bomba fica como reserva para manutenção das principais.
2.3- Sistema de emergência O sistema de abastecimento de água Industrial conta, ainda, com uma linha reserva (emergência) que é alimentada por duas bombas, diretamente da represa e que é acionada quando falta água na caixa (reservatório alto). Em caso de falta de energia elétrica, o sistema de abastecimento de água é acionado por um motor diesel instalado na casa de bombas . Vale lembrar que o sistema de emergência atende unicamente os equipamentos cuja refrigeração refrigeração não pode ser interrompida interrompida (p.e., carcaça do forno Elkem, Elkem, cones, cones, placas de contato, anel de pressão e chaminé). A água utilizada na refrigeração é quase totalmente recuperada. Esta se dá através de uma calha coletora situada na base dos fornos, por onde retorna para as canaletas que, por sua sua vez, vez, retornam retornam para a represa. represa.
2.4- Sistema de fabricação e escorrego de eletrodos Os eletrodos são responsáveis pela condução da energia elétrica dos condutores metálicos até a região de reação no interior da carga sendo, portanto, necessário que os mesmos sejam bons condutores elétricos e resistentes físico e quimicamente, não só a elevadas temperaturas mas, também, a elevados gradientes destas. O eletrodo, num primeiro enfoque, é uma coluna vertical, cilíndrica, de carbono, contida parcialmente numa tubulação de aço (camisa com costelas) que lhe serve de forma e sustentação. As costelas são em número de 14 e a altura da camisa é de 2m. Esta
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coluna possui diversos gradientes de temperatura. Desde aquela ambiente, no topo, até a de arco voltaico, na extremidade inferior, deste ponto do eletrodo. A posição das isotermas devem ser bem definidas, pois influenciam diretamente nas nas prop proprie rieda dade dess ao long longoo da colu coluna, na, ense ensejan jando do quatr quatroo regi regiõe õess dist distint intas as:: zona zona de alimentação, zona fluida, zona das placas de contato e zona calcinada. O eletrodo é contínuo, isto é, seu consumo no processo é compensado com novas adições de carbono (pasta) no topo que exige, por sua vez, novas camisas que são soldadas periodicamente. Este carbono é uma mistura de antracito, coque de petróleo e aglomerante e recebe o nome de pasta eletródica tipo Sodeberg. A coluna é dotada de elementos de sustentação (cilindros hidráulicos) conectadas ao porta-eletrodo, proporcionando movimentos verticais do eletrodo: 1. Com Com as placas de contat contatoo estacioná estacionárias rias,, a coluna coluna desce desce para para reposiçã reposiçãoo do eletrod eletrodoo consu consumid midoo (escor (escorreg rego). o). Ne Neste ste caso, caso, o atrito atrito placa placa x camisa camisa propiciará propiciará melhor melhor contato elétrico elétrico pois manterá manterá limpas as superfícies superfícies de contato; 2. As placas placas e a coluna coluna movime movimentam ntam-se -se juntas juntas para atende atenderr exigência exigênciass do processo processo eletro-té eletro-térmico. rmico. Um fator importante na operação com os eletrodos sodeberg é a velocidade de deslizamento dos mesmos, que deve ser compatível com o tempo de cozimento da pasta. Por Por sua sua vez, vez, o temp tempoo de cozi cozime mento nto idea ideall depe depend ndee do diâm diâmet etro ro do elet eletrod rodoo e da intensidade da corrente por ele conduzida. Os eletrodos são sustentados por estruturas metálicas presas à plataforma ao nível de 20.900 mm do edifício do forno, sendo sua movimentação efetuada, a partir desta estrutura, por dois cilindros hidráulicos, com 1,5 m de curso, comandados por uma unidade hidráulica constituída por três bombas, uma para cada eletrodo, e mais uma de reserva e, ainda, há uma bomba de filtragem de óleo. O mecanismo de fixação do eletrodo à coluna é constituído de dois anéis (conjunto de quatro membranas, inferior e superior), cada um ligados entre si através de quatro cilindros hidráulicos, que permitem a movimentação de um anel em relação ao outro, durante a operação de escorrego dos eletrodos. Os cilindros são comandados por uma unidade hidráulica. O pressionamento dos anéis (membranas) de sustentação contra os eletrodos é feito através de ar comprimido fornecido por um Compressor ou nitrogênio. Quando a pressão, no reservatório, atingir 4Kgf/cm 2 e estando a chave de ligação na posição I, o sistema de funcionamento se ligará automaticamente e desligará quando atingir 10Kgf/cm2. Com a chave na posição II, o funcionamento passa a ser manual. A pressão em cada anel (inferior e superior) é controlada através de manômetro com pressão de 2Kgf/cm 2 tendo, como dispositivo de segurança, uma válvula de alívio para escape escape do ar em em caso de necess necessidade idade..
2.5- Salas de operações Os fornos elétricos são operados através do PLC localizado na sala da calcinação. Existem duas salas de operações dos fornos elétricos onde estão montados os painéis e a mesa de operação que permitem controlar toda a operação do forno manualmente, quando houver problemas no PLC ou estabilidade no forno necessitando da operação manual. 35
No painel primário, está instalado todo o sistema de segurança segurança dos equipament equipamentos os que estão em funcionamento na operação do forno. Em caso de falha, a sinalização é feita por um alarme sonoro e visual. A instrumentação que permite visualizar a parte primária da energia que alimenta o transformador, está instalada nesse painel e o registro da potência útil (MW) e da reativa (MVAR) são feitos também aqui. No painel secundário secundário da mesa de operação, operação, estão montadas montadas as botoeiras botoeiras que permitem permitem operar, operar, manual manual ou automaticame automaticamente, nte, o forno, com registros registros de corrente, corrente, voltagem, potência, indicador da posição dos "Taps" no transformador e "Set-Point" para regulagem automática da operação do forno. Os painéi painéiss para pré aqu aquec ecime imento nto dos eletrodos eletrodos,, escorre escorrego go dos eletrodos eletrodos e a botoeira botoeira para ligar e desligar desligar o ventilador ventilador de refrigeração refrigeração do fundo do formo, também também estão montados nesta sala.
2.6- Fluxo do minério calcinado No processo processo de redução redução se obtém, obtém, basicamente basicamente,, três produtos: produtos: a liga ferro-níquel ferro-níquel (sendo a relação de FeNi, aproximadamente, igual a 4), a escória a os gases provenientes do processo de fusão e redução. A redução a metal pode ocorrer antes ou durante a fusão e, normalmente, ela é quase completa por ocasião do início da fusão no forno. A recuperação do Ni é muito elevada, da ordem de 93%. A quantidade de óxido de ferro reduzida é determinada pela quantidade de redutor utilizada. Parte do óxido de ferro vai para a escória. A redução do ferro é um importante fator no controle da operação. Além disto, a proporção proporção de óxido óxido de ferro ferro na escória escória controla controla três importantes importantes propriedad propriedades: es: o ponto de de fusão, a condutibilidade elétrica e o potencial de oxigênio. Um acréscimo no FeO da escória, diminui o ponto de fusão, resultando em temperatura inferior de operação. Ao mesmo tempo, aumenta a condutibilidade elétrica da escória, o que tende a estabilizar a operação do forno. A fusão redutora do FeNi é acompanhada pela formação de um grande volume de escória, cujos constituintes predominantes são: SiO 2, MgO e FeO. No caso dos minérios minérios lateríticos, lateríticos, esses esses três óxidos óxidos constituem constituem,, geralmente geralmente,, mais de 93% da composição da escória, o que justifica o uso do diagrama de fases do sistema ternário SiO2-MgO-FeO. Este diagrama permite prever a temperatura de vazamento da escória a partir da temperatura do "liquidus". O consumo de energia elétrica, na fusão redutora, é diminuído em conseqüência da operação de calcinação e, principalmente, na pré-redução. O consumo mínimo de redutor (carbono) é dado para a condição de 100% de CO 2 nos gases do topo. O consumo máximo de redutor é dado pela condição de 100% de CO nos gases do topo. Neste caso, a redução ocorreu integralmente na zona de elaboração e não houve nenhuma oxidação de CO em CO 2. As reações de redução indireta são:
NiO + CO Ni + CO2 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 FeO + CO Fe + CO2 36
A extensão destas reações depende do tempo de residência na zona de preparação e das características de redutibilidade do minério. Na redução redução existem existem dois circuitos circuitos paralelos: paralelos: o do forno Elkem Elkem I e o do forno Elkem II, que funcionam funcionam exatamente da mesma mesma forma. Assim, descreveremos descreveremos apenas o de um circuito. Paralelamente ao sistema montado para abastecimento de carga quente, existe a possibilidade possibilidade de complementação, complementação, total ou parcial, da carga com minério calcinado frio, estocado em galpão.
2.6.1- Carga quente Após pós a calc calcin inaç ação ão do miné minéri rioo atra atravé véss do forn fornoo rota rotati tivo vo,, o calc calcin inad adoo é descarregado continuamente, juntamente juntamente com o carvão residual, em um silo localizado na saída, com capacidade de 20 m 3, construído com chapa de aço carbono e revestido com concreto refratário sílico-aluminoso. Na extremidade extremidade inferior, inferior, esse esse Silo possui possui uma comporta comporta de chapa chapa de aço carbono, carbono, também revestida com concreto refratário, com acionamento hidráulico e cuja função é cont control rolar ar o movi movime mento nto "ab "abrir rir/fe /fech char ar"" da válv válvul ulaa da comp comport ortaa do Silo Silo duran durante te o abastecimento da panela. Do silo, o calcinado é descarregado em uma panela de aço carbono, revestida com o mesmo mesmo refratário refratário já citado, citado, com capacidad capacidadee para 8t, apoiada apoiada sobre sobre um carro de transferência que a transporta até a torre de içamento apoiado sobre trilhos, onde estão montadas 4 células de carga para pesagem, sob a comporta. Neste Neste local está instalado instalado a captação captação de poeiras poeiras proveniente provenientess da descarga descarga do minério calcinado quente, que é conduzido para um filtro de mangas, onde é captado o pó que é descarregado em caçambas fechadas e transferidas para o estoque de minério da Prepara Preparação ção de Carga e os gases, gases, dentro dos padrõe padrõess exigid exigidos, os, são jogado jogadoss para a atmosfera. Há uma cabine, em cujo painel estão todas as botoeiras manuais ou automáticas para acionamento acionamento da comporta comporta do silo, do carro de transferência, transferência, a leitura do peso indicado pela balança engeletro na sala de calcinação. Pela ponte rolante (capacidade de 22 t), a panela é guinchada do nível 0 (zero) até o níve nívell de cota cota 20.9 20.900 00 mm, mm, onde onde é desc descar arre rega gada da nos nos silo siloss do forn fornoo Elke Elkem. m. A transferência da carga para os silos, dá-se através de uma válvula (fundo falso), existente na panela. Os silos de alimentação são em número de seis, numerados de 22 a 27, sendo que os pares possuem, cada um, dois tubos de carga e os ímpares três, somando um total de quinze tubos. Estes tubos são revestidos também com o mesmo refratário descrito anteriormente e são dotados de válvulas tipo agulha que permitem o controle do carregamento do forno. Estão distribuídos nas laterais e no centro do forno. Os tubos laterais trabalham constantemente constantemente abertos e os do centro centro são abertos abertos ou não, em função da estabilidade do forno. Em todo caso, a abertura destes será de forma intermitente. Os vazamentos do metal e da escória se fazem através de furos nas laterais do forno com 800 mm de diferença entre o nível de um e de outro. Para vazamento da escória existem dois conjuntos de cones de cobre refrigerados a água e são utilizados alternadamente. 37
A cada duas horas, um canal de vazamento de escória é preparado com martelete pneumático pneumático e o vazamento vazamento é feito com com o auxílio auxílio de um tubo tubo de aço aço carbono carbono de 1/4" 1/4" ou de 1/2" com oxigênio, onde o calor gerado pela oxidação do ferro, através da reação Fe+1/2O2 --> FeO FeO + Calo Calor, r, prom promov ovee a fusã fusãoo da escó escória ria solid solidifi ifica cada da perm permiti itind ndoo o escoamento da parte líquida desejada. Neste ponto, colhe-se amostra para análise de teores. Uma vez vazada a escória, a mesma é granulada por um jato de água e conduzida para uma baia baia através de canaleta canaletas. s. Desta baia, baia, a escória é carrega carregada, da, por pá carregade carregadeira, ira, em caminhões e transportada para o pátio de rejeitos. A operação de preparação da boca para vazamento do metal é igual ao da escória, mas a freqüência depende da programação feita pelo departamento de Refino, que é descrita no processo de Refino.
2.6.2- Carga fria A alimentação alimentação do forno com carga carga fria, inicia-se com a retomada, retomada, do galpão de esto estoqu ques es,, do miné minério rio calc calcina inado do e do anel anel de colag colagem em brita britado do.. Este Estess mate materia riais is são são carrega carregados dos,, das respect respectivas ivas pilhas, pilhas, por pá carregade carregadeira, ira, em caminhõe caminhõess caçamb caçambaa e depositados numa baia situada na área da redução. Desse ponto, é retomado por pá carregadeira e depositado em um alimentador de correia que, por sua vez, transporta esses dois materiais misturados para uma panela de aço carbono já descrita acima. Pela quantidade de panelas transportadas, determina-se peso da carga carga fria. O peso da carga carga fria é apenas apenas estimad estimadaa (entre 7,5 7,5 t a 8 t) pois o conjunt conjuntoo de células da balança está montado sob a comporta do silo da carga quente o que não permite a sua utilização. Há uma cabine, em cujo painel estão todas as botoeiras manuais ou automáticas para acionamento acionamento da comporta comporta do silo, do carro de transferência, transferência, a leitura do peso indicado pela balança engeletro na sala de calcinação. Pela ponte rolante (capacidade de 22 t), a panela é guinchada do nível 0 (zero) até o níve nívell de cota cota 20.9 20.900 00 mm, mm, onde onde é desc descar arre rega gada da nos nos silo siloss do forn fornoo Elke Elkem. m. A transferência da carga para os silos, dá-se através de uma válvula (fundo falso), existente na panela. Os silos de alimentação são em número de seis, numerados de 22 a 27, sendo que os pares possuem, cada um, dois tubos de carga e os ímpares três, somando um total de quinze tubos. Estes tubos são revestidos também com o mesmo refratário descrito anteriormente e são dotados de válvulas tipo agulha que permitem o controle do carregamento do forno. Estão distribuídos nas laterais e no centro do forno. Os tubos laterais trabalham constantemente constantemente abertos e os do centro centro são abertos abertos ou não, em função da estabilidade do forno. Em todo caso, a abertura destes será de forma intermitente. Os vazamentos do metal e da escória se fazem através de furos nas laterais do forno com 800 mm de diferença entre o nível de um e de outro. Para vazamento da escória existem dois conjuntos de cones de cobre refrigerados a água e são utilizados alternadamente. A cada duas horas, um canal de vazamento de escória é preparado com martelete pneumático pneumático e o vazamento vazamento é feito com com o auxílio auxílio de um tubo tubo de aço aço carbono carbono de 1/4" 1/4" ou de 1/2" com oxigênio, onde o calor gerado pela oxidação do ferro, através da reação 38
Fe+1/2O2 --> FeO FeO + Calo Calor, r, prom promov ovee a fusã fusãoo da escó escória ria solid solidifi ifica cada da perm permiti itind ndoo o escoamento da parte líquida desejada. Neste ponto, colhe-se amostra para análise de teores. Uma vez vazada a escória, a mesma é granulada por um jato de água e conduzida para uma baia baia através de canaleta canaletas. s. Desta baia, baia, a escória é carrega carregada, da, por pá carregade carregadeira, ira, em caminhões e transportada para o pátio de rejeitos. A operação de preparação da boca para vazamento do metal é igual ao da escória, mas a freqüência depende da programação feita pelo departamento de Refino, que é descrita no processo de Refino.
3- Eletrodos dos fornos a arco 3.1- Eletrodos de carbono São numerosas as definições que têm sido dadas ao termo eletrodo. A palavra tem origem grega- “eletrodos” (“electro”- eletricidade, e “odos”- caminho), que significa caminho condutor da eletricidade. Portanto, é uma pela condutora com características próprias, próprias, geralmente geralmente formada formada de grafita ou de carbono carbono amorfo, amorfo, e constitui constitui uma das extremidades de um arco num forno a arco. O eletrodo pode ser contínuo ou descontinuo. Esta definição, adotada depois de largas discussões, consagrada a utilização da grafi grafita ta ou do carbo carbono no amor amorfo fo como como elem elemen ento to cons constit tituin uinte te do elet eletrod rodo. o. Ap Aplic lica-s a-see exclusivamente aos fornos a arco, porem, os eletrodos em grafita ou carbono amorfo têm numerosos outros empregos em siderurgia, notadamente como elementos de resistência nos fornos de radiação, principalmente para a fusão do gusa. Estes fornos são raramente utilizados para elaboração de aços. Pode-se estabelecer o motivo pelo qual o carbono é entre outros elementos, o escolhido para constituição dos eletrodos. Para se compreender esta razão, damos a seguir as propriedades que exigem de um eletrodo: 1. Deve ter ter uma resi resist stêência ncia elétr létric icaa a mais mais baix baixaa pos possív sível, el, para ara evitar itar seu aquecimento e reduzir ao mínimo as quedas de tensão nos circuitos de baixa tensão. 2. De Deve ve ter ter uma uma resi resistê stênc ncia ia elét elétric ricaa pratic praticam amen ente te cons consta tante nte às temp temper eratu aturas ras de utilização, que são variáveis desde a temperatura ambiente até a temperatura do arco. 3. O eletr eletrodo odo dev devee ser ser infusív infusível. el. 4. De Deve ve resistir resistir à oxidação oxidação e aos ataque ataquess químicos químicos que produz produzem em no laborató laboratório rio do forno, sem redução notável de sua resistência mecânica. Não deve lascar. 5. De Deve ve ser bom bom cond condut utor or de calor; calor; as caloria caloriass prod produz uzida idass na parte parte mais mais quen quente te devem ser evacuadas da sua massa, no mais curto prazo de tempo possível. 6. De Deve vem m pode poderr ser ser apre aprese sent ntad adoo sob sob uma uma form formaa geom geoméétric tricaa que que perm permit itaa sua sua utilização e usinagem, para a realização do eletrodo contínuo. As juntas devem ser facilmente ligadas, conservando-se, entretanto, as melhores qualidades elétricas e mecânicas possíveis, para que haja a continuidade da coluna. 7. Deve ser de de qualidade qualidade uniforme uniforme e desempen desempenho ho constante constante.. 8. De Deve ve ser ser de de preç preçoo razo razoáv ável el..
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O elemento constitutivo carbono reúne todas estas condições. Encontra-se em grande abundância na natureza sob as mais diversas formas possível, a que nos referimos mais adiante. Nos fornos fornos elétrico elétricos, s, em geral, geral, existem existem três tipos tipos diferentes diferentes de eletrodo eletrodos: s: A. Eletrodos Eletrodos de carbono carbono amorfo amorfo (moldado). (moldado). B. Eletrod Eletrodos os de grafita grafita (mold (moldado ados). s). C. Eletrodos Eletrodos Soderberg Soderberg (ou de autocoziment autocozimento). o). Os eletrodos de carbono amorfo (moldados) e o do tipo Soderberg são de carbono amorfo propriamente dito. O grupo dos eletrodos de carbono amorfo é de utilização muito generalizada. Esse Essess elet eletro rodo doss são são cons consti titu tuíd ídos os por por uma uma mass massaa de dive divers rsas as gran granul ulom omet etri rias as predeterminad predeterminadas, as, de antracito, antracito, coqu coquee de petróleo, petróleo, ou outros produtos produtos carbonosos carbonosos criteriosamente escolhidos, fortemente calcinados, ligados com um breu (piche), e são colocados num curso de fabricação ou de utilização (este último para os eletrodos Soderberg), a uma alta temperatura. O grupo dos eletrodos de grafita, por sua vez, é constituídos por uma massa de grafita realmente compactada, obtida por grafitização de um eletrodo de carbono amorfo de composição muito especial, cuja modificação na forma alotrópica do carbono é obtida por um um tratamento tratamento a alta alta temperatura temperatura num forno forno de grafitização. grafitização.
3.1.1- Aspecto exterior Estas duas categorias de eletrodos se distinguem facilmente uma da outra. Nos eletrodos de carbono amorfo as partículas carbonosas são facilmente distinguíveis a olho nu, na superfície do eletrodo. Qualquer que sejam suas dimensões, esta variedade de eletrodos é dura e de difícil usinagem. Por outro lado, quando se examina um eletrodo de grafita, constata-se que sua massa é compacta. Esse eletrodo deixa sobre um papel branco um traço idêntico ao de um lápis, e é facilmente usinável. Nos dois casos, casos, a granulometria granulometria dos eletrodos eletrodos varia com suas dimensõe dimensõess e a grossura dos grãos aumenta com o seu diâmetro. Estes dois grupos de eletrodos têm propriedades físicas e químicas diferentes. Constituem-se tanto num grupo como no outro em uma mistura de partículas sólidas. Na fabricação dos eletrodos, é difícil a obtenção de uma homogeneização total do produto, como nos casos de materiais obtidos por processos de dissolução ou de fusão, malgrado as meticulosas operações de fabricação e controle.
3.2- Carbono O carb carbon onoo é o mais mais impo importa rtant ntee elem elemen ento to quími químico co da natur naturez eza. a. É um dos dos constituintes característicos do reino animal e reino vegetal. Um perfeito exemplo de alotropia: diamante, grafita e carbono amorfo. O carbono utilizado como matéria-prima para a fabricação de eletrodos é tirada de suprimentos de material relativamente puro, tais como: coque de petróleo, coque de piche, carbono de retortas de gás (coque metalúrgico), antracito, etc. Os suprimentos mais importantes de carbono para eletrodos são: o carvão e o petróleo. petróleo. 40
Entre os constituintes reconhecidos do carvão, os três principais são: o vitrênio, o durênio e o fusênio.
3.2.1- Vitrênio Constituinte Constituinte brilhante brilhante de aspecto vítreo vítreo ou de laca, que propriamente propriamente do tecido tecido vegetal. É uma substancia de natureza coloidal, constituindo a característica coqueificável da hulha. Dada a sua natureza coloidal, sofre fusão pastosa, o que caracteriza o fenômeno de coqueificação. Quando se apresenta em baixas porcentagem nas hulhas, ou mesmo deixe de aparecer, não é possível a formação de coque, ou então este se apresentará como fracas características. Hulhas só constituídas de vitrênio, ou que possuam muito muito elevada porcentage porcentagem m do mesmo, mesmo, produzem produzem um coqu coquee espumoso espumoso e frágil, de má qualidade qualidade para emprego na metalurgia, porém de boa qualidade para outros empregos. O vitrênio é um produto produto estável estável de grande poder aglutinante, aglutinante, resistindo bem tanto à ação oxidante como ao calor.
Fusênio Constituinte negro e opaco, com aspecto divergente do carvão vegetal. Procede, como o vitrênio, do cerne de madeira, mas em sua formação, em conseqüência das condições geológicas, sofreu mais acentuada desvolatização. Aproxima-se, sobre este aspecto, do antracito. Em compensação, tem em relação aos outros constituintes maior teor de carbono fixo. Não tem qualquer poder aglomerante e, quando aquecido, reduz-se a pó. Entretanto, em proporções proporções adequadas adequadas com o vitrênio, vitrênio, pode ser aglomerado por este, melhorando a estrutura do coque, seu rendimento e teor de carbono fixo.
Durênio Tem aspecto opaco com fratura finamente granular, assemelhando-se a barro preto. preto. Resulta Resulta das partes dos vegetais vegetais constituídas constituídas pelas cascas, cascas, cortiça, cortiça, cera vegetal, vegetal, resinas e esporos. Contém grande parte dos compostos minerais e as “cinzas inerentes” da hulha, hulha, assim assim den denomi ominad nadas as para disting distingui-l ui-las as das resulta resultante ntess dos detrito detritoss minera minerais is incorporados ao carvão durante a sua formação. Aquecido para produção do coque, tem poder poder aglutinante aglutinante muito fraco e o coque resultante da hulha, com predominânc predominância ia deste constituinte, é pouco estável ao calor e à oxidação, desfazendo-se em pó. Por suas características físicas pode muitas vezes ser mecanicamente separado do vitrênio, nisto residindo a possibilidade de beneficiamento de certos tipos de hulha, pois o durênio aumenta suas características de coqueificação, bem como reduz seu teor de cinzas. A análise elementar dos produtos naturais do carbono por idade de carbonetação são: Tabela 6- análise elementar dos produtos naturais do carbono
Produtos naturais do Carbono Madeira Turfa Linhito Carvão Mineral (vitrênio) Carvão Mineral (fusênio) Carvão Mineral (durênio) Antracito
%C
%H
%O
50,0 60,0 70,0 76,2 88,0 80,0 96 0
6,0 6,0 5,5 5,6 4,0 5,5 20
44,0 34,0 24,5 18,2 8,0 14,5 20
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3.2- Coque metalúrgico metalúrgico O processo de coqueificação da hulha constitui uma complexa transformação físico-químico. A transformação física traduz-se principalmente, em primeira fase, por uma uma fusã fusãoo past pastos osaa segu seguida ida de solid solidifi ifica caçã çãoo da mass massa, a, em forma forma espo esponjo njosa sa,, em conseqüência das bolhas de gases que se desprendem na fase pastosa; secundariamente, por expansão, expansão, ou contração contração da massa, massa, dependend dependendoo das característica característicass peculiares peculiares a cada tipo tipo de hulh hulha. a. As mode moderna rnass coqu coquer erias ias são são cons constit tituíd uídas as por por reto retorta rtass e câma câmaras ras de combustão dispostas alternadamente, onde se coloca a hulha e onde chegam gases e ar pré-aquecido pré-aquecido de câmaras câmaras regenerador regeneradoras. as. Que Queimando imando-se -se gases gases e ar nas câmaras de combustão e recebendo parte do calor as paredes que são comuns às retortas, os gases que seguem seguem para as câmaras câmaras de regene regeneraç ração ão em ciclage ciclagem m alternat alternativa iva fornec fornecem em o calor calor armazenado no empilhamento ao ar necessário à combustão. Os gases que se desprendem com a destilação da hulha são recuperados, aproveitando-se uma série de subprodutos numa enorme cadeia. Partindo dos três primeiros subprodutos da hulha, óleo leve, gás e alcatrão, temos uma serie em cadeia para cada um deles. Cerca de 130 subprodutos para o primeiro, primeiro, 136 para o segundo segundo e 44 para o terceiro. terceiro. Exames Exames petrográficos petrográficos das hulhas permitem permitem identificar identificar vários constituinte constituintess estruturais, estruturais, alguns semelhante semelhantes, s, ou quase seme semelha lhante ntes, s, comu comuns ns a todo todoss os tipos tipos de hulh hulha. a. Os princ principa ipais is cons constit titui uinte ntess e sua sua predominânc predominância ia em determinadas determinadas hulhas permitem permitem antever antever a possibilidad possibilidadee de produzir produzir coque. As características serão definidas pelas porcentagens que essas hulhas possuam de vitrênio, fusênio ou de durênio. Nem todos os carvões minerais produzem coque. O único grupo de carvão mineral coqueificável é o da hulha.
3.3- Coque de petróleo O coque de petróleo é um derivado, com alto teor de carbono fixo e baixa porcentage porcentagem m de cinza. Com pouc poucas as exceções, exceções, o coqu coqueame eamento nto é usado principalmen principalmente te quando se dispõe de óleo residual da destilação do óleo cru. O mecanismo aceito para a formação do coque a partir de resíduos de petróleo pode ser esquematizado em: Aromatizaçãocondensação coqueamento. Anéis aromáti Anéis aromáticos cos formados formados no inicio inicio são condens condensado ados, s, suces sucessiva sivamen mente, te, em hidrocarbonetos aromáticos policíclicos de grande peso molecular, depois em asfaltenos, e, por fim, em coque de petróleo. Há diferentes meios de se pôr em ação esse mecanismo, mas é o aquecimento o que mais vantagens industriais apresenta. Note-se ainda que o termo termo coqu coquea eame mento nto não não comp compre reen ende de fase fase de depo deposi siçã çãoo do coqu coquee de petró petróle leoo no craquea craqueamen mento to catalíti catalítico. co. Porém Porém,, neste neste caso, caso, o coq coque ue é utilizad utilizadoo na regene regeneraçã raçãoo do catalisador, não dando ensejo a se obtê-lo como produto. A economia tem favorecido o coqueamento em áreas de mercado onde destilarias de combustíveis estão em demanda. Isto porque o coqueamento reduz somente 20 a 30% do resíduo para o coque, o restante sendo convertido, primariamente, em combustíveis destilados ou seus precursores, além de uma pequena quantidade de gás. Dois são os tipos de coqueamento mais empregados: Coqueamento retardado (Delayed Coking) e coqueamento fluido ( Fluid Coke).
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3.3.1- Coqueamento retardado (Delayed Coking) Aparece Apare ceuu na déca década da de 30, 30, mas mas conti continu nuaa send sendoo o de cara caracte cterís rístic ticas as mais mais marcantes, com uma operação cíclica de 48 horas. Está esquematicamente representado na Figura 12. 12.
Figura 12- Esquema do coqueamento retardado numa refinaria
3.3.1.1- Coque esponja (Sponge Coke) É produzido de fontes de alta resina asfáltica. Este material não é adequadamente apropriado para a confecção de anodos, principalmente devido a suas impurezas e baixa condutibilidade elétrica. Na aparência física, o coque esponja contém pequenos poros, com paredes muito grossas entre si, de tamanhos que não permitem interconexão entre os referidos poros.
3.3.1.2- Coque favolar (Honeycomb Coke) É produzido de fontes de baixa resina asfáltica que, sob calcinação e grafitização, podem podem produzir produzir anodos anodos de qualidade qualidade satisfatória. satisfatória. Os poros elipsóides elipsóides estão distribuídos uniformemente. Esses poros são unidirecionais e, quando cortados transversalmente sobre o meno menorr diâm diâmeetro, tro, uma uma estru strutu tura ra em favo favo se evid evideencia ncia.. Os poro poros, s, ocos ocos,, estã estãoo interconectados no diâmetro maior, resultando numa estrutura altamente permeável a uma grande quantidade de pequenos furos.
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3.3.1.3- Coque Acicular ou Agulha (Needle Coke) É produz produzido ido de alcatrã alcatrãoo térmico térmico altamente altamente aromátic aromático, o, ou estoq estoques ues de óleos óleos decantados. O produto grafitizado produz anodos de alta qualidade. Em aparência, os poros unidireciona unidirecionais is são muito finos, de forma elíptica, e conectados conectados no diâmetro maior. O coque envolvendo os ocos é frágil, fraturando-se em lascas ou em forma de agulhas. O coque de petróleo vem sendo cada vez mais solicitado, tanto para a fabricação de anodos na indústria do alumínio, como para a indústria da grafita.
3.3.2- Coqueamento fluido (Fluid Coke) Data de tempos menos distantes, sendo baseado na fluidizacão, que, pelo fato de não possuir certas diversificações de características que o coqueamento retardado possui, tornou-se impopular. O coque fluido tem o aspecto de partículas finamente divididas, que se assemelham em granulometria à areia fina.
3.4- Índice Conradson Comercialmente, o coque de petróleo produzido pelo coqueamento retardado é o que oferece maiores atrativos. A Figura 12 mostra-nos, esquematicamente, como ele aparece numa refinaria. As variá variáve veis is oper operac acion ionai aiss do coqu coquea eame mento nto retar retarda dado do são são as iner ineren ente tess ao mecanismo químico da formação do coque de petróleo, acrescidas das especificações dos produtos produtos desejados desejados e do resíduo. As variáveis variáveis do mecanismo mecanismo químico químico sao: características características do resíduo original, temperatura, pressão, velocidade, duração do aquecimento (tempo de residência) e carga. Quanto à carga, uma das características mais importantes e o carbono Conradson. Seu índice, inicialmente limitado em torno de 10 a 12% dos resíduos atmosféricos, sobe hoje, com os resíduos pesados de vácuo, ate 30%. Se as referidas cargas se constituírem de frações de petróleo de poço, ou óleo de xisto, ou de betume, ou de gilsonita, ou de piche de carvão, carvão, etc., etc., o carbono carbono Conradson Conradson pode pode atingir atingir 50%. 50%. No proces processo so de coqueament coqueamentoo retardado, retardado, o rendime rendimento nto máximo máximo previsíve previsívell seria dado pela expressão: Equação 25
R = 2,0 +1,55 x C
onde R = rendimento em coque, como porcentagem em peso da matéria-prima; C = índice Conradson da mesma carga. Por Por defin definiç ição ão geral geral,, os três três tipos tipos clas classi sific ficad ados os de coqu coquee produ produzi zido doss pelo pelo coqueamento retardado sao significativamente diferentes em aparência e propriedades, principalmen principalmente te no coeficiente coeficiente de expansão expansão térmica térmica e condutib condutibilidade ilidade elétrica. elétrica.
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3.5- Fabricação dos eletrodos de carbono A fabricação dos eletrodos de carbono compreende uma serie de operações, de acordo com o tipo de eletrodo que se pretende fabricar. Existem dois tipos fundamentais de eletrodos: os de carbono amorfo e os de grafita. Por sua vez os eletrodos de carbono amor amorfo fo pode podem m ser ser do tipo tipo cozid cozidos os mold moldad ados os,, ou de auto autoco cozi zime mento nto.. Os de grafi grafita ta gene genera rali liza zada dame ment ntee são são de carb carbon onoo amor amorfo fo com com maté matéri rias as-p -pri rima mass de qual qualid idad ade, e, seleci seleciona onadas das,, e de alta purez pureza, a, sofren sofrendo, do, poster posteriorm iorment entee a ope operaçã raçãoo de cozime cozimento nto (cocção), um tratamento térmico demoradamente controlado que permite a operação artificial da grafitização. A Figura 13 mostra-nos de um modo geral os três tipos de fabricação, visto existirem operações comuns no principio de fabricação dos três tipos de eletrodos. Assim Assim,, para para a fabric fabricaç ação ão dos dos elet eletrod rodos os de carb carbon onoo amor amorfo fo mold moldad ados os,, são são executadas as seguintes operações: se os eletrodos se destinam a fomos a arco para a fabricação de aço, ferro-ligas, e outros produtos químicos, etc., o produto inicial A é o antracito ou coque de petróleo e o alcatrão empregado e o piche l05°C, mas se destinam à fabricação do alumínio em células eletrolíticas, o produto inicial A e o coque do petróleo e, por sua vez, o alcatrão empregado é o piche 85°C. Então a seqüência da fabricação parao0 carbono carbono amorfo amorfo moldado moldado será: será: A, B, C, D, E, F, F, G, H, H, K, L, L, M, O, P. Se os eletrodos se destinam a fabricação dos eletrodos de autocozimento (ou Soderberg), a escolha do produto inicial A será a mesma do caso anterior, pois esses últimos eletrodos também poderão ser empregados no mesmo tipo de fomo. A seqüência da fabricação será: A, B, C, D, E, F, G, H, I, J. Se os eletrodos se destinam a fabricação dos eletrodos de grafita, a escolha do produto produto inicial A será o coqu coquee de petróleo, petróleo, do tipo acicular, acicular, e o critério de moagem, moagem, granulometria, mistura, etc., e feito em condições mais rigorosas, principalmente no que se refere aos tratamentos térmicos a que são submetidos. Sua seqüência de fabricação compreende as operações A, B, C, D, E, F, G, H, K, L, M, N, O, P. Este tipo de eletrodo será o de grafita do tipo AGR (americano) ou LN (alemão), que são considerados para cargas elétricas normais. Porem, se destinam a cargas elétricas elevadas, isto e, de maiores maiores densid densidade adess de corren corrente, te, eles eles são submetido submetidos, s, antes antes da ope operaç ração ão N, a uma operação adicional de cocção L, seguida de M, para entrarem então na operação N novamente, seguindo depois para a operação O e P. Estes novos eletrodos de grafita são mais densos (pesados) que os anteriores, passando passando a pertencere pertencerem m ao tipo AGX (americano) (americano) ou LS (alemão), que em comparação aos eletrodos de grafita anteriormente citados apresentam-se com maior densidade de peso e com um considerável considerável aumento aumento de sua condutibilidade condutibilidade térmica e elétrica, pelo fato de suas propriedades melhorarem no câmbio devido a um mais refinado processo de ordenação cristalina.
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Figura 13- Eletrodos de carbono amorfo
3.6- Eletrodos de carbono amorfo Os eletrodos de carbono amorfo podem ser: eletrodos moldados (e cozidos) e eletrodos Soderberg (ou de autocozimento). Esta variedade de eletrodos foi a primeira a ser utilizada. Os primeiros eletrodos foram fabricados a partir de misturas de carvão de açúcar ou carvão de madeira e de pez. Estes eletrodos são utilizados geralmente para as fabricações eletrometalúrgicas, tais como eletrosiderurgia (aço, gusa e ferro-liga), ou para a eletrólise ígnea do alumínio. Porém, também se empregam para a fabricação do carboneto de cálcio, fósforo, etc., bem como para a redução de não ferrosos, como: estanho, mischmetal, abrasivos, produtos químicos, etc.
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A natureza das matérias-primas utilizadas em cada caso depende do emprego a que se destinam, destinam, portanto, praticamente, praticamente, as características características gerais dos eletrodos eletrodos são assaz variá variáve veis. is. A resis resistiv tivida idade de deste destess elet eletro rodo doss e notad notadam amen ente te influ influen encia ciada da em larga largass proporçõe proporções, s, de acordo acordo com as matérias-primas matérias-primas de base, base, se elas forem mais ou menos menos puras (coque (coque de petróleo petróleo,, antracito, antracito, etc.). etc.). Duma maneira geral, os eletrodos a base de coque de petróleo são empregados na indústria do alumínio, enquanto que os eletrodos fabricados com misturas de produtos carbonosos determinados têm seu emprego nas fabricações eletrometalúrgicas (carboneto de cálcio, ferro-liga diversos, abrasivos, etc.) ou siderúrgicas (a exceção dos aços finos e ou especiais de muito baixo carbono). Esses Esses produt produtos os carbon carbonos osos os são, são, além além do coq coque ue de petról petróleo, eo, antrac antracito, ito, coq coque ue meta metalú lúrgi rgico co,, coqu coquee de forja forja,, coqu coquee de piche piche,, coqu coquee celul celulós ósic ico, o, negr negroo de fumo fumo e, ultimamente, coque de babaçu, etc.
3.6.1- Eletrodos de carbono amorfo propriamente dito O eletrodo de carbono amorfo propriamente dito se apresenta sob uma forma geométrica definida, usinado nas suas extremidades, seja por rosca cônica, seja por rosca cilíndrica, interna e niples. É assim susceptível de ser utilizado como eletrodo contínuo (Figuras 14 e 15 ). As principais matérias-primas utilizadas na fabricação dos eletrodos de carbono amorfo podem ser as mesmas utilizadas na fabricação dos eletrodos de grafita: o antracito de alta qualidade, o coque metalúrgico, o coque de petróleo, o piche de alcatrão da hulha, etc. O antrac antracito ito e o coqu coquee metal metalúrg úrgic icoo são prod produt utos os bem bem conhe conheci cido dos, s, mas mas as qualida qua lidade dess utilizad utilizadas as para a fabricaç fabricação ão dos eletrod eletrodos os devem devem ter caract caracterís erística ticass bem bem definidas e ser perfeitamente selecionadas. O coque de petróleo, a que já nos referimos, é o resíduo da destilação destilação de óleos de petróleo petróleo bruto ou óleo de xisto. É uma substância substância dura, quebradiça, de aparência negra e brilhante. É uma forma industrial do carbono ( mais dura), podendo ser obtida em quantidade abundante. Esta substância é a mais difícil de se analisar. A escolha das qualidades apropriadas à fabricação dos eletrodos exige uma muito séria seleção, para se assegurarem resultados uniformes, principalmente quando se destinam a fabricação de eletrodos de grafita sintética.
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Figura 14- Eletrodo redondo de rosqueamento cônico
Figura 15- Eletrodo redondo de rosqueamento cilíndrico com niple
O piche, destinado a fabricação dos eletrodos, e proveniente da destilação do alcatrão da hulha dentro de condições bem determinadas. É um sólido, a temperatura ambiente, de aspecto denegrido, sendo constituído de uma mistura complexa de carbono e de hidrocarbonetos em proporções variáveis. O piche usado como ligante, destinado à aglutinação das partículas de carbono de diferentes granulometrias, forma nesta mistura o material básico. Deve ter um alto teor de carbono, um ponto de fusão médio, e um fraco teor de cinzas. Deve satisfazer a especificações bem definidas, do ponto de vista original, quanta a uniformidade dos métodos de destilação empregados na sua fabricação. 48
3.6.1.1- Calcinação A primeira etapa da produção dos eletrodos de carbono amorfo é o processo conhecido sob o nome de calcinação. Nesta operação, o antracito ou o coque de petróleo são aquecidos em retortas, separadamente. A calcinação tem por finalidade eliminar os eleme elementos ntos volátei voláteiss e melhor melhorar, ar, duma duma maneir maneiraa muito muito import importante ante,, as condu condutibi tibilida lidade dess térmicas e elétricas destes dois produtos. A calcinação do carbono, destinado a fabricação dos eletrodos de carbono amorfo, é efetuada a alta temperatura (1100°C a 1200°C) em fornos de calcinação verticais do tipo de resistência elétrica, nos quais o carbono faz o papel de resistor. A energia utilizada na calcinação calcinação varia com o produto a tratar e é determinada determinada em função das propriedades propriedades que se deseja obter para o produto final. As tomadas de temperatura são feitas em diferentes pontos, pontos, a fim de se assegurar assegurar um controle controle mais sério desta desta operação. operação. A calcinação calcinação também pode ser feita em fornos rotativos a óleo ou a gás.
3.6.1.2- Preparação granulométrica A seg segunda unda etapa tapa de fab fabric ricação ação consis nsiste te na prepa repara raçã çãoo das das mistu istura rass granulométricas, que devem ser apropriadas a sua boa utilização. A moagem e a preparação granulométrica têm uma grande importância quanto às propriedades propriedades mecânicas mecânicas e elétricas elétricas e, por conseqüência, conseqüência, quanta à qualidade dos dos eletrodos eletrodos que são submetidos a severos choques térmicos, quando de sua utilização.
3.6.1.3- Mistura Uma quantidade bem determinada de cada um dos componentes é colocada em um misturador previamente aquecido a temperatura conveniente. O tempo de mistura é registrado sobre um gráfico, assim como a temperatura da mistura, sendo ambos controlados até à saída do misturador. No fim desta operação, a mistura é vertida num recipiente refrigerado para que a temperatura desça a um valor tal que facilite a flacidez (plasticidade). A mistura deve ser absolutamente homogênea e sua plasticidade, plasticidade, conforme conforme o normal normal determ determinado inado para para cada cada tipo e diâmetro diâmetro de eletrodo. eletrodo.
3.6.1.4- Moldagem Os eletrod eletrodos os são obtido obtidoss geralm geralment entee por extrus extrusão, ão, por meio meio de uma uma prensa prensa hidráulica. A prensa e constituída por um cilindro envolvido por uma camisa de vapor, aberto nas duas extremidades, e que pode pivotear em torno de parafusos para permitir uma posição horizontal ou vertical. Uma fieira de dimensões escolhidas é montada sobre a parte posterior do cilindro. As prensas podem ser somente horizontais.
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A potência e as dimensões destas prensas hidráulicas variam muito de proporções, conforme as características de cada uma delas e conforme o gênero de fabricação. Existem prensas de 6500t, para diâmetros de cilindros interiores de até 1400mm. Os eletrodos empregados em siderurgia são de forma cilíndrica, mas é igualmente possível possível a filetagem filetagem para outras indústrias indústrias de eletrodos eletrodos de seção retangular, retangular, quadrada, quadrada, tubular, etc. Durante toda a operação de filetagem, o cilindro e a fieira são mantidos entre limites de temperatura bem determinados. Estas temperaturas são registradas de maneira continua sobre gráficos, em função do tempo, e também sobre a pressão de filetagem. Os eletrod eletrodos os neste neste estado estado de fabricaç fabricação ão são chamados chamados de eletrod eletrodos os crus crus ou "ver "verde des" s",, send sendoo exam examina inado doss em segu seguida ida sob sob o pont pontoo de vist vistaa de aspe aspect cto, o, forma forma,, comprimento, densidade, fissuras, e outros defeitos. Estas são as características que respondem as normas de eliminação.
3.6.1.5- Cozimento Para dar ao eletrodo sua resistência resistência mecânica, mecânica, sua cond condutibilida utibilidade de térmica e uma resistência elétrica tão fraca quanta possível, os eletrodos crus sao cozidos em fornos aquecidos a gás ou a óleo pesado, especialmente previstos para evitar a oxidação dos eletrodos. A temperatura é mantida gradualmente até ao valor requerido, que varia segundo a dimensão e o tipo de eletrodo; este cozimento tem par finalidade carbonizar os ligantes. A temperatura máxima do forno, no momenta do enfornamento, não deve ser superior a 60°C. A temperatura geralmente obtida, no curso do cozimento no interior do eletrodo, varia entre 950°C e 1100°C, segundo a variedade de eletrodo a produzir; nesse momento, a temperatura nos fornos, medida no pirômetro ótico, é da ordem de 1350°C a 1400°C. Este ponto diferencia notadamente os fornos de cozimento de eletrodos dos fornos utilizados correntemente para o cozimento de cerâmica. Ao fim do ciclo de cozimento, deixa-se resfriar o forno lentamente. Os eletrodos são então retirados do forno, limpos e inspecionados tanto sob o ponto de vista da resistividade, como da forma, das dimensões e defeitos de estrutura. A exceção da usinagem, o cozimento e a ultima etapa na fabricação dos eletrodos de carbono amorfo.
3.6.2- Eletrodos de carbono amorfo destinados às células eletrolíticas Este tipo de eletrodo tem sua principal utilização na fabricação do alumínio, nas modernas células eletrolíticas. Até inicio da década de 30, os anodos empregados na fabricação do alumínio por redução redução eletrolítica da alumina alumina (Al2O3) eram moldados e pré-cozidos. Depois desta data, começou a ser notória a popularidade do emprego dos eletrodos de autocozimento do tipo Soderberg, pelas vantagens a seguir indicadas que eles apresentavam em relação aos eletrodos moldados pré-cozidos. Assim:
Mais baratos, porque dispensam o forno de cozimento, pois aproveitam o calor da própria célula; Sao contínuos na utilização; 50
Cada célula tem somente um eletrodo; Menor consumo específico de energia (pela menor densidade de corrente: 0,8 ampères/cm2); Boa relação na superfície de utilização dentro da célula (isto e, a relação entre comprimento e largura e de 1/25, podendo ser alterada).
Porém, seus tamanhos foram aumentando conforme a exigência de células de maior produtividade, melhor rendimento e eficiência, etc. Nestas condições, as células elet eletro rolí líti tica cass com com elet eletro rodo doss Sode Soderb rber ergg come começa çara ram m a apre aprese sent ntar ar os segu seguin inte tess inconvenientes:
Limitação do tamanho da célula, quando a intensidade de corrente da linha de barramentos atingia determinado valor; Como cada célula só dispunha de um eletrodo, o peso e volume deste eletrodo tornavam-se inconvenientes pelo aumento de investimento que acarretava a robustez da estrutura da sua sustentação; Sistema de limpeza da célula mais difícil; Maior consumo de eletrodo por tonelada de alumínio produzido; Maior dificuldade no controle da poluição, pelo fato de a célula ser alimentada lateralmente ao eletrodo; Maiores investimentos no que se refere ao aumento do galpão e maior ponte rolante, rolante, para a mesma mesma produtividade produtividade,, pelo fato de ser um único eletrodo por célula.
Por estas considerações, voltaram ultimamente a serem utilizados os eletrodos múltiplos por célula moldados, é pré-cozidos, quando a referida célula ultrapassava determinado tamanho, ou seja, quando a corrente da linha atingia um valor considerável. Para se atingirem grandes produções de alumínio o número de células em série esta limitado (até à presente data) à tensão da linha considerada como funcional e de segurança de 1,0 kV. Posto isto, as intensidades de corrente correspondentes terão forçosamente de serem avantajadas, a ponto de se considerarem já como normais 120 kA, 150 kA e 175 kA, havendo já em operação células de 275 kA. Tais intensidades de corrente, além de produtivas, permitem rendimentos de 96 a ate 98%, com consumo de energia de 13 kWh/t de alumínio fabricado, com a pureza de 99,5%, considerada como mínima. Pelo Pelo fato fato de tere terem m as nova novass célu células las um dete determ rmina inado do núme número ro de elet eletro rodo doss individuais (sem limitação), a troca de um deles, já consumido ou defeituoso, por um novo, não altera aquele rendimento. As novas células São fechadas, o que permite um perfeito e eficiente controle da poluição, poluição, com a carga de alumina e quebra da crosta feitas diretamente pelo operador operador da ponte rolante. rolante. A configuração física de um dos módulos do tipo de eletrodo empregado nestas células modernas está representada na Figura 16. 16. A superfície seccional deste módulo depende da intensidade de corrente que vai passar pela célula e pelo número de módulos que vamos considerar considerar para o cálculo, cálculo, já que a densidade densidade de corrente que lhes é atribuída esta entre 0,8 a 1,0 ampères por centímetro quadrado. A altura do módulo esta entre 40 a 50 centímetros. O garfo de aço que sustenta o eletrodo terá uma seção compatível com o numero de ampères que serão transmitidos ao módulo. Este garfo está chumbado no bloco de carbono, por meio de gusa liquido e numa profundidade de cerca de 10 centímetros.
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Por sua vez, a esse garfo está soldada uma barra de alumínio de secção retangular, com determinado comprimento e de secção correspondente ao numero de ampères que serão transmitidos ao módulo. Essa barra será fortemente pressionada ao barramento anódico da célula por meio de um grampo-cunha para um bom e eficiente contacto.
Figura 16- Bloco anódico
3.7- Eletrodos Soderberg Dentre os eletrodos de carbono amorfo, especial atenção deve ser dada aos elet eletro rodo doss de autoc autocoz ozim imen ento to ou do tipo tipo Sode Soderb rber erg, g, cujos cujos prim primei eiro ross ensa ensaios ios foram foram efetuados, em 1904, por M.C.W. Soderberg. No entanto, devido a várias dificuldades, só em 1918 foram reiniciados, e desta vez com êxito, pela firma norueguesa DET NORSKE AKTIESELSKAB FOR ELEKTROKEMISK INDUSTRI. Seu uso é generalizado hoje em todo o mundo. É um eletrodo contínuo, de autocozimento, que se forma dentro de uma camisa de chapa fina de ferro, soldada, quando se destina a fornos elétricos para fabricação de gusa, aço, ferro-ligas, abrasivos, carbonetos, etc., ou de chapa de alumínio, dentro de estrutura de aço, quando se destina a células eletrolíticas ígneas, de alumínio. A chapa de ferro da camisa dos eletrodos Soderberg é de 1 a 3 mm de espessura, com alhetas radiais da mesma chapa, pelo lado interno, alhetas essas lisas, com rasgos, caneladas ou alhetas feitas por rasgos nas mesmas alhetas, conforme nos indicam os Figuras 17. Nessa camisa é lançada a pasta carbonosa, em pedaços, desenhos das Figuras especialmente preparada para o efeito de formação do eletrodo, segundo fórmula de espécies de carbono e granulometria judiciosamente estabelecidas. Esta pasta, a cerca cerca de 125°C, se plastifica, moldando-se moldando-se à parte interna da camisa como uma só peça, conforme mostram as Figuras 18. A figura da esquerda se refere aos fornos de arco imergido e a figura da direita, aos fornos de arco aberto, com seus respectivos gradientes de temperatura, quando em funcionamento.
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Figura 17- Alhetas
Figura 18- Temperatura ao longo do eletrodo
Para a redução da alumina, a chapa e de alumínio e toma a configuração de uma caixa retangular (de forma paralelepipedal), suspensa da estrutura superior da célula por dispositivo mecânico, com pinos de aço em número de dezenas por unidade, embebidos no seio da pasta do bloco, servindo também como tomadas de correntes. O eletrodo toma o nome nome de horizo horizontal ntal qua quando ndo esses esses pinos pinos ficam ficam qua quase se nessa nessa posiçã posição,c o,com om peq peque uena na 53
inclinação, ou vertical, quando os pinos tomam esta posição. A Figura 19 mostra um eletrodo de uma célula de redução de alumina, quando em funcionamento, nos seus gradientes de temperatura. Como já foi dito, os eletrodos de carbono amorfo moldados são prensados, usinados usinados e submetidos submetidos a tratamento tratamento térmico de calcinação, calcinação, antes de seu emprego. emprego. Como eletrodos do fomo ou célula, nos do tipo Soderberg, tanto a prensagem como cozimento ocorrem no fomo ou célula onde são usados. Conseqüentemente, a composição da pasta será diferente para diferentes diferentes aplicações. aplicações. Assim, Assim, para anodos das células células eletrolíticas, eletrolíticas, na fabricação fabricação do alumínio, alumínio, a matéria-prima matéria-prima devera ser puríssima, puríssima, com uma porcentagem porcentagem de cinzas não superior a 2% e com traços de ferro. Deve ser constituída por coque de petróleo petróleo e piche piche 85°C, 85°C, ou ou também também com com coque coque de piche. piche.
Figura 19- Eletrodo de uma célula de redução de alumina
Para a fabricação do gusa, aço, ferro-ligas, carbonetos etc., a matéria-prima deverá apresentar, em prejuízo da pureza, uma resistência mecânica maior, com os seguintes elementos: antracito calcinado, coque de petróleo, coque metalúrgico, coque de forja, etc., com piche 85°C ou 105°C. Para revestimentos de soleiras de fornos, os materiais empregados poderão ser os mesmos que acabamos de apontar, nas mesmas condições, com piche 105°C.
3.7.1- Eletrodos soderberg de grandes dimensões O tamanho dos fornos elétricos a arco imergido, para redução de gusa, ferro-ligas e carboneto de cálcio, tem aumentado consideravelmente nos últimos anos. Acreditamos que continuem aumentando para o futuro. Com justa razão, pode-se considerar o sistema de eletrodos como a parte mais importante de um forno a arco.
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Durante a operação, e importante a inexistência de contratempos com os eletrodos, já que as conseqü conseqüências ências de um mau funcion funcionament amentoo aumentam aumentam com com o tamanho tamanho do do forno. forno. Os eletrodos Soderberg, ou de autocozimento, são mais econômicos na operação do que que os elet eletro rodo doss prépré-co cozi zido dos. s. são usad usados os quas quasee sempr sempree em forno fornoss de gran grande dess dimensões, motivo pelo qual se pode tolerar a pequena porcentagem de aço do invólucro no produto fabricado. Nos processos processos com escória, escória, os eletrodos Soderbe Soderberg rg de diâmetros de até 2000 mm têm estado operando satisfatoriamente desde 1970. Inclusive os de 1800mm têm sido usados para a produção de ferro-silício. Estes grandes eletrodos conduzem correntes elétricas superiores a 150.000 ampères e podem pesar ate 65 toneladas cada um, mais o peso do equipame equipamento nto metálico metálico que o constitui constitui são regulados regulados dentro dentro do forno, para cima cima e para baixo, por controle controle de processo, processo, com deslizame deslizamento nto sob a carga completa, completa, para compensar o consumo do eletrodo. Suportam o contacto do equipamento esfriado à água, assim como temperaturas superiores a 2000°C. Isto faz parte da operação dos eletrodos Soderberg. Enfatiza-se, entretanto, que o êxito de um resultado completo e perfeito não depende somente da habilid hab ilidade ade ope operac raciona ional.l. Também Também são neces necessári sários os bon bonss equ equipam ipament entos os e uma pasta pasta eletródica de alta qualidade. Neste trabalho, supõe-se que, com um bom equipamento e uma boa pasta, se conseguem, ou melhor, se concentram as condições que podem ser influenciadas pelos operadores do forno. Ao discutir-se a operação dos eletrodos, existe um problema geral. As condições de operação variam enormemente entre uma e outra fábrica, tais como: a densidade da corrente, a taxa de deslizamento, as condições de temperatura, etc. Entretanto, devem seguir-se regras gerais e, neste trabalho, elas se ilustram através de um eletrodo de 1550 mm de diâmetro. Neste processo, os eletrodos são operados debaixo de uma carga elevada e estão expostos a duras condições térmicas (para fabricação de ferro-silício). Como já dissemos, o objetivo do eletrodo Soderberg e conduzir a corrente elétrica do forno. Durante a operação, a pasta carregada por cima no eletrodo e transformada gradua gradualme lmente nte num con condut dutor or sólido sólido,, com boa boass proprie propriedad dades es elétric elétricas as e mecânic mecânicas. as. Observando-se a Figura 20, notamos que, logicamente, o eletrodo pode dividir-se em zonas, que especificamos a seguir:
Sobre o nível da pasta fluida: Soldam-se novas secções da chapa do invólucro. Carrega-se a pasta sólida. A temperatura aumenta e a pasta flui, enchendo todo o invólucro. Pasta fluida sobre as placas de contacto (ou abraçadeiras de contato): A pasta aquece ainda mais. A corrente corrente passa então da placa de contacto contacto ao eletrodo através das nervuras e transforma a pasta num condutor elétrico de alta resistência mecânica. Produz-se matéria volátil, que se separa ou craque craqueia ia em carbono carbono e hidrog hidrogêni ênio. o. O carbon carbonoo depos depositad itadoo melho melhora ra a resistência mecânica. Entre as placas de contato e a superfície da carga: A temperatura aumenta ainda mais e o invólucro de chapa se funde. Abaixo da superfície de carga: A temperatura aumenta a um máximo. Produz-se o consumo do eletrodo. A corrente abandona o eletrodo. As nervuras do invólucro de chapa tem duas funções, uma elétrica e outra mecân mecânica. ica. Con Conduz duzem em a corren corrente te até ao interior interior do eletrod eletrodo, o, atuand atuandoo também como elemento térmico. Durante a cocção, o carbono do eletrodo se contrai, soltando-se do invólucro de chapa: as nervuras devem então suportar o grosso do peso do eletrodo cozido. Para evitar o deslizamento 55
entre o carbono e as nervuras de aço, estampam-se aberturas, conforme nos mostra a Figura 17, para permitir uma melhor sujeição.
Figura 20- Zonas do eletrodo
A Figura 21, mostra-nos os perfis de temperatura correspondentes a um desses eletrodos de grandes dimensões. Deve-se prestar especial atenção à posição da isotérmica a 500°C. A esta temperatura, a pasta e cozida, transformando-se em um eletrodo sólido e mecanicarnente resistente. O estudo das condições na zona das placas de contato e de grande importância e, portanto, será discutido mais detalhadamente.
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Figura 21- Perfis de temperatura correspondentes a um eletrodos de grande dimensão
Devido a grande diferença de condutividade entre o material das placas e o eletrodo, a maior parte da corrente entra no eletrodo pela parte inferior das placas. A pressão pressão das placas influência influência também também esta distribuição, distribuição, devido devido ao seu efeito sobre a resistência de contato. A temperatura nesta área e comparativamente baixa e a resistência do carbono, correspondentemente alta. Desta maneira, a geração de calor por volume unitário é grande. Se as placas de contato, esfriadas com água, eliminam uma grande quantidade de calor, o aumento de temperatura e, portanto, elevado, e a zona de cocção tende a permanecer dentro da área das placas. O efeito refrigerante das placas e a tendência da corrente a passar para a parte mais baixa do eletrodo pressionam a zona de cocção para baixo. O efeito, ou melhor, o resultado e que, ainda que baixas as condições de operação e muito variáveis, a zona de cocção na superfície do eletrodo se situa algo mais acima do extremo inferior das placas. A zona de cocção não deve pairar nunca sobre as placas de contato. Isto e muito importante, porque se deve permitir que o eletrodo se forme quando penetra penetra na área de sujeição. sujeição. Não é possível possível operar em forma adequada adequada o eletrodo, eletrodo, com a zona de cocção sobre as placas. Isto não constitui nunca um problema nos porta-eletrodo dos fornos modernos. Uma alta corrente eletródica e uma baixa taxa de deslizamento fazem subir a posição posição da zona de cocção. cocção. Certos Certos efeitos menores menores são produzidos produzidos pelo desenho desenho do invólucro, pela temperatura da água de resfriamento e pela pressão das placas de contato.
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Tem também grande importância a forma da zona de cocção através do diâmetro do eletrodo. A Figura 22 proporciona-nos um exemplo, mostrando a posição normal e os efeitos da alta corrente e a elevada taxa de deslizamento.
Figura 22- Efeitos da alta corrente e a elevada taxa de deslizamento
A assim chamada curvatura negativa na parte central do eletrodo e considerada perigosa, perigosa, porque porque nela se produzem produzem contrações contrações exteriormente exteriormente,, criando-se criando-se solicitações solicitações anormais no eletrodo. Há, por suposição, um limite para os fatores que estabilizam a zona de cocção dentro da área das placas. Em fornos com eletrodos relativamente grandes e baixa densidade de corrente, como para a fusão do ferro-níquel e fusão do mate-de-cobre, a zona de cocção esta situada ainda mais abaixo e o invólucro deve fazer-se em chapa suficientemente grossa e resistente de modo a conduzir toda a corrente. Produzem-se quebraduras ligeiras, quando a zona de cocção fica abaixo das placas e o invólucro não pode tomar a corrente. corrente. A parte sólida do eletrodo adquire uma temperatura crescente para baixo. Criam-se solicitações térmicas, porém a opinião generalizada e a de que, durante a descida, estas solicitações são compensadas em grande parte pelas mudanças estruturais. Se, porém, as mudanças abruptas de temperatura durante a operação não estacionarem ou diminuírem podem ser causa de quebraduras. Uma possível segregação na pasta fluida dimi diminu nuir iráá a resi resist stên ênci ciaa mecâ mecâni nica ca do elet eletro rodo do e aume aument ntar aráá a tend tendêência ncia para para as quebraduras. A pasta carrega-se no eletrodo de diversas formas: como briquetes, como blocos, como cilindros e como prismas, assim como também em forma de pasta fluida. Esta última se usa muito pouco atualmente. O uso das formas menores, em especial os briquetes, oferece vantagens práticas em algumas fábricas. No entanto, a armazenagem em climas quentes e a contaminação podem podem provocar problemas. problemas. Na operação operação de eletrodos, a principal desvantagem desvantagem é que os operadores não podem determinar o nível da pasta fluida. Cabe assinalar outro problema: durante a cocção, a pasta se contrai. Se a pasta adere com firmeza ao invólucro mais acima, pode formar-se um espaço oco, que cresce gradualmente. Recomenda-se, portanto, baixar de de vez vez em quand quandoo o nível nível da pasta, pasta, quando quando se carregam carregam briquetes briquetes ou pasta fluida. fluida. O prob proble lema ma menc mencio ionad nadoo pode pode ser ser evita evitado do total totalme mente nte quan quando do se carre carrega gam m cilindros grandes ou prismas. Esta forma permite também medir o nível da pasta fluida, o qual, debaixo de condições normais de operação, deve manter-se a uma altura de 2 a 3 metros sobre as placas de contato. Necessita-se dessa reserva em caso de um deslizamento 58
grande, e para forçar para baixo os gases desenvolvidos. Por outro lado, um alto nível de pasta fluida e cond condições ições desfavoráveis desfavoráveis de temperatura temperatura aumentam aumentam o risco de segregação segregação.. Deve existir sempre uma coluna de pasta sem se fundir, no sistema. A carga da pasta em cilindros ou prismas de grandes dimensões, amontoados uns sobre os outros no centro do eletrodo, proporciona melhores condições para sua fusão controlada. O ar e insuflado por detrás do invólucro de suspensão, escapando no nível das placas de contato. contato. Isto evita que os gases quen quentes tes do forno entrem entrem e produzam produzam um aquecimento elevado e não controlado. Pode ser preciso aquecer o ar para proporcionar a quantidade de calor necessária. Em outros casos, será necessário desviar o excesso de calor gerado pelas correntes parasitas no invólucro invólucro de suspensão. suspensão. Em todo o caso, caso, é importante importante haver haver suficiente suficiente capacidade de ventilação para o controle apropriado, por meio de um regulador de tiragem. Os elementos de aquecimento elétrico adaptáveis, de um efeito máximo, de 36 kW, são fontes de calor comuns para os eletrodos de diâmetro médio e grande. Pode resultar útil empregarem-se tampas sobre a parte superior das colunas de eletrodos, para manter uma fusão adequada e evitar o pó. Se produz produzem em fumos fumos alcatro alcatroado ados, s, deve-s deve-see verifica verificarr a existê existência ncia de uma boa ventilação, antes de se efetuar a soldadura. O invólucro do eletrodo Soderberg compõe-se de uma carcaça exterior e nervuras radiais, como já havíamos dito. É fabricado em chapa de aço, geralmente de 1 a 3 mm de espessura. Nos eletrodos de grande porte, a miúdo se soldam reforços ao comprimento do bordo interno das nervuras. nervuras. As seções dos invólucros são fabricadas normalmente com 2 m de comprimento e são soldadas umas sobre as outras à medida que se consome o eletrodo. É muito importante que, ao se soldarem de forma apropriada, as nervuras fiquem urnas sobre as outras. No caso desta solda se difícil, aumentam-se as nervuras, de maneira que se sobreponham em 300 a 400 mm das nervuras de baixo. A carcaça exterior atua como um molde da pasta branda até uma temperatura temperatura em torno de 500°C, em que a pasta se converte num eletrodo sólido. Desde a zona de cocção para baixo, baixo, as nervura nervurass são a parte mais mais importante importante do do invólucro. invólucro. Suas funções são:
Conduzir a corrente para o carbono do eletrodo; Atuar como elemento de aquecimento para a cocção do eletrodo; Suportar o peso do eletrodo cozido.
É necessário estampar aberturas nas nervuras, como já dissemos, para se lograr uma boa sujeição do eletrodo cozido. O tamanho das aberturas em direção radial deve ser relat relativa ivame mente nte pequ pequen enoo para para mante manterr uma uma alta alta cond condut utiv ivid idade ade térm térmic icaa e resis resistê tênc ncia ia mecânica. Normalmente se usam aberturas retangulares com uma altura de 2 a 2,5 vezes a largura, efetuadas no centro das nervuras. O desenho do invólucro deve adaptar-se sempre ao processo e ao porta eletrodo em questão, porém devem-se considerar os requisitos mencionados anteriormente. O eletrodo é um sistema de dois importantes componentes: pasta e invólucro de aço. .A seção transversal de um eletrodo de 1550 mm para a produção de ferro-silício tem uma proporção de aço em relação a pasta em torno de 1 para 75. Como o objetivo do eletrod eletrodoo é con conduz duzir ir uma corren corrente te muito muito elevada elevada,, a con condut dutibil ibilidad idadee elétric elétricaa é uma uma propriedade propriedade muito importante. importante. Neste sentido, sentido, os dois materiais materiais se completam. completam. Quando Quando aument aumentaa a temper temperatur atura, a, reduz-s reduz-see a con condut dutibil ibilidad idadee do aço, aço, mas, mas, em con contrap traparti artida, da, aumenta-se a do carbono, como se mostra na Figura 23. A relação de aço para a pasta 59
mencionada, isto e, o invólucro de aço e o material carbono, tende para uma aproximação da condutibilidade no eletrodo a partir da temperatura de aproximadamente 750°C. Ao aumentar a temperatura, o carbono conduz cada vez mais uma maior parte da corrente. O invólucro de arço se funde a uma temperatura de 1200 a 1400°C, porém o carbono a essa altura já foi convertido num bom condutor e passa então a conduzir sozinho toda a corrente.
Figura 23- Condutibilidade elétrica
Se a zona de cocção esta abaixo das placas de contacto durante a operação normal como, por exemplo, na fusão de escória, o invólucro deve projetar-se para conduzir o total da corrente e continuar mantendo uma resistência mecânica suficiente. Tem-se observado que o invólucro pode conduzir de 2,4 a 2,7 ampères por mm 2 na seção transversal do aço e que, na maioria dos casos, 2,5 A/mm 2 resultam num número seguro. Ao se calcular a seção transversal do eletrodo, deve tomar-se em conta a superfície que se perde nas aberturas estampadas das nervuras.
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Tabela 7- Características das pastas dos eletrodos especificadas pela Elkem – spigerverket A/S
Pasta não cozida 1550 kg/m 3 2,5 W/(K.m) 0,9 kj/(Kg.K)
Densidade aparente Condutividade térmica Calor específico Plasticidade: Grupo A-30 Grupo A-50
20 – 40% 40 – 60%
Pasta cozida a 1000ºC Densidade aparente Resistividade elétrica Condutividade térmica Calor especifico Resistência à compressão Resistência à flexão Módulo de “Young” Conteúdo de cinzas
1360 kg/m 3 40 m 8 W/(K.m) 1,8 kj/(K.kg) 20 N/mm2 3,8 N/mm2 3,5 kN/mm 2 5%
3.7.2- O equipamento dos eletrodos Soderberg de grandes dimensões O equi equipa pame mento nto que que const constitu ituii o conju conjunt ntoo do elet eletro rodo do e atualm atualmen ente te bast bastant antee funcional para permitir ser comandado pelo regulador automático dos eletrodos tendo em vista sua reposição ocorrida pelo natural desgaste provocado pelo funcionamento do forno, ou pelo desgaste manual provocado pelo operador da cabine de comando. Este conjunto, que constitui o equipamento do eletrodo, e constituído pelas seguintes partes: a) O eletrodo eletrodo propriame propriamente nte dito, dito, que e constituído constituído pelo pelo envoltó envoltório rio ou camisa camisa de chapa de aço com nervuras internas também de chapa de aço, e pelo carbono que preenche a parte interna constituída por pasta eletródica Soderberg. b) Pelas placas de contacto, que transmitem a corrente corrente elétrica ao eletrodo eletrodo e ao mesmo tempo sustentam o seu peso. c) Pela Pela coroa, coroa, que circund circundaa as placas de contac contacto to e o eletrod eletrodo. o. Essa Essa coroa e resfriada por água. Pode ser inteiriça ou em partes ligadas umas às outras por fortes dobradiças, dobradiças, uma para cad a placa de contacto contacto e pressiona pressiona as placas por meio meio de uma uma passante passante mola mola helicoidal helicoidal ou por por pressão pressão hidráulica hidráulica de uma membrana de borracha sintética (neoprene). O afrouxamento da pressão pressão na placa de contacto nos fornos fornos antigos era feito por meio de um grande parafuso. Nos fornos modernos e feito por meio de macacos hidráulicos. d) As placa placass em conju conjunt ntoo com com a coro coroaa estã estãoo susp suspen ensa sass de um sistem sistemaa de suste sustenta ntaçã çãoo estru estrutu tural ral logo logo acim acimaa da coro coroaa por por meio meio de tirant tirantes es.. A envolver estes tirantes e também os tubos rígidos e flexíveis que conduzem a energia elétrica e água, temos uma capa metálica, onde se faz circular entre ela e o eletrodo ar pressurizado que vem de um ventilador instalado no sistema de sustentação. e) Apoiado Apoiado no no sistema sistema de sustent sustentação ação estrutural, estrutural, esta esta o sistema sistema que funciona funciona em concordância com as placas de contacto para o escorregamento do 61
eletrodo, o qual se faz para a compensação da parte consumida pelo funcionamento do forno. f) Finalm Finalment ente, e, o sistema sistema de sust sustent entaçã açãoo estrutu estrutural ral do eletro eletrodo do esta esta suspen suspenso so de um guincho de cabo duplo (um de cada lado do eletrodo), apoiado no viga vigame mento nto do edifí edifíci cio. o. Em vez vez do guin guinch choo pode pode have haverr um jogo jogo de macacos hidráulicos. Os sistemas de suspensão a que acabamos de nos referir tinham também diferentes modelos dos quais nos vamos referir a alguns:
O sistema Soderberg primitivo, que permitia que, quando fosse necessário aument aumentar ar o compri comprimen mento to do eletro eletrodo, do, o conjun conjunto to se apo apoias iasse se a uma plataforma plataforma intermediária, intermediária, se soltassem soltassem os parafusos parafusos da coroa e se fizesse escor scorre rega garr o ele eletrod trodoo no comp compri rime ment ntoo nece necess ssár ário io.. Em seg seguida uida pressionava pressionavam-se m-se novamente novamente as as placas do contact contacto, o, suspenden suspendendo-se do-se nelas nelas o conjunto do eletrodo, para novamente entrar em funcionamento o forno. O sistema Wisdom era caracterizado por possuir duas fitas metálicas com os extremos soldados de cada lado da camisa do eletrodo. Essas fitas, passando passando por por duas prensas prensas de parafuso, parafuso, se enrolavam enrolavam em dois carreté carretéis, is, um de cada lado do eletrodo. Este sistema por sua vez estava suspenso do guincho de duplo cabo, assente no vigamento do edifício do forno. Com este sistema permitia-se, como no caso anterior, 0 escorregamento do eletrodo para o comprimento desejado.
Existiam outros sistemas com alguma analogia com os que acabamos de citar. Ultimamente, conforme nos mostram os dois tipos de fornos da Figura 24,as coroas passaram a ser de menores dimensões e articuladas por grandes dobradiças, enci encima mada dass cada cada uma uma por por um mant mantoo cilí cilínd ndri rico co de chap chapaa de aço aço com com cami camisa sa de resfriamento a água. Circula, entre esse manto cilíndrico e o eletrodo,ar pressurizado e, se necessário, aquecido por resistência elétrica, depois de sair de um ventilador instalado logo abaixo da estrutura onde estão ligados os macacos hidráulicos em numero de dois, os quais sustentam o eletrodo. O escorregamento é feito por meio de dois conjuntos cilíndricos, um por cima do outro, os quais envolvem o eletrodo. Esses conjuntos por meio de anéis, membranas, mantos e macacos hidráulicos, um após o outro, vão deixando escorregar o eletrodo, no comprimento desejado conforme o comando do operador na cabine ( Figura 25). 25). O pressionamento da coroa contra as placas de contacto poderá ser feito por pressão pressão hidráulica, hidráulica, conform conformee a Figura 25, 25, contra uma membrana de borracha de neoprene, ou por pressão hidráulica, contra uma mola de aço, conforme Figura 26. 26.
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Figura 24- Exemplos de utilização de eletrodos de carbono amorfo do tipo Soderberg
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Figura 25- Conjunto do equipamento do eletrodo com dois dispositivos de escorregamento e pressão das placas por membranas
Figura 26- Modelo de placa de contacto pressionada contra o eletrodo por mola e pressão hidráulica para soltar a placa
Qualquer destes dois sistemas é eficiente, preciso e de grande confiabilidade. Como ultima novidade de suspensão e transmissão da corrente ao eletrodo, foi apresentada agora pela Elkem A/S um sistema que não possui placas de contacto a pressionar pressionar o eletrodo, eletrodo, nem coroa, nem macacos macacos hidráulicos hidráulicos de sustentação sustentação do eletrodo, eletrodo, 64
etc. Este novo sistema foi classificado de Segurador Modular de Eletrodo do Forno Bremanger Elkem's (Figura (Figura 27). 27). A principal novidade deste sistema esta na configuração e construção da camisa metálica. Ela é constituída por segmentos circulares com o comprimento normal da camisa, com uma pequena aba externa ao eletrodo dos dois lados do segmento ( Figura 28). 28). Os segmentos se unem por essas abas, tendo-se o cuidado de intercalar entre elas as nervuras internas da camisa, fazendo-se essa união por meio de uma soldadura de costura continua, o que e conseguido por meio de uma máquina de solda elétrica de resistência, de roletes de contacto. Também pode ser considerada a nervura interna como parte de um dos segmentos circulares, depois de se ter feito uma de suas abas, conforme especificamente nos mostra a Figura 28. 28. Esta engenhosa idéia funciona da seguinte maneira: em vez das placas de contacto convencionais, existem em cada nervura considerada para o contacto duas placas de cobre de cada lado da nervura, com 380 mm de comprimento cada uma, as quais, pressionadas contra os dois lados das abas, conforme Figura 29, por ação de duas fortes molas de aço, garantem um perfeito contacto elétrico aço-cobre, em número suficiente, definido pelo calculo. Ao mesmo tempo, estas placas ajudam sustentar o peso total do eletrodo, através das barras de cobre e de tirantes suspensos da estrutura que comporta os "manifolds" da água de resfriamento e ar de aquecimento. A circundar as barras de cobre, existe um manto de chapa de aço austenítico com camisa de água que circula entre chicanas. Entre esse manto e o eletrodo circula ar pressurizado.
Figura 27- Conjunto do equipamento do moderno eletrodo modular de sustentação do forno Bremanger Elkem’s
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Figura 28- Detalhe da aba de sustentação e contacto elétrico que faz parte da camisa de chapa de aço que envolve o eletrodo
Figura 29- Placas de contacto cobre-aço, utilizando as abas da camisa do eletrodo
Na estrutura estrutura de de sustentaç sustentação ão está instalado instalado na parte superior superior o coletor coletor (manifold) (manifold) de ar com o ventilador e o aquecedor elétrico de resistências para fazer circular o ar aquecido entre o manto e o eletrodo e plastificar a pasta dentro do eletrodo. Na parte inferior da estrutura está o coletor de água que se destina a resfriar a camisa do manto metálico, as placas que pressio pressionam nam as abas da da camisa camisa do eletrod eletrodo, o, etc. etc. Para o escorregamento do eletrodo, existe acima da sua estrutura de sustentação um grupo de placas de pressão (Figura ( Figura 30), acionadas por macacos hidráulicos que constituem mais ou menos a metade dos grupos de placas de contacto. Esses macacos pressionam pressionam as abas da camisa do eletrodo, eletrodo, que de acordo com o comando comando da cabine soltam ou prendem o conjunto do eletrodo em concordância com as placas de contacto elét elétric rico, o, solta soltand ndoo as mola molass de aço, aço, perm permiti itind ndoo o esco escorre rrega game mento nto do elet eletrod rodoo no comprimento desejado (Figura (Figura 30). 30).
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Figura 30- Dispositivo de escorregamento do eletrodo por placas pressionadas por molas e soltas por pressão hidráulica
Este engenhoso dispositivo não necessita da rigidez do eletrodo em todo o seu comprimento para o sustentar ou transmitir a energia elétrica para o funcionamento do forno, como e necessário nos outros tipos de suspensão ou transmissão de energia elétrica. Todo este conjunto e suspenso da estrutura do edifício por tirantes rígidos. O equipamento do moderno modular de sustentação e escorregador de eletrodo, a que acabamos de nos referir, tem as seguintes características: a) b) c) d) e) f) g) h) i)
Unidad Unidades es modu modulare laress para todos todos os os diâmet diâmetros ros;; Simplicidade Simplicidade no projeto, projeto, fabricação fabricação e operação; operação; Fáci Fácill man manut uteenção nção;; Drástic Drásticaa reduçã reduçãoo no inve investim stiment ento; o; Mínimas Mínimas perdas perdas de calor, calor, provoca provocadas das pelo arrefeci arrefecime mento nto produzi produzido do pela água; Nenh Ne nhum um risco risco com com a poss possív ível el defor deforma maçã çãoo do envol envoltó tório rio (camis (camisa) a) do eletrodo; Flex Flexib ibil ilid idad ade; e; Possibilidade Possibilidade de utilização utilização em fomos que operam operam com com eletrodos eletrodos de vários diâmetros; Possib Possibilid ilidade ade de implant implantaçã açãoo em fomos fomos com outros outros tipos tipos de equipam equipament entoo de eletrodos.
3.7.3- Eletrodo Soderberg furados O eletrodo de autocozimento furado já é conhecido ha muito tempo. Porém, só foi ultimamente empregado com grande êxito nos fomos de redução para a produção do carboneto de cálcio, fazendo-se alimentação da carga do fomo através deles. Na produção produção do carboneto carboneto de cálcio, cálcio, é grande a quantidade quantidade de finos de cal e de coque coq ue ou carvão carvão veg vegeta etall que se desen desenvol volve vem m no manuse manuseio io da carga carga (na britage britagem, m, desintegração e no peneiramento).
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Esse material, apesar de economicamente ser apreciável, não tinha condições de apro aprove veit itam ameento nto no fomo fomo.. Ag Agor ora, a, poré porém, m, é util utiliz izad adoo tota totalm lmen ente te como como part partee da carga,fazendo-se a sua introdução no fomo através dos eletrodos furados. Esse material, associado com o gás redutor CO, ao entrar na zona de reação do eletrodo, tem condições de se sinterizar, criando um material poroso, de determinada densidade e rigidez, que e aproveitado no fomo em melhores condições do que o clássico material de carga de granulometria apropriada. Normalmente Normalmente,, com este tipo de alimentação alimentação do fomo através dos ocos dos eletrodos, consegue-se introduzir 15 a 20 % da alimentação total. Independentemente da economia da carga, e pelo fato de a corrente elétrica alternada se distribuir pela periferia dos eletrodos (efeito pelicular dos condutores), isto quer dizer que a parte central do eletrodo se toma nula a corrente, apesar de ser normalmente consumida essa área estéril juntamente com a periferia do eletrodo. Desta maneira chegamos a ter 35% ou mais de economia no consumo do eletrodo. Diversos balanços balanços têm informado informado que a economia economia atingida atingida somente somente nos eletrodos eletrodos e de cerca cerca de 50%, considerando-se os custos da pasta eletródica, da chapa de aço do envoltório e da instalação operacional. Este sistema de alimentação nos fomos de carboneto de cálcio, pelo fato de se dispor de material de alta pureza pureza sob a forma de finos, traz uma economia economia muito grande, tanto no consumo dos eletrodos, como na utilização de matéria-prima de baixo custo, que há bem pouco tempo atrás tinha pouca utilização. Trata-se de um sistema que pode ser operado manualmente, ou funcionar de maneira automática. Nessa Nessa operação, operação, a mistura de cal e carvão tem que ser criteriosa, criteriosa, para que a qualidade do carboneto de cálcio não seja alterada, com misturas ricas em cal ou em carvão,diretamente nas zonas de reação nas pontas dos eletrodos. A Elkem já estabeleceu um sistema deste gênero, operado sob controle de um computador (Figura (Figura 31). 31). O computador e programado para otimizar o controle da curva fechada de ambos os aspectos elétricos e metalúrgicos da operação do forno na produção do carboneto de cálcio. O autor preconiza a possibilidade de se utilizar este tipo de eletrodo na produção dos diversos ferro-ligas. No caso do ferro-manganês, com as devidas precauções para se evitarem os bolsões de gás, talvez o sínter de manganês pudesse ser introduzido no forno, através dos eletrodos furados, como parte da carga. O mesmo se diria para a produção de ferro-silício, ou outros ferro-ligas.
Figura 31- Sistema de alimentação de fornos elétricos de redução com cargas fina através de eletrodos furados
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3.8- Eletrodos de grafita As primeiras experiências feitas com a aplicação deste tipo de eletrodo datam de 1895. Foram realizadas nos Estados Unidos por E. G. Acheson. Foram também realizadas na Europa quase na mesma data. Os produtos empregados para elaboração destes eletrodos sao a grafita (mineral) ou a mesma matéria-prima dos eletrodos de carbono amorfo, porém muito especial e mais selecionada, e com mais um tratamento térmico ou dois, um dos quais compreende a operação de grafitização a que já nos referimos. Os eletrodos de grafita ou grafitizados, utilizados nos fomos elétricos de arco aberto para a produção do aço, são sempre contínuos, isto é, cada elemento do eletrodo é constituído por um cilindro de dimensões definidas, munido nas duas extremidades de cavida cavidades des cilíndr cilíndricas icas ou tronco tronco-cô -cônic nicas, as, roscad roscadas as com rosca rosca geralm geralment entee triangu triangular lar achatad achatadaa (trapez (trapezoida oidal), l), nas quais quais se aparafu aparafusar sarão, ão, por montag montagem em com ferrame ferramentas ntas apropriadas, niples de grafita da mesma qualidade do eletrodo fabricados especialmente para esse esse fim, fim, conforme conforme Figura 32. 32. As usinagens dos eletrodos de grafita e seus niples silo particularmente estudadas e tratadas de modo a permitirem a continuidade do eletrodo quando em funcionamento no forno, por meio de uma perfeita união.
Figura 32- Exemplos de montagem com niples
Os eletrodos de grafita silo geralmente fabricados de acordo com as normas e dimensões recomendadas pela Comissão Eletrotécnica Internacional (Publicação IEC 239/1967), com comprimentos que vão de 1,00 m para diâmetro de 75 mm, a 2,70 m para diâmetro de 700 e até 812,8 mm. Os niples de grafita obedecem também as mesmas normas e recomendações, com medidas apropriadas para os vários diâmetros, de formato cilíndrico ou bitronco- cônico, com roscas para os cilindros de 4, 3, ou 2 fios por polegada, e para os bitronco-cônicos de 4 e 3 fios por polegada. Nas instalações instalações novas silo recomenda recomendados dos os niples bitronco-côni bitronco-cônicos cos de 4 fios por polegada. polegada. Os niples niples cilíndricos cilíndricos não não figuram figuram nas nas normas normas da IEC. 69
As características dos eletrodos de grafita e de seus niples, segundo sua qualidade e seção, são a seguir indicadas na Tabela 8. 8. Tabela 8- Características dos eletrodos de grafita
Densidade aparente (g/cm 3) Porosidade (%) Resistência à compressão no sentido axial (N/mm 2) Resistência à flexão no sentido axial (N/mm 2) Condutividade térmica (a 30ºC) no sentido axial (W/mk) Resistência elétrica especifica no sentido axial (ohms μ m) Coef Co efic icie ient ntee méd médio io de dila dilata taçã çãoo tér térmi mica ca line linear ar mo sent sentid idoo axi axial al (l/K (l/K)) Coeficiente médio de dilatação térmica linear mo sentido transversal (l/K)
1,55 a 1,75 15 a 25 15 a 35 6 a 25 120 a 300 4,5 a 12 0,5 0,5 a 2,5 2,5 .10 .10-6 1,8 a 3,5 .10 -6
Nos eletrodos eletrodos de grafita, um baixo consumo consumo depende depende de diversas diversas propriedade propriedades. s. Além da sua resistência elétrica, da oxidação e alta solidez, é fundamental sua resistência as mudanças de temperatura. Comparada com outros materiais, a grafita apresenta uma grande resistência às cargas térmicas. Nos eletrodos eletrodos de grandes grandes diâmetros, diâmetros, submetidos submetidos a cargas cargas térmicas térmicas importantes, importantes, exig exige-s e-see uma uma grand grandee resi resistê stênc ncia ia as muda mudanç nças as de temp temper eratu atura. ra. Por Por tal tal moti motivo vo,, se desenvolveram, especial mente com vistas aos fomos elétricos a arco de ultra alto potência, potência, eletrodos eletrodos de grafita que satisfaçam satisfaçam as cond condições ições mais extremas. extremas. Acima de 500°C e em contacto com o ar, os eletrodos de grafita sofrem pronunciada oxidação. Os eletrodos de grafita devem possuir um alto grau de pureza, com um mínima de impurezas prejudiciais prejudiciais ao aço. Seu Seu conteúdo conteúdo em componente componentess formadores formadores de cinzas, cinzas, toleráveis toleráveis é, de acordo com o seu nível de utilização e responsabilidade operacional, mantido dentro das porcentage porcentagens ns que a seguir seguir indicamos, indicamos, como valores valores aceitáveis aceitáveis funcionalme funcionalmente: nte: Tabela 9- Composições aceitáveis no eletrodo de grafita
Fe Si Ca Al Mg V P S
0,020 a 0,1000% 0,040 a 0,100% 0,020 a 0,080% 0,010 a 0,050% 0,001 a 0,005% 0,001 a 0,005% < 0,0001% <0,01%
Para fomos de fusão de cobre, silício e refino de alumínio, recomenda-se uma qualidade especial, cujo conteúdo em componentes formadores de cinzas seja inferior a 0,05%. Para eletrodos expostos a cargas elétricas elevadas, devem-se utilizar qualidades de baixa resistência especifica. Particular mente em fomos elétricos a arco aberto, submetidos a grandes intensidades de corrente, e importante o valor da resistência elétrica de contacto entre os porta-eletrodos e os eletrodos. Calc Calcul uland ando-s o-see corre corretam tamen ente te a press pressão ão e a supe superfí rfície cie de conta contact ctoo dos dos porta porta eletrodos, se evita, com boa refrigeração, que os eletrodos se sobreaqueçam em seus suportes. No material de contacto contacto mais usual que é o cobre, cobre, tem-se medido medido as resistências resistências de contacto do cobre com a grafita, em função da pressão aplicada, conforme os diagramas da Figura 33. 33. 70
Figura 33- Resistência de contato do cobre com a grafita
As resistências de contacto entre superfícies de grafita alcançam aproximadamente a metade do valor que se tem entre a grafita e o cobre. O cons consum umoo espe especi cific ficoo dos dos elet eletro rodo doss é impo importa rtante nte para para a renta rentabi bilid lidade ade de funcionamento do forno, desempenhando um papel de destaque na carga elétrica e térmica que o fomo sofreu. Na Figura 34 pode 34 podem-se m-se ver ver as cargas cargas elétricas elétricas econômicas econômicas que que se recomendam de acordo com os conhecimentos atuais, devendo, em suas utilizações, terem-se em conta os limites que serão tratados a seguir.
3.8.1- Limite Superior da intensidade de corrente Neste Neste limite, o fomo deve funcionar funcionar a plena carga, com sucata leve de densidade densidade 3 aparente inferior a 800 kg/m e/ou aparas de chapa de grossura inferior a 50 mm e com períodos períodos de "corrida a corrida" corrida" de 3 horas como máximos. máximos. Para fundir péletes péletes préreduzidos recomenda-se reduzir a 10% aproximadamente os valores-limite superiores.
3.8.2- Limite inferior da intensidade de corrente Neste Neste limite o forno deve funcionar funcionar normalmente normalmente com sucata pesada pesada e tempos tempos prolongados prolongados de corrida. corrida. Os eletrodos LN ou AGR para intensidades normais podem ser utilizados dentro de toda a gama, ainda que seja possível só até uns 15% aproximadamente por baixo do limite superior da carga. Os eletrodos LS ou AGX para cargas elétricas elevadas (de maior densidade) podem podem ser utilizados utilizados dentro de toda a margem margem de intensidade intensidades, s, ainda que, quando quando se produzam produzam esforços esforços mecânicos mecânicos importantes, importantes, deve preferir-se preferir-se a margem margem inferior. inferior. Especialmente em fornos de 100 t ou mais de capacidade (eletrodos de 600 mm de diâmetro), os esforços mecânicos que se produzem na zona superior de intensidade normal impõem a utilização de eletrodos para cargas elétricas elevadas.
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Figura 34- Intensidade de corrente
3.8.3- Eletrodos recobertos Os eletrodos recobertos podem ser utilizados dentro de toda a margem de cargas elétricas. Quando a totalidade de sua superfície se encontra recoberta por um produto especial sintético, que não prejudica por volatilização o aço, nem a condutibilidade elétrica do contacto do eletrodo com o porta-eletrodo, este recobrimento passa a evitar as perdas por oxidação do eletrodo na parte expo exposta sta ao ar, fora da abóbada, e internamente internamente dentro do forno, principal mente. O eletrodo recoberto é um método operacional já confirmado em escala industrial, que permite uma economia de 15 a 25% de grafita do eletrodo, além de economia de energia elétrica, o que é garantido pelo fabricante. Estas Estas porce porcentag ntagens ens requere requerem m um mínimo mínimo de investim investiment entoo e um mínimo mínimo de empenho por parte dos aciaristas e fundidores.
3.8.4- Condições operacionais que influem no comportamento dos eletrodos de grafita Para que o comportamento dos eletrodos de grafita seja favorável, há que se ter em conta uma serie de condições: 72
a) Evitare Evitarem-se m-se queda quedass de sucata sucata pesada pesada contra contra os eletrodos eletrodos dentro dentro do forno. forno. Deve-se colocar no fundo do forno a sucata pesada e por cima a sucata mais leve; b) Utilização Utilização de sucata sucata isenta de de .materiais .materiais não não condutor condutores es elétricos elétricos;; c) Perfeita Perfeita regulagem regulagem dos dos eletrodos, eletrodos, com com uma uma boa compen compensação sação do do peso; peso; d) Ac Acio iona name ment ntoo da abób abóbad adaa do forn forno, o, sem sem sacu sacudi dida dass ou movim ovimen ento toss bruscos; bruscos; e) Co Coman mando do exato exato e vertic vertical al da coluna coluna de eletrodos eletrodos atravé atravéss da abó abóbad badaa do forno; f) Precau Precaução ção e cautela cautela ao introduz introduzire irem-se m-se no forno, forno, através através da abóbad abóbada, a, os eletrodos suspensos da grua de montagem; g) Qu Quan ando do se torne torne neces necessá sário rio retir retirare arem-s m-see os elet eletrod rodos os do forno forno após após operação, a colocação dos eletrodos quentes deve ser feita em locais fech fechad ados os,, ou em poç poços de cert certaa prof profun undi dida dade de com com cond condiç içõe õess de protegere protegerem m os eletrodo eletrodoss do ar ar ambiente; ambiente; h) Evitarem-se Evitarem-se as as imersões imersões dos dos eletrodo eletrodoss no banho banho de de aço; aço; i) Deixar Deixar suficiente suficiente espaço espaço entre a coluna coluna do eletrodo eletrodo e o furo do do eletrodo eletrodo na abóbad abó bada, a, através através do anel anel econo economiz mizado adorr (anel (anel refrige refrigerado rado a águ água) a) do eletr letrod odo, o, para para se evita vitarr que que a refe referi rida da colu coluna na se pren prenda da em sua sua movimentação; j) Duração Duração mínima de cargas no forno, reparações reparações de revestiment revestimentos os refratários, ou por falhas, para reduzir o desgaste superficial por oxidação, quando os eletrodos quentes são obrigados a ficarem expostos ao ar; k) Ótim Ótimaa regu regulaç lação ão da press pressão ão do forno forno ao se utiliz utilizar ar uma uma inst instala alaçã çãoo de aspiração de fumos.
3.8.5- União dos eletrodos Na união dos eletrodos por meio dos niples, e em especial especial os bitronco-côn bitronco-cônicos, icos, a zona zona de cont contac acto to deve deve ser ser a mais mais perf perfei eita ta poss possív íveel, para para que que as cond condiç içõe õess de condutibilidade elétrica e térmica sejam perfeitas. Os niples, principalmente, devem-se caracte caracteriza rizar, r, além além da extrao extraordin rdinária ária condu condutibi tibilida lidade de elétric elétrica, a, também também por uma boa resistência mecânica. As roscas normalizadas, graças a suas baixas tolerâncias, devem garantir uma perfeita união entre os eletrodos. Na zona de união, a resistência elétrica poderá poderá superar superar somente somente em em cerca cerca de 10% 10% a existent existentee na coluna coluna do do eletrodo. eletrodo. Recomenda-se utilizarem-se, sempre que o espaço acima da abóbada do forno o permita, permita, eletrodos eletrodos o mais comprid compridos os possíve possíveis, is, com o que se limita limita o número número de uniões. uniões. Ainda que os niples bitronco-cônicos se tenham imposto em escala mundial, em alguns fomos antigos continuam a serem usados os niples cilíndricos.
3.8.5.1- Campo eletromagnético girante Entre as três fases do circuito existe um campo eletromagnético girante, que é função da freqüência da corrente da rede. Nos fornos fornos de grande capacidade capacidade,, funcionando funcionando com com altas intensid intensidades ades de corrente, corrente, o sentido em que gira o campo eletromagnético deve-se opor ao afrouxamento da união dos eletrodos. Visto de cima, este giro deve produzir-se em sentido contrário ao dos
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ponteiros ponteiros de um relógio, relógio, para que na união dos eletrodos, eletrodos, em vez de se dar um afrouxamento dessa união, pelo contrario, haja um aperto para um melhor contacto.
3.8.6- Eletrodos refrigerados a água Uma das inovações mais recentes, apresentadas em fornos elétricos a arco aberto para produção produção de aço, aço, é a utilização de eletrodos eletrodos de grafita refrigerad refrigerados os a água. AcreditaAcreditase que venham a se popularizarem pelo simples fato de que o aumento constante do custo do óleo óleo mine mineral ral obrig obrigaa a que que haja haja nece necess ssid idad adee de se pesq pesquis uisare arem m mane maneira irass de se economizar o consumo de grafita dos eletrodos de fornos a arco. A coluna do eletrodo passou a ser constituída de duas partes, conforme nos mostram as Figuras 35 e 36 . A parte superior da coluna do eletrodo eletrodo é constituída, constituída, na sua parte central, central, por um tubo de aço por onde onde é introduzida introduzida a água de arrefecime arrefecimento. nto. Circundando Circundando este este tubo, existe uma camisa metálica de água (Figura ( Figura 35) 35) com o diâmetro exterior igual ao diâmetro do eletrodo e que se comunica pela parte inferior com o tubo central.
Figura 35- Eletrodo resfriado a água (Sistema Stelco)
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Figura 36- Perfil estável da combinação de grafita com a haste metálica refrigerada com água
Nesta Nesta parte inferior a haste é provida provida de um niple metálico metálico tronco-côn tronco-cônico ico idêntico idêntico aos normais niples de ligação dos eletrodos de grafita. A part partee supe superi rior or do elet eletro rodo do pode pode ser ser cons consti titu tuíd ídaa por por dois dois tubo tuboss de aço aço concêntricos (Figura (Figura 36), 36), sendo o do centro o de entrada da água, que sai pelo intervalo entre os dois. O tubo maior tem diâmetro menor que o diâmetro do eletrodo. Na parte externa deste tuba maior são colocados anéis-luva de proteção, fabricado de material refratário cerâmico. A parte de ligação entre estes dois tubos de aço, que permite a comunicação da água do tuba central com o exterior, é feita na parte inferior desta haste metálica, de acordo com a Figura 37. 37.
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Figura 37- Representação esquemática da ligação da parte metálica refrigerada com o eletrodo de grafita
A parte inferior da coluna do eletrodo, quer num caso como no outro, é constituída pelo eletrodo eletrodo de grafita ou segmen segmentos tos de eletrodos eletrodos de grafita, grafita, ligados por niples niples bitroncobitroncocônicos também de grafita, como nos eletrodos convencionais. A diferença entre estes dois tipos de eletrodos refrigerados a água, Figura 36, 36, é que, no caso do segundo modelo, quando em operação num forno de aço, a parte refrigerada pode entrar livremente dentro da abóbada até ao consumo quase total do eletrodo de grafita, por causa da proteção da haste metálica, Duda pelos anéis-luva de material refratário cerâmico. No primeiro caso, esta introdução introdução da haste refrigerada refrigerada dentro da abóbada tem de ser feita com mais cuidado. Nas pesquisas feitas para se atingir a economia economia de consumo consumo de grafita desejada, desejada, conforme nos vamos referir mais detalhamento adiante, o consumo do eletrodo no fomo pode ser classificado classificado em dois componentes. componentes. O primeiro, primeiro, nomeadame nomeadamente, nte, é a queima queima da ponta que é essencialme essencialmente nte atribuída ao material material transportado transportado pelo arco devido devido à Lei de Faraday, não se podendo controlar de imediato o seu consumo. O segundo, chamado de consumo lateral, é dependente da temperatura do eletrodo e da atmosfera interna do fomo. Ele foi o responsável pelo aparecimento dos eletrodos refrigerados a água, devido a possibilitar possibilitar uma uma consideráv considerável el economia economia do consumo consumo lateral do do eletrodo. eletrodo. Estudadas várias sugestões, maneiras e métodos, o método de arrefecimento do eletrodo é o mais simples e mais digno de confiança, por fazer circular água numa haste metálica aparafusada a uma dada porção de segmento do eletrodo. O comprimento deste elemento de eletrodo de grafita depende de um certo número de fatores. O certo é que as pequenas porções de elementos de grafita da parte inferior do conjunto na haste do eletrodo de grafita parecem ser pouco seguras no comp comprim rimen ento to e na vida vida do elet eletro rodo do.. Algu Alguns ns dos dos parâm parâmet etros ros que que influ influen encia ciam m esta esta fragilidade são : a) A temperatu temperatura ra no limiar limiar da oxidação oxidação [ de 1% 1% da queima queima (da (da perda perda de peso peso 3 superior em 24 horas) ]; b) A condutib condutibilidade ilidade térmica térmica da grafita; grafita; c) O compr comprime imento nto da da haste haste metálic metálicaa do eletrod eletrodo; o; d) A distrib distribuiçã uiçãoo da da tem temper peratur atura; a; 76
e) A por poros osida idade de da grafi grafita. ta. Um eletrodo convencional convencional em operação operação dentro do fomo tem uma temperatura temperatura na ponta de cerca cerca de 3727°C 3727°C (ou 4000 4000K K - temperatu temperatura ra de sublimaçã sublimação), o), na região região do brilho do arco. Daqui a temperatura se reduz na direção da abóbada do fomo para cerca de 500°C e depois, abruptamente, para o exterior ate ao porta-eletrodo. Para um fomo de 100t/corrida, isto isto sign signif ific icaa uma uma expo exposi siçã çãoo à oxid oxidaç ação ão de um comp compri rime ment ntoo de elet eletro rodo do de aproximadamente 6 m. Se substituírem 4 ou 5 m de cada eletrodo por uma haste metálica de eletrodo refrigerada a água, a porção de grafita atarraxada é a única parte sujeita à oxidaç oxidação, ão, portant portanto, o, bastan bastante. te. reduzi reduzida. da. A Figura 36 mostra-nos o projeto geral e a caracterização caracterização do sistema sistema refrigerado refrigerado do eletrodo, eletrodo, nos dois desenhos desenhos que a compõem. compõem. A Figura 38 mostra-nos o perfil da temperatura, a partir da ponta da parte de grafita de um eletrodo refrigerado a água, para um fomo de 110 t/ corrida, referente aos diferentes comprimentos da porção de grafita. A Figura 37 mostra-nos a progressão da densidade de corrente na área quente da junção, junção, entre a parte refrigerada refrigerada e a grafita, como função função dos raios, depois depois de recalculada recalculada a densidade de corrente a quente, o perfil da porção de eletrodo e o calor transferido para a junta entre a água de arrefecimento e a porção de grafita. A máxima transferência de calor é, portanto, observada na melhor posição arrefecida. As inves investig tigaç açõe õess most mostrar raram am que que a porç porção ão de elet eletro rodo do de grafi grafita ta pode pode ter ter comprimentos inferiores a 1m, mas isto significa que o eletrodo teria de ser trocado dema demasia siada dass veze vezes, s, inter interro romp mpen endo do a oper operaç ação ão.. Isto Isto obrig obrigaa a que que se estab estabel eleç eçaa um compromisso de comprimento mínima para a parte de grafita de um eletrodo refrigerado a água. Atingido esse limite mínimo, retira-se o eletrodo do fomo e, do eletrodo, a ponta de grafita gasta. Depois de colocado o elemento novo de grafita no eletrodo, recoloca-se de novo a parte de grafita retirada antes, para servir de ponta na extremidade do elemento novo de grafita que se colocou na transição da parte metálica gerada.
Figura 38- Curva de temperatura em ºC da porção de grafita de um eletrodo de grafita refrigerado a água de um forno de 110t/corrida
De acordo acordo com com o tamanh tamanhoo do fomo fomo se estabe estabelec lecee o chamad chamadoo comprim compriment entoo mínimo da parte de grafita do eletrodo refrigerado a água. Assim, para fomos de certo porte, porte, o comprimento comprimento da parte de grafita do eletrodo poderá ser de 2 m e ter porções de eletrodo na ponta (do lado da queima) em tomo de 0,5 m. Poderá haver a tendência da 77
prática operacional de pontas terminais de cerca cerca de 0,7 a 0,8 m, devido devido a propriedades propriedades mecânicas e outras da peca de grafita residual. A potencia dissipada pelo arrefecimento arrefecimento do eletrodo durante a operação operação do fomo depende de sua capacidade. Por exemplo, para um fomo de 70t/corrida é de 186 kW e para um fomo de de 110t/corrid 110t/corridaa e de 260 kW. kW. Este Este arrefecime arrefecimento nto é interrom interrompido pido na troca do do eletrodo, mas a entalpia, acumulada internamente na parte metálica do eletrodo, é mais ou menos considerável para que a água na haste possa, apôs algum tempo, ser forçada a sair para fora, fora, em erupção erupção..
3.8.7- Anéis economizadores(de eletrodos) Os anéis de resfriamento dos eletrodos, colocados sobre a abóbada e envolvendo cada um dos eletrodos, são dispositivos destinados a proteger o eletrodo, principalmente da ação do fluxo de gases e chamas que se forma dentro do forno e que tende a sair pelos intervalos entre os eletrodos e seu furo na abóbada. Esta proteção também evita a propagação propagação do calor calor no eletrodo eletrodo para para sua parte externa, externa, ou seja,fora seja,fora da abóbada. abóbada. Por estas estas razõ razões es,, os ané anéis de resf resfri riam amen ento to dos dos elet eletro rodo doss sao sao tamb também ém cham chamad ados os de anéi anéiss economizadores. Estes anéis economizadores são constituídos por anéis ocos, onde se faz circular água formando uma camisa de água. Em seu perímetro, os anéis ocos podem ser fechados ou semifechados. São fabricados com metal bom condutor de calor, fundido ou laminado soldado. De preferência devem ser fabricados de chapa de aço austenítico, ou de metal não-magnético. A eficácia eficácia deste deste dispos dispositiv itivoo é oferec oferecer er um menor menor con consu sumo mo dos eletrodos eletrodos e permitir permitir o efeito de colar em volta do eletrodo, eletrodo, de maneira maneira a efetuar efetuar uma boa vedação vedação entre o eletrodo e a abóbada, impedindo a saída de calor, gases e fumaças.
Figura 39- Colar de resfriamento de eletrodo, típico para fornos de médio porte
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Figura 40- Colar de refrigeração de eletrodo do tipo bobina de tubo
Figura 41- Colar de refrigeração de eletrodos com revestimento interno de refratário
A necessidade de este anel ser fabricado semifechado é para minimizarem-se as perdas elétricas elétricas geradas geradas por indução indução (auto-indução (auto-indução e indução indução mutua), causadas causadas pela passagem passagem de grandes grandes mananciais mananciais de corrente corrente pelo eletrodo, eletrodo, visto ser praticamente praticamente impossível impedirem-se as perdas provocadas pelas histereses e correntes parasitas. Ainda assim, como dissemos atrás, estes anéis devem ser fabricados de metal não magnético. Em alguns projetos, para facilidade de resfriamento pela água, eles são
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ligados ligados,, por tubula tubulaçõe çõess com com o anel anel env envolv olvent ente, e, suporte suporte da abó abóbad bada, a, que também também é refrigerado por água. Os tipos atualmente mais em uso e de fabricação corrente, tanto para fornos pequenos pequenos como como de médio e de grande porte, porte, são como os indicados indicados nas Figuras 39, 40 e 41, sendo os da primeira e da terceira Figura fabricados em chapa de aço não-magnético, soldada eletricamente, e o da segunda Figura fabricado de tuba metálico percorrido internamente por água.
3.9- Grafitização Nos eletrodos eletrodos de carbono carbono amorfo, amorfo, o cozimento cozimento foi a ultima etapa de fabricção. fabricção. Porém, quando se emprega a grafita mineral e/ou se procede à grafitização do carbono amorfo, o processo e de fabricação continua. Portanto, no caso dos eletrodos de grafita (quando se parte do carbono amorfo), uma etapa adicional (ou duas) é considerada conhecida, sob o nome de grafitação ou grafitização, que é necessária para transformar os eletrodos de coque de petróleo em grafita. Após sua saída do forno de cozimento, os eletrodos a base de coque de petróleo são submetidos ao processo de grafitização num forno de resistência elétrica do tipo Acheson. Quando do carregamento deste forno, preenche-se o espaçamento entre os eletrodos com grãos de coque, constituindo o enfornamento, permitindo obter a melhor maneira maneira para conseguirmos conseguirmos um aquecimento aquecimento uniforme. uniforme. A corrente corrente elétrica elétrica passa através da massa enfornada, e o calor necessário a grafitização e obtido por efeito de joule. Toda a massa é penetrada, de uma maneira determinada, a uma temperatura aproximada de 2750°C (entre 2600 a 3000°C), de maneira a conferir aos eletrodos as propriedades físicas essenciais para a sua utilização nos fornos elétricos. A esta altíssima temperatura, todos os outros elementos, à exceção do carbono, são volatilizados. O coque e o ligante da mistura, de inici inicio, o, são trans transfo form rmad ados os da forma forma amor amorfa fa para para a form formaa alotr alotrópi ópica ca grafi grafitic ticaa cristalizada. A grafita cristaliza-se no sistema hexagonal (dihexagonal-bipiramidal L 26L27PC). Os cristais sac bem formados, mas extremamente raros. Antes da operação de grafitização, conforme já nos referimos atrás, quando o eletrodo vai ser requerido para grandes intensidades de corrente, torna-se necessário, para aumento da densidade do eletrodo, dar-lhe uma nova impregnação de piche (alcatrão), submetendo-o a uma adicional cocção, para passar a pertencer ao tipo LS ou AGX. Depois da grafitização, o desenfornamento é efetuado com um grande cuidado e num espaço de tempo prolongado. Os grãos de coque do enfornamento aderentes aos eletrodos são retirados. A última fase de fabricação é a mecanização (torneamento), que consiste, essencialmente, no torneamento da superfície exterior, na confecção dos buracos dos extremos e nas suas roscas, e, por último, no torneado das superfícies exteriores frontais, como uma retificação. Cada peca é controlada separadamente, mediante um completo programa de controle de qualidade, conseguindo-se que tanto os eletrodos quanta os niples estejam à altura das condições que a prática lhes impõe. Estes controles , que se estendem as diferentes fases de fabricação, são a única maneira de se atingir um produto impecável. Isto é conseguido através de uma escrupulosa seleção das matérias-primas utilizadas (ma (material rial cru) ru) e com a perseguiçã ição de uma qualid lidade ade ótima nas fas fases da fabricação:cocção, impregnação, grafitização e mecanização. Media Mediante nte mode moderno rnoss proc proces esso soss de mediç medição ão e de verif verific icaç ação ão,, adap adaptad tados os a peculiaridade peculiaridadess de escolha escolha de materiais materiais,, assim como como através através da determinaç determinação ão completa completa das 80
carac caracte terís rístic ticas as de qual qualida idade de,, por por um proce process ssoo elet eletrô rônic nicoo de dado dados, s, se gara garante ntem m conf confia iabi bili lida dade de e segu segura ranç nçaa máxi máxima ma de util utiliz izaç ação ão.. Todo Todoss os elet eletro rodo doss que que não não correspondam a estas normas de utilização são eliminados.
3.10- A escolha da utilização dos eletrodos A escolha da qualidade e da dimensão dos eletrodos e um fator importante na boa marcha de operação de um forno elétrico. Os fornos variam em concepção na produção e, em geral, na qualidade e dimensão dos eletrodos recomendados pelos construtores de fornos. Esta qualidade e dimensão devem ser respeitadas. A potência do transformador, o diâmetro e a capacidade do forno, assim como a marcha mais ou menos prevista para a fabricação, são os fatores essenciais que efetuam o dimensionamento dos eletrodos.
3.10.1- Qualidade (Carbono amorfo ou grafita) Para determinar se devemos utilizar os eletrodos de carbono amorfo ou de grafita para urna urna instalação instalação dada, dada, é absolutame absolutamente nte necessário necessário basear-se basear-se a escolha escolha sobre cond condições ições operacionais que, freqüentemente, são locais e dependentes, exclusivamente, do produto que se deseja elaborar. Uma atenção toda particular deve ser prestada a esta questão, quando se trate de um melhoramento, ou de uma mudança na marcha ou na conduta de um antigo forno.
3.10.2- Diâmetro (Grande ou pequeno) De urna maneira geral, sobre os fornos siderúrgicos, siderúrgicos, pode-se "a priori", utilizar o menor diâmetro que permita a taxa máxima de produção, sem consumo excessivo dos eletrodos devido a urna oxidação ou a quebras, isto, quando se diligencia a escolha num grupo de eletrodos, ou de carbono amorfo ou de grafita.
3.10.3- Fatores favoráveis à utilização de grandes diâmetros Os fatores favoráveis à utilização de grandes diâmetros são: 1.º Fraca resistênc resistência ia elétrica, elétrica, permitindo a utilização utilização de alta potência, potência, dando dando uma taxa de produção elevada. 2.º A maior secção secção diminui diminui a velocidade velocidade de penetraç penetração ão na carga no inicio inicio da fusão, assegurando a formação de uma camada liquida de altura suficiente, permitindo-s permitindo-see evitar a deterioração deterioração da sola, quando os eletrodos eletrodos dela se aproximam. 3.º Maior resistê resistência ncia aos efeitos efeitos mecânicos mecânicos.. 4.º 4.º Mais Mais fraco fraco cons consum umoo linea linearr por por peso peso unitá unitário rio de prod produt utoo fabric fabricad ado, o, resultando numa redução do número de operações de ligação dos eletrodos através de seus niples de ligamento, portanto diminuindo os gastos de mão-de-obra com economia de tempo.
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5.º 5.º Dimi Diminu nuiç ição ão da potê potênc ncia ia devid devidaa ao aque aquecim cimen ento to pela pela resi resistê stênc ncia ia do 2 elet eletro rodo do.. Este Este pont pontoo é de fato fato conte contest stad adoo pelas pelas perd perdas as I R, que são neglige neg ligencia nciadas das com com as fracas fracas resisti resistivid vidade adess dos eletrod eletrodos os de grafita grafita produzido produzidoss atualmente. atualmente. 6.º Se os eletrodos eletrodos são de seção seção muito pequen pequenaa para uma potência potência dada, eles se aquecem pela resistência, o que ocasiona ruptura nos mesmos pelo resultado de uma densidade de corrente muito elevada. Portanto, torna-se necessário escolher-se um outro diâmetro mais apropriado para potência dada, utilizando-se de tabelas e fixando-se as densidades de corrente admis admissív sívei eiss para para cada cada diâme diâmetro tro de elet eletrod rodo, o, isto isto é, o diâme diâmetro tro mais mais apropriado. 7.º Segun Segundo do opinião opinião de certos certos aciarist aciaristas, as, um grande grande diâmetr diâmetroo de eletrodo eletrodo permite permite obter, obter, mais rapidamente, rapidamente, a redução redução dos leitos de fusão. Este fenômeno pode ser atribuído à redução do leito por um contato maior com as partículas carbonosas destacadas dos eletrodos sob a ação do arco. Pode Pode-se -se obte obter, r, muito muito mais mais econ econom omic icam amen ente te,, um resu resulta ltado do análo análogo go,, utilizando-se utilizando-se pó de grafita, que e projetado no forno, através da porta, em sacos de papel, o que evita a sua combustão muito rápida e permite uma grande superfície de contacto entre este pó e o leito.
3.10.4- Fatores favoráveis à utilização de pequenos diâmetros Os fatores favoráveis à utilização dos pequenos diâmetros são: 1.º Superfície Superfície exterior exterior menor, portanto portanto menor superfície superfície exposta exposta à oxidação. 2.º Em resultado, resultado, as partes partes oxidáveis oxidáveis são mais acentuadas acentuadas e o eletrodo se usa usa menos em "pão-de-açúcar". A parede, que constitui a superfície exterior do eletrodo na zona roscada interior, isto é, próximo a seus extremos do buraco buraco do niple, é mais atacada, logo, menos menos espessa. espessa. De fato, esta parte da junta junta e meno menoss resis resiste tente nte meca mecanic nicame amente nte,, quan quando do esta esta porç porção ão de eletrodo se aproxima do arco. 3.º A seção seção mais fraca dos eletrodos eletrodos esta esta menos sujeita sujeita aos choques choques térmicos térmicos e às crepitações e fendas correspondentes. 4.º Menore Menoress perdas perdas de calor calor dev devido ido à con condut dutibil ibilidad idadee térmic térmicaa longit longitudin udinal, al, por conse conseguinte guinte,, à mais fraca fraca seção. seção. 5.º Os arcos são mais mais afastados das paredes paredes do forno, assegura assegurando ndo assim uma duração de vida mais longa para os refratários. 6.º Os pequenos pequenos diâmetros diâmetros permitem permitem a construção de abóbadas abóbadas com furos furos de passagem passagem de eletrodos eletrodos de menores menores dimensõe dimensões, s, o que acrescenta acrescenta a resistência mecânica da abóbada o aumento de sua duração em serviço. Esta vantagem é, entretanto, atenuada pelas falhas a que a abóbada estão sujeita, devido à radiação do arco, pelos diâmetros menores dos eletrodos. 7.º As pontas dos dos eletrodos eletrodos desperdiçadas desperdiçadas são menos menos importantes, importantes, porém são em maior numero. 8.º A regulaç regulação ão responde responde melhor melhor em conseq conseqüên üência cia da mais mais fraca fraca inércia inércia da coluna, pelo fato do eletrodo ser mais reduzido. 9.º O preço preço da instalaçã instalaçãoo e as despe despesas sas de reparação reparação da superest superestrut rutura ura do forno, das talhas e dos cabos são menos elevados, pois as colunas de eletrodos são mais leves. 82
10.º Manutenção facilitada pelo menor peso de cada elemento do elet eletro rodo do e do niple niple e pelo pelo fato fato de os disp dispos ositi itivo voss de mani manipu pulaç lação ão adaptados a esta seção serem mais reduzidos. 11.º O pre preço uni unittári ário de ca cada ele eletr troodo e men menos ele elevvado ado e as qu quebras ras acidentais, dentro ou na parte exterior do forno, são menos onerosas.
3.10.5- Fatores favoráveis à utilização dos eletrodos de grafita nos fornos siderúrgicos Pode-se constatar, depois de alguns anos, que os eletrodos de grafita têm a seu favor os utilizadores e construtores de fornos, para os fornos de siderurgia de grande potência. potência. A experiência experiência de utilização utilização sobre longos longos períodos períodos tem demonstrad demonstradoo que, por cons conseq eqüê üênc ncia ia das das dife difere rent ntes es prop propri ried edad ades es entr entree os dois dois grup grupos os de elet eletro rodo doss (principalmente a condutibilidade elétrica e a susceptibilidade dos eletrodos se oxidarem menos), menos), um eletrodo eletrodo de grafita de secção dada é, em geral, equivalente equivalente a um eletrodo de carbono amorfo de secção dupla. Em conseqüência, uma comparação eqüitativa dos dois tipos de eletrodos deve ser feita na base de um menor eletrodo em grafita contra um maior eletrodo de carbono amorfo, funcionando nas mesmas condições consideradas. Em favor do eletrodo de grafita, temos as vantagens seguintes: 1.º As juntas juntas ou uniões uniões são mais resistent resistentes es mecanic mecanicame amente nte e de mais fraca resistência elétrica (são fáceis de se obter por serem em relação à grafita de usinagem mais fácil, permitindo tolerâncias mais fechadas nas juntas mais reduzidas). No caso da utilização do carbono amorfo, é indispensável util utiliz izar ar past pastaa de junç junção ão e, no caso caso do proc proceesso sso Sode Soderb rber erg, g, vela velar r cuidadosamente pelas juntas da pasta quando de sua preparação. 2.º O eletrodo eletrodo de grafita grafita tem maior resistên resistência cia à oxidação. oxidação. 3.º 3.º O cons consum umoo do eletro eletrodo do de grafita grafita e meno menorr por por peso peso unitári unitárioo de metal metal obtido (este fator depende sempre das condições de emprego). 4.º Menor Menor perca de energia energia devida ao aquecimento aquecimento por resistênc resistência ia da coluna do eletrodo (a condutibilidade da grafita de metade da seção de um eletrodo de carbono amorfo terá uma resistência elétrica de metade do eletrodo de carbono amorfo). 5.º A facilidade facilidade de usinagem usinagem da grafita dá possibilidade possibilidade de rosqueamento rosqueamento com melhor contato exterior do eletrodo, e favorece uma melhor proteção ao nível do economizador do anel de resfriamento instalado na abóbada. 6.º De fato, porque porque o eletrod eletrodoo de grafita grafita é usinad usinadoo exteriorm exteriorment entee e porque porque a grafita é relativamente fina, o contato elétrico entre pinças e eletrodos e sempre melhor que com os eletrodos de carbono amorfo, o que assegura uma longevidade maior das pinças que conduzem a corrente, reduzindo as falhas de manutenção e os tempos mortos necessários às reparações. 7.º Com juntas juntas menores menores e melhores efeitos, efeitos, os pedaços pedaços que se podem podem destacar destacar no curso de utilização são sempre de menores pesos e dimensões, o que limita a elevação de carbono no banho. 8.º Por consegu conseguinte, inte, os eletrodos eletrodos de grafita são consumid consumidos os em menor escala escala numa dada produção e com menores falhas dos eletrodos reduzem-se os gastos de transporte e de operação. Esta vantagem e muito importante quando a aciaria fica distante da usina produtora dos eletrodos. 83
9.º Pode-se Pode-se prever, prever, portanto, uma menor menor estocagem estocagem de eletrodos de grafita do que se considerássemos os eletrodos de carbono amorfo, por suas menores dimensões e sua duração de utilização mais importante. 10.º Os eleme lement ntos os de lig ligação ação são são de de um um pe peso meno menor, r, são são mai maiss fác fáceeis de se manipular, de mais fácil ligação por niple e de reduzidas quebras devidas à manipulação. 11.º Na mai maioor part partee do dos forn fornoos de ac aciar iarias ias de gra grand ndee cap capac acid idaade e de taxas de potência muito elevadas, ou de grandes dimensões de eletrodos de grafita, é admitida a plena possibilidade do uso dos eletrodos de carbono amorfo, se estiver previsto o seu emprego. Porém, seu peso será bem mais elev elevad adoo (admi (admitin tindo do-se -se que que o comp comprim rimen ento to teóri teórico co duma duma colu coluna na de eletrodos é em torno de 8 a 10 vezes o seu diâmetro). No estudo destes grandes fornos, um compromisso econômico pode ser encontrado. Em geral, o cômputo econômico do preço da instalação é o de reduzir um pouco a potência, potência, baixando-se baixando-se as taxas de produção, produção, para não sobrecarreg sobrecarregar ar anormalmente anormalmente os eletrodos. É sempre preferível, neste caso, utilizarem-se os eletrodos de grafita.
3.10.6- Fatores favoráveis à utilização dos eletrodos de caborno amorfo 1.º Menor pre preço por quilo ilograma ama de eletrod rodo de carbo rbono amo amorfo rfo (apr (aprox oxim imad adam ameente nte a meta metade de do preç preçoo dos dos elet eletro rodo doss de graf grafit ita) a),, compensando ligeiramente a diferença do consumo. 2.º 2.º Os maior maiores es diâm diâmet etro ross dos dos elet eletro rodo doss de carbo carbono no amor amorfo fo retar retarda dam m as velocidades de descida dos eletrodos através da carga, reduzindo assim os perigos perigos de deterioração deterioração da sola. sola. 3.º Em diâmetros diâmetros iguais, iguais, a resistê resistência ncia mecânica mecânica à flexão flexão dos eletrodo eletrodoss de carbono amorfo é 75% maior que a dos eletrodos de grafita. De fato, a resistência transversal varia com o cuba do diâmetro. Um eletrodo de carb carbon onoo amor amorfo fo,, de seçã seçãoo dupl duplaa de um ele eletrod trodoo de graf grafit ita, a, terá terá aproximadamente uma resistência dupla das quebras provocadas pelas quedas dos pedaços de sucata a serem fundidos. Este valor é um pouco modif odific icad adoo pela pela dure dureza za supe superf rfic icia iall (cam (camad adaa supe superf rfic icia ial) l) e pela pela susceptibilidade aos choques destes eletrodos. 4.º Quando, Quando, no caso muito muito especial, especial, do mergulho mergulho do eletrodo eletrodo no banho para recarburação, o preço mais baixo do eletrodo de carbono amorfo justifica o seu uso (esta operação não é, entretanto, recomendada). Para os eletrodos de carbono amorfo e de grafita, cuja relação de seção está nas vizinhanças de 2 para 1, a velocidade de deterioração linear axial é sensivelmente a mesma e não tem, por conseguinte, nenhuma influência sobre a escolha da qualidade do eletrodo. Com efeito, para os eletrodos do mesmo comprimento, a freqüência de niplagem (ligação por niple) é a mesma, mas a niplagem dos eletrodos de carbono amorfo é sempre mais comprida, para se realizar, do que a dos eletrodos de grafita (peso unitário mais elevado - utilização obrigatória de um cimento de junção). Os fornos a arco submerso (imergido) para a produção dos carbonetos, abrasivos, eletrofundidos, ferro-ligas e, em certos casos, o fósforo são equipados, em geral, com eletrodos de carbono amorfo. O preço por comprimento do eletrodo é uma das principais 84
razõe razõess para para sua sua adoç adoção ão princ princip ipalm almen ente te na elet eletro rote term rmia. ia. Os niple nipless em grafi grafita ta são, são, entretanto, por vezes necessários. Para grandes fornos elétricos a preferência preferência para varias utilizações utilizações é dos eletrodos eletrodos Soderberg. Este eletrodo sempre de grandes dimensões, utilizado em parte como elemento de redução, e sensivelmente mais caro do que o de carbono amorfo. Há sempre lugar para a escolha de um tipo de eletrodo de preço fixo na produção. Sujeito a um estudo muito competitivo, este deve ser feito sob condições gerais de exploração, tendo em conta o preço da instalação do forno e de seus anexos, do consumo de energia, do preço dos refratários, das condições locais, dos fretes de transportes, etc., etc. Todos os fabricantes e utilizadores de fornos elétricos de aciarias de capacidade superior a 10 toneladas por corrida, montam seu fornos de preferência com eletrodos de grafita. Os diagramas das Figuras 42, 43 e 44 e as Tabelas 10 e 11 dão-nos a comparação entre os dois tipos de eletrodos considerados (carbono amorfo e grafita), em termos de corrente, densidade, diâmetros e tensões. Estes diagramas e tabelas foram elaborados pelo Grupo da "Union Cabide Company".
Figura 42- Densidade e intensidade de corrente dos eletrodos
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Figura 43- Densidade e intensidade de corrente dos eletrodos
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Figura 44- Densidade de corrente em função das secções Tabela 10- Densidade de corrente em função do diâmetro dos eletrodos
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Tabela 11- Corrente num eletrodo ou nos condutores do transformador do forno segundo diferentes cargas e tensões
Figura 45- ábaco da taxa de escorregamento, em função do diâmetro do eletrodo e da intensidade de corrente, para eletrodos de grandes diâmetros
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3.10.7- Taxa de escorregamento Sobre a taxa de escorregamento (ou de deslizamento), há que salientar que, para um bom funcionamento do eletrodo, a zona de cocção não deve descer abaixo da área ocupada no eletrodo pelas placas de contacto. Essa taxa de escorregamento dos eletrodos deve ser inteligentemente definida, pois ela é função do consumo do eletrodo. Portanto é função do diâmetro do eletrodo e da corrente que passa por ele. Se essa taxa for elevada demais, provocaria um mau contacto elétrico e um mau funcionamento do eletrodo. Se fosse lenta demais, continuaria também o mau funcionamento, porque diminuiria a corrente pelo aumento do comprimento do arco. A Elkem estabeleceu um ábaco sobre a taxa de escorregamento ideal para o bom funcionamento do eletrodo de grandes diâmetros, conforme nos mostra a Figura 45, 45, que nos dá a taxa de escorregamento em mm/h, através de uma curva que é função dos valores dos diâmetro diâmetross dos eletrod eletrodos os e das corren correntes tes,, tendo tendo como como valore valoress interme intermediár diários ios os 2 mm/kA h. Como exemplo, vamos supor que temos um forno trifásico de redução de arco imer imergi gido do,, com com os elet eletrod rodos os de diâm diâmet etro ro de 1550 1550mm mm.. Pelo Pelo ábac ábacoo da Figura Figura 45, verificamos que a intensidade de corrente que poderá passar por eles e de 95 kA, a qual corresponde um valor intermediário de 2,8 x 10 -3mm/kA2h, ou seja: 0,0028 x 95 2 = 25,27 mm/h.
3.11- Consumo dos eletrodos Dos insumos básicos generalizados, empregados no forno a arco, três, de preços elevados, podem ser determinados com facilidade, e dois deles, até com precisão. Um deles são os refratários das paredes,da abóbada, soleira e bica. Os outros dois são os cons consum umos os espe especí cífic ficos os de ener energi giaa (kWh (kWh/t) /t),, a que que nos nos vamo vamoss refer referir ir em capít capítul ulos os posteriores posteriores e, finalmente, finalmente, o consumo consumo dos eletrodos eletrodos (kg de eletrodos/t), eletrodos/t), a que nos vamos referir agora. Embora seja desejável conservar os índices de consumo desses três elementos em níveis baixos, o custo total mínimo de produção de uma tonelada de aço elétrico não é necessariamente alcançado quando não se obtêm valores mínimos para eles. O consumo de eletrodos pode ser classificado em duas categorias principais. Na extremidade extremidade da coluna do eletrodo, eletrodo, o ponto de origem origem do arco com movimentação rápida bem como a escória e até o metal removem a grafita de um modo continuo, sem encurtar abruptamente o comprimento da coluna. Similarmente, a oxidação da pare parede de late lateral ral caus causaa um prog progre ress ssivo ivo afunil afunilam amen ento to do elet eletro rodo do.. O cons consum umoo na extremidade do arco ou consumo linear (vertical) ocorre principalmente quando o forno esta sob energia, enquanto que o consumo sobre a parede lateral na direção horizontal ocorre durante todo o tempo em que o eletrodo permanece quente. Esta combinação constitui o consumo tecnológico do eletrodo, sendo controlável até certo ponto pela prática da da operação. operação. Em contraste com este tipo gradual de consumo que ocorre sobre a superfície do eletrodo, o comprimento da coluna de eletrodo pode mudar abrupta e drasticamente, por motivo de quebra, perda da ponta e rachadura. As causas para este tipo de consumo podem podem ser encont encontradas radas principalm principalmente ente nas nas áreas de de operação operação do do forno, forno, tipo de sucata, sucata, mal funcionamento dos reguladores, ligações elétricas defeituosas e colocação de niples.
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Figura 46- Causas do consumo de eletrodos
O chanfro da ponta do eletrodo é causado, pelo desvio do arco, forçando seu ponto de origem para o lado de fora. A conicidade do eletrodo é causada pela oxidação e pela interação química entre a atmosfera do fomo e o eletrodo. O mecanismo de desgaste dos eletrodos e extremamente complexo, porém os fatores principais são: a. Desg Desgast astee long longitu itudi dinal nal na pont pontaa cons consist istind indoo de vapo vaporiz rizaç ação ão pelo pelo arco, arco, oxidação e erosão erosão mecânica entre banho e o eletrodo; b. Oxidação Oxidação lateral, lateral, que depende depende essencial essencialmente mente da composiç composição, ão, temperatura temperatura e velocidade dos gases que se deslocam ao longo da superfície do eletrodo. A temperatura do eletrodo que provem do calor I 2 . R gerado no próprio eletrodo é aumentada pela transferência de calor do banho ou do refratário de retorno ao eletrodo e reduzida pelo fluxo de calor ascendente, através da coluna eletródica para fora do forno.
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Figura 47- Geometria dos eletrodos conforme original de Schwabe
Uma vez que todos estes fatores estão relacionados com a geometria do eletrodo, vê-se que a escolha de seu diâmetro é de grande importância para o estabelecimento de condições operacionais ótimas e obtenção de estabilidade do calor gerado no arco. Por exemplo, se um eletrodo tem um diâmetro muito grande, ele ficara frio demais na ponta do arco e haverá uma má estabilidade deste último. Isto requer mais intervenções do regulador do eletrodo, a fim de se manterem os arcos e reiniciar aqueles extinguidos. Ao contrário, um eletrodo com uma temperatura bastante elevada na origem do arco não requer muitos ciclos de reignição durante uma corrida. A reignição de um arco é conseguida abaixando-se o eletrodo até que haja contato físico entre a ponta do eletrodo e o banho. Esta operação conduz a um aumento apreciável da erosão dos eletrodos, além de representar urna perda de tempo e promover o abaixamento do fator de potência. A coni conici cida dade de do ele eletrod trodoo poss possib ibil ilit itaa o aume aument ntoo da temp temper erat atur uraa da sua sua extrem extremidad idade, e, resulta resultando ndo,, como como conse conseqüê qüência ncia,, uma melhor melhor estabil estabilidad idadee do arco arco e constância de geração de calor no arco. A conicidade do eletrodo, o calor do arco, o calor I2 . R no eletrodo, eletrodo, o fluxo de calor calor para o eletro eletrodo do e a sua oxidação oxidação consti constitue tuem m um exemplo interessante do principio da sua natureza e do alto ajuste à sua menor resistência. Em geral, uma conicidade do diâmetro de 100% na parte superior do eletrodo junto à abóbada e de 70% na ponta onde se manifesta o arco tem apresentado ótimos resultados. Uma conicidade mais pronunciada e muitas vezes associada com taxas de desgaste lineares mais baixas, porém ela reduz o efeito de "blindagem" do calor, devido à menor área da ponta, e também provoca o aumento das perdas nesta última. Por outro lado, eletrodos com nenhuma ou muito pequena conicidade podem ser devidos a taxas de desgaste lineares extremamente elevadas, as quais impedem a existência de um tempo maior maior para para oxidaç oxidação ão lateral. lateral. A relaçã relaçãoo entre entre desga desgaste stess laterais laterais e longitu longitudina dinais is esta esta expressa matematicamente na Figura 47. 47. Em virtude do fato da parcela de calor I 2 . R, gerada na metade inferior do eletrodo, contribuir para o calor útil no forno, como também o faz numa fração do calor 91
de combustão da grafita, é possível constatar que a eficiência global de um eletrodo é aproximadamente 98%. Isto o coloca na categoria dos equipamentos elétricos de alta eficiência, tal como o transformador.
3.11.1- Consumo da ponta do eletrodo Para se conhecer o mecanismo do consumo da ponta do eletrodo, deve-se estudar a distribuição do fluxo da corrente elétrica na coluna. A distribuição da corrente sobre a seção transversal não é uniforme devido a variedade de efeitos eletromagnéticos (efeito de skin e efeito de proximidade), e também porque a resistividade e condutividade térmica dependem da temperatura. A Figura 47 mostra-nos as densidades de corrente medidas sobre a superfície dos eletrodos de 610 mm de diâmetro, próximas aos furos de passagem da abóbada, de um grande forno de "UAP". A concentração de corrente para o lado do eixo do forno é óbvia e conduz a uma elevação substancial da temperatura dos eletrodos nesta área. Torna-se desnecessário dizer que as tensões térmicas resultantes desta situação são excêntricas, e a taxa de oxidação da parede lateral e fortemente afetada pela temperatura. Ao deslocar-se para baixo, cerca de 30 cm acima da extremidade do arco, a corrente começa a concentrar-se no ponto quente do arco. Este ponto quente quente tem mais ou menos 6 a 13 mm de diâmetro, conforme esquematicamente nos mostra a Em adição ao consumo do eletrodo pelo efeito do arco, análises de um filme do arco a grande velocidade mostraram que partículas de grafita são removidas do ponto de origem do arco e suas vizinhanças.. vizinhanças.. A temperatura desta área e de 3600 a 4000°C e a restante massa da grafita nos arredores está a uma temperatura em tomo de 2000 a 2300°C. A maior parte do consumo linear normal tem lugar neste ponto de origem do arco. Para efeitos práticos, é suficiente identificar os efeitos do arco sobre o consumo de eletrodo como "vaporização". Partindo-se de observações de pequenos arcos e de testes conduzidos em forno a arco experimental, bem como em unidades industriais, concluiu-se que a taxa de consumo linear aumenta quando as correntes e/ou potências são aumentadas. Como o aumento nos níveis de corrente e potência usualmente resulta em produtividade do fomo mais alta, o consumo específico de eletrodo pode, em certos casos, permanecer inalterado. Em adição ao consumo do eletrodo pelo efeito do arco, análises de um filme do arco a grande velocidade velocidade mostraram mostraram que partículas de grafita são removidas do ponto de origem do arco e suas vizinhanças. A expansão térmica do ponto de origem do arco gera forças radiais (fr) e axiais (fo), as quais podem destacar partículas de grafita, como esquematicamente está mostrado na Figura 49. 49. A corrente elétrica fluindo através da ponta do arco do ponto quente, na coluna do área, gera forcas par si própria. As forcas do efeito de compressão (fp) opõemse à força de expansão radial (fr). Por outro lado, uma força (fc), na direção axial, opondo-se à força de expansão(fa), está presente por causa da forma de escoamento das linhas de fluxo da corrente através da parte mais baixa do eletrodo. Ainda não se conhece em que extensão poderia suceder uma anulação destas forças opostas de opostas de diferentes origens.
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Figura 48- Calculo da corrente
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Figura 49- Equipotências e linhas de fluxo de corrente em uma seção da ponta do eletrodo, segundo o original de Schwabe
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Figura 50- Apresentação esquemática do consumo de um eletrodo na ponta do arco, conforme original de schwabe
Figura 51- Configuração da extremidade do eletrodo para três diferentes comprimentos do arco, conforme original de Schwabe
Arcos longos e/ou tremulares fortes ocasionam pontas do eletrodo em forma de bisel, bisel, com ângulos ângulos de 20 a 30º, enquanto enquanto que arcos arcos curtos, devido devido à erosão pela pela escória e metal, dão origem a pontas de eletrodos mais ou menos horizontais, conforme indicado na 95
Figura 51. 51. Arcos curtos com alta corrente tendem a formar uma extremidade ligeiramente côncava (Figura (Figura 51 (c)).
3.11.2- Consumo lateral do eletrodo Em contraste com o consumo linear, o consumo da parede lateral da coluna do eletrodo atua mais ou menos na direção horizontal. Ele causa o afunilamento da coluna e afeta, na maior parte das vezes, trechos das colunas que estão abaixo da abóbada do forno. O fator mais importante de consumo da parede lateral é a oxidação. O conteúdo de oxigênio da atmosfera do forno durante uma corrida sofre grandes mudanças. Um conteúdo de oxigênio na atmosfera do forno, equivalente aquele existente no ar, é raras vezes alcançado, a menos que um excesso de oxigênio seja insuflado por meio de lanças sobre a superfície do eletrodo ou, em casos nos quais o forno é equipado com um sistema de exaustão de gases, excessivas quantidades de ar sejam aspiradas para o interior do forno. Secundariamente, embora não desprezível, ocorre a condensação de vapores de metal e escória sobre o eletrodo, fenômeno este que causa a formação de gotículas na seção média do eletrodo. Estas gotículas escorrem em seguida, por gravidade, até à extremidade do eletrodo, de onde caem de volta ao banho. Neste trajeto, elas apanham pequenas pequenas quantidades quantidades de grafita. Durante Durante a operação operação com o banho horizontal horizontal e arcos curtos curtos,, a borda borda exterio exteriorr da pon ponta ta do eletrod eletrodoo é contin continuam uament entee arredon arredondad dada, a, como como resultado de abrasão do contacto com escória e metal. Este efeito é pronunciado quando materiais pré-reduzidos (pelotas metalizadas), alimentados continuamente, são utilizados. A taxa taxa de oxid oxidaç ação ão do elet eletro rodo do de grafi grafita ta depe depende nde,, em certa certa exte extensã nsão, o, da qualidade da grafita, da temperatura da superfície do eletrodo, da velocidade e turbulência dos gases escoando no forno, bem como do conteúdo do oxigênio, destes últimos.
3.11.3- Efeito da temperatura e velocidade da atmosfera ambiente na oxidação Experiências para comparar o efeito da temperatura e velocidade de atmosfera, típicas de fornos, têm sido realizadas sob condições controladas em "túnel de vento", a diferentes temperaturas e velocidades. A Figura 52 apresenta os resultados de uma série de testes. Com a utilização de ar e aumentando-se a sua velocidade, a temperatura da superfície da grafita aumenta acentuadamente, aumentando a taxa de oxidação. Para efeitos práticos, as temperaturas da superfície dos eletrodos de grafita abaixo de 600°C não são criticas e nelas não ocorre oxidação apreciável. As taxas de oxidação, ilustradas na Figura 52, 52, são mais altas que aquelas experimentadas na prática normal dos fornos elétricos,porque o conteúdo de oxigênio da atmosfera do forno é consideravelmente mais baixo, que aquele aquele que prevale prevaleceu ceu no "túnel "túnel de vento". vento". Ao lido destas influências, o consumo da parede lateral esta em proporção direta com o tempo de exposição. Portanto, aumentando-se o tempo de residência de uma unidade particular na superfície do eletrodo, no sistema do forno, conta-se nela, desde a primeira primeira exposição, exposição, uma oxidação na parte superior da coluna até o instante em que este trecho chega a borda da face extrema, antes do consumo final na zona do arco. Tempos grandes de residência podem conduzir ao afilamento pronunciado dos eletrodos, o qual algumas vezes é erroneamente interpretado como resultante de insuficiente resistência
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contra a oxidação do eletrodo envolvido. Por outro lado, um pequeno tempo de residência no forno, devido a um alto consumo linear, resulta em menor conicidade do eletrodo. A taxa de oxidação em torno da periferia da coluna do eletrodo não é igual em todos os pontos. Efeitos de sucção, através de portas abertas, vedação e/ou sistemas para exaustão de gases, podem gerar distribuições de fluxo na atmosfera do forno, realçando a oxidação em certas áreas sobre a superfície dos eletrodos. Esta condição resulta em deformação excêntrica da coluna de eletrodos. Em alguns fornos, as porções da superfície situadas no interior do triângulo dos eletrodos oxidam-se algo mais do que o resto da superfície. Radiação mutua de calor destas porções eleva a temperatura da superfície nesta nestass seçõ seções es da colu coluna na caus causan ando do mais mais altas altas taxas taxas de oxid oxidaç ação ão.. Esta Esta dist distrib ribuiç uição ão excêntrica de temperatura dos eletrodos e muitas vezes indicada durante a operação do forno, na seção das colunas de eletrodos, entre o suporte e o nível da abóbada, onde as linhas-limite entre a superfície visível vermelha e preta do eletrodo mostram um declive do interior para o exterior do triângulo dos eletrodos.
Figura 52- Taxa de oxidação do eletrodo de grafita versus temperatura no “túnel de vento”
3.11.4- Outros fatores de consumo A quebra de eletrodo em um ponto alto da coluna é o fator que mais contribui nesta categoria. A principal causa de tal quebra e a queda de sucata, muitas vezes 97
provocando provocando a ruptura da junta do eletrodo eletrodo mais próxima próxima do porta-eletrod porta-eletrodoo de contacto contacto (junto do topo). A direção desta força de impacto esta geralmente no sentido de um ponto do lado de fora do triângulo do eletrodo, mais ou menos para o centro do forno. É interessante notar que as colunas dos três eletrodos são também afetadas por forças eletrodinâmicas na direção oposta que tendem a separar as colunas na mesma direção do arco defletido. Estas forças aumentam com o quadrado da intensidade de corrente e decrescem com a distância entre os eletrodos. Em um grande forno, no qual a corrente de 50 a 80 kA é usada, estas forças podem alcançar valores substancialmente elevados. A presença de forças de grande magnitude requer uma boa prática com relação ao manuse manuseio io e execuç execução ão das juntas, juntas, bem como como funcio funcionam nament entoo normal normal do mecanis mecanismo mo regulador e ausência de movimentos mecânicos excessivos dos braços. Perdas de ponta podem ser causadas por uma variedade de condições, tais como condições das juntas (que podem ser devidas a execução imprópria destas juntas) e/ou rotação errada de fases no forno. Excessivo choque térmico, desenvolvido quando a coluna é elevada para fora da cubaa do forno, cub forno, pod podee estabe estabelec lecer er tensõe tensõess tangenc tangenciais iais na superf superfície ície e, sob condiç condições ões extremas, rachar uma seção inteira do eletrodo longitudinalmente. Quando, durante a fusão de sucata pesada, o arco, por exemplo, permanece estacionário, sobre a borda exterior da ponta, podem-se desenvolver severos gradientes de temperatura, gerando as conhecidas trincas em V, as quais podem propagar-se para a junta mais próxima. próxima. Dependend Dependendoo da profundidade profundidade da trinca, a ponta pode pode rachar e soltarse da coluna. Quaisquer que sejam as razões para o súbito levantamento de um eletrodo, esse levantamento afetará a coluna afilada, fazendo com que o arco encontre uma área alargada, representada pela superfície fraturada. Muitas horas de operação do forno são então requeridas para restabelecer a coluna afilada normal, típica para este forno.
4- Os refratários nos Fornos Elétricos 4.1- Revestimento Refratário, Materiais Cerâmicos Os materia materiais is cerâm cerâmicos icos abrange abrangem m uma divers diversidad idadee inimagi inimagináv nável. el. Eles Eles estão estão presentes presentes desde desde a simples simples ponta de um lápis ao crítico nariz de um foguete foguete de uma espaçonave. A eliminação dos materiais cerâmicos, através de um processo imaginativo, colocar-nos-ia num mundo muito diverso do atual. Não haveria metais de nenhuma espé espéci cie, e, na esca escala la em que que os utili utiliza zamo moss e nece necess ssita itamo moss dele deles. s. Sem Sem os mate materia riais is cerâmicos, o homem ficaria reduzido as ferramentas elementares somente, como supridas pela natureza, natureza, não existiria existiria o vidro, o cimento, cimento, o tijolo, a telha, a cal, etc. Consequentemente não existiriam edifícios, casas, fabricas. Não disporíamos dos meios de transporte e de comunicação tão imprescindíveis, e aos quais às vezes chegamos a nos escravizar. escravizar. Seria impossível impossível o advento do rádio, da televisão e da eletrônica, em geral. A própria geração geração da energia energia elétrica elétrica seria impossível. impossível. Na realidade, realidade, o homem homem voltaria a uma época bem próxima aquela em que a cerâmica apareceu pela primeira vez: a da própria criação do homem. homem. A ind indústr ústria ia cerâm râmica ica é cons onside iderada rada com como compo mposta sta de 11 áre áreas não não necessariamente desvinculadas umas das outras. Entre elas e de primordial importância estão os refratários e os super-refratários. Material refratário ou produto refratário é assim definido: 98
- São todos aqueles materiais, naturais ou manufaturados, não metálicos (mas não excluindo aqueles que contenham um constituinte metálico), que podem suportar, sem se deformarem ou fundirem, temperaturas elevadas em condições específicas de emprego. A refratariedade mínima ou cone perimétrico equivalente mínimo, para que o material possa ser considerado refratário, corresponde ao CO.15 (1435°C)(ABNT), Tabela 12 e Figura 53. Ao lado da principal propriedade, que é a resistência as altas temperaturas, os refratários devem apresentar outras qualidades como: a) Resistência mecânica em altas temperaturas; b) Resistên Resistência cia às mudanç mudanças as bruscas bruscas de de temperatu temperaturas; ras; c) Resistência à ação de agentes químicos diversos; d) Resistência a erosão, abrasão de agentes físicos diversos; e) Condutividades térmicas altas ou baixas, conforme casos específicos; f) Permeabilidade alta ou baixa, de acordo com a necessidade do processo; g) Outras propriedades específicas. Num proces processo so industrial, industrial, dificilme dificilmente nte se encont encontra ra um efeito efeito isolado isolado de um só fator destrutivo. Muitas vezes a ação da escória causa o amolecimento do refratário ao mesmo tempo à perda da sua resistência estrutural. Mesmo nos dias de hoje, não se encontram refratários que possuam propriedades para trabalhar trabalhar sob a ação de muitas muitas condições condições agressivas. agressivas. Cada Cada tipo de material material apresenta apresenta propriedades propriedades específicas específicas próprias, próprias, com base nas quais é determinada determinada uma esfera racional racional do campo de aplicação. Os chamados super-refratários são refratários especificamente destinados para condições extremas de temperatura e de meio. Conforme a sua forma física, os refratários podem ser divididos em duas classes: Confo Co nforma rmados dos e não formad formados. os. Os confor conformad mados os compre compreend endem em os produt produtos os refratários que têm um formato definido: paralelos, facas, cunhas, radiais, circulares e de formato formatoss espec especiais iais,, confor conforme me a Figura 54. Sob a designação de não conformados, classificam-se as argamassas, cimentos, plásticos, massas de socar e concretos que, por não terem forma física definida, têm de ser fornecidos em baldes, sacos, tambores ou caixas. Argamassas Argamassas e cimentos cimentos são utilizados utilizados como agentes agentes ligantes ligantes no assentamento assentamento de conformados em alvenarias. As argamassas só desenvolvem pega após queima, isto é, têm pega cerâmica enqu enquanto anto que os cimentos cimentos desenvolve desenvolvem m pega química química e, posteriorme posteriormente, nte, após queima, pega cerâmica. Os cimentos podem ser fornecidos, prontos para uso, em baldes metálicos ou, secos, em sacos. Neste caso, é necessário adicionar a eles certa porcentagem de água. Os plásticos refratários, que tanto podem ter somente pega cerâmica após queima, como também desenvolver pega química a temperatura ambiente ou a temperatura mais elevada, porém inferior a de pega cerâmica, não precisam, para a sua aplicação, de formas ou moldes nem ferramentas pesadas de socagem. Tabela 12- Cone perimétrico equivalente mínimo
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Figura 53- Cone
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Figura 54- Refratários conformados
As massas de socar, que também podem ter qualquer dos dois tipos de pega, necessitam de uma socagem violenta, geralmente por meio de marteletes pneumáticos. Os concretos refratários são caracterizados pela pega hidráulica que desenvolvem e podem ser aplicados quer por vazamento quer por projeção pneumática.
4.2- Classificação dos Refratários Refratários Independentemente da forma física em que se apresentam, os refratários podem ser classificados segundo a sua composição química. Os óxidos SiO 2, Al2O3, MgO, Cr 2O3 e CaO são os constituintes principais das análises químicas de maior parte dos refratários. Passaremos a comentar cada um dos grupos em que se dividem Os refratários, sob este critério.
4.2.1- Refratários Sílico-Aluminosos São considerados refratários deste tipo os refratários fabricados a partir de argilas refratárias, que tenham um teor de Al 2O3 menor que 50%. Geralmente é necessário pré-calcinar as argilas, fabricando-se o que se chama de chamote chamote.. Este Este chamot chamote, e, apó apóss moage moagem m e adequa adequada da classi classifica ficação ção granul granulomé ométric trica, a, é mistura misturado, do, homog homogene eneame amente nte,, com argilas argilas ligante ligantess e águ água, a, possib possibilit ilitando ando-se -se então então a fabricação de tijolos ou outros tipos de peças por prensagem, por extrusão ou por moldagem manual. Estes formatos, após passagem por secador ou após secagem ao ar, são queimados em fornos cerâmicos, com adequadas curvas de queima.
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Tabela 13- Classificação dos refratários Sílico-Aluminosos, segundo a ABNT EB-176/63
Tabela 14- Classificação dos refratários Sílico-Aluminosos e aluminosos, segundo a ASTM C27
Tabela 15- Consumo específico de refratários na industria siderúrgica- (kg/t Produção)
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4.2.2- Refratários Aluminosos Os refratários com um teor de alumina igual ou superior a 50% são denominados refratários aluminosos. Conforme as matérias-primas utilizadas na sua fabricação, os refratários aluminosos podem se agrupar em quatro grupos: a) à base de bauxitas, argilas e coríndon; b) à base de de minerais minerais do grupo grupo cianita cianita (Al 2O3,SiO2) com 62,9% de Al 2O3 e 37,1 % de SiO2; . c) à base de mulita (3Al 2O3.2SiO2) com 71,8% de Al 2O3 e 28,2% de SiO 2; d) à base de alumina tabular. Geralmente, os refratários aluminosos se classificam, conforme o seu teor de alumina, em aluminosos de 50%, 60%, 70%, 80%, 90%e de mais de 90% de alumina, conforme a classificação da ABNT e da ASTM. O refratário de mulita consiste, predominantemente, de mulita (3Al 2O3.2SiO2), em cristais bem desenvolvidos. A mulita pura tem um teor de Al 2O3 acima do especificado. As bauxitas, para poderem ser utilizadas utilizadas pela indústria indústria de refratário, precisam ter um baixo teor de Fe 2O3, TiO2 e álcalis. O coríndon e a alumina eletrofundida são largamente utilizados, mas a alumina tabular, devido ao seu alto custo, tem o seu emprego limitado. Este material é obtido por sinterização da alumina “Bayer” a altas temperaturas (para a fabricação do alumínio metal, por eletrólise recristalização da alumina).
4.2.3- Refratários de Sílica São assim denominados os refratários com um teor de SiO 2 superior a 93%, fabricados a partir de quartzitos e outras rochas silicosas.
4.2.4- Refratários Básicos
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Sob esta denominação incluem-se os refratários de magnésia, de cromita, de dolomita. A magnésia, MgO, pode ser obtida a partir de magnesita natural como a partir da aguado mar. A magnes magnesita, ita, apó apóss sinteri sinterizaç zação ão (queim (queimaa à morte), morte), se transfo transforma rma no minera minerall periclásio, periclásio, obtendo obtendo então uma natural natural resistên resistência cia à umidade umidade.. Para Para determ determinad inadas as aplicaçõ aplicações es,, diferen diferentes tes porce porcentag ntagens ens de cromit cromitaa pod podem em ser ser adicionadas à magnesita. Quando o tear de MgO e superior a 50%, o0 refratário se denomina magnésia-cromita. Do contrário, cromita-magnésia. O refratário de cromita é fabricado a partir apenas de cromita. A dolomita sinterizada é, por sua vez, a matéria-prima utilizada na fabricação do refratário de dolomita. Originalmente, o termo "magnesita" se refere unicamente à natural ocorrência mineral ou aos compostos rochosos essencialmente de carbonato de magnésia (MgCO 3). Entret Entretanto anto,, é freqüe freqüente nte no uso indust industrial rial empreg empregar-se ar-se este este termo termo "magne "magnesita sita"" com com referencia aos produtos refratários manufaturados a partir do minério natural, quando se emprega a “magnésia”. O Brasil é considerado um dos maiores fornecedores mundiais de produtos produtos à base de magnésia magnésia (magnésia (magnésia sinterizada sinterizada à morte, morte, tijolos refratários, etc.) por possuir possuir as maiores maiores reservas reservas mundiais mundiais de magnesita magnesita,, que se concent concentram ram na Bahia, Bahia, na Serra das Éguas, próximos a Brumado. A sinterização da magnesita é a operação decorrente da calcinação do carbonato de magnésia, seguida da sinterização ou queima à morte. O produto final é a sua cristalização que tem o nome de periclásio. O periclásio como mineral ou cristalizado é formado de óxido de magnésio. Seu peso específico e de 3,58, ponto de fusão de aproximadamente 2800°C. Os tijolos de periclásio contêm cerca de 93% a 94% de magnésia com apenas 1% de impurezas predominando o óxido de ferro. A pratica do uso do revestimento metálico de chapa de aço envolvendo os tijolos ou simplesmente intercalando-se chapas de aço entre eles, tem o propósito de lhes aumentar a vida em serviço. Esta prática foi introduzida pela Harbison-Walker em 1916, send sendoo cons conside idera rada da até até hoje hoje como como uma uma das das grand grandes es desc descob ober ertas tas na indús indústri triaa dos dos refratários. A forsterita é também um material comercialmente empregado para a fabricação de refr refrat atár ário ioss bás básicos icos.. O miné minéri rioo fors forste teri rita ta tem tem a com compos posição ição 2Mg 2MgO.S O.SiO2 ( correspondendo a 57,3% de MgO e 42,7 % de SiO 2; peso específico 3,21; ponto de fusão fusão de aprox aproxim imad adam amen ente te 1900 1900ºC ºC). ). Os refra refratár tários ios de forst forster erita ita são são fabric fabricad ados os essencialme essencialmente nte do mineral mineral olivina (série de minerais minerais com a fórmula fórmula geral 2RO.SiO2, em que que RO pode pode ser ser MgO, MgO, Cão, Cão, FeO FeO ou algu alguma mass veze vezess MnO) MnO).. Por Por caus causaa de suas suas carac caracte terís rístic ticas as próp própria riass são são exte extens nsam amen ente te em impo importa rtante ntess aplic aplicaç açõe õess em forno fornoss industriais. Os refratários formados de magnésia, de magnésia-cromita, cromita-magnésia e de crom cromita ita pode podem m ser ser quei queima mado dos, s, ou com com pega pega cerâ cerâmic mica, a, ou quim quimica icame mente nte ligad ligados os,, desenvolvendo a pega cerâmica no seu uso, isto é, em funcionamento. Todos os refratários básicos formados podem ser fornecidos como revestimento exte extern rnoo de chap chapaa metá metáli lica ca de aço, aço, send sendoo deno denomi mina nado do,, entã entãoo de chape hapead ados os ou encouraçados. Os refratários básicos quimicamente ligados podem ter também nervuras internas de chapa metálica. Estas chapas, nos tijolos básicos, não têm só a função de embalagem. A principal função destas chapas é química estrutural; isto é, no tijolo básico chapeado, em presença das altas temperaturas de trabalho, reage o periclásio do tijolo com o ferro, formando, 104
conforme a temperatura, dois compostos químicos que funcionam como um ligante estrutural, transformando o conjunto de tijolos em serviço num conjunto estruturado, com o peric periclá lásio sio,, forma forma a magn magnés ésiaia-fe ferri rrita ta a uma uma dete determi rminad nadaa temp temper eratu atura. ra. A outr outraa temperatura forma a magnésia-wustita. Tanto uma como outra atuam como um cimento. Existe Existem m também também tijolos tijolos sílicosílico-alu alumin minoso ososs quimic quimicame amente nte ligados ligados,, mas sem sem chapeamento de aço. Os refra refratár tários ios form formado adoss de magn magnés ésia ia e de dolo dolomit mita, a, ligado ligadoss ao pich piche, e, são são formados crus, sendo os grãos ligados entre si por piche. Quando, após formados, sofrem tratamento térmico (a ± 300°C) para liberação dos voláteis do piche, são denominados de "ligados ao piche e temperados" . Os refratários de magnésia queimados podem sofrer, por meio de um tratamento a vácuo, uma impregnação de piche. São então denominados de "impregnados". Com magnésia magnésia de alto teor (e de baixa sílica) e cromita (também de baixa sílica), fabricam-se, mediante queima a alta temperatura, refratários de magnésia-cromita que, devido ao seu baixo teor de silicatos, têm um ótimo comportamento a quente. São denominados de refratários de liga direta. Os refratários quimicamente ligados, de liga fosfática, têm melhores condições de emprego, com melhores campanhas.
4.2.5- Outros Refratários Além dos refratários já citados, outros tipos de refratários são fabricados apartir de diversas matérias-primas. Neles Neles incluímos, incluímos, além além de outros de uso uso limitado: limitado: de carbono amorfo; de carbono e grafita; grafitadas; de grafita; de zircão (ZrO2); de zirconita (ZrO2.SiO2); de carbeto de silício (SiC); e a base de terras raras (lantanatos); Nesta Nesta categoria categoria podemos também incluir os deno denominado minadoss eletrofundidos. eletrofundidos. Na sua fabricação, os seus componentes são fundidos em fornos elétricos a arco e o líquido é vazado em seguida em formas construídas com placas de grafita. Nos fornos elétricos a arco, os formados de eletrofundidos de magnésia-cromita são utilizados nos revestimentos das linhas de escória.
Características Características técnicas dos refratários refratários As principais características características que definem um refratário refratário são o resultado resultado da análise química que pode num refratário comportar alguns dos seguintes compostos: Si O2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Cr 2O3, FeO, TiO2, SiC, P2O5, álcalis, P.F. (perda ao fogo), C (carbono residual), C.F. (carbono fixo). O grau de pureza e a porcentagem podem definir a nobreza do refratário. As propriedades físicas típicas que definem o refratário são: 105
Densidade aparente (típica) Porosidade aparente (g/cm 2) Refratariedade simples (cone Orton) Refratariedade sob carga (ºC) Resistência ao choque térmico Dilatação térmica reversível (% entre ºC) Resistência à compressão a frio (kg/ cm 2) Módulo de rotura a frio (kg/cm 2) Módulo de rotura a quente (kg/cm 2) Variação dimensional na requeima (% entre ºC) Carbono residual (% após queima ºC) Perda ao fogo (% após queima ºC) Teste de Creep, ou de subsidência *, (2 kg/cm 2 - 24 horas a °C (%)).
Revestimento Revestimento refratário refratário de fornos elétricos a arco Os tipos de materiais refratários utilizados no revestimento de fornos elétricos dependem, em primeira análise, do processo adotado: básico ou ácido. Subsidência - Descida lenta sobre uma região extensa de uma massa de gases que, acompanhada geralmente de divergência horizontal nas camadas inferiores, se aquece por compressão. Como a maior parte dos fomos elétricos de aciaria operam com processo básico, faremos a descrição dos revestimentos recomendados para este processo. Em seguida, trataremos do processo ácido, utilizado na fundição de ferro fundido. Ao focalizarmos estes revestimentos, trataremos separadamente as diferentes áreas em que, sob o ponto de vista dos revestimentos refratários, se pode dividir o forno elétrico: soleira e subsola, paredes, portas, furo e bica de corrida, abóbada. Para cada um destas áreas ou zonas , indicaremos os refratários recomendados, os mecanismos de ataque dos refratários e as técnicas construtivas das alvenarias refratárias, Figura 55.
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Figura 55- Revestimento refratário de fornos elétricos a arco
Detalhes construtivos dos revestimentos revestimentos refratários refratários 4.5.1- Soleira Junto à carcaça metálica do forno, são assentes uma ou duas fiadas de refratários sílico-aluminosos, que formarão o revestimento permanente. Seguidamente, uma ou duas fiadas de refratários de magnesita, queimados. O assentamento destas fiadas de tijolos é feito com argamassas apropriadas aos refratários e a sua disposição geométrica será ou em domo invertido ou em estádio, de acordo com as Figuras 56 e 57, de forma a dar um contorno que permita construir a soleira com uma espessura uniforme de 20 em ou mais, de acordo com o tamanho do forno.
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Figura 56- Subsola em estádio
Figura 57- Subsola em domo invertido
Nas fiadas fiadas de refratário básico devem-se devem-se preve preverr juntas de dilatação. dilatação. A soleira, de material socado, pode ser de dolomita sinterizada ou de magnésia, pelo process processoo Crespi, Crespi, isto é, sem qualque qualquerr adição de ligante, ligante, ou de água. água. Pelo contrário, contrário, a massa de socar de magnésia desenvolve liga química com adição de água. As soleiras do tipo Crespi são geralmente socadas manualmente, enquanto que as de liga química são socadas por meio de marteletes pneumáticos. A maior parte dos fornos elétricos que têm soleira do tipo Crespi utiliza apisoados de magnésia, cuja granulométrica deve ser cuidadosamente estabelecida para se obter um bloco monolític monolíticoo denso denso ou, por por outras palavras, palavras, com com a menor menor porosidade porosidade.. Estes apisoado apisoadoss têm aproximadamente 90% de MgO, 2 a 3% de SiO 2 e 6 a 7% de Fe 2O3. Os apisoados de pega química utilizam como ligante químico geralmente cromato de magnésio, ácido crômico ou sulfato sulfato de magnésio, e necessitam de receber receber uma adição de 3 a 5% de água, imediatamente antes do uso. Os apisoados secos têm a vantagem de possibilitar possibilitar um aquecimento aquecimento rápido rápido quando quando se proces processa sa a sinterização sinterização da da soleira, soleira, enquanto enquanto que os de pega química, devido à água de reação, precisam de um aquecimento mais cauteloso.
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As soleiras magnesianas de construção a seco não têm necessidade de sinterização prévia, prévia, como dissemos dissemos e, o que é mais importante, importante, as suas reparações reparações são feitas f eitas com o mesmo material de construção, também a seco, sem necessidade de sinterização após o reparo. Nos fornos metalúrgicos metalúrgicos,, e em especial especial nos fornos elétricos elétricos a arco, a soleira soleira funci funcion onaa como como uma uma espé espéci ciee de rese reserv rvató atório rio mono monolít lític icoo que que rece recebe be os mate materia riais is necessários à elaboração do metal. Deve, portanto, ser capaz de suportar impacto, a erosão e o peso das cargas, e, além disso, resistir a agressividade dos metais liquefeitos, das escórias e dos gases, bem como manter-se sólida e rígida, em altas temperaturas. Uma soleira como a descrita pode ser construída com massa refrataria fabricada à base de sínter especial de magnesita, com granulometria controlada e cuidadosamente estudada, para dar peso por volume volume máximo máximo depo depois is de aplicada aplicada a seco, seco, exatamente exatamente como é fornecida. fornecida. Ao contrario das massas clássicas usadas para a confecção e/ou manutenção das soleiras, aquelas aquelas massas massas não necessitam necessitam de adição de ligantes ou fundentes fundentes de qualquer qualquer natureza. Soleiras de ate 50 cm de espessura podem ser compactadas de uma só vez, empregandose socadores manuais próprios para esta finalidade. Para a construção da soleira, deve-se fazer o seguinte: completada a construção da subsoleira, deve-se despejar a massa no forno, tendo-se o cuidado de homogeneizar todo o conjunto, para prevenir possível segregação em transporte. A espessura da massa solta deve ser 20% maior do que a prevista para a soleira. Terminada a compactação do fundo, que se faz com técnica própria e dispensa o usa de equipamento pneumático ou vibratório de custo elevado, elevado, introduz-se introduz-se no forno a forma para a compactaçã compactaçãoo das laterais. Sendo o perfil da soleira soleira peculiar peculiar a cada fomo e a cada forno e a cada finalidade, finalidade, deve-se deve-se considerar este fato no desenho da forma das laterais. A fim de garantir a elaboração do metal sobre a soleira, recomenda-se que esta ultrapasse o nível da escória previsto de 15 a 20 cm. Terminada a compactação, que se faz à razão de 1 m 2 por hora, instalam-se as paredes paredes do forno e retiram-se retiram-se as formas das laterais. A soleira soleira nova, ainda que corret corretame amente nte compac compactad tada, a, não possui possui resistê resistência ncia à abrasão abrasão.. Portant Portanto, o, antes antes de ser carregado o forno, a soleira deve ser coberta total mente com pedaços de chapa de sucata a fim de protegê-la contra o impacto do primeiro carregamento. Esta precaução só e necessária para o carregamento da primeira corrida. Para Para os forn fornos os que que oper operam am com com carg cargaa liqu liquid ida, a, reco recome mend ndaa-se se que que este ste procediment procedimentoo seja adotado adotado da segunda segunda corrida em diante, diante, devendo devendo a primeira primeira carga ser sólida. É importante salientar que, depois de colocadas as chapas de proteção sobre a soleira, pode-se fazer a carga, iniciando-se a fusão sem necessidade de secagem e/ou sinterização. Uma soleira construída construída com a massa magnesiana magnesiana descrita deverá manter-se lisa e estará homogeneamente desgastada após muitas corridas. Convém proceder-se a um recapeamento geral toda a vez que o desgaste for da ordem de 5 a 15 cm, de acordo com a conv conven eniê iênc ncia ia do progr program amaa da aciar aciaria. ia. Even Eventu tual alme mente nte,, pode poderão rão apare aparece cerr burac buracos os loca localiz lizad ados os,, que que deve deverão rão ser ser repar reparado ados. s. Para Para isto isto bast bastaa limp limpar ar o burac buraco, o, seca seca-lo -lo,, utilizando-se pequena quantidade de massa e, a seguir, enchê-lo de uma vez com a massa descrita. A seguir deve-se cobrir o reparo com pedaços de chapas e, sem perda de tempo e sem necessidade de sinterização, a soleira estará pronta para receber a carga. O desgaste principal da soleira é por ação mecânica e é devido ao carregamento da carga sólida. A soleira também pode ser feita com tijolos de magnesita queimados, portanto, sem soleira monolítica. Para isso, deve-se ter o cuidado de construir a fiada em contato
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com a carga, com tijolos em pé, para que se dificulte a possibilidade de eles poderem flutuar no banho, se a montagem for em estádio, conforme Figura 56. Para evitar o desprendimento de tijolos, sem que se aumente demasiadamente a espessura da soleira (com os tijolos em pé), então ela devera ser preferivelmente em domo invertido. No caso de soleiras soleiras em tijolos formados, não ha. necessidade necessidade de sua sinterização sinterização na soleira. O furo da corrida, se for suficientemente pequeno, poderá ser feito enquanto se constrói a soleira, colocando-se um tubo de ferro de diâmetro externo, idêntico ao furo desejado, no lugar do próprio furo. Porém, se for de dimensões para as quais não haja tijolo normal que cubra com suficiente apoio o vão necessário, a construção a ser adotada terá de ser feita na massa da soleira, em molde. Deve-se sempre verificar se o orifício deixado na alvenaria e adequadamente dimensionado para que o furo da corrida possa ser construído com o ângulo necessário ao completo esgotamento da soleira, quando o forno estiver basculando para vazamento.
4.5.2- Parede É na denominada linha de escória, zona da parede que entra em contacto com a escória, que se observa maior desgaste dos refratários utilizados. A linha de escória é construída geralmente com tijolos queimados a alta temperatura, de magnesita, com teor de MgO acima de 95% e uma relação de CaO/SiO 2 maior que 2, o que garante, nos minerais acessórios deste refratário, uma presença discreta de fases silicatadas. Refratários com cromita não podem ser utilizados, porque o FeO da escória provocaria provocaria o inchamento inchamento dos dos grãos grãos de cromita, cromita, ocasionand ocasionandoo a destruiçã destruiçãoo do tijolo. tijolo. A porosidade dos tijolos utilizados deve ser a menor possível, não só para diminuir a superfície em contato com as esc6rias agressivas, mas também reduzir a impregnação dos tijolos com a escória. Se nos lembrarmos que o maior componente é o silicato dicálcico, esta impregnação poderá arruinar o revestimento se a sua temperatura baixar a menos menos de 725°C, 725°C, quando quando o β silicato dicálcico dicálcico se transforma transforma em γ silicato dicálcico, com aumento de 10 % em volume. A impregnação destes tijolos com piche tem sido utilizada com sucesso, traduzida num aumento do numero de corridas. O piche impregnado não só diminui a porosidade, mas também baixa a agressividade das escórias pela redução do FeO a Fe. Acima da linha de escória, a parede pode ser construída de tijolos de sílica, mas, atualmente, devido as elevadas potências dos transformadores utilizados, quase todos os fomos são revestidos nesta zona com refratários básicos. Estes revestimentos básicos são feitos feitos com com tijolos tijolos de magnés magnésia-c ia-crom romita, ita, geralm geralment entee de 60% de Mgo, Mgo, quimic quimicame amente nte ligados e chapeados. A incidência de escória é bem menor do que na linha de escória e aqui já é possível utilizarem-se composições com cromita, sem o risco de destruição dos refratados pela ação do FeO sobre a cromita. Estes tijolos sujeitos as temperaturas de operação desenvolvem pega cerâmica principalmen principalmente te à base base de silicatos. silicatos. Nos pontos quentes quentes ou mesmo mesmo em toda a parede superior, superior, nos fornos mais solicitados, é indicada a utilização de refratários de magnésia-cromita de liga direta. Este tipo de refratário básico, caracterizado pela sua fabricação com de magnésia de alta densidade (acima de 3,2), de alto teor de MgO e baixo teor de SiO 2 com relação CaO/SiO2 acima de 2, e cromita de baixo teor de sílica e queimado a alta temperatura (acima de
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1700°C), tem uma pequena fase silicatada e a maior parte de suas ligações entre grãos são do tipo liga direta, provenientes de reações do estado sólido. Daí decorre ser o seu comportamento a quente muito superior ao do refratário anteriormente descrito. Em fomos de alta potência e de potência regular, a utilização de blocos de magnésia, ligados com piche, é bastante comum. Estes blocos monolíticos pesam por vezes até 4000 kg. São fabricados com sínter de magnésia, impregnada previamente de piche, piche, de granulometr granulometria ia cuidadosamente cuidadosamente controlada. controlada. Estes grãos são misturados a quente com piche e socados com marteletes pneumáticos em formas metálicas. Internamente, os blocos blocos têm uma estrutura estrutura de aço-carbono, aço-carbono, com duas alças que saem da face superior superior do bloco, bloco, para permitir permitir o seu manuseio manuseio com a ponte rolante. Para aumentar aumentar a rigidez rigidez destes blocos, blocos, durante durante a socage socagem m são colocado colocados, s, no seio do do material, material, pequenas pequenas tiras finas de açoaçocarbono, geralmente perfuradas, as quais desenvolvem durante a operação uma ligação de magnésio-ferrita entre os grãos de sínter de magnésia. Durante o aquecimento e a operação, dá-se a pirólise de piche e a progressiva grafitização do carbono formado. A grafita constitui então um agente ligante de altíssima refratariedade, enquanto, é claro, não for oxidada. Estes blocos têm uma boa resistência quer ao choque térmico quer ao ataque do FeO. As paredes dos fornos podem ser constituídas de 1, 2, 4, 6, 8 ou mais blocos monolíticos armados de magnésia-piche. Um revestimento destes blocos monolíticos tem o seu perfil, número e dimensões estabelecidos a partir de:
Capacidade nominal e efetiva do forno; Diâmetro e altura do forno; Diâmetro do circulo primitivo dos eletrodos; Tipos de aços fabricados no forno; Sistema de carregamento do forno; Número Número de cargas cargas por por corrida; corrida; Tipo de desgaste observado em revestimentos anteriores; Modo de operação do forno; Funcionamento contínuo ou intermitente; Posição do forno em relação as pontes rolantes e a outros fornos.
A armadura interna do bloco tem por finalidade, como já dissemos, dar-lhe estrutura para ser transportado e instalado no forno, um a um ou em conjunto ( Figuras 58 e 59); permitir aumentar-lhe a resistência à abrasão e ao impacto das cargas; impedir que o bloco se desagregue em funcionamento ou no momenta da demolição do revestimento a quente ou a frio. Se o forno estiver quente e esta é a situação mais difícil, coloca-se em posição a plataforma plataforma refrigerada refrigerada, Figuras 60 e 61 , usando seu contorno externo como forma para completar e nivelar a base, que deve ser cerca de 5 cm mais larga que a espessura da parede. parede. A seguir, com a ponte rolante, colocam-se os blocos um a um, Figura 58, ou em conjunto pré-montado na plataforma, Figura 59. Preenche-se, em seguida, com massa magnesiana, o espaço entre eles, bem como entre a parede refratária e a carcaça do forno. Retirada a plataforma refrigerada, carrega-se o forno e inicia-se a fusão com a potência potência máxima, operando operando o forno normalment normalmente, e, sem gastar tempo adicional adicional para
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secagem e/ou aquecimento. Durante as primeiras corridas, os blocos de magnésia-piche serão paulatinamente convertidos em blocos de magnésia ligada a carbono. Terminada a campanha, introduz-se no forno a plataforma de demolição e, a seguir, com o gancho da ponte rolante, procura-se a ferragem de demolição que se encontra junto à face fria do bloco, retirando-se do forno o bloco ainda avermelhado, se necessário. Os pedaços que porventura se desprenderem cairão sobre a plataforma de demolição e serão retirados do forno de uma só vez, depois que o ultimo bloco estiver fora do forno.
Figura 58- Blocos montados um a um
Figura 59- Blocos pré-moldados
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Figura 60- Plataforma refrigerada
Figura 61- Plataforma refrigerada
O tempo de preparação da base para os blocos de magnésia-piche, a que acabamos de nos referir, e para os tijolos ou blocos secos no próprio forno é o mesmo. O tempo total de montagem dos blocos de magnésia-piche um a um é da ordem de 1/4 a 1/8 do tempo de montagem do revestimento com tijolos ou do revestimento socado no próprio forno. Para os revestimentos pré-montados , Figura 59 , o tempo de colocação no forno é de 30 a 60 minutos. O tempo de demolição dos blocos magnésia-piche é da ordem de metade a 113
1/4 de tempo de demolição dos revestimentos em tijolos. O consumo específico depende consideravelmente do modo de operação do forno e das características dos tijolos com os quais os blocos de magnésia-piche vão ser comparados, mas, como ordem de grandeza, ele se situa em 6 kg por tonelada de aço produzido, ou menos. Os blocos de magnésia-piche têm melhor resistência ao choque térmico que os tijolos magnesianos. Sofrem menos em funcionamento intermitente. Para um mesmo forno, o custo direto do revestimento em blocos de magnésia-piche é menor que em tijolos magnesianos. Quando a abóbada do forno elétrico é de sílica, os revestimentos básicos da parede são seriamente atacados pela sílica que goteja da abóbada. Para proteger quer os tijolos das paredes, quer os blocos, é recomendável cobri-los com uma ultima fiada de tijolos de cromita ou com uma camada não muito grossa de plástico de cromita. A porta do forno elétrico é geralmente constituída por uma caixa refrigerada com água, tendo uma camada de refratários refratários sílico-aluminosos sílico-aluminosos na face virada para abertura abertura do forno. Esta abertura também é geralmente revestida com dois laterais e um topo, plano ou em arco, também refrigerados a água.
4.5.3- Abóbada As abobadas dos fornos elétricos, Figura 62, são construídas com peças tronco piramidais, piramidais, na sua periferia periferia e, na área central central onde estão localizados localizados os eletrodos, eletrodos, utilizam-se esses mesmos tijolos associados à massa de socar. Os furos dos eletrodos e o de fumaça, quando este existe, são de tijolos-faca normalizados. A área feita com massa de socar deve ser a mínima possível, pois seu preço é bem mais elevado do que o dos tijolos que substitui. As abóbadas têm geralmente 230, 305 ou 343 mm de espessura, dependendo do tamanho do forno. A abóbada apóia-se num anel metálico externo, com câmara de refrigeração a água. As abobadas estão sujeitas, durante a operação dos fornos, a intensa irradiação do arco, à ação do FeO e também a forte choque térmico, durante a retirada da abóbada para carregamento do forno. A utilização de refratários de sílica nas abóbadas já foi de usa quase total, mas atualmente, com o crescimento da potencia dos fornos esta prática está limitada somente aos fornos elétricos a arco que fabricam ferro fundido. A área área centr central al dest destas as abób abóbad adas as é feita feita,, habit habitua ualm lmen ente te,, com com mass massaa de soca socar r aluminosa de 90% de Al 2O3, de liga fosfática.
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Figura 62- Abóbada
A sílica esta limitada pelo seu baixo ponto de fusão, cerca de 1710ºC, apesar de sua elevada resistência ao escoamento ate temperaturas bem próximas da fusão do ferro. Com o FeO a sílica forma faialita 2FeO.SiO 2, cujo ponto de fusão é de 1205°C. Além disso, é bastante sensível à termoclase (fratura térmica). Por estas razões, os refratários aluminosos substituíram a sílica nesta aplicação. Os refratários desta classe mais utilizados são os de 70% de Al 2O3 na maior área da abóbada, empregando-se também de 80 a 85% e, nos furos de eletrodos e nos de saída de fumaça, de 90% ou mais de Al 2O3. Na área do centro da abób abóbada, ada, utiliza-se geralmente geralmente massa de socar de 80% ou 90% de Al 2O3, de liga fosfática. Nestas abóbadas o FeO reage com o 115
Al2O3, dando hercinita FeO.Al 2O3, cujo ponto de fusão é de 1750°C. A hercinita formada apresenta-se porosa, protegendo o restante abóbada com uma camada isolante. O emprego de tijolos, quimicamente ligados, de liga fosfática, em vez dos tijolos alumi alumino noso soss quei queima mado dos, s, a que que acab acabam amos os de nos nos refe referir rir,, dá geral geralme mente nte melho melhore ress campanhas. Este fato é devido a uma certa inibição a penetração de líquidos exógenos aliado à menor formação da fase líquida em relação aos refratários queimados de mesma classe. Alem disso, os refratários quirnicamente ligados apresentam uma ligeira expansão das temperaturas de operação, o que dificulta a penetração do FeO e outros fundentes através de juntas, A utilização de refratários básicos nas abóbadas dos fomos de ultra alta potência já apresenta resultados compensadores. No entanto, os refratários são por demais sensíveis à termoclase e têm uma tendência ao "descascamento", durante a operação. Os refratários básicos básicos que foram aprovados aprovados nesta nesta utilização utilização foram os de magnésia-c magnésia-cromita, romita, da classe classe de 60%, quimicamente ligados. No entanto, devido à tendência de aumentarem o volume em condições de alternância de atmosfera oxidante, na presença de FeO e Fe 2O3, estas abóbadas são do tipo suspensas "hold downhold up”, necessitando de uma estrutura metálica para sua sustentação, conforme Figura 63.
Figura 63- Abóbada do tipo suspensas "hold downhold up”
4.5.4- Revestimento para fabricação de ferro fundido Na fabricação de ferro fundido fundido em fomo elétrico a arco, o revestimento revestimento refratário refratário e necessariamente ácido.
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A sole soleir iraa é de mass massaa de soca socarr sili silico cosa sa,, à qual qual se adic adicio iona na uma uma pequ pequen enaa porcentage porcentagem m de água antes de se iniciar a socagem socagem com marteletes marteletes pneu pneumático máticos. s. Esta massa de socar é geralmente fabricada a partir de quartzito, de granulometria apropriada, com uma certa adição de argila para servir de agente ligante. Com esta finalidade, também se pode utilizar cal. Uma massa de socar para esta aplicação tem um teor de SiO 2 entre 92 a 94% e de Al 2O3 entre 5 a 3%. A soleira, após a socagem, deve ser cuidadosamente sinterizada, com a técnica já exposta para as soleiras básicas, e as primeiras corridas devem ser mais prolongadas para que a espessura da camada sinterizada aumente. As paredes são revestidas igualmente de refratários formados de sílica. Para melhorar a resistência ao choque térmico da sílica, é recomendável que este refratário tenha um teor de Fe 2O3 entre 2 a 4%. Também este tipo de sílica é recomendado para a abóbada, que é construída como já foi descrito para a abóbada abóbada de aciaria, de peças na periferia periferia e massa de socar na área central. Na área central, utiliza-se massa de socar de 70% de Al 2O3 de liga fosfática. Quer na parede, quer na abóbada, devem-se prever juntas de dilatação para absorver a elevada dilatação térmica do refratário de sílica.
Refratários Refratários para fornos elétricos a arco imergido imergido Os fornos elétricos a arco imergido, também conhecidos por fornos de redução e por "baixos fornos", fornos", principalme principalmente nte quando se destinam destinam à fabricação fabricação de gusa partindo da redução de um minério de ferro, podem ser operados com diversos tipos de redutores. A escória produzida pode, portanto, ser básica, ácida ou neutra. Durante a operação, em face da agitação do banho, teremos sempre uma mistura de metal e escória em contacto com o material refratário. A abóbada do forno é constituída por uma estrutura de tubos reforçados, por onde se faz a circulação de água, e o revestimento refratário pode ser monolítico, em concreto de alta alumina, sílico-aluminoso, ou em tijolos, conforme a capacidade do forno. Nesta abóbada existem as aberturas para passagem dos eletrodos, tubos de carga e chaminé, além de portas simetricamente distribuídas com a finalidade de atender aos serviços de reparações. Para fornos que trabalham na obtenção de gusa, geralmente a abóbada não vem constituir grande problema, uma vez que os eletrodos trabalham mergulhados. Nos casos de fabricação de ferro-ligas, porém, as temperaturas na abóbada são mais elevadas e exige-se uma refrigeração mais eficiente. Na fabricação fabricação de ferro ferro gusa, gusa, o revestime revestimento nto refratário refratário devera devera suportar: suportar: a) Ataque Ataque pelo gusa gusa não saturado saturado em em carbono carbono (caso dos blocos blocos de carbono carbono ou massa carbonosa); b) Ataque Ataque pela escória, escória, que pode poderá rá ser acida acida ou básica; c) Aç Ação ão corro corrosi siva va (eros (erosão) ão),, devi devido do aos aos movi movime ment ntos os elet eletrod rodin inâmi âmico coss do banho; banho; d) Variações Variações amplas amplas na conformaç conformação ão e dimensõe dimensõess da zona de fusão (preparo (preparo e distribuição da carga ou uso de diferentes tensões); e) Aç Ação ão dos dos álca álcali lis; s; f) Ataque Ataque pelos pelos gase gasess (altame (altamente nte red reduto utores res); ); g) Descontin Descontinuidade uidadess térmicas térmicas (zonas superaquec superaquecidas). idas).
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Alguns fomos elétricos de redução têm sido revestidos com blocos de carbono nas paredes paredes laterais até o nível de escória escória e com magnés magnésia ia pichada na soleira. soleira. O revestimento revestimento posterior posterior geralmente é feito com material sílico-alumino sílico-aluminoso so (ou básico na região entre os blocos blocos das parede paredess e a carcaça carcaça,, para melhor melhor conduçã conduçãoo do calor, calor, como como verem veremos os adiante). adiante). A experiência tem mostrado que, ao se produzir gusa de baixo carbono, provocase uma dissolução gradual dos blocos, resultando na formação de depósitos de gusa no fundo do fomo. Esta dissolução do carbono no gusa ocorreria quando o bloco atingisse a temperatura do gusa. É então de extrema importância, para a durabilidade do revestimento, o controle do grau de saturação do ferro gusa (procurando (procurando trabalhar com teores de silício próximos próximos ao do valor extremo superior da faixa de análise química especificada) e o controle da temperatura dos blocos, por meio de refrigeração. Const Co nstata-s ata-se, e, atravé atravéss de análise análisess químic químicas as de amostr amostras as de blocos blocos de carbon carbonoo destacados do revestimento, um sensível aumento do teor de cinzas do bloco mais atacado. Explica-se o fato pela dissolução do carbono pelo gusa e pela infiltração de gusa, escória e principalmente óxidos alcalinos através dos poros dos blocos. Entretanto esta infiltração parece ser mais de superfície, porque nos blocos de carbono o efeito dos óxidos alcalinos não é tão grave quanta nos sílico-aluminosos. Se, por algum motivo, os sílico-aluminosos tiverem contacto com o gusa e com a escória, os álcalis se difundirão nestes tijolos ainda quentes, provocando a formação de compostos de baixo ponto de fusão, com efeito destrutivo sobre os tijolos. O revestimento básico pode ser normalmente utilizado em contato com o gusa (soleira), sem os problemas de dissolução (blocos ou pasta carbônica) ou de formação de compostos de baixo ponto de fusão (caso dos sílico-aluminosos). Constrói-se a sola em nível inferior ao furo de corrida, para se evitar o esgotamento total do forno, com conseqüente aproximação dos eletrodos (ação do arco).
4.6.1- Características dos refratários para o forno a arco imergido Os materiais, para comporem o revestimento refratário do baixo fomo elétrico de redução, devem possuir as seguintes características: a) b) c) d) e)
Alta Alta densidad densidadee e baixa porosi porosidad dadee e permeabil permeabilidad idade; e; Menor Menor sensibilidad sensibilidadee possíve possívell às escórias escórias ácidas ácidas e básicas; básicas; Excel Excelent entee resistên resistência cia ao desga desgaste ste mecân mecânico; ico; Excel Excelent entee estabili estabilidade dade volu volumét métrica rica;; Resistênc Resistência ia ao ataque ataque do monóxido monóxido de de carbono carbono e à ação dos álcalis. álcalis.
O material utilizado entre os blocos de carbono e carcaça deve ser: a) Bom Bom conduto condutorr de calor a altas altas temper temperatu aturas ras e de condu condutibi tibilida lidade de térmica térmica mais próxima possível da condutibilidade térmica do carbono; b) Mau condu condutor tor elétrico elétrico a altas altas temperatu temperaturas. ras.
4.6.2- Combinação de fatores para uma boa campanha A obtenção da melhor campanha dos materiais refratários nos baixos fornos de reduçã reduçãoo estará estará condi condicio cionad nadaa ao projet projetoo do refratári refratário, o, à eficiênc eficiência ia do resfriam resfriament entoo 118
utilizado, utilizado, à correta correta especificaçã especificaçãoo dos materiais, materiais, à qualidade qualidade da montagem montagem dos refratários refratários e, evidentemente, à pratica operacional adotada. O reve revest stime imento nto refra refratár tário io mais mais usua usuall para para os baixo baixoss forno fornoss é atual atualme mente nte constituído por blocos ou pasta de carbono nas paredes. A soleira pode ser também em carbono ou constituída de massa básica pichada. Mais modernamente, usam-se na soleira tijolos básicos pichados e massa básica pichada. Soleiras revestidas com carbono, como já vimos, têm o seu progressivo, vindo o metal a trabalhar em contato com a subsoleira sílico-aluminosa, provocando a formação de compostos de baixo ponto de fusão, danificando o refratário. Soleiras em material básico pichado pichado não são atacadas atacadas pelo gusa, gusa, como no caso da pasta ou blocos blocos de carbono. carbono. A subs subsol olei eira ra é cons constit tituíd uídaa de tijol tijolos os sílico sílico-al -alum umino inoso sos, s, utili utiliza zand ndo-s o-se, e, para para o seu seu assentamento, argamassa sílico-aluminosa. Na última fiada, utiliza-se um cimento neutro de pega ao ar ou piche de alto ponto de amolecimento, para evitar uma possível, mas não provável provável reação reação entre entre a subsole subsoleira ira e o material material básico básico em em alta temperatura temperatura.. Por razões elétricas, não seria indicado o usa do carbono em contato direto a chapa externa, devido a suas características de boa condutibilidade elétrica a altas temperaturas. Por este motivo, usa-se entre o carbono e a chaparia material sílico-aluminoso ou, como já vimos, vimos, material material básico, básico, que é melhor melhor condu condutor tor de calor. O material básico possui possui condutibilidade térmica mais próxima do carbono, Figura 64.
Figura 64- Materiais usados nos baixos fornos de redução
O controle do estado do revestimento em um baixo forno é feito através de pares termoe termoelét létrico ricoss instalad instalados os nos pon pontos tos mais mais solicit solicitado adoss do revest revestime imento. nto. Em ope operaç ração ão normal, sempre que um par termoelétrico acusa temperatura elevada, costumam-se tomar as seguintes medidas operacionais. a) Aume Aumenta ntarr a basic basicida idade de da escó escória ria,, a fim de torná-l torná-laa mais mais viscos viscosaa (com (com maior ponto de fusão) e menos reativa, visando formar uma proteção de escória altamente refratária em frente ao revestimento.
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b) Reduzir Reduzir a potência potência dos fornos, fornos, com a finalidade finalidade de diminuir diminuir a tensão e o comprimento dos arcos, diminuindo assim a erosão do revestimento. c) Elevar Elevar o teor de silício do do gusa, gusa, para diminuir diminuir a absorçã absorçãoo do carbono carbono pelo pelo gusa e aumentar a basicidade da escória. Assim, vemos que os revestimentos de carbono têm sua durabilidade influenciada por medidas medidas que pode podem m diminuir diminuir a produtividade produtividade dos fornos. fornos. Desta Desta forma, verifica-se verifica-se que, nos fornos que utilizam o carvão vegetal como redutor; poder-se-ia modificar o tradicional revestimento de carbono para sílico-aluminoso, fato que permitiria operar com escória escória ácida e se obter uma série de resultados resultados benéficos, benéficos, como, por exemplo, exemplo, trabalhar com menor basicidade da escória e com isto conseguir certo aumento de produção e redu reduçã çãoo no cons consum umoo espe especif cific icoo da ener energi gia. a. Tamb Também ém,, com com o reve revesti stime mento nto sílico sílico-aluminoso, poder-se-ia reduzir o teor médio de silício no gusa e, com isto, diminuir o consumo de carvão por tonelada de gusa e obter também mais um pequeno acréscimo de produção. produção.
Índice de desgaste de Refratários Refratários Dentro do marco dos conceitos teóricos que se aplicam aos fornos elétricos a arco em geral e à potência ultra-elevada, em particular, o denominado Índice de Desgaste de Refratários Refratários R f f é um guia para valorizar os efeitos da potência do arco e do comprimento do arco sobre o desgaste do refratário da parede lateral dos fornos a arco. Inicialmente, R f f foi suposto igual ao produto matemático da potência do arco pelo comp comprim rimen ento to do arco arco (ou (ou tens tensão ão do arco); arco); poste posterio riorm rmen ente te Schw Schwab abee e Ro Robi bins nson on introduziram aperfeiçoamentos, que melhor representam as condições encontradas na prática, sendo facilmente facilmente aplicáveis aplicáveis aos fornos fornos eletricam eletricamente ente equilibra equilibrados, dos, como como segue segue:: a) R f f é inversamente proporcional ao quadrado da distância a, entre o ponto médio da coluna do arco e o ponto mais próximo do revestimento (novo). Com a finalidade de simplificação, supõe-se que o ponto médio do arco para eletrodos eletrodos sólidos esta situado na projeção projeção do bordo externo da ponta do eletrodo, segundo a Figura 65. Com eletrodos ocos, o ponto médio do arco arco se desl desloc ocaa para para próx próxim imoo do eixo eixo do elet eletro rodo do,, dentr dentroo da pont pontaa 2 campanulada, aumentando assim a em comparação com um eletrodo sólido, em igualdade de condições. b) Com o fim de melhorar o conceito do comprimento comprimento do arco, representado representado pela tensão tensão do arco como um fator de R f f suporemos que somente a tensão da coluna do arco, e a, é responsável pelos efeitos de radiação e convecção sobre a parede lateral: Equação 26-
ea = Ea - α
Onde: Ea = Tensão total do arco; α = Queda de tensão anódica mais catódica.
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Figura 65- Eletrodo no forno de redução
A soma das quedas de tensão anódica mais catódica e aproximadamente de 10 + 30 = 40 volts. Para fins práticos, a tensão da coluna e a pode ser descrita com boa aproximação, como: Equação 27-
ea = 0,886.Ea
Sobre uma gama de E a de 50 a 400 volts. Para a gama abaixo de E a < 150 volts, e a e R f f são ligeiramente maiores. Introduzindo estas simplificações e utilizando os parâmetros de circuito elétrico, encontra-se a seguinte equação: Equação 28-
R f f =
E 3 X .a 2
2
.0,1708.(cos φ . senφ −
2. sen 2φ . cos φ senθ tg θ
+
tg θ
)
2 2. sen 2φ . cos φ sen 2φ + Onde 0,1708. cos φ . senφ − = F θ θ tg tg Vindo, então, R f f =Índice de Desgaste de Refratário (VW/cm 2) E =Tensão secundária entre fases em funcionamento que é igual à tensão medida no primário, dividida pela relação de transformação n1/n2, em volts. X =Reatância do circuito secundário em funcionamento, por fase, medida no primário do transformador transformador do forno funcionando funcionando com banho plano, mas baseada sobre o circuito secundário; em geral, X = (1,05 a 1,15).X 2, donde X2 = reatância senoidal medida com os eletrodos em curto-circuito ou calculada, em ohms. a =Distância do arco a parede em cm ( Figura 65). φ =Ângu ngulo de fase fase no prim primár ário io do tran transsform formad ador or do forn fornoo duran urante te o funcionamento deste, em graus. θ = Ângulo de fase no primário do transformador do forno, quando o eletrodo é curto-circuitado no banho, em graus. 121
Daqui temos: Equação 29-
R f f =
E 3 X .a
2
. F (VW / cm 2 )
Mediante o usa do calculo com ordenadas, obtém-se um gráfico para F como uma função do fator de potência, cós φ , de funcionamento do forno, para parâmetros típicos (ângulos de fase de curto-circuito θ), segundo nos mostra a Figura 66. Partindo-se da teoria do circuito do forno elétrico, pode-se deduzir que: Equação 30-
E 2 X
= 2. P máx
(Visto que Pmáx =
E 2
2. X
e E2 = 2XPmáx ou E = 2. X . P máx )
Figura 66- Fator de potência de funcionamento- Multiplicador F, como função do fator de potência de funcionamento, cos φ , para diferentes circuitos, cos θ
Pmáx é o máximo valor da potência real trifásica do forno, medida no primário do transformador do forno. Daqui, Equação 31-
R f
3 = 2. 2. X . P máx .
F a2
Com o fim de determinar o efeito dos parâmetros de desenho elétrico, tais como P máx ou a.reatância de funcionamento por fase X sobre o índice de desgaste de refratários R f f , na Figura 67 mostram-se valores relativos de:
122
R f
Equação 32-
F
3 = 2. 2. X . P máx
a2
Em função de X cobrindo uma gama de P máx desde 10 a 100MW. Evidentemente, 1,5 0,5 R f f/(F/a /(F/a ) aumenta com Pmáx e com X . Deve-se recordar que tanto P máx como X são funções do tamanho do forno, já que um forno grande exige um P máx mais alto para uma velocidade de fusão determinada. Também X aumenta em geral com o tamanho do forno, devido ao circuito elétrico maior do forno, desde o transformador à ponta do arco e à separação mais ampla dos condutores entre as fases. Neste conceito, utilizaram-se valores de X obtidos da observação do forno durante o período do "banho plano", isto é, os valores de X, determinados durante o funci funcion onam amen ento to real real do forn forno. o. Este Estess valor valores es de X, deno denomi minad nados os de "reatâ "reatânc ncia ia de funcionamento", são em geral de 5 a 15% mais altos que os valores de reatância obtidos por meio de provas de curto-circuito curto-circuito ou por meio de cálculos. cálculos. Esta discrepância discrepância previne, previne, esse essenc ncial ialme mente nte,, as dist distorç orçõe õess da form formaa da onda onda duran durante te a forma formaçã çãoo do arco, arco, em comparação com as condições senoidais durante o curto-circuito. A Figura 68 mostra um diagrama com as reatâncias de funcionamento medidas no lado primário do transformador do forno e as reatâncias senoidais para vários fornos de potência ultra-elevada, desde 30 a 220 toneladas de capacidade, a 60 Hz. 2
Figura 67- Valores relativos do índice de desgaste de refratários, R f /(F/a /(F/a2) em fnção de X para diversos valores de P máx
123
Figura 68- Valores relativos do índice de desgaste de refratário R f /(F/a /(F/a2) em função da reatância por fase X, para diversos níveis de potência máxima P máx
A distancia do arco à parede a se determina, principalmente, por meio do diâmetro do circulo de eletrodos que, por sua vez, depende do diâmetro do eletrodo e do jogo mecânico entre os porta-eletrodos. Na Figura 69, mostram-se diversos valores de a, num certo número de fornos existentes. Fornos grandes, de mais de 125 toneladas, empregam eletrodos de 600 mm de diâmetro. Neles são utilizados diâmetros do circulo de eletrodos mínimos da ordem de 1600 mm. Esta prática de reduzir ao mínimo o diâmetro do circulo de eletrodos beneficia os fornos muito grandes, pois, a e a 2 aumentam rapidamente.
Figura 69- Distância do arco à parede a, de fornos a arco de potência ultra-elevada típicos, em função do diâmetro do forno e da capacidade do banho
A Figura 70 nos mostra a gama de índices de desgaste de refratários
124
Equação 33-
R f f =
E 3 X .a 2
. F
Para Para dive divers rsos os forn fornos os de potê potênc ncia ia ultr ultraa-el elev evad adaa em func funcio iona name ment ntoo e em construção. Os valores superior e inferior se referem a fatores de potência de 70 a 60% no primário, primário, quando se utiliza utiliza a tensão superior. superior. A Figura Figura mostra também que que o desgaste de refratários pode ser reduzido em uns 25%, mudando o fator de 70 a 60%, isto é, encurtando o arco. (Deve advertir-se que um fator de potência de 70% dá um arco relativamente curto. Se mudarmos, por exemplo, o fator de potencia de 80 para 60%, o desgaste de refratário se reduzirá aproximadamente uns 40%).no ou de diversos fornos do mesmo tipo e desenho, é conveniente não tomar em consideração a distância do arco à parede parede a. Neste Neste caso caso utilizaremos utilizaremos o Índice Índice Específic Específicoo de Desg Desgaste aste de Refratário. Refratário. Equação 34-
R f f =
E 3 X
. F
Figura 70- Valores do índice de desgaste de refratários de alguns fornos de potência ultra-elevada existentes
Como já se mencionou, a versão descrita de Rf se aplica em essência a cada fase dos fornos equilibrados eletricamente. Porém, tal equilíbrio é quase impossível de se conseguir. Pode, no entanto, ser o melhor possível, por meio de uma separação triangular eqüi eqüilat later eral, al, entre entre os cond conduto utore ress que, que, funci funcion onan ando do com com corre corrente ntess e tens tensão ão quas quasee equilibradas, dão como resultado a quase anulação da Resistência Transposta. Para a aplicação da teoria aos fornos não equilibrados, isto é, de desenho coplanar (as três fases
125
dispostas num plano horizontal), os parâmetros elétricos diferem de fase pura fase, exigindo tratamento individual. O índice específico de desgaste de refratários R’ f , definido na Equação 34, é também igual ao produto da potência do arco P u pela tensão da coluna do arco e a: Equação 35-
R’f = Pu . ea = 0,886.Ea.Pu
Visto que e a = 0,886.E a. Esta tensão da coluna pode ser medida combinando a corrente do arco I e a tensão do arco E a. Este último parâmetro pode ser obtido mediante um circuito de medição compensado. Figuraa 71 estão Na Figur estão indicad indicados os dois dois domíni domínios os de trabalho trabalho,, corres correspon ponden dentes tes a práticas diferentes. diferentes. Na faixa hachurada hachurada da esquerda esquerda do diagrama, diagrama, apresenta-se apresenta-se a prática de trabalho com um fator de potência (Cos φ ) a volta de 0,85. Conforme verificamos, esta prática apresenta alguns inconvenientes como, por exemplo: a. b. c. d.
Índice Índice de eros erosão ão dos refratá refratários rios bastan bastante te elevad elevados; os; Potencia Potencia útil inferior inferior ao seu valor valor máximo; máximo; Arco Arco rela relativ tivame amente nte long longo; o; Circui Circuito to do arco arco com relat relativa iva estabil estabilidad idadee menor. menor.
Figura 71- Diagrama das curvas operacionais características de um forno a arco direto de 10MVA, 30t/corrida, 270 v de tensão secundária, X e = 3,29 mΩ , R p= 0,73 mΩ
Se deslocarmos a regulagem para o máximo da potência ativa, correspondente a um Cos φ = 0,707, já se obtém, com somente um ligeiro aumento da potência ativa, uma muito pequena elevação da potência do arco. Por outro lado, a carga do transformador aumenta com a potência aparente e as perdas elétricas aumentam muito fortemente. A forte diminuição da irradiação do arco e, por conseguinte, do índice erosão, obtida com tal 126
deslocamento do ponto de funcionamento, é essencial e necessária se desejamos fornecer uma potência elevada (tensões mais elevadas). Sugere-se, portanto, para o período de fusão, que o forno funcione com as tensões maiores possíveis, possíveis, isto é, junto ao vértice da curva da potência útil. Consi Co nsider derando ando o afastame afastamento nto do arco arco à parede parede do revest revestime imento nto refratári refratárioo a, conforme a Figura 65, e outras considerações, temos: Equação 36-
R f
=
R' f a
2
; P u = Ru .I 2 ; e
Ea = I. R u
Donde: Equação 37-
R f
=
0,886. E a . P u a
2
=
0,886. I 3 . Ru2 a2
Onde: R u= resistência útil do forno, ou resistência do arco; I = corrente do arco; Ea = tensão do arco.
Figura 72- Recomendação de refratários para um típico forno elétrico a arco moderno
Práticas modernas de projeto e manutenção de revestimento refratários refratários de fornos elétricos a arco O propósito deste item é dar ao pessoal responsável pelo projeto e reparação dos fornos elétricos a arco informações atualizadas, mas resumidas, relativamente ao mais efetivo uso dos refratários cerâmicos. Tais informações são baseadas na experiência das fases de instalação, seleção e operação de fornos elétricos a arco em serviço que melhor desempenho e eficiência atingiram com os revestimentos refratários na indústria do aço. 127
Na montagem montagem e reparação reparação ou manutenção manutenção do revestimento revestimento refratário de um forno elétrico a arco, existe a obrigatoriedade das seguintes ferramentas e equipamentos, no total total ou em parte parte:: ponte ponteiro iro;; talhad talhadei eira; ra; marte martelo lo;; marte martelo lo de borra borrach cha; a; marre marretin tinha ha;; picadeiro; picadeiro; nível; nível; colher colher de pedreiro; pedreiro; régua; régua; cunhas; cunhas; macacos; macacos; prumo; prumo; socadores socadores pneumáticos pneumáticos (curto e longo); longo); socador socador manual; manual; vibrador vibrador de alta freqüência freqüência (de pequ pequeno eno diâmetro); enxada; pá; betoneira; galga; máquina de cortar tijolos; máquina de esmerilhar tijolos; etc. Para a manutenção do forno, um canhão de projeção de massas é um equipamento muito aconselhável.
4.8.1- Subsola Existem basicamente três tipos de construção de subsolas utilizadas hoje em dia nos nos forn fornos os elét elétric ricos os a arco arco indus industri triais ais:: de cons constr truç ução ão em estád estádio; io; de cons constru truçã çãoo contornante; de construção em domo ou semidomo invertido. Destes tipos, o mais normalmente usado e aceito generalizadamente é o "em estádio", por ser o de mais fácil instalação e mais perfeita construção. Os tijolos mais comumente usados na subsola de um forno a arco são da classe 95% a 98% de periclásio (sinter de MgO), conformados e queimados a temperaturas da ordem de 1600°C, além das características de resistência ao ataque das escórias básicas e de óxido de ferro, bem como também os resistentes à abrasão e erosão.
4.8.1.1- Construção em Estádio Como nos mostra a Figura 73 este tipo de construção é acompanhado do uso de algumas das ferramentas atrás apontadas, havendo também a obrigatoriedade do forno estar devidamente alinhado e nivelado e principalmente limpo (a carcaça) de qualquer sujeira ou impureza. Antes da montagem dos tijolos, a carcaça devera ter todas as irregularidades cheias, com a formação de uma camada plana e lisa para o assentamento da primeira fiada de tijolos, feita de massa refrataria básica com predominância de sinter de MgO de 95%, em varias granulometrias, sem qualquer ligante químico e de pega a quente, usada a seco.
Figura 73- Construção em estádio
128
O remate das periferias da camada de tijolos também é regularizado com a mesma massa refratária. Os tijolos tijolos empre empregad gados os são de formato formato paralel paraleloo e geralm geralment entee montad montados os com assentamento a úmido na sua maior face.
4.8.1.2- Construção Contornante Como o seu nome indica, o assentamento dos tijolos contorna o fundo da carcaça do forno que antecipadamente teve suas irregularidades corrigidas com o mesmo tipo de massa empregada descrita no item anterior, porém, umedecida, conforme nos mostra a Figura 74. Os tijolos continuam a ser os da mesma classe do item anterior, também de formato paralelo, assentados também na sua face maior.
Figura 74- Construção contornante
4.8.1.3- Construção em Domo ou Semidomo Invertido A construção em domo ou semidomo invertido é mostrada nas Figuras 75 e 76 e, da mesma maneira que nos itens anteriores, tem como primeira etapa o enchimento das irregularidades da carcaça com uma camada de pequena espessura do mesmo tipo de massa refratária empregada, porém, umedecida, formando uma superfície lisa e regular para o assent assentamento amento dos tijolos. tijolos.
129
Figura 75- Construção em domo invertido
Figura 76- Construção em semidomo invertido
Os tijol tijolos os empre emprega gado doss são são da mesm mesmaa clas classe se dos dos dois dois caso casoss anter anterior iorme mente nte descritos, porém, em vez de formatos paralelos, serão empregados formato faca ou até formato formato cunha, cunha, assent assentes es em fiadas fiadas paralel paralelas. as. No sentid sentidoo transve transversal rsal a essas essas e para acompanhar a curvatura do fundo, as referidas fiadas ficarão escalonadas ligeiramente umas em relação as outras, de maneira a formarem um ligeiro desnivelamento. Outra modalidade mais correta, representada nos desenhos das Figuras 75 e 76, é a que emprega tijolos de formate de dupla inclinação, próprios para a construção de domos e abóbadas.
4.8.2- Soleira de trabalho Existem dois tipos de soleira de trabalho: monolítica e de tijolos.
4.8.2.1- Soleira Monolítica
130
A soleira monolítica de trabalho é constituída por massa refratária magnesiana seca de pega a quente, apiloada (massa de socar), de sinter de MgO, classe periclásio de 95% a 97%, em várias granulometrias, sem qualquer ligante químico, própria para soleiras de fornos elétricos a arco. A montagem montagem é feita com o auxilio de formas apropriadas apropriadas de madeira, madeira, Figura 77, ou metálicas, metálicas, Figura 78, ou outro formate apropriado, e com as ferramentas atrás apontadas. A soleira monolítica de trabalho é, de longe, a mais comumente usada hoje em dia nos fomos elétricos a arco para fabricação de aço comum, ou até de aços especiais. A espessura da soleira, nos fornos pequenos, nunca pode ser inferior a 200 mm, podendo, podendo, conforme conforme se for desgastando desgastando quando quando em funcionamen funcionamento, to, ser refeita a sua espessura, com o lançamento por pá, pela porta, nos intervalos entre a corrida e a carga, do mesmo tipo de massa, que, com o calor do forno e da soleira, rapidamente se ceramizão.
Figura 77- Vista das formas de madeira para montagem da soleira soleira
131
A referida reparação da soleira também pode ser feita, com melhores resultados, por projeção projeção de massa refratária magnesiana magnesiana de pega a quen quente, te, classe periclásio periclásio 95%, própria para reparação reparação de de soleiras. soleiras.
Figura 78- Vista das formas de metálica para montagem da soleira
132
4.8.2.2- Soleiras de Tijolos As soleiras de tijolos são normalmente construídas em estádio ou semidomo invertido. As soleiras de tijolos são generalizadamente usadas para fornos elétricos a arco, destinados à fabricação de aços altamente ligados. Quando a soleira é construída em estádio, sua construção poderá ser baseada na instalação técnica que acompanha o contorno da subsola, que também é em estádio, conforme nos mostra a Figura 79.
Figura 79- Soleira de tijolo em estádio
Quando a soleira é construída em semidomo invertido, a sua instalação técnica é a continuação da subsola, também construída em semidomo invertido, como nos mostra a Figura 80.
Figura 80- Soleira de tijolos em semidomo invertido
A quali qualida dade de dos dos tijol tijolos os empre emprega gado dos, s, para para qualq qualque uerr das duas duas moda modalid lidade adess apontadas de soleiras, poderá ser de sinter de periclásio da classe 95,5% a 97,5%, ligados a piche, o que lhes dá maior resistência aos ataques de escórias básicas e óxidos de ferro, ou de tijolos da mesma classe, porém sem serem cozidos, mas quimicamente ligados, para
133
não sofrerem, após processo de conformação, queima tradicional. Seu cozimento se fará na operação ou funcionamento do forno, tendo a grande vantagem de não sofrerem alteração de dimensionamento, sendo mais estáveis que seus similares queimados.
4.8.3- Bica de corrida A bica de corrida é composta normalmente por algumas fiadas de tijolos montados junto a chapa chapa de aço, formando formando o revestime revestimento nto permanente permanente sílico-alu sílico-aluminos minosoo "High Duty" Duty" Classe SA-2 (ABNT). Também poderá ser de periclásio queimado classe 90% a 95%. O revestimento de trabalho é constituído por massa refrataria magnesiana de pega a quente, onde há predominância de sinter de periclásio em várias granulometrias sem qualquer ligante, classe 86,5% de MgO, especial para bicas e soleiras de portas.
4.8.4- Furo de corrida O furo de corrida propriamente dito é constituído de um cano de ferro ou aço, com o diâmetro exterior igual ao diâmetro normal do furo de corrida. Circundando este cano e preenchendo o vazio da parede do forno, é empregada a mesma massa refratária utilizada na bica de corrida, ou então a mesma massa utilizada na soleira monolítica. Na Figura 81 são mostradas duas sugestões de arranjo.
4.8.5- Soleira da porta A soleira da porta poderá ser construída com a mesma técnica empregada na bica e com os mesmos refratários, ou somente de tijolos idênticos aos empregado na subsola.
4.8.6- Parede inferior A parede inferior do forno e assente sobre os tijolos externos da subsola até à linha de nível da soleira da porta, formando definitivamente com uma só fiada a espessura da parede. parede. A quali qualida dade de dess desses es tijol tijolos os pode poderá rá ser ser a mesm mesmaa dos dos tijol tijolos os da sole soleira ira.. Se necessitarmos de melhores resultados, poderão ser utilizados tijolos magnesianos ligados a piche, classe 94,9% de periclásio, que possuem maiores resistências aos ataques de escórias básicas e óxidos de ferro. O formato destes tijolos e do tipo radial, montados encostados a carcaça ou com um ligeiro afastamento de cerca de 12 mm, conforme Figura 82.
4.8.7- Parede da linha de escória
134
A parede da linha de escória geralmente é formada par três fiadas de tijolos, seguindo a mesma verticalidade dos tijolos da parede inferior e, como os desta, do mesmo formato e dimensões, conforme Figura 82. No que se refere refere à qualidade, qualidade, poderão poderão ser da mesma mesma qualidad qualidadee dos empreg empregados ados na subsola, ou ligados a piche, ou da mesma qualidade dos empregados na parede inferior. Ultimamente estão sendo empregados, com bons resultados, tijolos de liga direta de periclásio-cromo, classe 60,5% a 79,9% de MgO e 16 8% a 85% de Cr 2O3.
Figura 81- Sugestão de arranjos do furo de corrida
135
] Figura 82- Meio corte seccional do forno
4.8.8- Porta do forno A porta do forno, constituída pelas ombreiras e pelo arco, emprega mesma qualidade de tijolos que constitui a parede, apenas com formatos apropriados para a sua configuração (paralelos e facas).
4.8.9- Parede superior A parede superior é o revestimento do fomo acima da parede da linha de escórias. Esta área do forno pode ser revestida de modos diferentes: ou com tijolos; ou em blocos; ou misto de blocos com caixas de água; ou misto de tijolos com caixas de água; ou somente de caixas de água. 136
Com o desenvolvimento das UAP, isto é, aumento da potência dos fomos e diminuição do tempo do ciclo "tap-to-tap", as condições impostas a esta parte do forno têm aumentado consideravelmente a demanda de exigências. Esta demanda tem sido satisfeita em parte com o aumento do usa de tijolos de liga direta cromo-magnesianos chapeados, classe 63,5% a 78,2% de periclásio e 14,2% a 7,7% de Cr 2O3, com menores teores de sílica e queimados a temperaturas bem mais elevadas. Desta forma, é eliminada grande parte das ligações formadas por fases silicadas, promovendo maiores números de ligações entre os grãos de MgO com os de Cr 2O3. Nestes produtos, as porosidades são mais baixas, as resistências mecânicas a altas temperaturas são mais elevadas, assim como a resistência ao choque térmico.
Figura 83- Tijolo chapeado externamente
Com alta refratariedade, produtos como estes, ligados a piche, de periclásio de alta pureza pureza e sistemas sistemas de alta liga liga de carbonáceo carbonáceos, s, dão a estes estes tijolos extraordin extraordinária ária resistência resistência a ação das escórias e ataque do metal líquido. Chapeados externamente com chapa de aço (incluindo a fase fria), ajudam a prevenir a oxidação do carbono, Figura 83. Internamente são ainda estes tijolos providos de armaduras internas de chapa de aço no formato em U e T, Figuras 84 e 85. O resultado resultado é uma maior estabilidade, estabilidade, com relevante relevante resistência resistência ao choque térmico. A altas temperaturas o periclásio do tijolo reage com o ferro da chapa, transformando-se os dois, de acordo com o nível de temperatura, em dois compostos do grupo de espinéis (magnésio-ferrita e magnésio-wustita), que se comportam como um cimento, criando um sistema estrutural e transformando a parede num bloco monolítico. Estes tijolos são particularmente recomendados para pontos quentes das paredes dos fornos a arco de UAP.
137
Figura 84- Tijolo chapeado com armadura interna em T
Figura 85- Tijolo chapeado com armadura interna em U
São São reco recome mend ndada adass as segu seguint intes es suge sugestõ stões es quand quandoo da monta montage gem m da pare parede de superior: Onde os tijolos chapeados são empregados, uma junta de expansão de cerca de 12 mm deverá existir entre a face fria do tijolo e a chapa da carcaça. O painel do furo de corrida deverá ser construído de tijolos não chapeados do tipo usado na parede da linha de escória. Estes tijolos podem também ser assentes a seco ou com uma junta de argamassa básica. Do uso desta construção, o risco do metal fundido e da escória contra-indica os tijolos chapeados durante a operação da corrida, que é minimizada. O remate da parte superior da parede é feito com uma camada de massa refratária cromo-magnesiana seca de pega a quente, classe 92% a 95% de periclásio, com grãos de cromo em várias granulometrias, sem qualquer ligante, que sela a parede com a abóbada.
4.8.10- Abóbada As abóbadas atualmente de melhor performance e durabilidade são as abóbadas de tijolos tijolos de alta alumina, alumina, porém porém as abó abóbad badas as básicas básicas com tijolos tijolos cromo cromo-mag -magnes nesiano ianoss também têm bons resultados em suas aplicações. A construção da abóbada implica a utilização de uma forma apropriada.
138
A abóbada é dividida em duas partes: domo e miolo. O domo é constituído por tijolos de dupla inclinação no eixo vertical do tijolo. Com a combinação desses tijolos em dois ou mais tipos de inclinação, combinados entre si, e entre si e paralelos, faz-se qualquer diâmetro de anel pertencente a um domo. Podemos chegar também a esse resultado pela combinação adequada e calculada da associação de facas com paralelos e cunhas, porém a primeira solução é a mais adequada. O miolo comporta três anéis para a passagem dos eletrodos, que são formados por tijolos formato faca. O miolo propriamente dito é formado por massa refratária de socar.
Figura 86- Abóbada padrão, 1ª sugestão
Figura 87- Abóbada padrão, 2ª sugestão
139
4.8.11- Exemplo de montagem de uma abóbada convencional de um forno elétrico a arco Para a construção de uma abóbada com material refratário cerâmico ter-se-á em conta o seguinte: a. Fazer Fazer o assentamen assentamento to de todas todas as peças peças com com argamassa argamassa aluminos aluminosaa de 60% 60% de Al2O3, úmida de pega ao ar ( Figura 88); b. Detalhar Detalhar a amarração e o assentam assentamento ento dos dos tijolos dos dos anéis dos dos eletrodos, eletrodos, conforme indicado na Figura 89; c. Que Quebrar brar as arestas arestas externas externas dos dos tijolos tijolos como como assinalado assinalado no detalhe, detalhe, com com o obje objetiv tivoo de aume aumenta ntarr a aderê aderênc ncia ia dest destes es com com a mass massaa de soca socage gem m aluminosa de 80% de Al 2O3, seca, de liga fosfática; d. Soca Socarr a massa massa alum alumin inos osaa de 80% de Al2O3, seca, de liga fosfática, de acordo as instruções a serem fornecidas pelo seu fabricante. Nos fornos médios e grandes e em alguns pequenos pequenos,, existe ainda um quarto furo de tijolos, instalado no domo, para a passagem de fumos e poeiras.
Figura 88- Abóbada
140
Figura 89- selo do eletrodo
4.8.12- Abóbada de alta alumina O domo das abóbadas é constituído por tijolos refratários aluminosos classe 70% de Al2O3, que normalmente são fabricados a partir de argilas naturais chamotadas (classe ABNT -AL-70), com juntas de 2 mm de argamassa aluminosa. Os anéis de passagem dos eletrodos e da saída dos fumos serão de tijolos de alta alumina classe 90% de Al 2O3, fabrica f abricados dos somente a partir de argilas naturais chamotadas ou misturas destas com outras matérias-primas sintéticas. O miolo da abóbada é de massa refratária aluminosa de liga fosfática, classe 90% de Al2O3. O anel de fumos é rematado nos tijolos dos anéis do domo com massa cromomagnesiana, classe 80% de MgO e 7% de Cr 2O3.
5- Diagrama e curvas características 5.1- Diagrama circular e curvas características características do forno a arco O diag diagram ramaa carac caracte terís rístic ticoo do forn fornoo elét elétric ricoo a arco arco pode pode ser ser repre represe senta ntado do facilmente aplicando-se ao circuito transformador-forno o conhecido diagrama circular, análogo àquele do motor de indução. De fato, admitido, como normalmente se verifica, que a tensão do forno E e a reatância equivalente do circuito transformador-fomo X e resultam constantes, dividindo a expressão E = R e . I + j . X e . I por j . X e, resulta:
− j.
Equação 38-
E X e
≡ − j.
Re . I X e
+ I = const .
Na qual se diz que o vetor vetor E/Xe (constante) (constante) é resultado resultado do vetor vetor I com o vetor vetor Re.I/Xe, girando de 90º com respeito a I, do qual, traçando um semicírculo do diâmetro OB=E/Xe, resulta que a semicircuferência OCB é o lugar geométrico da extremidade do vetor da corrente saindo de O, Figura 90. Em tal diagrama, temos, além de outros:
O vetor OE representando a tensão do fomo E; 141
O veto vetorr OC repre represe senta ntand ndoo a corre corrente nte I, abso absorv rvida ida pelo pelo comp comple lexo xo transformador-forno; O ângulo Ø representando a defasagem entre a tensão e a corrente; O vetor CA representando a corrente ativa I. CosØ e, admitindo que E seja constante, a potência ativa E . I. CosØ pode ser tirada diretamente da reta à escala; O vetor CR representando a corrente reativa I. SenØ e, admitindo que E seja constante, a potência reativa E . I. SenØ pode ser tirada da reta à escala; O vetor CP representando a potência útil; O vetor PA representando a potência de perdas; O vetor NM representando a resistência equivalente do forno R e; O vetor OM representando a reatância equivalente do forno X e; O vetor OCo representando a corrente de curto-circuito.
Figura 90- Diagrama circular de um forno a arco
O diagra diagrama ma circula circularr permite permite,, assim, assim, repres represent entar ar o diagram diagramaa caracte característ rístico ico da potência potência ativa e reativa e do fator de potência, além de outros parâmetros em função da corrente. Traçando uma paralela a OY da abscissa OM = X e, esta encontra o vetor corrente OC no ponto N tal que MN = R e (resistência equivalente complementar do circuito transformador-forno). . De fato:
142
MN =
Equação 39-
OM tg φ
=
X e X e
= Re
X tg φ φ = E Re
Re
Os pontos de interseção dos diversos valores de I com a reta MN permitem-nos tirar do diagrama características das potências ativa e reativa, da corrente e dos fatores de potência potência da energia, energia, levantados levantados da reta, em função da resistência resistência equivalente equivalente complementar do circuito transformador-forno. Para se obter do diagrama a potência útil P u em função de I e de R u, basta considerar que para I = 0, isto é, R u = infinito, Pu = 0 e R p . I2= 0, para I de 0 à E 2
R p
, Pu= P-R p.I2; R p.I2=P-Pu;
2
+ X e
E
Para I= R p . I
2
R p2
+ X e2
, isto é, R u=0, Pu=0 e
E 2
≡ R p .
R p2
+ X e2
E todos os pontos P que indicam no diagrama a parte da potência ativa perdida PA e parte da potência ativa útil CP, fazendo sua uma reta que parte de O e que intercepta o semicírculo no ponto C o, cujas coordenadas são: X =
E 2
R p
E 2
(escala da corrente) e y = R p .
2
+ X e
E de fato OC2=OA x OB, isto é,
OA
=
OC
2
OB
=
R p2
I
2
E
+ X e2
(escala da potência)
= Cons tan te
. I2
X e
Isto é, a posição do vetor corrente OC=I sobre o eixo das abscissas é proporcional a I . Por isso mesmo, para qualquer valor de I, temos: 2
OA
Equação 40
OAn
≡
I 2 2
I n
≡
R p . I 2 R n . I
2
≡
PA P n . An
Isto é, o ponto P n situado sobre OPCo. Isto é, o ponto P n situado sobre a reta OPC o. A reta OCo é por isso a representação gráfica da potência perdida e divide o semicírculo representando a potência utilizada em dois campos:
setor circular OCoAo = campo de potência de perdas; setor circular OCCo = campo da potência útil.
143
Toda a vez que a tensão de alimentação for variável, pode-se tratar a curva análoga de diâmetro
E 1 E 2
,
X e X e
, etc., e assim, toda a vez que a resistência for variável,
pode-se pode-se traçar traçar uma curva curva análoga análoga de de diâmetro diâmetro
E 1 E 2
,
X e X e
, etc.
Com tal Com tal diag diagra rama ma circ circul ular ar pode pode-s -see dete determ rmin inar ar a curv curvaa cara caract cter erís ísti tica ca do funcionamento de um forno em função de I, de R, de E, e de X.
5.2- Curva característica em função da corrente para E e X constantes 5.2.1- Diagrama da potência ativa e reativa Do diagrama circular resulta que a potência ativa tirada da reta AC x E aumenta com o aumento da corrente OC até a um máximo A m Cm x E e sucessivamente diminui, tendendo a zero para I = OB = E/X., enquanto a potência reativa tirada da rede corresponde a I = OC m = E/ 2 . Xe e é igual a: Equação 41-
Am C m xE = E 2
/(2. X e )
O valor máximo da potência reativa utilizada da rede corresponde a I = OB = E/X e e é igual à OB x E = E 2/Xe. A potência ativa útil é representada pelo segmento CP e essa assume o valor máximo CiPi, sendo C i o ponto de tangencia da paralela a OC o. A tal potência útil máxima corresponde a potência-limite utilizada CiAi.
5.2.2- Diagrama do fator de potência Do diagrama circular, resulta que 0 fator de potência diminui com a aumento de I para cosØ cosØ = 1, para I = 0 a cosØ = 0, par par ser I = OB = E/X e.
5.2.3- Diagrama do rendimento O rendimento do diagrama circular é dado pela relação entre o segmento CP e CA. Ele é igual a zero para R u = 0, isto e, para I = I cc =
E R p2
+ X p2 e aumenta com a
diminuição de I tendendo a I para I = 0.
144
Figura 91- Rendimento e fator de potência
5.3- Curva característica em função da resistência para E e X constantes 5.3.1- Diagrama da potência ativa e reativa Do diagrama circular resulta que a potência ativa tirada da reta é nula para R = zero e aumenta com o aumento da resistência MN até a um máximo A m Cm x E = E 2/(2. Xe) para R e =M.Nm= Xe e depois diminui até zero para R = infinito, enquanto enquanto a potência potência 2 reativa tirada da reta alcança o valor máximo OB x E = E /Xe para R = zero e diminui diminui com com o aumento de R e, até se anular para R e = infinito. A potência ativa útil alcança seu valor máximo para R = M . N 1 = R p + X e2 + R p2 .
145
Figura 92- Corrente x resistência
5.3.2- Diagrama da corrente Do diagrama circular resulta que a corrente assume o valor te6rico máximo I = OB = E/Xe para R = zero, e diminui com o aumento de R e tendendo a zero para R e= infinito (Figura 92). O máximo valor efetivo resulta, no entanto, com um valor: I máx
= OC o =
E R p2
+ X e2
146
5.3.3- Diagrama do Fator de Potência Do diagrama circular resulta que o fator de potência é zero para R e= zero e aumenta com o aumento de R e tendendo ao cosØ=1 para R e= infinito.
5.3.4- Diagrama do rendimento O diagrama do rendimento é executado a partir do diagrama circular como relação entre CP e CA. Resulta = 1 para R e = infinito e se anula para R u = zero, ou seja, R e = R p. Deste diagrama pode ser facilmente referida a resistência útil R u= R e - R p, supondo-se como origem a abscissa do segmento N oM = R p. O diagrama característico em função da tensão para R e e Xe constantes ou em função da freqüência, ou seja, da reatância para E e R e constantes, é deduzido facilmente, seja da fórmula anteriormente atribuída, seja do diagrama circular referido ao diâmetro E/Xe. Tal diagrama em função da tensão e da freqüência demonstra que variações da tensão e da freqüência que possam verificar-se na rede de alimentação do forno, contidas num limite normal, isto é, em mais ou menos 10%, não trazem nenhuma influência apreciável no funcionamento do forno, enquanto que variações mais elevadas podem às vezes ser danosas, precisamente: Uma tens tensão ão muit muitoo elev elevad adaa ou uma uma freq freqüê üênc ncia ia muit muitoo baix baixaa pode podem m ser ser eletricamente desvantajosas quanta aos efeitos da máxima potência útil do rendimento e do fator fator de potê potênc ncia, ia, obrig obrigand andoo a um func funcio ionam namen ento to na parte parte infer inferio iorr da curva curva característica do forno, por não superar a potência especifica do cadinho e, por isso, piorando piorando a característ característica ica elétrica elétrica do forno; forno; Uma tensão muito baixa ou uma freqüência muito elevada são ainda mais danosas porque porque reduzem reduzem a potência potência útil, piorando piorando o rendimento rendimento e o fator de potência, potência, e não consentindo utilizar razoavelmente a capacidade do cadinho. Nota- A potência potência útil atinge atinge o valor valor máximo: máximo: Equação 42-
P umáx
=
(
E 2
2 R p + X e2 + R p2
)
Para Ru = X e2 + R p2 e, de fato, do diagrama circular, Figura 93, para AO = X, AB = R p p, OH = 2.r =E/X e OF = r = E/2X
147
Figura 93- Diagrama circular
Resulta para E constante: Potência absorvida máxima = FG = E/2X x E = E 2/2X Potência útil máxima = ED = EC - CD E sendo: E EC = OA.
EF OB
= X .
2 X X 2
+ R p2
E E − CD = .OC = .( OF − CF ) = . . OA X X 2 X 2 X R p
AB
2 2 X + R p
R p
R p
De onde:
X E R p R p R p 1 ED = − − = − + 2 1 . 2 2 2 2 2 2 X X 2 + R p2 X 2 X X . X + R p X + R p 2 2 2 2 2 2 ) − + + + − R p . X 2 + R p2 X R X R R ( X R . E E p p p p = . = . = 2 2 X 2 . X 2 + R p2 X 2 . X 2 + R p2 E
+ R p2 − R p E = . 2 = . 2 X + R p2 − R p2 2 ( E
Equação 43-
X 2
=
(
X 2 X
2
E
2. R p + X 2 + R p2
+ R p2 − R p
+ R p − R p ).( 2
X
2
+ R p + R p ) 2
R p2 X 2
=
) 148
+ R p2
=
E, multiplicando pela constante E, tem-se: Equação 44-
Potência útil máxima
=
(
E 2
2. R p + X 2 + R p2
)
5.4- Diagrama característica de Bergeon Para efeito de cálculo e de operação de um forno elétrico, tornam-se muito úteis os diagramas diagramas representa representados dos nas Figuras 94 e 95 , devidos ao Professor Bérgson, os quais foram determinados para X = 1 ohm, isto é, L = 1/2nf henrys e que servem para todos os casos que se apresentam, normalmente, nos fornos elétricos a resistência e a arco. Para este último, será necessário ter-se presente que R u varia notavelmente ao variar I (por efeito da diminuição da resistência do arco com o aumento de I). Daqui a aplicaç aplicação ão deste deste diagram diagramaa que dever deveráá ser feito feito por sucess sucessivas ivas aproxi aproximaç maçõe ões, s, tendo tendo presente presente a lei lei da variação variação da resistência resistência do do arco em função função de de I.
5.4.1- Diagrama da intensidade de corrente de um forno em função do fator de potência Determina-se o diagrama ( Figura 94) para X =ωL = 1 e para diversos valores de E, do qual se pode obter a intensidade I’ correspondente a um determinado fator de potência potência para um forno forno que tem uma uma reatância reatância = ωL, multiplica multiplicando ndo I por por I /ωL. /ωL. Por exemplo: Para V = 50 volts cosØ = 0,8 ωL = 0,002 ohms I = 30 ampères E daqui I’= 30/0,002 = 15.000 ampères. Quando a tensão E é diversa daquela indicada no diagrama, bastará multiplicar a intensidade pela relação entre a tensão efetiva e tensão marcada no diagrama. Por exemplo: no caso presente de E=60 volts I’=15000x60/50=18000 I’=15000x60/50=18000 ampères.
149
Figura 94- Diagrama de X=ωL=1
5.4.2- Diagrama da intensidade de corrente de um forno em função do fator de potência Determina-se o diagrama (Figura 95) para ωL = 1 e para diversos valores de E, do qual se pode obter a potência correspondente a uma determinada intensidade I’ para um forno que tem uma reatância wL, multiplicando a potência correspondente com 1/ω L. (Do diagrama, temos I = I’ . ωL). Por exemplo: Para I’ = 15.000 ampères ω L = 0,002 ohms V = 50 volts Temos: P = 1200 W x 1/ 0,002 = 600kW Quando a tensão E é diferente daquela indicada no diagrama da Figura 95, bastará multiplicar multiplicar a potência potência pelo quadrado da relação entre a tensão efetiva efetiva e a tensão assinalada no diagrama. Par exemplo, no caso precedente de E = 60 V: P = 600 x (60/50) 2 = 864 kw
150
Figura 95- Diagrama de X=ωL=1
5.4.3- Diagrama do fator de potência em função da potência e da intensidade absorvida pelo forno e da tensão de alimentação Figura ra 96) é dete Tal diag diagra rama ma (Figu determ rmin inad adoo pelo peloss dois dois prec preced eden ente tess e pela pela confirmação de que a potência máxima que se obtém para cosØ = 0,707. Neste Neste diagrama, a equação equação característica característica do forno elétrico elétrico não é influenciada pela pela corrente em vazio nem pela perda em vazio do transformador nos seus modestos valores. Todavia o erro que se possa cometer é praticamente contido no erro da leitura normal apresentada na medida industrial.
5.5- Conclusões A equação e a curva característica do funcionamento do forno elétrico a arco e a resistência seguem a seguinte norma construtiva e de operação: 1. A potência potência máxima máxima de um forno elétrico elétrico é tanto mais mais elevada elevada quanta quanta mais mais alta é a tensão e quanto mais baixa a reatância. 2. A potênci potênciaa absorvida absorvida por por um forno elétric elétricoo alimentad alimentadoo a tensão tensão consta constante nte atinge o valor máximo quando a resistência ôhmica completa é igual à reatância ou quando o fator de potência é igual a 0,707. 3. A potênc potência ia útil do fomo fomo alimen alimentad tadoo a tensã tensãoo cons consta tante nte ating atingee o valor valor máximo quando a resistência útil é igual a raiz quadrada da soma dos quadrados da reatância e da resistência passiva.
151
Figura 96- Diagrama em função de cosØ
4. O fator de potênc potência ia de um um fomo fomo é tanto tanto mais elevado elevado quanta quanta mais baixa é a reatância e quanta mais alta é a relação entre a tensão e a corrente. 5. O rendim rendimen ento to elétri elétrico co de um fomo fomo é tanto tanto mais mais elev elevad adoo quant quantoo mais baixas são são a resistência resistência passiva passiva e a reatância reatância e quanto quanto mais alta é a relação relação entre a tensão e a corrente. 6. A resistê resistência ncia ôhmica ôhmica do conjun conjunto to espiraespira-fom fomoo não deve ser ser mais baixa baixa nem excessivamente mais alta que a reatância, enquanto que para R< X, o fator de potência e o rendimento do fomo diminuem rapidamente com a diminuição de R, para R > X, a potência do fomo decresce rapidamente com o crescimento de R; por isso, mesmo para carga de baixa resistência, e necessário reduzir ao mínimo a reatância e a tensão de alimentação; enquanto que para carga de elevada resistência é necessário incorporar no seio da carga um elemento condutor de baixa resistência ôhmica. 7. A corren corrente te do fomo fomo não deve deve ser ser superior superior a 70% da relaç relação ão entre entre a tensão e a reatância. 8. Um forno forno elétric elétricoo não tem um fator de potênc potência ia determin determinado ado porque porque este este varia em função da potência, da tensão e da freqüência. 9. Um forno forno elétric elétricoo não pode ser ser aliment alimentado ado nem nem com a tensão tensão um pouco pouco infe inferio rior, r, nem nem com com a freqü freqüên ênci ciaa um pouc poucoo supe superio riorr as que que estav estavam am previstas previstas na construção construção do do forno. forno. 10. A expressão expressão da potência, da corrente é do fator de potência-limite potência-limite servem servem somente para fixar os valores máximos do campo da regularização do forno. Praticamente, para qualquer forno, vem já estabelecida a potência econômica, isto é, aquela que corresponde ao mais baixo custo específico da instalação e do exercício (prod (produç ução ão), ), o que que resu resulta lta norm normalm almen ente te igua iguall a 80% 80% da potê potênc ncia ia limit limitee e a essa essa corresponde, num moderno forno elétrico, um rendimento elétrico de cerca de 90% e um fator de potência quase igual a 0,9. 152
5.6- Curvas características operacionais dos fornos elétricos Estas curvas indicariam as variações de P w, P u, P p, P r , R u, CosØ, η e R f f (desgaste de refratários a que se refere o capítulo sobre Revestimentos Refratários), em função das variações da intensidade de corrente I que passa nos eletrodos, suposta senoidal. Esta suposição prática tem sido examinada recentemente e considerada como não válida. Em seu lugar, tem sido proposto que a senóide, utilizada para representar a forma de corrente do arco, seja substituída por uma onda quadrada perfeita, o que conduziria a uma pequena deformação de algumas das curvas características. Esta variante não é, entretanto, nova, pois foi indicada por Slepian e Cobine e também, conforme relatado por Schwabe e colaboradores, já havia surgido há algum tempo atrás. Nas condições condições reais de funcionamen funcionamento to do forno elétrico elétrico a arco, de fato o comportamento do arco tanto pode corresponder a uma onda senoidal como a uma onda quadrada, com todos os seus estados intermediários, o que faz com que os dois extremos perfeitos perfeitos sejam sejam defensáv defensáveis eis em em certa certa medida. medida. Porém, alguns pesquisadores do assunto mostram que a diferença proveniente da consideração de um ou outro ponto de vista e de pouca importância e que os fatores de correção podem ser facilmente estabelecidos, se desejar conhecer maiores pormenores das curvas em questão. É incontestável, entretanto, que a consideração da onda como senoidal é, de longe, a mais prática. Para melhor elucidação, vamos dar a seguir um exemplo de cálculo de um diagrama de curvas características operacionais de um fomo elétrico a arco de 30.000 kVA, para uma determinada tensão secundaria de serviço e para várias intensidades de corrente dos arcos. Tabela 16- Exemplo numérico para a construção das curvas características operacionais de fornos elétricos
A Tabela 16 acima nos da numericamente os valores dos vários parâmetros já calculados para as intensidades de corrente consideradas.
153
A Figura 97, a seguir indicada, nos da disposição gráfica das referidas curvas características operacionais do fomo elétrico considerado, baseadas nos valores indicados na Tabela 16. Para o referido cálculo foram considerados como valores constantes do fomo: Reatância equivalente X e = 1,25 mΩ Resistência Passiva R p p = 0,30 mΩ Afastamento do eletrodo à parede do fomo a = 1,00 m A tensão tensão con consid sidera erada da como como consta constante nte de ope operaç ração ão foi a corres correspon ponden dente te ao trocador de "taps" do transformador, que tinha como valor de tensão entre eletrodos igual a 250 volts.
Figura 97- Disposição gráfica das referidas curvas características elétrico
operacionais do fomo
Foram desprezadas as perdas em vazio do transformador, Os parâmetros envolvidos pelo calculo foram: P w, Pu, Pa, PP, Pr , R u, η, R f f, cosØ, senØ e tgØ. A mane maneira ira de se conse consegu guire irem m os valor valores es da resi resistê stênc ncia ia pass passiva iva e reatâ reatânc ncia ia equivalente do forno elétrico a arco considerado pode ser feita através do teste de curtocircuito. Nestas Nestas cond condições ições,, devido devido a inexistência inexistência do arco, a forma da onda de tensão e a forma da onda de corrente serão senoidais, e a reatância do sistema é conhecida como reatância senoidal. O teste de curto-circuito é feito usando-se eletrodos de igual comprimento que são mergulhados no banho (10 a 20 cm), após a fusão completa da carga metálica e de antes
154
do acerto da composição do aço, já que este procedimento provoca a recarburação do banho. A tensão do secundário é escolhida de modo a que a corrente de curto-circuito seja igual à de operação. As medidas em curto-circuito serão feitas no primário do transformador por meio de aparelhagem apropriada (analisador industrial de medição), onde se lerá a corrente de cada fase Icc, a tensão primaria Ecc, a potência aparente P a a potência ativa absorvida P w , e a potência reativa P r . A reatância equivalente senoidal X e e a resistência passiva R p p serão calculadas calculadas pelas fórmula fórmulas: s: cc
cc
cc
Equação 45-
Pr cc = 3. E cc . I cc . senφ e como I =
Pr cc = 3. I cc2 . X e ou X e =
E Z
=
E X
. senφ , vem E cc = I cc .
X e senφ
, portanto,
Pr cc 3. I cc2
Mas, Equação 46- Pw=Pu+P p, porém, para R u=0, vem P u=0, então P wcc R p
=
= P p ou P w = 3. I cc2 .R p cc
ou
P wcc
3. I cc2
Como dissemos atrás, costuma-se supor, para simplificação dos cálculos, que a reatância reatância equivalente equivalente do forno é constante e igual à reatância reatância senoidal. senoidal. Porém, durante a operação normal dos fornos elétricos a arco, a presença inconstante do arco, que é uma resistência não linear, introduz ondas harmônicas de variadas freqüências no circuito, ocasionando um acréscimo na reatância aparente deste. Portanto, as curvas características, traçadas na Figura 97, deixam de representar as cond condições ições normais de funcioname funcionamento nto do forno, forno, para representarem representarem uma aproximação relativamente correta. O cálculo exato da reatância operacional não pode ser feito com precisão. Porém, através de leituras simultâneas de corrente, tensão, potência ativa e potência reativa, lidas nos instrumentos de medida do forno, durante uma operação a tensão considerada, em interval intervalos os de tempo tempo cronom cronometr etrado ados, s, pod podem emos os atingir atingir uma grande grande aproxim aproximaçã açãoo da realidade de operação do forno. Mais adiante voltaremos a referirmo-nos à reatância do forno com mais detalhe, para um cálculo cálculo mais preciso. Porém, Porém, voltamos voltamos a insistir no teste de curto-circuito curto-circuito para o cálculo imediato da reatância do forno. Duran urante te o test testee de curt curtoo-ci circ rcui uito to,, o fato fatorr de potê potênc ncia ia do circ circui uito to estar stará, á, normalmente, com um valor muito reduzido, digamos entre 0,15 a 0,30. Assim sendo, os fasímetros normais não poderiam ler valores tão baixos. Sugere-se então tomar a leitura dos medidores de potência reativa, ou instalar-se, durante o teste, fasímetros adequados. Como já frisamos anteriormente, em vez de um cálculo aproximado, este teste pode-nos pode-nos permitir permitir um cálculo mais preciso, preciso, se usarmos, em vez das Equações 45 e 46 , a determinação da impedância média por fase, por: E média
1
= .( E 1.2 + E 2.3 + E 2.1 ) e 3
I média
1 3
= .( I 1 + I 2 + I 3 )
155
A impedância média por fase será: Z=R+jX Onde
=
P w
Equação 47-
R p
Equação 48-
E 2 média − R p X e = 2 3.n . I média
3.n 2 . I média 2
1 2
Onde n é a relação de transformação do transformador do forno, P w é a leitura do waltímetro e Imédia e Emédia são as medid medidas as das das corre corrente ntess e tens tensõe õess nas nas três três fases fases,, respectivamente. De posse dos valores de R p p e X e entramos com os mesmos valores nas fórmulas atrás apontadas.
5.6.1- Escolha do “tap” para o teste de curto-circuito Como para as leituras do teste de curto-circuito há a necessidade de algum tempo, teremos de escolher uma tensão de "tap" que permita que o curto-circuito prevaleça alguns segundos, sendo essa tensão a mais alta possível. Como os sistemas de proteção da alimentação elétrica do fomo são geralmente ajustados de forma a suportarem uma fração a mais da intensidade de corrente nominal durante uns segundos, para se evitarem desligamentos desnecessários durante a fusão, há conveniência em se conhecer qual é essa tensão. Para isso teremos de calcular uma aproximação preliminar da reatância do sistema secundário em (m Ω /fase), que pode ser obtida da seguinte maneira: Usaremos a fórmula empírica: Equação 49- X e
= 1,92 + 0,18.
D
10 3 Onde (D) é o diâmetro do forno em mm para a freqüência de 60Hz. Para exemplificar, suponhamos que temos um forno de 4115 mm de diâmetro:
4115 = 2,67m Ω 1000 Considerando, por hipótese, a resistência do sistema secundário como igual a 25% da reatância, teremos: Equação 50- Xe = 1,92 + 0,18.
R p = 0,25.2,67 = 0,67 m Ω
A impedância será: Z = R p2 . X e2 = 0,67 2 + 2,67 2 = 2,75 m Ω
156
A Tabela 17, abaixo, nos fornece os dados do transformador de um forno de 28t, do exemplo que estamos considerando, com um diâmetro de 4115 mm. Tabela 17- Dados característicos do transformador de um forno a arco de diâmetro de carcaça = 4115 mm e 28t de capacidade por corrida
Considerando o primeiro “tap” em estrela de 162 V: Como E=162 volts e V = P a
= E . I =
E 2
3. Z
E
3
onde Z base
e I =
V
=
E
vem: 3 xZ E 2 162 2 = = = 0,006 Ω 3. P a 1,73.15460.162 Z
Mas Z Pu
= 5,77% = 0,577 Ω
Portanto: Z=0,0577.0,006=0,0003462 Z=0,0577.0,006=0,0003462 Ω=0,3462m Ω A impedância total será: Z=2,75+0,346=3,098 m Ω ou aproximadamente Z=3,1 m Ω A corrente de curto-circuito para o “tap” de 162 V será: 162 = 30171 A 1 , 73 . 0 , 0031 3. Z Como a corrente nominal do transformador é de 15.460 A, o sistema de proteção e1étrica de alta-tensão do transformador (disjuntor automático) é ajustado de forma a suportar 1,8 x In (ou = 27.828 A) por aproximadamente 10 segundos, antes de se desligar o transformador. Isto Isto quer dize izer que que 30.171 .171 A corre orresspond pondee a Ice Ice: 1,9 X I n, port portan anto to,, é desaconselhável utilizarmos o "tap" 162 V. Utilizando-se o "tap" 136 V, teremos: I cc = 26.173 A ou I cc= 1,7 x I n, isto é, teremos tempo suficiente para se fazerem, com relativa tranqüilidade, as medições necessárias. Resta-nos Resta-nos observar (para as correntes correntes de curto-circuito curto-circuito em questão) se os valores das mesmas estão aproximadamente a 2/3 da escala dos aparelhos de medida. I cc
=
E
=
5.7- Diagramas operacionais e eficiência
157
A interde interdepend pendênc ência ia dos vários vários parâme parâmetros tros do forno forno é mostrad mostrada, a, ou melhor, melhor, relacionada por meio do Diagrama Operacional. Ele é, certamente, o meio empregado tanto por usuários quanto por projetistas, para se conseguir o aumento da produção, e, caso possível, para se melhorar a eficiência do forno. Em geral, o primeiro interesse é nos dado pelo aumento da produção, mas em segundo lugar e tão importante quanto este é o conceito da eficiência. Isto é compreensível pelo fato de alguns itens de custos de energia serem completamente ou quase completamente independentes da produção, e, por essa razão, sua relativa importância por tonelada de produção diminui se a produção aumenta. De qualquer modo, um estudo cuidadoso destas considerações mostra-nos que, no forno a arco, a produção esta intimamente ligada com a eficiência. A produção não pode ser impulsionada alem de certo limite, senão a eficiência cai. Um apare aparente nte aume aumento nto na quan quantid tidade ade resu resulta ltaria ria num num aume aumento nto de perd perdas, as, com com um excessivo consumo de energia. TornaTorna-se se evide evidente nte que consid considera eraçõe çõess cuidad cuidadosa osass dev devem em ser ser dad dadas as às perdas perdas térmicas como também às perdas elétricas dos fornos a arco para se obter a máxima produção. produção. Os mais importantes parâmetros no projeto do forno são a máxima potência de operação, a impedância de curto-circuito e a tensão de fase. Colocando estes parâmetros e relacionando-os entre si, que nos dá a potência máxima absorvida:
=
E 2
2
. cos φ =
E 2
. senφ . cosφ =
E 2
. sen2φ 2. X e ( quando cosØ é o fator de potência do circito).
P w
Re
Como: senφ =
X e Z
X e
e cos φ =
Equação 51- senφ . cos φ =
P w E . I
X e P w Z Z
.
2
E
=
P w . Z
= P . w
temos:
E 2 X e 2
E
=
1 2
.sen2φ
Portanto esta afinidade torna possível a parcela P w = X e/E2 que é como que uma função do fator de potência ( Figura 98). A corrente pode ser expressa em termos ilimitados, como os da relação I/I x. I é obtida da expressão E . sen Ø/ X e e a corrente de referência Ix é definida por E/X e. Portanto I/Ix = senØ. A relação pode ser proposta como opondo-se ao fator de potência mostrado na Figura 99. Desde que a impedância do circuito, exclusiva da carga elétrica, é praticamente toda reativa, I x é quase igual à corrente de curto-circuito. A curva também se apresenta para a corrente nas três fases.
158
Figura 98- Potência como uma função do fator de potência num circuito monofásico ou num circuito trifásico com e sem arco
Figura 99- Corrente em circuitos mono ou trifásicos como uma função do fator de potência
Os fornos a arco direto têm uma importante característica que os distingue de todos os outros fornos elétricos e que determina o comportamento do circuito. Este circuito é complicado pela presença das harmônicas introduzidas pela não linearidade do arco como um elemento do circuito. Num arco, a corrente e a tensão não são proporcionais, embora numa impedância elas o sejam. O comportamento do arco elétrico pode ser estudado pela colocação de suas características. Assim, num arco de corrente alternada de comprimento constante, a tensão de onda do arco não corresponde à onda da corrente, mas fica quase constante durante cada meio cicio e troca de sinal quando a corrente passa por zero. A onda se aproxima de uma onda retangular, quando delineada contra o tempo, onde E é a tensão recebida, i é a corrente do arco, e E a é a tensão do arco (Figura 100).
159
Figura 100- Forma de ondas da corrente e tensão num arco de corrente alternada
O valor efetivo da tensão do arco é dado, aproximadamente, pela formula de Ayrton: Ea=α+β.L Com os mesmos valores que lhe foram atribuídos. Da tensão efetiva do área é relacionado o comprimento do arca que requer o emprego de um mecanismo controlador do eletrodo usando a tensão do arco como sinal de controle; pequenas variações no comprimento do arco resultarão em alterações da tensão e da potência. O diagrama do circuito para um circuito compreendendo principalmente uma indutância, uma resistência linear e um arco é nos mostrado na Figura 101.
Figura 101- Circuito monofásico compreendendo indutância, resistência e arco
Para este caso, a equação diferencial do circuito é: Equação 52-
L
di dt
+ Re .i = 2. E . sen(ω t + φ ) − E a
Onde Em= 2 . E é o máximo de tensão recebida, E é a tensão eficaz, L é a indutância. R e é a resistência equivalente, E a é a tensão do arco e Ø é o ângulo de defasamento entre a tensão e a corrente. Resolvendo a Equação 52, encontra-se o valor instantâneo da corrente absorvida, pela fórmula: 160
R − .ϖ .t E m E a 2. E a X i= . sen(ϖ .t + φ − θ ) − .1 − X − .π Z Re R 1 + E a e
e
Equação 53-
e
e
Onde: Em= Forno Monofásico = Valor máximo da tensão de alimentação; Forno trifásico = Valor máximo da tensão (em estrela) de alimentação; Z=R e+jXe( para o forno trifásico, vale para uma fase) Ea= Queda de tensão no arco; Ø= Arc cosR e/Z; Xe=ωL da freqüência fundamental. A curva mostra a onda da corrente, juntamente com a tensão de alimentação para um dado valor de Ea/Em e R e/Xe, é mostrado na Figura 102. Nota-se que o arco distorce a forma da onda da corrente, de tal modo que a última não é senoidal, apesar de continuar senoidal a tensão de alimentação.
Figura 102- Forma de onda de corrente do circuito mostrado na Figura 101, para E a/Em=0,406, Ø=60º e R e/ωL=0,578
Com o propósito de simplificar, a resistência do circuito R p p pode usualmente ser negligenciada, porque ela é pequena em comparação com a reatância do circuito X e. Pela Equação 53, temos, então: i
=−
E m
. cos(ϖ .t + φ ) +
E a
π
.( − ϖ .t ) X e X e 2 Os valores instantâneos instantâneos da corrente, arco e tensão de alimentação são delineados delineados na Figura 103 para vários valores de Ea/Em. Quando o ângulo Ø diminui para um valor crítico, igualmente Ea/Em aumenta até atingir um ponto quando E a igual a Em.senØ ou Equação 54-
161
quando Ea/Em=0,538. Quando E a/Em aumenta além deste valor, a corrente flui ao longo dos condutores para completar um meio-ciclo.
Figura 103- Formas de ondas de corrente do circuito mostrado na Figura 101, para vários valores de Ea/Em (R e=0)
Quando isto ocorre num circuito de um arco aberto, acontece a instabilidade, porque porque o arco arco se desion desioniza iza e, na na reversidade reversidade da tensão, tensão, esta esta é insuficie insuficiente nte para a reignação reignação do arco. O amperímetro mede a corrente no circuito, indicando o valor eficaz de I, que pode ser calculada calculada por integração integração do quadrado quadrado da corrente corrente ( Equação 54), dividindo o resultado por π, ou seja: Equação 55-
2
I
=
1 π
i .d ϖ t π ∫ 2
0
Temos 2 π 2 E a 2 E E a Equação 56 I = . 1 − 2 − ≈ . 1 − 1,178. . X e 12 E E X e ( válida unicamente para Ea/Em ≤ 0,76)
E
Esta Esta corren corrente, te, multipl multiplicad icadaa pelo pelo valor valor eficaz eficaz da tensão tensão do arco, arco, ben benefic eficia ia a potência, potência, que pode ser alterada dependendo dependendo a relação relação E a/Em. Assim, se a linha de tensão restar constante, a principal variável que controla a potência é a tensão do arco. A potência média P w, num arco de uma fase, é obtida por integração das potências instantâneas Pw, dividindo-as por π: 162
Equação 57 P w
= − E . m
E a X e
Equação 58-
Equação 59-
Pw=Ea.i 2
. cos(ϖ .t + φ ) +
E a
X e
π − ϖ .t onde temos: 2
.
π π π π P w = . X e .− E m ∫ cos(ϖ .t + φ ).d (ϖ t ) + . E a .∫ d (ϖ t ) − E a .∫ ϖ t .d (ϖ t ) π 2 0 0 0
E a
π
E a
2
π 2 E a 2 X e . 1 − . 8 E
= . E m .
P w
ou
Desde que E/X e seja igual a Ix (corrente de referência, atrás apontada), a potência média passa a ser: Equação 60-
P w
=
2. 2 π
π 2 E a 2 . I x . E a . 1 − . 2 E
O tempo potência na equação pode também ser expresso em ilimitados valores, que são função de E a/E. Assim: Equação 61-
P w .
2 π 2 E a 2 E a E a = 0,9. . 1 − . = 0,9. . 1 − 1,232. E E E 8 E
X e
E a
E 2
Os volt-ampères totais serão: Equação 62-
2
E E . I = . 1 − 1,178. a E E E a
De modo que o fator de potência F será: 0,9. E . E a / X e 1 − 1,232.( E a . E )2 = F = . Equação 63 E . I E 2 / X e 1 − 1,178.( E a / E )2 A nota F é usada para o fator de potência, porque o conceito do ângulo de fase não pode ser aplicado racionalmente racionalmente no caso da não senoidade(a senoidade(arco) rco) da tensão (isto é F ≠ cosØ). Para valores de E a/E<0,9: P w
Equação 64-
E F ≈ 0,9. a E
Introduzindo esta aproximação de F na Equação 61, obtêm-se: Equação 65-
P w .
X e 2
E
≈ F . (1 − 1,52.F 2
Esta equação nos é mostrada Figura 104. 163
Com base nos resultados obtidos, é possível construírem-se curvas características de fornos a arco em função de grandezas adimensionais I/I cc relativas aos diversos parâmetros parâmetros elétricos elétricos de funcionam funcionamento. ento.
Figura 104- Andamento da potência ativa absorvida por um forno a arco monofásico em função do cosØ(Pw.Xe/E2=cosØ.(1-1,5.cos 2Ø)1/2
Equação ão 56, Considerand Considerandoo Ea=0 (ele (eletro trodo do em curto curto-c -circ ircuit uito) o) e I cc=E/Xe da Equaç podemos podemos escrev escrever: er: 2
E I = I cc . 1 − 1,178. a , ou em forma adimensional: E Equação 66-
I I cc
2
E = 1 − 1,178. a E
A escolha das grandezas adimensionais torna as referidas curvas válidas para todos os fornos a arco monofásico ou trifásico (considerando-se somente uma fase). Para traçá-las bastará extrair-se da Equação 66 o valor de: E a E
2
I = 0,92. 1 − I cc
164
Da Equação 62 podemos considerar a potência aparente também como grandeza adimensional. Substituindo-se nas Equações 61,62 e 64 , teremos: P w .
X e E 2
2 I 2 I .o,85 = 0,9.0,92. 1 − . 1 − 1,232.1 − I cc I cc
Onde passamos a ter: 2
I a) Potê Potênc ncia ia ativ ativaa abs absor orvi vida da P w . 2 ≈ 0,828. . 1 − E I cc I cc I 2 X e I = . 0 , 85 b) Potência Potência aparente aparente P a . 2 = 1 − 1,178.1 − E I cc I cc X e
c) Potê Potênc ncia ia reat reativ ivaa P r .
X e E 2
I
2
I = P a . 2 . senφ = . 0,3 + 0,7. E I cc I cc X e
I
2
2
I I d) Fato Fatorr de de pot potên ênci ciaa cosφ = 0,9.0,92. 1 − = − 0 , 828 . 1 I cc I cc
A área de condução do funcionamento contínuo está compreendia, portanto, entre: 0,63 ≤
I I cc
≤1
A potência ativa torna-se máxima para cosØ=0,576, ou seja, para I/I cc=0,707. A máxima potência ativa que pode ser obtida por um forno a arco monofásico, conforme nos mostra o diagrama da Figura 105, e igual a 41% da potência de curtocircuito, a corrente limite é de 63% e o fator de potência de 0,65. As curvas curvas caracte característi rísticas cas para um forno forno trifásic trifásicoo achamacham-se se repres represent entadas adas na curvas dão-nos dão-nos o andamento andamento de forma forma análoga análoga as curvas do forno forno Figura 106. Estas curvas monofásico, porém com área de condução muito mais ampla.
165
Figura 105- Curvas características de um forno a arco monofásico (R u não linear)
Figura 106- Curvas características de um forno trifásico (R u não linear)
166
Para melhor compreensão dos fenômenos físicos e uma interpretação mais simples dos resultados resultados analíticos, o valor de R p p (resistência passiva) foi considerado igual a zero. Porém, em realidade, num fomo trifásico a resistência passiva R p p resulta em cerca de 10% a 20% do valor da reatância X e.
5.8- Gráficos de operação dos fornos a arco Através dos diagramas e curvas características que acabamos de falar e de outros que porventura possam haver, os construtores dos fornos elétricos fornecem para cada unidade construída um gráfico de operação,por cujo intermédio permitem ao pessoal operador operador do forno, em função da leitura de certos parâmetros parâmetros na cabine de controle controle do o fomo, conduzir o referido fomo com o melhor rendimento, performance e segurança. A freqüência da corrente tem que ser considerada constante, pela sua condição de geração. Porém, os restantes parâmetros, como potência real, potência aparente, potência reativa, corrente, tensão, fator de potência, reatância, resistências, etc., variam uns em relação aos outros, já que, por intermédio do trocador de "taps" (comutador de tensão) do primário do transformador, transformador, se permite permite variar a tensão de utilização utilização no forno. Independentemente, apesar da ligação trifásica entre os eletrodos através da carga ser em estrela, a ligação de entrada no primário do transformador pode ser em triângulo ou estrela. Isto permite aos fomos já preparados para estas duas ligações ligações duplicar o número de tensão de serviço fornecida através dos “taps”. A Figura 107 mostra-nos um gráfico de operação de um forno trifásico de 4600 kVA, para fabricação de ferro-ligas (ferro-silício), com a ligação entre transformadorforno, λ / ∆ (estrela-triângulo), com os valores entre fases, e fase e neutro, dados Tabela 18. Tabela 18-Valores entre fases
A ligação estrela-triângulo estrela-triângulo ( λ / ∆ ) acima anotada se refere às ligações dos enrolamentos do transformador, isto é, estrela ( λ ) no primário e triângulo ( ∆ ) no secundário.
167
Figura 107- Gráfico de operação de um forno trifásico de 4600 kVA
Exemplo: Ligado o “tap” 2 no transformador Tensão entre eletrodos = 75 volts Tensão entre eletrodos e carga = 43,4 volts Potência aparente (carga do forno) = 3180 kVA Corrente no secundário do transformador = 14450 ampères Corrente nos eletrodos do forno = 25000 ampères 168
Corrente nos primário do transformador = 180 ampères O fator de potência será de cosØ = 0,90 A Figura 108 mostra-nos um gráfico de operação de um forno trifásico de 6750 kVA para fabricação de ferro-ligas(ferro-manganês), com possibilidade de ligações entre transfo transformad rmador or e forno forno λ / ∆ (estrela-triâng (estrela-triângulo) ulo) e ∆ / ∆ (triângu (triângulo-t lo-triâng riângulo ulo), ), com os valores valores para os “taps” corresponde correspondentes ntes aos indicados indicados na tabela a seguir, seguir, também também com os respectivos valores da tensão entre fases e entre fase e neutro. Nota- As ligações ligações acima anotadas anotadas λ / ∆ (estrela-triângulo) e ∆ / ∆ (triângulo-triângulo), se referem às ligações do transformador (primário e secundário) Tabela 19- Ligações entre transformador e forno λ / ∆ (estrela-triângulo) e triângulo), com os valores para os “taps”
∆ / ∆ (triângulo-
Exemplo:
Ligação entre o transformador e o forno ∆ / ∆ (triângulo-triângulo); Ligação o “tap” nº5, do transformador; Tensão entre eletrodos (entre fases) = 102 volts; Tensão entre eletrodos e carga (entre fase e neutro) = 58,9 volts; Potência aparente = 4200 kVA; Potência real = 4000 kW; Fator de potência = cosØ = 0,95; Corrente no secundário do transformador = 23800 ampères; Corrente no primário do transformador = 72 ampères; Potência reativa = 1300 kVA; Densidade de corrente no eletrodo = 4,2 amp./cm 2.
Conforme o ábaco representado pela Figura 108, ou seja, de acordo com o detalhe do mesmo ábaco temos representada a Figura 109, a seguir indicada.
169
Figura 108- Ábaco da Potência Potência x corrente do secundário secundário
170
Figura 109- Ábaco da corrente em função do fator de potência
171
Figura 110- Corte seccional de uma usina de fabricação de ferro-ligas, com um forno de arco imergido de 39 MVA
Verificando matematicamente: Ligando o “tap 5” do primário do transformador do forno, a tensão entre fases do secundário será de 102 V e entre fases e a carga (fase e neutro) será de 58,9 V. A intensidade de corrente para 4000 kW será para cosØ= 0,95; P =
3. E .I . cosφ
4000000 = 23833,5 amp. 3. E . cosφ 3.102.0,95 A potência aparente será:
I =
P a
P
=
= 3. E . I = 3.102.23833,5 = 4210,6kVA
A potência reativa será, sendo Ø= 18º10’ e senØ = 0,31; P r
= 3. E . I . senφ = 3.102.23833,5.0,31 = 1305,3kVAr
A intensidade de corrente no primário do transformador é dependente da tensão que o alime alimenta nta.. Assim Assim no caso caso prese presente nte,, sendo sendo a tensã tensãoo do proi proimá mário rio de 33,76 33,7633 kV kV,, a intensidade de corrente será: I =
P
3. E . cosφ
=
4000000 = 72 A 3.(33763 .0,95)
Portanto, dados muito aproximados aos encontrados no ábaco. 172
6- Balanço de Massa 6.1- Dados de entrada Para que possamos realizar o balanço de massa para o Forno de Refino e necessário de alguns dados de entrada. Tabela 20- Dados de entrada para realizarmos o Balanço de Massa
Tabela 21- Análise química
173
6.2- Cálculos para o balanço de massa Agora com os dados anteriores iremos realizar o balanço de massa.
6.2.1- Massa de metal produzida no Forno de Refino Massa de Metal produzida no Forno de Refino (Ton) = Massa de granulado (Ton) + Massa de sucata gerada (Ton) Massa de Metal produzida no Forno de Refino (Ton) = 21,2 Ton + 3 Ton Massa de Metal produzida no Forno de Refino (Ton) = 24,20 toneladas
6.2.2- Consumo total de eletrodo por corrida Massa de eletrodo consumido (kg/corrida) = consumo de eletrodo (kg/ton) * Massa de Metal produzida no Forno de Refino (ton) Massa de eletrodo consumido (kg/corrida) = 7 kg/ton * 24,20 ton Massa de eletrodo consumido (kg/corrida) = 169,40 kg
6.2.3- Eletrodo utilizado no Forno de Refino Peso dos eletrodos (kg) = Peso de cada eletrodo (ton) * Quantidade de eletrodos utilizados no Forno de Refino (unidades) * 1000 Peso dos eletrodos (kg) = 1,6 ton * 3 unidades * 1000 Peso dos eletrodos (kg)= 4800 kg
6.2.4- Massa molar de carbono no Eletrodo utilizado no Forno de Refino Massa molar C = (Peso dos eletrodos (kg) *1000*Análise química C(%)/100)/Peso molecular do C Massa molar C = (4800 kg *1000*95%/100)/12,01 Massa molar C = 379683,597 moles
6.2.5- Massa molar de enxofre no Eletrodo utilizado no Forno de Refino Massa molar S = (Peso dos eletrodos (kg) *1000*Análise química S(%)/100)/Peso molecular do S Massa molar S = (4800 kg *1000*5%/100)/32,06 Massa molar S = 7485,964 moles
6.2.6- Balanço de Massa do Carbono Entrada = Massa de carbono no Metal Elkem + Massa de carbono na$ Sucata + Massa de carbono do eletrodo consumido Saída = Massa de carbono dos gases de Fumo (CO 2) + Massa de carbono do Metal Produzido no Forno de Refino 174
Entrada =(( Massa de Metal do Elkem (Ton/corrida) * Análise de C no Metal Elkem (%)/100) + (Massa de Sucata acrescentada (Ton/corrida) * Análise de C na Sucata (%)/100))*1000 + Massa de eletrodo consumida (kg/corrida) *Análise de C no eletrodo (%)/100 Entrada = (( 23,22 Ton/corrida * 0,034 % / 100) + ( 2,3 Ton/corrida * 0,034 % / 100))*1000 + 169,40 kg/corrida * 95,0 % / 100 Entrada = 15,33 kg/corrida Saída = Massa de carbono dso gases de Fumo (CO 2) + Massa de carbono do Metal Produzido no Forno de Refino Massa de carbono do Metal Produzido no Forno de Refino = (Análise de C no Metal Produzido no Forno de Refino (%)/100)*Massa de Metal Produzido no Forno de Refino*1000 Massa de carbono do Metal Produzido no Forno de Refino = ( 0,014%/100)* 24,29 ton/corrida * 1000 Massa de carbono do Metal Produzido no Forno de Refino = 3,388 kg/corrida
Entrada = Saída Saída = Massa de carbono do gases de Fumo (CO 2) + Massa de carbono do Metal Produzido no Forno de Refino Massa de carbono dos gases de Fumo (CO 2) = Entrada (kg/corrida) - Massa de carbono do Metal Produzido no Forno de Refino (kg/corrida) Massa de carbono dos gases de Fumo (CO 2) = 15,33 kg/corrida – 3,388 kg/corrida Massa de carbono dos gases de Fumo (CO 2) = 11,94 kg/corrida Massa de CO2 = Massa de carbono dos gases de Fumo (CO 2) (kg/corrida) * ((Peso molecular de C + 2* Peso molecular de O)/Peso molecular de C) Massa de CO2 = 11,94 kg/corrida * ((12,01+2*16)/12,01) Massa de CO2 = 43,75 kg/corrida Massa molar de CO 2 = Massa de CO2 * 1000 / (Peso molecular de C + 2*Peso molecular de O) Massa molar de CO 2 = 43,75 kg/corrida * 1000 / ((12,01+2*16) Massa molar de CO 2 = 994,07 moles/corrida Massa molar de O2 = Massa molar de CO2 Massa molar de O 2 = 994,07 moles/corrida
6.2.7- Balanço de Massa de Fósforo Entrada= Massa de Fósforo na Massa de Metal do Elkem + Massa de Fósforo na Massa de sucata acrescentada Saída = Massa de Fósforo na Massa de escória + Massa de Fósforo no Metal Produzido no Forno de Refino Entrada = [((Análise de P no Metal Elkem (%)/100) * Massa de Metal Elkem (Ton/corrida))+((Análise de P na Massa de sucata arescentada(%)/100) * Massa de sucata acrescentada(Ton/corida))]*1000
175
Entrada = [(0,045%/100) * 23,22 Ton/corrida)+((0,045%)/100) * 2,3 Ton/corrida)]*1000 Entrada = 11,48 kg/corrida Massa de P no Metal Refino = Massa de Metal Produzido no Forno de Refino (Ton/corrida) * 10 * Análise de P no Metal Produzido No Forno de Refino(%) Massa de P no Metal Refino = 24,20 Ton/corrida * 10 * 0,008% Massa de P no Metal Refino = 1,94 kg/corrida
Entrada = Saída Saída = Massa de Fósforo na Massa de escória + Massa de Fósforo no Metal Produzido no Forno de Refino Massa de Fósforo na Massa de escória = Entrada – Massa de P no Metal Refino Massa de Fósforo na Massa de escória = 11,48 kg/corrida – 1,94 kg/corrida Massa de Fósforo na Massa de escória = 9,55 kg/corrida Massa de escória = Massa de P na Massa de Escória/(Análise de P na massa de escória(%)/100) Massa de escória = (9,55 kg/corrida)/(0,4%/100) Massa de escória = 2387 kg/corrida Massa molar de P2O5 na escória = (Massa de P na escória * 1000 * ((2 * Peso molecular de P + 5 * Peso molecular de O)/(Peso molecular de P))) /(2 * Peso molecular de P + 5 * Peso molecular de O) Massa molar de P2O5 na escória = (9,55 kg/corrida * 1000 * ((2 * 30,97 + 5 * 16) / (30,97))) / (2 * 30,97 +5 *16) Massa molar de P 2O5 na escória = 308,30 moles/corrida Massa molar de 4CaO.P 2O5 na escória = 308,30 moles/corrida
6.2.8- Balanço de Massa de Níquel Entrada = Massa de Níquel na Massa de Metal do Elkem + Massa de Níquel na massa de sucata acrescentada Saída = Massa de Níquel Níquel na Massa de Escória + Massa de Níquel no Metal Metal Produzido no Forno de Refino Entrada = Massa de Níquel na Massa de Metal do Elkem + Massa de Níquel na massa de sucata acrescentada Entrada = ((Análise de Ni no Metal do Elkem (%) / 100) * Massa de Metal do Elkem (ton/corrida)) + (Massa de sucata acrescentada * Análises Ni na massa de sucata acrescentada (%) / 100))*1000 Entrada = ((33,05 % / 100) * 23,22 Ton/corrida) + (2,3 Ton/corrida * 33,05 % / 100))*1000 Entrada = 8434,36 kg/corrida Massa de Níquel no Metal Produzido no Forno de Refino = (Massa de Metal Produzido no Forno de Refino (Ton/corrida) * Análise de Ni no Metal Produzido no Forno de Refino (%)/100) * 1000 176
Massa de Níquel no Metal Produzido no Forno de Refino = (24,20Ton/corrida * 34,85%/100) * 1000 Massa de Níquel no Metal Produzido no Forno de Refino = 8433,70 kg/corrida Massa molar de Ni no Metal Produzido no Forno de Refino = Massa de Níquel no Metal Produzido no Forno de Refino * 1000/Peso molecular do Ni Massa molar de Ni no Metal Produzido no Forno de Refino = 8433,70 * 1000 / 58,69 Massa molar de Ni no Metal Produzido no Forno de Refino = 143699,10 moles/corrida
Entrada = Saída Saída = Massa de Níquel Níquel na Massa de Escória + Massa de Níquel no Metal Metal Produzido no Forno de Refino Massa de Níquel na Massa de Escória = Entrada - Massa de Níquel no Metal Produzido no Forno de Refino Massa de Níquel na Massa de Escória = 8434,36 kg/corrida – 8433,70 kg/corrida Massa de Níquel na Massa de Escória = 0,66 kg/corrida Massa molar de Ni na Massa de Escória = Massa de Ni na Massa de Escória * 1000 / Peso molecular do Ni Massa molar de Ni na Massa de Escória = 0,66 kg/corrida* 1000 / 58,69 Massa molar de Ni na Massa de Escória = 11,25 moles/corrida Massa molar de NiO na Massa de Escória = Massa molar de Ni na Massa de Escória
Massa molar de NiO na Massa de Escória = 11,25 moles/corrida Massa molar de O2 na Massa de Escória = Massa molar de NiO na Massa de Escória/2 Massa molar de O 2 na Massa de Escória = 5,62 moles/corrida
6.2.9- Balanço de Massa de Ferro Entrada = Massa de Ferro na Massa de Metal do Elkem + Massa de Ferro na massa de sucata acrescentada Saída = Massa de Ferro Ferro na Massa de Escória + Massa de Ferro no Metal Metal Produzido no Forno de Refino Entrada = Massa de Ferro na Massa de Metal do Elkem + Massa de Ferro na massa de sucata acrescentada Entrada = ((Análise de Fe no Metal do Elkem (%) / 100) * Massa de Metal do Elkem (ton/corrida)) + (Massa de sucata acrescentada * Análises Fe na massa de sucata acrescentada (%) / 100))*1000 Entrada = ((66,074 % / 100) * 23,22 Ton/corrida) + (2,3 Ton/corrida * 66,074 % / 100))*1000 Entrada = 16862,08 kg/corrida Massa molar de Fe na entrada = Entrada*1000/Peso molecular de Fe 177
Massa molar de Fe na entrada = 16862,08 kg/corrida * 1000/55,85 Massa molar de Fe na entrada = 301917,36 moles/corrida Massa de Fe no Metal produzido no Forno de Refino = ((Análise de Fe no Metal produzido produzido no no Forno Forno de Refino (%) / 100)*M 100)*Massa assa de Metal Produz Produzido ido no Forno de Refino Refino (Ton/corrida))*1000 Massa de Fe no Metal produzido no Forno de Refino = ((64,363%) / 100)*24,20 Ton/corrida)*1000 Massa de Fe no Metal produzido no Forno de Refino = 15575,85 kg/corrida Massa molar de Fe no Metal produzido no Forno de Refino = Massa de Fe no Metal produzido no Forno de Refino * 1000 / Peso molecular de Fe Massa molar de Fe no Metal produzido no Forno de Refino = 15575,85 * 1000 / 55,85 Massa molar de Fe no Metal produzido no Forno de Refino = 278887,13 moles/corrida
Entrada = Saída Saída = Massa de Ferro Ferro na Massa de Escória + Massa de Ferro no Metal Metal Produzido no Forno de Refino Massa de Ferro na Massa de Escória = Entrada - Massa de Ferro no Metal Produzido no Forno de Refino Massa de Ferro na Massa de Escória = 16862,08 kg/corrida – 15575,85 kg/corrida Massa de Ferro na Massa de Escória = 1286,24 kg/corrida Massa de FeO na Massa de Escória = Massa de Ferro na Massa de Escória* (Peso molecular FeO/Peso molecular de Fe) Massa de FeO na Massa de Escória = 1286,24 kg/corrida* ((55,85+16)/55,85) Massa de FeO na Massa de Escória = 1654,72 kg/corrida Massa molar de FeO na Massa de Escória = Massa de FeO na Massa de Escória * 1000 / Peso molecular de FeO Massa molar de FeO na Massa de Escória = 1654,72 kg/corrida * 1000 / (55,85+16) Massa molar de FeO na Massa de Escória = 23030,24 moles/corrida Massa molar de O2 = Massa molar de FeO na Massa de Escória/2 Massa molar de O 2 = 11515,12 moles/corrida
6.2.10- Balanço de Massa do Enxofre Entrada = Massa de S do Metal Elkem + Massa de S na Massa de sucata acrescentada + Massa de S no eletrodo consumido no Refino Saída = Massa de S na escória + Massa de Enxofre no Metal Produzido no Forno de Refino + Massa de S nos gases Entrada = Massa de S do Metal Elkem + Massa de S na Massa de sucata acrescentada + Massa de S no eletrodo consumido no Refino 178
Entrada = ((Análise de S no Metal do Elkem (%) / 100) * Massa de Metal do Elkem (ton/corrida)) + (Massa de sucata acrescentada * Análises S na massa de sucata acrescentada (%) / 100))*1000 + (Análise de S no Eletrodo consumido (%) / 100) * Massa de eletrodo consumido (kg/corrida) Entrada = ((0,045% / 100) * 23,22 Ton/corrida) + (2,3 Ton/corrida * 0,137 % / 100))*1000 + ( 5% / 100) * 169,40kg/corrida Entrada = 43,43 kg/corrida Massa de S na Escória = Massa de escória * análise de S na escória (%)/100 Massa de S na Escória = 2387,00 kg/corrida * 0,1%/100 Massa de S na Escória = 2,39 kg/corrida Massa molar de S na Escória = Massa de S na Escória * 1000 / Peso molecular de S Massa molar de S na Escória = 2,39 kg/corrida * 1000 / 32,06 Massa molar de S na Escória = 74,45 moles/corrida Massa molar de CaSO 4 na Escória = Massa molar de S na Escória Massa molar de CaSO 4 na Escória = 74,45 moles/corrida Massa de CaSO4 na Escória = Massa molar de CaSO4 na Escória * Peso molecular de CaSO4/ 1000 Massa de CaSO 4 na Escória = 10,14 kg/corrida Massa de S no Metal Produzido no Forno de Refino = (Massa de Metal Produzido no Forno de Reino ( Ton/corrida) * 1000 * Análise de S no Metal Produzido no Forno de Refino (%))/100) Massa de S no Metal Produzido no Forno de Refino = 24,20 Ton/corrida * 1000 * 0,075%/100 Massa de S no Metal Produzido no Forno de Refino = 18,15 kg/corrida
Entrada = Saída Massa de S retirado do metal = Entrada – Massa de S no Metal Produzido no Forno de Refino Massa de S retirado do metal = 43,43 kg/corrida – 18,15 kg/corrida Massa de S retirado do metal = 25,28 kg/corrida Massa de S nos gases = Massa de S retirado do metal – Massa de S na escória Massa de S nos gases = 25,28 kg/corrida – 2,39 kg/corrida Massa de S nos gases = 22,90 kg/corrida Massa de SO2 nos gases = Massa de S nos gases * (Peso molecular de SO 2/Peso molecular de S) Massa de SO2 nos gases = 22,90 kg/corrida * ((32,06+2*16)/32,06) Massa de SO2 nos gases = 45,75 kg/corrida Massa molar de SO2 nos gases = Massa de SO 2 nos gases * 1000 / Peso molecular de SO2 179
Massa molar de SO2 nos gases = 45,75 kg/corrida * 1000 / (32,06+2*16) Massa molar de SO 2 nos gases = 714,14 moles/corrida
6.2.11- Balanço de Massa do Oxigênio Entrada = O2 do sopro de oxigênio Saída = O2 das reações de oxidação Massa molar de O2 na oxidação = 5 * Massa molar de P 2O5 + Massa molar de CaOSO3 * 3 + Massa molar de O2 (Balanço CO2) + Massa molar de O2 (Balanço de Ni) + Massa molar de O2 (Balanço de Fe) Massa molar de O 2 na oxidação = 14279,67 moles/corrida Massa de O2 na oxidação = Massa molar de O2 na oxidação / (1000 * Peso molecular O2) Massa de O2 na oxidação = 14279,67 moles/corrida / (1000*2*16) Massa de O2 na oxidação = 456,95 kg/corrida Massa de O2 injetado = Massa de O2 na oxidação/(pureza do O2 (%)/100) Pureza de O2= 98% Massa de O2 injetado = 456,95 kg/corrida/(98%/100) Massa de O2 injetado = 466,27 kg/corrida
6.2.12- Balanço de Massa de CaO Entrada = Massa de cal + massa de cal hidratada Saída = Reações de desfosforação e dessulfuração + cal em excesso Massa de CaO na escória = Massa de escória * Análise de CaO na escória (%)/100 Massa de CaO na escória = 2387,00 kg/corrida * 41,976% / 100 Massa de CaO na escória = 1001,97 kg/corrida OBS: massa de cal que reagiu Massa de CaO adicionada – reativa = Massa de CaO / Análise de CaO na Cal (%) / 100 Massa de CaO adicionada – reativa = 1001,97 kg/corrida / 99 % / 100 Massa de CaO adicionada – reativa = 1012,09 kg/corrida Massa de CaO total = Massa de CaO adicionada – reativa + (Massa de CaO adicionada – reativa*(1-Reatividade da cal(%)/100) Massa de CaO total =1012,09 + 1012,09*(100-98)/100 Massa de CaO total = 1032,33 kg/corrida Massa molar de CaO total = Massa de CaO total (kg/corrida) * 1000 / Peso molecular de CaO Massa molar de CaO total = 1032,33kg/corrida * 1000/ (40,08+16) Massa molar de CaO total = 18408,18 moles/corrida A quantidade de dessulfuração e desfosforação não dependem diretamente da estequiometria da reação. Visto que a quantidade de P e S são muito baixas na quantidade 180
da mass massaa de meta metall líqu líquid ido. o. As reaç reaçõe õess fica ficam m muit muitoo depe depend ndeentes ntes da ciné cinéti tica ca e homogeneização do líquido (reação por difusão- reação muito lenta). Para melhorar as chances de uma molécula de CaO entrar em contato com o S ou P colocamos uma quantidade de CaO em excesso. Para que possamos melhorar estas reações químicas podemos homogeneizar o liquido para aumentar a probabilidade da ocorrência das reações de desfosforação e dessulfuração.
6.2.13- Balanço de Massa de CaO seguindo a estequiometria da reação Massa molar de CaO para dessulfuração = Massa molar de CaO (balanço de S) Massa molar de CaO para dessulfuração = 74,45 moles/corrida Massa molar de CaO para desfosforação = Massa molar de CaO (balanço de P) Massa molar de CaO para desfosforação = 1233,19 moles/corrida Massa molar molar de CaO total = Massa molar molar de CaO para dessulfuração dessulfuração + Massa molar de CaO para desfosforação Massa molar de CaO total = 1307,65 moles/corrida Massa de CaO estequiométrica = Massa molar de CaO total* Peso molecular de CaO/1000 Massa de CaO estequiométrica = 1307,65 moles/corrida * (40,08+16) / 1000 Massa de CaO estequiométrica = 73,33 kg/corrida %(CaO escória/ estequiométrico) = (Massa de CaO estequiométrica/ Massa de CaO na Escória) *100 %(CaO escória/ estequiométrico) = (73,33 kg/corrida/ 1001,97 kg/corrida) *100 %(CaO escória/ estequiométrico) = 7,32 % Massa de CaO em excesso para ocorrer as reações = Massa de CaO na Escória – Massa de CaO estequiométrica Massa de CaO em excesso para ocorrer as reações = 1001,97 kg/corrida – 73,33 kg/corrida Massa de CaO em excesso para ocorrer as reações = 928,64 kg/corrida OBS: Esta diferença se deve pela falta de homogeneização e cinética de reação ( as reações com o modelo de difusão são muito lentas)
7- Balanço Térmico 7.1- Dados de entrada
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Para que possamos realizar o balanço térmico para o Forno de Refino e necessário de alguns dados de entrada. Tabela 22- Dados de entrada para realizarmos o Balanço Térmico
Tabela 23- Base de cálculo para realizarmos o Balanço Térmico
7.2- Cálculos para o Balanço Térmico Agora com os dados anteriores iremos realizar o Balanço Térmico.
7.2.1- Entradas de energia
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7.2.2- Saídas de energia
7.2.2- Perca de energia
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Bibliografia Fornos Elétricos a arco; Eletrotermia Vol I e II Autor Prof. José Joaquim Cardoso Editora: Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto
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