O autor é da Otto Junker GmbH, da Alemanha. O artigo Einfluss der
Betriebs – und Fahrweise auf den Energieverbrauch bein induktiven Schmelzen von Gusseisen foi originalmente publicado na revista alemã Giesserei 93, de abril de 2.006, pp. 64-69. Reprodução autorizada pelo editor. Tradução de Themistocles Rodrigues Júnior.
INFLUÊNCIA DO MODO DE OPERAÇÃO E
DA CONDUÇÃO SOBRE O CONSUMO DE
ENERGIA NA FUSÃO INDUTIVA.
O consumo médio de energia real acima de 700 kWh/t para a fusão de ferro fundido oferece um grande potencial de economia para as fundições. Além disso, o consumo adicional pode ser reduzido adotando-se a tecnologia de instalações de média freqüência e algumas medidas fundamentais, descrita neste trabalho.
A tecnologia otimizada de instalações de média freqüência garante um mínimo de perdas térmicas e elétricas e, por meio de registro exato do peso da carga, cálculo e alimentação da quantidade de energia necessária, obtidos com o auxílio do processador de fusão e da condução exata controlada por computador, consegue alcançar excelentes condições para a fusão com baixo consumo de energia.
O aproveitamento pleno das vantagens desta tecnologia possibilita a condução e a operação correta, o manuseio seguro e confiável das instalações e o melhor dimensionamento das instalações do forno.
Com isso consegue-se obter um rendimento total da instalação de forno acima de 75%. Desta forma, o consumo de energia para a fusão de ferro fundido até uma temperatura de 1.500°C é da ordem de 490 a 520 kWh/t com um valor da entalpia de 390 kWh/t (tabela 1).
No entanto, os dados práticos mostram que o consumo médio de energia para a fusão de ferro fundido nas fundições situa-se bem acima disso. É relatado um valor médio de 718 kWh/t nas fundições inglesas [1] e, na França, a avaliação estatística resultou em um valor maior de 855 kWh/t [2]
.
Nestes dois casos, existe um grande potencial de economia no consumo de energia. Por meio da utilização de instalações de fusão de média freqüência modernas, e também da alteração do modo de operação e da condução, é possível obter uma redução significativa do consumo de energia. Pode-se economizar até 20% no consumo de energia com a melhora do modo de operação e da condução em instalações de fornos existentes. Particularmente em épocas com preço de energia crescentes, surge uma possibilidade importante para amortecer os custos.
Tabela 1 – Necessidade de energia e perdas elétricas e térmicas por fusões indutivas de ferro fundido.
Exemplo: forno de cadinho de média freqüência 8.000 kg/8.000 kW/250 Hz Ferro fundido: 1.500°C Requisito de energia kW/t 390 Perdas de energia Transformador 7 Conversor de freqüência 18 Transmissão (cabos/barramentos) 9 Bobina 77 Yoke 4 Perda térmica 11
Soma das perdas 126
Consumo de energia 516
Rendimento total 75,5%
Influência do modo de operação e da condução.
Antes de tratar do consumo de energia para a fusão de modo mais detalhado, também deve ser mencionado que os equipamentos auxiliares e unidades complementares em uma instalação de fusão com fornos de indução tais como a instalação de captação e material particulado fino a seco, o sistema de recirculação da água de arrefecimento com refrigerador a ar ou torre de resfriamento, as unidades hidráulicas e de bombeamento e o dispositivo de carga do forno também consome energia, porém em quantidade bem menor em comparação com a demanda de energia para a fusão. Desta forma, a soma par uma instalação de alta potência com uma produção acima de 15 t/h fica abaixo de 10 kWh/t (figura 1), ou seja, alcançada cerca de 2% do consumo de energia para a fusão.
Fig. 1 – Consumo de energia dos equipamentos auxiliares de uma instalação de fusão indutiva com capacidade de 15 t/h.
Materiais da carga e de adição.
O cálculo preciso da composição necessária da carga com base nos valores dos materiais que a compõem, a pesagem e a dosagem exata dos materiais da carga e dos aditivos de liga com inclusão
das correções entre o peso previsto e o peso real são as condições básicas para evitar gastos de tempo e energia adicionais na operação de fusão.
A alimentação de material limpo e seco da carga vale a pena, pois a escorificação da areia aderente ao material metálico reciclado sem jateamento, por exemplo, requer a mesma quantidade de energia específica da fusão de ferro, isto é, em torno de 500 kWh/t.
Para o caso de uma quantidade real de 25 kg de areia aderente por tonelada de ferro, a quantidade de energia seria de pelo menos 12,5 kWh/t. Por outro lado, a areia aderente aumenta naturalmente a quantidade de escória.
A influência do material de carga enferrujado é ainda mais grave, pois o péssimo acoplamento eletromagnético resulta em uma absorção de energia muito baixa e aumenta consideravelmente o tempo de fusão.
O consumo de energia e os tempos de carga para a fusão de sucata de aço limpa e fortemente enferrujada foram determinados em ensaios comparativos [1]. A sucata de aço enferrujada necessitou o dobro e mesmo até o triplo do tempo de fusão e resultou em um aumento do consumo de energia de 40% até 60%, como fica evidente pelos resultados apresentados na tabela 2.
Tabela 2 – Influência da quantidade da sucata sobre o consumo de energia a 1.500/C. Fonte [1].
Material da carga Peso (kg) Tempo (min) min/kg Energia (kWh) Consumo (kWh/t) Comparação de tempo (%) Comparação de energia (%) Sucata de aço limpa 250 75 0,3 210 840 100 100 Sucata de aço
enferrujada 200 185 0,93 270 1350 310 160 Sucata de aço
enferrujada 275 192 0,7 335 1280 233 145
Mesmo quando estes valores representam um caso extremo fica evidente que a influência desfavorável do material de carga enferrujado se torna considerável. Adicionalmente, ocorre uma maior quantidade de desperdícios e escória, de modo que o emprego de material enferrujado deve ser evitado quando possível.A densidade de compactação do material alimentado influencia fortemente a magnitude do acoplamento eletromagnético e, portanto, a absorção de energia elétrica pelo material da carga. Disto resultam diferentes tempos de carga, em dependência da absorção de energia e, conseqüentemente, diferentes valores de consumo de energia.
Esta relação foi examinada em uma instalação de fusão de média freqüência e alta potência, sob condições de produção baseadas em cargas com diferentes densidades de compactação. Os testes foram realizados em uma instalação de fusão com capacidade de 10 toneladas e potência nominal de 8.000 kW em 250 Hz.
O forno vazio foi carregado uma vez com a composição predeterminada da carga, composta de ferro gusa, sucata de fundição, material reciclado, sucata de aço e fundentes. Depois disso, foi efetuada a fusão até 1.380°C sem recarregamento e o consumo de energia foi determinado.
Por causa das diferentes dimensões do material reciclado e da sucata de aço, as densidades de compactação ficaram na faixa de 2 a 2,7 t/m3. Os resultados indicam que o consumo de energia aumenta em aproximadamente 25 kWh, uma diminuição da densidade de compactação de 2,5 t/m3 para, 2,0 t/m3 (figura 2).
Fig. 2 - influência da densidade do pacote dos materiais de carga sobre o consumo de energia.
Por este motivo, é aconselhável fragmentar o material volumoso reciclado, apesar das despesas adicionais para obtenção de uma maior densidade de compactação. Desta forma, a alimentação é facilitada e, ao mesmo tempo, o risco de formação de pontes dentro do forno é reduzido.
O exemplo de uma fundição americana [3] mostra que é possível, n prática, economizar dinheiro com esta medida, apesar do fato da fragmentação do material reciclado naturalmente gerar custos.
Simultaneamente, deve ser dada importância a uma alimentação rápida e contínua do material da carga, no sentido de economizar tempo e energia. Para isso, deve-se procurar obter sempre um alto grau de enchimento.
Os pré-requisitos para isto são estabelecidos com o emprego de calhas vibratórias móveis em conjunto com um silo, o que possibilita o alojamento da carga inteira. A utilização de uma coifa de exaustão, localizada bem perto da calha, reduz as perdas por radiação e garante uma boa captação simultânea dos gases do forno.
Fusão de cavacos.
Em razão do crescimento da demanda de peças acabadas e, conseqüentemente, do aumento da usinagem mecânica das peças fundidas internamente nas fundições, surgem constantemente maiores quantidades de cavacos, que devem ser utilizados na própria instalação de fusão.
O forno a indução sem núcleo é muito bem apropriado para a fusão de cavacos de usinagem em comparação com outros processos de fusão. Como a usinagem de peças de ferro fundido cinzento é realizada geralmente sem o emprego de fluidos refrigerantes, os cavacos são limpos e secos e podem ser fundidos sem outro tratamento preliminar.
O contato elétrico entre cavacos não é bom, por causa da pequena superfície de contato e da oxidação superficial, apesar da boa densidade de compactação. Por este motivo, deve-se trabalhar na fusão de cavacos sempre com um pé de metal fundido (lastro) maior que 40%.
No modo de operação sem lastro, pode-se contar com uma demanda de energia adicional de 59 kWh/t para a fusão de cavacos, o que não acontece no caso de materiais em pedaços maiores; o tempo de fusão aumento simultaneamente.
A alimentação dos cavacos para o pé de metal fundido pode ser realizada tanto de modo contínuo ou enchendo-se o forno com cavaco até a altura da bobina ativa.
O enchimento completo do forno sem sobrecarregá-lo economiza de 2% a 3% de energia e reduz os desperdícios. No entanto, existe o risco da formação de pontes no material da carga.
Quando a dosagem consiste apenas parcialmente em cavacos, o material compacto deve ser alimentado e fundido no começo. Em seguida, os cavacos podem ser colocados em cima do pé de metal fundido formado.
Carburação.
A maneira e a forma de adicionar o agente de carburação também influenciam no consumo de energia, de acordo com as referências bibliográficas 4 e 5. Ambas podem resultar em um consumo adicional distinto de energia, caso o agente de carburação não seja adicionado no início do processo de fusão juntamente com os materiais metálicos da carga, mas somente no banho líquido após a fusão do material.
As próprias experiências práticas são baseadas no fato de que, no último caso, existe uma demanda adicional de energia em torno de 1 kWh a 2 kWh por quilo de agente de carburação. Portanto, com um valor real de 2% de agente de carburação, pode-se esperar um consumo adicional máximo de 40 kWh por tonelada de ferro. O valor médio de 70 kWh por tonelada de ferro, mencionado em algumas publicações para a carburação, não é plausível.
Quando a dosagem do agente de carburação é efetuada em conjunto com o restante do material da carga, ele deve ser realizado de modo proporcional à carga, para evitar um aumento desnecessário do teor de carbono no banho fundido em formação, o que resultaria num maior desgaste do cadinho.
A utilização de agentes de carburação de granulação muito fina e de baixa quantidade, que apresentam a tendência de aderir na parede do cadinho, também deve ser evitada. Em tais casos, podem-se esperar erosões locais do cadinho.
Adicionalmente é necessário observar que a adição de portadores de silício deve ser realizada após a carburação, na medida do possível, pois a solubilidade de carbono se torna menor com um teor crescente de silício no ferro e os desperdícios tornam-se maiores.
Dentro deste contexto, deve-se mencionar que os valores de entalpia de material reciclado e de ferro fundido sintético apresentam diferenças significativas. Na fusão de ferro fundido sintético (sucata de aço, agente de carburação, portadores de silício), pode-se contar com um consumo adicional de 8% a 15%, em comparação com a fusão de material reciclado homogêneo [6].
Condução da instalação de fusão.
De acordo com considerações teóricas, a condução do forno com potência elétrica máxima disponível e, portanto, com alta densidade de energia, é a mais favorável em termos energéticos.
O rendimento global de uma instalação de fusão também depende decisivamente da relação entre o valor da conservação de calor e a potência nominal, conforme a equação a seguir:
ηηηη’total = ηηηη’elétrico
(1 – valor de conservação do calor) potência nominal
Desta forma, o consumo de energia se torna menor com uma potência nominal crescente para o mesmo tamanho do forno.
Os ensaios sistemáticos realizados confirmam que o tempo de carga fica mais curto, as perdas térmicas diminuem e, consequentemente, o consumo de energia fica menor.
Com base no diagrama de potência calculado de um forno de 12 toneladas (figura 3), fica evidente que o consumo de energia cresce de modo exponencional com uma densidade de energia decrescente, pois a porção de energia para a compensação das perdas térmicas estáticas aumenta desproporcionalmente com uma densidade de energia muito baixa.
Fig. 3 – Diagrama de potência de uma instalação em um forno de 12 toneladas.
A comparação entre uma fusão com 6.000 kW ou 3.000 kW (figura 3) mostra pelo menos uma diferença de 20 kWh/t no consumo de energia. Esta vantagem energética pode ser aproveitada na mudança de instalações com freqüência de rede para as de média freqüência, pois a potência máxima de alimentação no primeiro caso, para este tamanho de forno, é limitada em 3.000 kW.
O emprego da tecnologia de média freqüência possibilita uma fusão sem pé de metal fundido e a fundição de material e, pedaços pequenos. Devido ao melhor acoplamento eletro-magnético do material sólido da carga (o que vale apenas para materiais ferrosos), necessita-se 8% a menos de energia em uma operação de carga pura, já que é possível alcançar um rendimento da bobina substancialmente maior até o ponto de Curie (figura 4).
Esta vantagem pode ser aproveitada na tecnologia de média freqüência, porque nas instalações com freqüência de rede a partida somente pode ser realizada com o auxílio de um lastro.
Na mudança da tecnologia com freqüência de rede para a de média freqüência, a maior densidade de energia possível e o melhor rendimento da bobina na operação de carga resultam em uma economia de energia total de 12% a 15%.
A energia térmica acumulada em um forno de cadinho, isto é, a energia necessária para aquecer um forno frio para o estado de armazenagem plena de calor, é normalmente de 3 a 5 vezes maior do que a demanda de energia para a conservação de calor dentro de um período comparável.
Desta forma, a energia térmica acumulada em um forno de 8 toneladas alcança 800 kWh, o que significa que para a fusão da carga em um forno frio, são necessários 100 kWh/t de energia adicional em relação à fusão em um forno com calor armazenado (figura 5).
Fig. 5 – Calor acumulado e valor da conservação de calor em função do tamanho do forno.
Como a conservação de calor do banho fundido necessita de apenas 25 kWh/tonelada por hora – somente um quarto da correspondente ao forno frio – faz sentido manter o forno aquecido por meio de um pé de metal fundido e não resfria-lo no caso de interrupções e pausa menores que 4 horas.
Além disso, deve-se considerar que o mais favorável para vida útil do revestimento refratário, em qualquer caso, é manter constantemente o forno na temperatura operacional, evitando-se que ele seja resfriado e novamente aquecido.
Influências negativas de períodos de conservação de calor mais prolongados sobre a qualidade metalúrgica não são normalmente registradas, graças à tecnologia moderna de tratamento e inoculação.
A energia é desperdiçada quando o forno é operado com a tampa aberta por um período maior do que o necessário. Neste caso, a baixa perda térmica (de apenas 140 kWh, por exemplo) em um forno de 8 toneladas aumenta para 400 kWh , consumindo adicionalmente 4 kWh por cada minuto de tempo de abertura. Em 20 minutos, isto resulta em pelo menos 80 kWh por carga ou em um consumo adicional de 10 kWh/t.
Energia desnecessária é “aspirada” do forno quando a instalação de exaustão trabalha constantemente com potência máxima e sem estrangulamento, mesmo quando não for preciso aspirar gases de fumaça ou quando ela ocorre apenas em pequena quantidade. O consumo adicional pode assumir uma dimensão de 3% nos casos mais desfavoráveis. Isto corresponde a 15 kWh/tonelada de ferro.
O próximo ponto refere-se ao superaquecimento do ferro, já que um aumento da temperatura de 50 K requer uma energia em torno de 20 kWh. Na utilização do processador de fusão do tipo Joks (Junker Ofen Kontroll System ou Sistema de Controle de Forno Junker) é possível manter a temperatura final dentro da faixa de 5 K e evitar o superaquecimento desnecessário.
Revestimento refratário.
A espessura de parede do revestimento cerâmico do forno – na fusão de ferro fundido, utilizam-se quase exclusivamente massas de quartzito – sempre representa um compromisso entre
um bom isolamento térmico, como também uma proteção mecânica adequada da bobina e um bom acoplamento eletromagnético entre ela e o metal fundido.
Uma espessura decrescente melhora o rendimento da bobina e a absorção de energia torna-se maior, porém ocorre ao mesmo tempo um aumento das perdas térmicas através da parede mais fina do cadinho. Entretanto, as paredes da bobina ficam muito acima das perdas térmicas, sendo sua influência e fator dominante.
Nos ensaios [1], foi constatada a redução distinta do consumo de energia com a espessura decrescente do revestimento (tabela 3).
Tabela 3 – Consumo de energia em função do desgaste do revestimento cerâmico. Fonte [1].
Forno de cadinho a indução de 3 t; 700 kW/ferro fundido.
Potência de entrada (kW) Consumo de energia (kWh/t) Comparação de energia (%) Revestimento novo 615 656 100 Tempo de operação de 1 semanas 350 622 85 Tempo de operação de 3 semanas 750 598 91
Com um tempo de operação crescente e, conseqüentemente, uma erosão progressiva do revestimento, o consumo de energia é reduzido em quase 10% depois de 3 semanas.
Quando se parte da suposição de que uma espessura de parede inicial de 125 mm foi reduzida em 30 mm depois de três semanas, o resultado é apenas uma melhor de 3% no rendimento da bobina, de acordo com os cálculos (figura 6).
Fig. 6 – Influência da espessura do revestimento sobre o rendimento da bobina.
Estas dimensões não explicam a redução do consumo de energia indicada na tabela 3. A maior absorção de energia e o tempo de fusão mais curto resultante representam aparentemente outros fatores desta economia.
Sendo assim, a dedução é de que deveria ser verificada a possibilidade de dispensar um “acréscimo de segurança” excessivo para a espessura do revestimento em conjunto com a utilização de um sistema de monitoramento moderno do cadinho, como por exemplo, o sistema OCP (Optical Coil Protection ou proteção óptica da bobina) [7].
Redução das perdas elétrica.
O aperfeiçoamento contínuo das instalações de fusão indutiva resultou, por um lado, em um aumento considerável da densidade de energia e da produtividade e, por outro, tornou-se possível ampliar, de modo significativo, a possibilidade tecnológica de utilização.
Com a mesma intensidade, trabalhou-se na redução das perdas térmicas e elétricas com a melhoria do projeto do forno e da técnica de conversores. O rendimento alcançado acima de 75% na fusão de materiais ferrosos é o resultado destes esforços e representa o estado atual da técnica.
Com o novo conceito de economia de energia da Otto Junker, que foi desenvolvido durante anos e testado em ensaios intensivos de confiabilidade e qualificação na prática, foi possível obter a redução das perdas.
O procedimento dos especialistas teve por objetivo analisar o maior fator de perdas elétricas na bobina de indução, para alcançar uma redução significativa.
Cálculos abrangentes e numerosos ensaios em modelos foram necessários para elaborar uma solução fundamentada com base nas primeiras idéias. O resultado foi um projeto específico de bobina, em conjunto com a técnica moderna de conversores [8].
O novo sistema foi instalado em um forno de cadinho de 1,5 t na própria fundição de aço inoxidável e testado meticulosamente durante vários meses em produção regular.
A significativa economia de energia alcançada, com alta confiabilidade e segurança funcional simultânea do sistema, confirmam que o objetivo previsto foi alcançado e que existem condições para a aplicação industrial. Em dependência das respectivas condições de utilização, pode-se contar com uma redução do consumo de energia entre 5% e 10%.
Conclusões.
O consumo médio de energia real acima de 700 kWh/t para a fusão de ferro fundido oferece um grande potencial de economia com um valor de 490 a 520 kWh/t, que pode ser alcançado na prática. Os fatores que resultam em um consumo adicional desta magnitude são apresentados na tabela 4.
Tabela 4 – consumo adicional de energia com modo de operação e de condução desfavoráveis da instalação do forno.
Fusão de ferro fundido, 1.500°C
Forno de média freqüência 8.000 kg/8.000 kW/250 Hz kWh/t
Entalpia de fusão (valor teórico) 390
Técnica da Instalação Perdas térmicas e elétricas 126
Consumo de energia na fusão 516
Consumo adicional
Modo de operação
Arei no material de carga 25 kg/t 12,5 Material de carga enferrujado 30 Baixa densidade do pacote; (e, lugar de 2,5 t/m3, apenas
2,0 t/m3).
25
Carburação após a fusão 20 kg/t 40 Fusão com 50% da densidade de potência 20 Fusão com pé de metal fundido (lastro) 40 Exaustão sem retirada da escória 15 Conservar o calor durante 20 min com a tampa aberta 10 Superaquecimento desnecessário a 50 K 20 Soma do consumo adicional 212,5
O consumo adicional de energia pode ser reduzido tornando-se as seguintes medidas: Condução exata da temperatura no forno com o emprego de um processador de fusão Joks. Deve ser evitada a utilização de sucata enferrujada e de material reciclado sujo.
A densidade de compactação do material de carga deve ser aumentada; o material reciclado volumoso deve ser fragmentado.
Alimentação rápida e contínua do material da carga com uma calha vibratória, na qual se deve obter um alto grau de enchimento do forno.
O agente de carburação deve ser colocado no começo da alimentação, em conjunto com o material da carga, sob observação de uma seqüência de carregamento racional em termos metalúrgicos; a adição do agente de carburação no banho líquido requer mais energia.
Na fusão de cavacos, o forno deve ser operado com um pé de metal fundido (lastro) maior que 40% e preenchido com cavacos até a altura da bobina ativa.
Na utilização de material em pedaços, a partida sem lastro e com várias cargas é energeticamente mais favorável.
O modo de operação utilizando a potência máxima disponível economiza energia.
A tampa do forno deve permanecer fechada, quando possível, e a instalação de exaustão deve ser regulada de acordo com a quantidade de emissões.
Em caso de interrupções e da ocorrência de falhas com duração abaixo de 4 horas, deve-se manter o forno aquecido, pois a partida a frio requer de 3 a 4 vezes mais de energia do que quando a partida do forno é feita a quente.
Em conjunto com a utilização de sistemas modernos de monitoramento do forno, como por exemplo, do sistema OCP [7], deve-se otimizar a espessura do revestimento refratário e dispensar os acréscimo de seguranças desnecessários.
No emprego do novo sistema desenvolvido para a economia de energia, é possível alcançar uma redução do consumo entre 5% e 10%.
Bibliografia.
1) Efficient melting in coreless induction furnaces, good Practice guide nº 50: ETSU, Harwell, Didcot, Oxfordshire, 2000.
2) Fonderei Foondeur d’anjourd’hui, November (2003) nº 229, S. 36-39. 3) Foundry Management & Technology 131 (2003) nº 11, S. 14-16. 4) The Foundrymen 88 (1995) nº 7, S. 246-253.
5) Brockmeier, K. – H: Induktives Schmelzen, Brown, Boveri & Cie, Aktengesillschaft Mannheim, Essen: Giradet-Verlag 1966.
6) Trans American Foundrym Soc. 81 (1973) S. 108-109. 7) Giesserei 90(2003) nº 8, S. 52-54.
8) Otto Junker News, Ausgabe 8, juli 2005.
Aranda Editora – ano 17 – Nº 173 – Maio 2.007.
