Cubilot Vol 01

5/10/2018 Cubilot Vol 01

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Publicacao TecnicaCubilo-.FUNDICAO

-... Volume t - .

senar-rnq


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Surnario

lntroducaoPrlnclpio de funcionamento quanto ao aspecto terrnico 91 Cubil6 de ar frio - Consideracoes gerais 91.1 Fatores e criterios de funciona mento 101.2 Limites de utilizacao 112 Estudo de alguns fatores de funcionamento 142.1 - Temperatura de fusao das cargas 142.2 - Quantidade de calor necessaria para a fusao e 0 sobreaquecimen-

to das cargas rnetalicas 142.3 - Calor de cornbustao do coque 152.4 - 'Iransrnlssao do calor 192.5 Temperatura de cornbustao ."................... 192.6 Distribuicao das temperaturas 202.7 Velocidade de cornbustao do coque 232.8 Velocidade de fusao das cargas metalicas 242.9 Rela


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P rincipia de funcionamentaquanta ao aspecto terrnico

1 ~ Cubil6 de ar frio - Consideracoes geraiso forno cubilo e um equipamento de fusao que, a partir de materias-prirnas

rnetalicas ferrosas trias. permite obter-se, por aquecimento e reacoes ffsico-qufmicas,ferro fundido Ifquido com cornposicao, vazao e temperatura determinadas.

o combustivel utilizado e 0 coque e a cornbustao e acelerada por injecao dear que pode ser frio ou quente e, algumas vezes, enriquecido por oxiqeriio. 0 revesti-mento pode ser acido. basicoou neutro.

Em cornparacao com outros tipos de fornos de fusao. 0 cubil6 apresenta umgrande interesse econornico. resultando do contata direto entre 0 coque e 0 metala ser fundido.

o cubil6 de ar frio e de concepcao e realizacao bastante simples. A sua opera-9.30 obedece a prindpios relativamente pouco complicados. Resulta, as vezes, queo fundidor, depois de alguns ensaias em condicoes de funcionamento normal, estabi-liza de uma vez por todas, as modalidades de operacao. Ele admite porcentagens da-das de coque e de perdas globais por fusao, sem distinguir cada elemento, e aindacargas rnetalicas tao iderrticas quanto posslvel. Finalmente, confiante nos bons resul-tados medics obtidos, 0 fundidor nao se preocupa mais em modificar as condicoesde funcionamento do seu cubil6.

Surge a variacao imprevista de urn unico fator e tudo se desregula. Contudo,se a temperatura do metal Ifquido permanece suficientemente para vazar os moldes,se 0 aspecta externo e a usinabilidade nao prOVOCZ.lreclamacoes do cliente, 0 fundi-dor se adapta a estas novas condicoes de funcionamento.

"Para que aquecer mais ja que a temperatura e suficiente para vazar os mol-des? Oesta maneira, economizo combustfvel". E, consequenternente. aumentam asperdas em silicic e rnanqanes cujo preco de substituicao e mais elevado que 0 do co-que consumido a menos. Finalmente,e bem evidente que, operando 0 cubil6 destamaneira errada, 0 fundidor nunca podera pretender fabricar economicamente pecasde ferro fundido de alta qualidade.

Convenientemente operado, 0 cubil6 de ar frio produz ferro fundido:

cuja qualidade metalGrgicae satistatoria, desde que se utilizemmaterias-prirnasjudiciosamente escolhidas;

cuja vazao regular corresponde a uma prcducao determinada; cuja temperatura e suficientemente elevada para permitir eventuais tratamen-tos no estado Ilquido e conservar fluidez adequada ao vazamento de pecasde uma dada espessura.

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E , portanto, rnuito importante compreender bem 0 que se passa dentro do cu-bilo para deduzir certas regras imperativas de operacao. Obviamente, nao e possfvelestudar com rigor cientffico os diferentes fen6menos que se produzem, pois se co-nhece com exatidao apenas 0 que se passa na porta de carga, nas ventaneiras, nooriffcio de sangria, no canal de esc6ria e na charnine. Tambern e possivel, ap6s termi-nar a tusao. observar 0 desgaste dorevestimento refratario no cubil6 ja frio.

Alguns fen6menos podem ser determinados fora do cubil6: temperatura de fu-sao do ferro fundido, calor de fusao. temperatura de cornbustao do coque etc.

Este conjunto de observacoes conduz a formular hip6teses mais ou menos exa-tas, das quais, apesar da irnprecisao, sao deduzidas regras de operacao bem defini-das. A experiencia confirma diariamente que 0 cubil6 nao funciona em boas condi- .coes quando estas regras nao sao observadas.1.1 - Fatores e criterios de funcionamento

Estuda-se, a seguir, unicamente 0 funcionamento do cubil6 de ar frio com re-vestimento sflico-argiloso.

No cubil6 esquematizado pela figura 1:ENTRADASMoteriosrnetdlicosCoqueCo l cari 0

RevestimentorefrotdrioA r

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,SAIDAS~---------- ...~ Fumo~as

Fig.l

Ferrofundido


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Introduzem-se: rnaterias metalicas frias coque calcario revestimento (reparacaol arObtem-se: ferro fundido Ifquido esc6rias furnacesDeterminam-se: os fatores de funcionamento:- peso, natureza, cornposicao e estado das cargas rnetalicas- peso e caracterfsticas do coque- peso e cornposicao do calcario=vazao de ar os criterios de funcionamento:a producao horaria de ferro fundido Ifquidoa temperatura do ferro fundido na bica .a cornposicao do ferro fundido na bica

e ainda:o peso e a cornposicao da esc6riaa vazao. a temperatura e a cornposicao das fumacas.

1.2 - Limites de utllizacaoPara completar a caracterizacao do cubil6, e necessario definir seus limites deutilizacao.a) Producao

A producao horaria normal e dada pela formula:P 6 D2P vazao de ferro fundido lfquido em T Iho diarnetro interno do revestirnento em m.Pode ser eventualmente reduzida ate P = 4 D2Um cubil6 industrial nab deve ter um diarnetro interne inferior a 600 mm.Portanto, a prcducao minima de um cubil6 e de 1,5 t/h.

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Par razoes econ6micas e de qualidade do ferro fundido, recomenda-se umaduracao rnfnima de funcionamento de tres horas. Resulta que a producaode um cubil6 industrial nao deve ser inferior a cinco toneladas por fusao.Quando a curacao da fusao e inferior a tres horas, 0 consumo de coquetorna-se exagerado, como mostra 0 diagrama da figura 2, que foi estabele-cido a partir dos seguintes dados:010U-o 30t1)~ (1)E"O 25(1) 1 8(1) u- 20::I :::Icr"Oo 0u0. 151) 0"0~ E 100u

\ \ t\\~ r-,-,

~r---. I. . . . . _ _

'1. . . _ _ _ c,r-- 32 3 4 5 6 7 8 9 10

Durccdo do fusdo em horosFig. 2 .

, - Curva n .o1 2 3

Altura do pe de coque em m 1,70 1,50 1,40Coque por carga em % 15 12 10

Uma vez em funcionamento, 0 cubil6 fornece ferro fundido de maneira con-tinua, sem possibilidade pratica de parar. Este carater continuo de producaoimplica numa orqanizacao na qual a cadencia de rnoldacao e dependentsda vazao do cubil6;

b) Composicao do ferro fundido na bicaA carburacao e a sulfuracao sao dais fenomenos que caracterizam 0 fun-cianamento do cubil6, limitando a possibilidade de se obter baixos teoresem carbona e enxofre. .o quadro seguinte mostra teares comuns em C e S que podem ser obtidospraticamente: r Funcionamento como a 50 % aco 50 a 100 % aco

Coque nas cargas % 10 a 15 14 a 18Carbona % 3 a 3,6 2,4 a 3Enxofre % 0,08 a 0,14 0,10 a 0,16Perda em Si % 10 a 20 30 a 70Perda em Mn % 15 a 25 40

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Consegue-se cornposicao regular fora dos perfodos perturbados como 0 inl-cio e 0 final da fusao, a introducao frequente de falsas cargas de coque,as paradas prolongadas do ar etc.;c) TemperaturaA temperatura e normal mente superior a 1.480C, com possibilidade de atin-gir 0 maximo de 1.550C;

d) Modificacao da composicao do ferro fundido durante a mesma fusaoE posslvel modificar a cornposicao sob a condicao de fundir quantidade su-ficiente de cada qualidade de ferro fundido.Ressalta-se a dificuldade de transicao entre as varias qualidades;".- ~

e) Natureza e estado das cargas rnetalicasE possfvel carregar materia is com teores em carbona muito variados, ferrosfundidos ou acos,Recomenda-se nao carregar:

materiais muito oxidados, que dificultam a operacao do cubilo e baixam aqualidade do ferro fundido obtido; materiais muito pequenos: chapas muito finas, cavacos, os quais oxidam-serapidamente no cubilo se nao forem aglomerados previamente.As dirnensoes dos elementos da carga devem ser inferiores a 1/3 do diarne-tro interno do cubil6, para evitar engaiolamento;

f) Ferros fundidos ligadosas ferros fundidos especiais com carbono muito baixo nao podem ser obti-dos no cubil6.Alguns tipos de ferros fundidos ligados podem ser elaborados.Elementos pouco oxidaveis como 0 niquel, 0 cobre e, eventual mente, 0 cromopodem ser carregados por cima.Elementos oxidaveis devem ser adicionados na panela quando 0eor naofor muito elevado;

g) Extensao das possibilidades do cubil6Nos itens anteriores, consideramos apenas as possibilidades normais do cu-bil6 acido de ar frio.Estas possibilidades podem ser ampliadas atraves de rnodiflcacoes do cubi-16 ou de processos especiais:

adicao de carbureto de calcic ou carbureto de sihcio nas cargas, para au-mentar a carburacao e a temperatura; dessulturacao do ferro fundido na bica ou na panela; anticadinho reaquecido ou nao. para facilitar a obtencao de carbona baixo; utilizacao de oxiqenio no ar ou no cadinho;

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utilizacao de ar quente: revestimento neutro com resfriamento por aqua: revestimento basico com ar quente e resfriamento por aqua.2 - Estudo de alguns fatores de funcionamento2.1 - Temperatura de fusao das cargas

Ouase todos os ferros fundidos cornecarn a fundir a 1.150DC aproximadamente.Esta temperatura pode baixar ate 950C no caso de ferros fundidos com alto teorem fosforo. 'A temperatura a qual a liga esta completamente Ifquida pode variar: de 1.150C, para os ferros fundidos euteticos: a 1.250DC, para os ferros fundidos cinzentos comuns.No caso dos ferros fundidos de baixo teor em silicic. esta temperatura pode

atingir aproximadamente 1.300DC.No cubilo, 0 a90 sofre carburacao rapida a temperaturas superiores a 1.1 OODC,seja diretamente pelo contato com 0 coque, seja par cernentacao gasosa pelo mono-xido de carbone. Pode ser, igualmente, por diluicao pelo ferro fundi do ou as ferroligasliquidas escorrendo sobre ele, 0 que Ihe permite carregar-se em carbono, silfcio. fosfo-ro e outros elementos. Por exemplo, partindo de cargas com 100% de a90 e ferroli-gas, e diffcil de se obter teor em carbona inferior a 2,4%, mesmo em cubilos comanticadinho.Por estas razoes. admite-se que a temperatura de fusao do a90 carregado numcubil6 e aproximadamente a 1.350DC. 'Conclui-se que a temperatura de fusao das cargas rnetalicas num cubil6escalona-se praticamente entre 1.150DC e 1.350DC, admitindo-se que 0 aco sofrerapidamente a carburacao.

2.2 - Quantidade de calor necessaria para a fusao e 0 sobreaquecimenta dascargas metalicasDeve-sc fornecer uma certa quantidade de calor ao interior do cubil6 para:/ aquecer as cargas metalicas. partindo da temperatura ambiente ate a tem-peratura de fusao: fundir 0 metal (calor latente de fusao): sobreaquecer 0 metal Ifquido, partindo de sua temperatura de fim de fusaoate a que se deseja obter na bica.Conforms 0 tipo de carga rnetalica.Terro fundido eutetico ou a90, 0 calor ne-cessario para se obter 1 kg de ferro fundido a 1.520 DC reparte-se aproximadamenteda seguinte maneira: .Calor necessario para:Aquecimento da carga metalicaFusao da carga rnetalicaSobreaquecimento do metal Ifquido

FF eutetico1904774311

Ar;o220 kcal56 kcal34 kcal3.10 kcal

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Apesar do carater aproximativo destes calculos, pode-se concluir que, teorica-mente, e necessaria mais ou menos a mesma quantidade de calorias para fundir car-gas metalicas de ferro fundido ou cargas rnetalicas com 100 % de aco.2.3 - Calor de cornbustao do coque

No cubil6, e 0 coque que fornece as calorias necessaries para fundir e sobrea-quecer 0 metal.A cornbustao do coque e obtida por meio do oxiqenio contido no ar soprado

pelas ventaneiras e que sobe atraves das cargas enquanto as mesmas descem, seaquecem e se fundem (fig. 3).

Zona de fusdo

Fig,3


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A partir das ventaneiras, de baixo para cirna. distinguem-se as varias zonasesquematizadas na figura 4a.

Zona de reducdo

C argas solidas co

Z on a de tem peratu ra--maximoZona de cornbustdoEntrada de orCadinho / 0Cornposicdo dos gases

a bFig.4

o processo das reacoes qufmicas relatives a cornbustao do coque no interiordo cubil6 nao e conhecido com exatidao. E provavel que a cornbustao se inicie coma formacao de di6xido de carbona conforme a reacao:

C + 02 + 4 N2--C02 + 4 N2 + 97,6 kcalMais acima. 0 di6xido de carbona e parcialmente reduzido para formar mon6-

xido de carbona conforme a reacao:C02 + C --2 CO ~ 39 kcalA figura 4b esquematiza a cornposicao relativa dos gases nos varies nfveis docubil6.A reacao global da cornbustao do coque traduz-se, finalmente, pela presence

simultanea de di6xido de carbona e mon6xido de carbona nos gases que saem pelachamine.o fndice de cornbustao Nc define-se pela relacao:Nc __ C_O_2_ X 100C02 + COE evidente que esta relacao e estreitamente ligada a quantidade de ar necessa-rio para queimar 1 kg de coque e ao teor em carbona do coque.

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Supondo-se que: 0 carbona transforma-se completamente em monoxide de carbono, temosNc = O . Teoricamente, seriam necessaries 4,45 m3 de ar para queimar 1kg de carbona; .

0 carbono trasnsforma-se completamente em dioxide de carbone. temos Nc= 100. Neste caso. 8,9 m3 de ar sao necessaries para queimar 1 kg decarbono.Portanto, 0 volume A de ar necessario para queimar 1 kg de carbono, em fun-cao do tndice Nc, e dado pela formula:A = 4,45 x 100 + Nc100Foi observado, experimentalmente, que, num cubil6, 0 lndice de cornbustaonao esta ligado a vazao de ar. mas depende essencialmente: da porcentagem de coque nas cargas; das caracterfsticas ffsicas e qufrnicas do coque e, mais particularmente, desua granulometria.

Por outro lado, entre 0 fndice de cornbustao Nc e 0 rendimento terrnico R docubil6 existe a relacao:

Nc = 0,755 R - 7o rendimento terrnico R e definido pela razao entre 0 calor util. para S8obter

o ferro fundido liquido. e 0 calor total fornecido, inclusive as calorias que resultamda cornbustao dos diferentes elementos das cargas, fora 0 coque, e, mais particular-mente, as que resultam da oxldacao do silicic e do manqanes.

Varias caracterfsticas de funcionamento do cubil6 e, entre elas, 0 rendimentoterrnico do cubil6 foram determinadas experimental mente quando das pesquisas rea-lizadas no CTIF, utilizando-se um cubil6 de 0 700 mm de diarnetro interne especial-mente equipado com aparelhos de rnedicao,

A figura 5 mostra a variacao do rendimento terrnico em funcao da vazao dear e de duas faixas de porcentagem de coque nas cargas.

o 45~

o-; 35E

i10 a H% de COQueII !I ,!12 a 13/0 de COQue

EG>a : : 40

'Uc:G> 30a : : 4000 5000 6000 7000 8000

Vuz do de o r em kg Im21 hFig.5

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A figura 6 mostra a variacao do rendimento terrnico em funcao da porcenta-gem de coque nas cargas, sejam quais forem a vazao de ar e a granulometria docoque.

60

55\0 1 \,5 ~

() ' 1 \K~ .1 = : . . _ "~ r-,

~o 5Ec uD: 4o-cc u 4E"0c:~ 3

306 7 8 9 10 II 12 13 J4% de cocue nos cargos

Fig,6

A figura 7 rnostra a variacao do rendimento termico em funcao da granulome-tria do coque e para porcentagens de coque nas cargas de 10, 11 e 12%,

45~~ 40D:0- 35:c uE"0c: 30c uD:

I I10% de cccue/V III % de CO QueI- cJque12/0 deI

40160 60/90 401150 90/120Gr6Quiometria do coque

Fig,7

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Levando-se em conta a proporcionalidadc entre 0 rendimento Reo fndice decombustao Ne, verifiea-se que aquele depende apenas da poreentagem de coque nascargas e da granulometria do coque.Deduz-se. assim, que a reac;:aoglobal de combustao do coque produz urna quan-tidade de calorias que pode ser calculada a partir do poder calorffico do coque, notan-

do que uma parte das calorias e utilizada para a formacao endotermica do mon6xidode carbono e e. portanto. perdida sob forma de calor latente nos gases que saempela chamine. l.eva-se em conta esta observacao quando dos calculus necessariespara estabelecer 0 balance terrnico do cubil6.2.4 - Iransrnlssao do calor

A transmissao do calor fornecido pelo coque as cargas metalicas realiza-se atra-yes de um conjunto complexo de fen6menos diversos. Sumariamente, esta transmis-sao de calor se realiza sirnultaneamente:

por contato direto entre 0 coque e as cargas; por radiacao do coque incandescente; principalmente, por conveccao dos gases quentes que resultam da combustao.Em primeira aproximacao, basta saber que 0 calor transmitido por contato di-

reto ou por conveccao e funcao da diterenca das temperaturas entre os dois corposem contato. 0 calor transmitido por radiacao e funcao da diferenca entre as quartaspotencies destas temperaturas.

Deve-se notar que, para uma temperatura constante, s6 a transmissao de ca-lor por conveccao e funcao da vazao de ar; os outros modos de transrnissao sao in-dependentes dela.2.5 - Temperatura de cornbustao

As calorias que resultam da cornbustao do coque sao utilizaveis para fundire sobreaquecer 0 metal desde que a temperatura atingida no cubil6 seja superior atemperatura de fusao das cargas rnetalicas e de sobreaquecimento do ferro fundidoIfquido.

Vimos que a combustao do coque realiza-se provavelmente conforme a reacao:

Se todo 0 calor fornecido pela cornbustao do carbona puro fosse absorvidopelos gases de cornbustao (C02 + 4 N2), os mesmos atingiriam a temperatura te6ri-ca de combustao que se pode calcular, conhecendo-se as entalpias ou calor de aque-cimento dos gases de cornbustao, as quais sao dadas no quadro seguinte:

CO2 N2 CO C02 + 4 N21.600oe 20,27 12,51 12,65 70,311.700oe 21,70 13,37 13,52 75,181.800C 23,13 14,23 14,38 80,051.900oe 24,56 15,09 15,24 84,922.000oe 25,99 15,96 16,11 89,832.100oe 27,43 16,84 16,99 94,592.200DC 28,88 17,72 17,87 99J62.300C 30,33 18,60 18,75 104,732.400C 31,79 19,47 19,64 l08,67

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Neste quadro, verifica-se que, no caso da -combustao do carbono puro e for-macae de (C02 + 4 N2), a temperatura te6rica de cornbustao correspondente a en-talpia de 97,6 kcal seria de 2.150C.

Praticamente, a temperatura maxima obtida pela cornbustao do coque no cu-bilo e da ordem de 1.650C pelos seguintes motivos:

0 coque nao e carbona puro. A presenca de cinzas e de calcario necessariapara transforrna-las em esc6rias absorve calor; a formacao endoterrnica de mon6xido de carbono no pe de coque tambernabsorve calor;

na zona de cornbustao a alta temperatura, que se forma na parte superiordo pe de coque, 0 ferro fundido lfquido escorre sobre 0 coque absorvendouma certa quantidade de calor para se sobreaquecer.

Observa-se, praticamente, que a temperatura de cornbustao do coque depen-de essencialmente de velocidade de reacao entre 0 coque e 0 ar e, portanto:

da qualidade do coque: teor em carbone. teor em cinzas, porosidade etc.; da velocidade do ar, isto 8, de sua vazao para uma dada secao de passagementre os pedacos de coque; da superffcie de contato entre 0 ar e 0 coque que, por sua vez, dependeda granulometria do coque.

2.6 Distribuicao das temperaturasPara se obter experimentalmente curvas de distribuicao das temperaturas com-

parativas entre si. e importante operar com cornposicao constante das cargas.A figura 8 mostra tres curvas representando a variacao da temperatura segun-

do0eixo vertical do cubilo, em funcao da altura, a partir do nfvel V das ventaneiras: as curvas 1 e 2 correspondem a cargas com 50% de aco: a curva 3 corresponde a cargas com 100% de ferro fundido eutetico e foiobtida em condicoes experimentais analoqas as da curva 2.

EEE: 215001900O Jc1650-: 1400,)>(I) 11500"C 900E 650 t----+----I----------'______,'H-I'I..-----1g 400t-----+---~----~~~~o"-~-

20

Temperatura no cubil8 em "CFig.S


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Verifiea-se a grande lnfluencia da introducao de aco nas eargas sobre a distri-buicao das temperaturas no eubil6.

a) lnfluencia da vazao de arPara uma poreentagem eonstante e igual a 10,4% de eoque 901120 naseargas, a figura 9 mostra a variacao de temperatura no eubil6, eorrespon-dente a duas diferentes vazoes de ar:eurva 1: 3.700 kg/m2/heurva 2: 5.160 kg/m2/h

EEEQ) 2150III~ 1900 1\ \\. \2 II

I~ , , :" '~~ ~I ~ ~I

')1I A

. .-~ 1650o~ 1400Q)> 1150e n.g900o 650Eu 400o

V800 1050 1300 1550 1800Temperatura no cubi 10 em 0C

Fi9.9Quando aumenta a vazao de ar:

a eurva desloea-se para as temperaturas mais elevadas; 0 maximo das temperaturas e poueo modifieado.Tracando a vertical eorrespondente a 1.250C, temperatura de infeio da fu-sao, verifiea-se que a zona de fusao se desloca para eima quando se au-menta a vazao de ar.Verificou-se experimentalmente que:

aumentando exageradamente a vazao de ar em relacao a porcentagem decoque nas cargas, a curva de distribuicao das temperaturas tende a se des-loear para valores mais elevados. Porern. 0 pe de coque se queima e, final-mente, a zona de fusao desce fazendo com que a temperatura do ferro fun-dido baixe;

diminuindo exageradamente a vazao de ar, produz-se um resfriarnento geraldo cubil6, devido ao baixo regime de cornbustao e tarnbern. neste easo,verifiea-se uma baixa de temperatura do ferro fundido;

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b) lnfluencia da porcentagem de coque nas cargasPara vazao de ar constante e igual a 5.000 kg/m2/h e coque de granulo-metria 90/120, a figura 10 mostra a variacao da temperatura no cubilo, cor-respondente a duas porcentagens de coque nas cargas:eurva 1: 6,5%eurva 2: 12,9%

EEEQ)U)~1900r-~--~-----+------~----~~'650r---~+------r-----+-----4o- -~1400~---~r---~-----+----~>IfJ 1 1 5 0 +--~--+--__:'l""""k---+--------------lo'tJ 900+-------''1:------1-''00-----1-------1E 650 t----+--~___o+---~+-----____j~ 400 r----+-------+'~--+~.____----j

v~ __ ~--+_--~~ __~800 1050 1300 1550 1800Temperatura no cubilo em C

Fig.IO

Quando se aumenta a porcentagem de coque nas cargas, verifiea-se que: as curvas se deslocam para temperaturas mais altas; 0 maximo das temperaturas e mais elevado e situado numa zona rnais altado cubilo.Observando-se que:

uma dirninuicao exagerada da porcentagem de coque com vazao de ar cons-tante corresponde a um aumento exagerado da vazao de ar para carga decoque constante, pode-se deduzir que esta dirninuicao faz baixar a tempera-tura do ferro fundido; um aumento exagerado da porcentagem de coque com vazao de ar COrlS-tante corresponde a uma dirninuicao exagerada da vazso de ar para cargade coque constante, conclui-se que, neste caso, tarnbem a temperatura doferro fundido baixa;


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c) lnfluencia da granulometria do coquePara porcentagem de coque e vazao de ar sensivelmente constantes, a fi-gura 11 rnostra a variacao da temperatura no cubilo, para quatro tamanhosdiferentes de coque:curva 1: coque de 40/60curva 2 : . coque de 60/90curva 3: coque de 401150curva 4: coque de 90/120

EEEcp2150~1900. . . .~1650o'E 1400Cp -_>1150e n.g 900E 650 +-~~-r~~~~~~~~~u400o

- 1050 1300 1550Temperatura no cubilo em CFig.11

1800

Observa-ss que as curvas deslocarn-se para temperaturas mais elevadas amedida que aumenta 0 tamanho do coque.2.7 Velocidadede combustao do coque

A velocidade de cornbustao do coque pode ser definida pelo peso de coquequeimado num determinada tempo. Dada urna qualidade de coque, e 6bvio que a ve-locidade de cornbustao e essencialmente funcao da velocidade de reacao entre 0 co-que e 0 oxiqenio e, portanto:

da vazao de ar; da superffcie de contato entre 0 coque e 0 ar.Observam-se dois limites relativos a vazao de ar: uma vazao minima abaixo da qual a cornbustao de coque nao pode realizar-se; uma vazao maxima acima da qual 0 coque, sendo exageradamente resfria- ,.. do, nao pode entrar em cornbustao.Entre estes dois limites, a velocidade de cornbustao de um determinada toquee praticamente proporcional a vazso de ar.

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---- -_ _ - _ _o esquema da figura 12 mostra a variacao da velocidade de cornbustao do

coque em funcao da vazao de ar.c u::::J0"0U0-0010-"~ . . . ..0 0E G)0 c u ' cu "'OQ)c u o.~-0 10-c u N::::J0""'0 >.~ /"'0 ./U0 J~

/ ~- 0c u 0"'0 >e n0."10 c uN U0 )(> c u

Vozao de orFig. 12

2.8 Velocidade de fusao das cargas rnetahcasA velocidade de fusao pode ser definida pelo peso de metal fundido num de-

terminado tempo ou mais exatamente pela quantidade de metal s61ido aquecido pro-gressivamente de modo continuo ate sua temperatura de fusao e que passa do esta-do s61ido ao estado llquido num determinado tempo.

Nesta definicao nao se inclui 0 tempo necessario. apos a fusao. para sobrea-quecer 0 ferro fundido liquido ate sua temperatura no cadinho.

A velocidade de fusao, assim definida, depende: da quantidade de calor fornecida durante 0tempo correspondente e, por-tanto, da velocidade de cornbustao do coque que, par sua vez, e funcaoda vazao de ar;

da velocidade das trocas de calor, que se realizam de tres modos diferentes(item 2.4) dos quais apenas um e funcao da vazao de ar.

2.9 - Helacao posslvel entre a velocidade de cornbustao da carga de coque e avelocidade de fusao da carga metalicaSeja:m = peso de uma carga de coqueM = peso de uma carga metalica

p = porcentagem de coque nas cargas100temos a relacao evidente:m pM 100

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Seja ainda:Vc = velocidade de cornbustao da carga de coqueVf = velocidade de fusao da carga rnetalicaRealizar a igualdade: Vc = Vf corresponde a dizer que num mesmo tempo: queima-se um peso do coque igual a m funde-se um peso de carga rnetalica igual a

M = 100 mp

Vf 1VcVf < 1VcVf ~1Vc

3- Estudo da fusao3.1 - Processo

consequenternente:quando a carga rnetalica termina sua fusao no mesmo tem-po em que a carga de coque termina sua cornbustao:quando fica metal a ser fundido e a carga de coque e com-pletamente consumida;quando 0 metal e completamente fundido e sobra coque dacarga.

No seu movimento descendente, as cargas metalicas sao aquecidas progressi-vamente pelo calor senslvel dos gases da cornbustao que seguem um movimento as-cendente. Depois, estas cargas recebem uma parte das calorias fornecidas pela com-bustao do coque das cargas que se acende a medida que desce no cubilo. A partirde um certo nfvel, acima das ventaneiras, 0 metal corneca a se fundir. E obvio que,a este nfvel, a temperatura no cubil6 e pelo menos igual a temperatura de fusao doferro fundido. Portanto, 0 limite superior da zona de fusao depende da curva de distri-buicao das temperaturas no cubil6.

Logo ap6s a fusao. as gotas de ferro fundido sao sobreaquecidas ao escorrerentre os pedacos de coque incandescente na zona mais quente do cubil6, passamdiante das ventaneiras, atravessam uma zona menos quente entre as ventaneiras eo cadinho e, final mente, caem no cadinho no qual formam progressivamente um ba-nho em contato constante com 0 coque.

Nao convern deixar 0 metal Ifquido muito tempo no cadinho, POlS: ha riscos de resfriamento por perda de calor atraves das paredes do cadinho; 0 metal sofre carburacao pelo coquet 0 que nem sempre e desejavel,Deve-se notar que a fusao nao se inicia no plano onde a temperatura do cubil6e igual a temperatura de tusao do ferro fundido, mas a um nfvel ligeiramente inferior

onde, das cargas metalicas, atingem a sua temperatura de fusao. Devido aa temponecessaria para que se realizem as tracas de calor, 0 equilibria de temperatura entrecargas rnetalicas de urn lado e coque e gas de outro se estabelece com atraso.

A altura da coluna acima das ventaneiras, e mais particularmente, acima dazona de fusao. condiciona em parte as trocas de calor para uma dada velocidade dedescida das cargas, e uma dada distribuicao das temperaturas no cubil6. Portanto,tern-sa interesse em construir cubil6s com altura suficiente, aeima das ventaneiras.E claro que se as cargas descem muito rapidamente, a sua fusao tem lugar muitoabaixo do nfvel em que a temperatura do coque e dos gases e igual a temperaturade fusao.

25


20/47

A forma e as dimens6es das cargas rnetalicas tarnbem condicionam, numa certamedida, as trocas de calor, pois as mesmas dependem:

da superffcie de contato entre os pedacos de metal e os gases ambientes; da velocidade de circulacao e da turoulencia dos gases; do volume dos pedacos de metal.Nos raciocfnios seguintes, para simplificar, sup6e-se que a fusao se realiza sem-

pre num nfvel muito proximo daquele em que a temperatura no cubil6 e igual a tem-peratura de fusao das cargas rnetalicas.3.2 - Pe de coque

As cargas rnetalicas sucessivas sao mantidas ao nfvel da zona de fusao poruma certa quantidade de coque que se chama pe de coque. A altura deste pede co-que deve permanecer constante para se obter uma fusao regular. Se a sua altura au-menta, torna-se diffcil a fusao das cargas rnetalicas cuja temperatura nao atinge a tem-peratura de fusao. Se, pelo contrario, a altura diminui, por excesso de consumo docoque, as cargas metalicas se fundem num nfvel mais baixo.

E preferivel que a fusao se opere a um nfvel 0 mais alto posslvel acima dasventaneiras, pois e entre a zona de fusao e as ventaneiras, zona na qual as tempera-turas sao mais elevadas, que as gotas de ferro fundido se sobreaquecem ao escorrersobre 0 coque.

A quantidade de coque que se consome de maneira contfnua no pe de coquetern de ser substitulda por uma quantidade pelo menos igual, trazida pelo coque dascargas.

As cargas de coque introduzidas pela porta de carregamento seguem a desci-da das cargas rnetalicas. 0 coque se aquece progressivamente, perdendo sua umida-de sob forma de vapor de aqua, se acende, reage com os gases que sobem e cornecaa aquecer as cargas rnetalicas. A parte que subsiste, ao chegar a zona de fusao, temque substituir 0 coque queimado no pe de coque (fig. 13).

a metdlicoNlvel de fusdo NF

26

Fig.13


21/47

Se 0 coque que chega a zona de fusao e insuficiente para alimentar 0 pe decoque, 0 mesmo se con some e baixa progressivamente.3.3 - Equillbrio

Oiz-se que a fusao esta em equilfbrio, ou que 0 cubilo esta em funcionamentoestavel quando 0 pe de coque rnantem-se a um nfvel constante durante a fusao.

Se 0pe de coque baixa progressivamente durante a fusao, as cargas rnetali-cas descem mais antes de se fundirem ate que, no caso extremo, chegam ao nfveldas ventaneiras e nao pod em mais se fundirem. Este fenomeno e 0 sinal de que ascargas de coque se consomem em um tempo menor que 0 gasto pelas cargas metali-cas para se fundirem. A fusao esta em desequilfbrio, 0 funcionamento do cubilo einstavel,o equilfbrio da fusao depende da relacao entre a velocidade de fusao Vf dascargas rnetalicas e a velocidade de cornbustao Vc das cargas de coque.Quando 0 ~< 1, nao se consegue estabilizar 0 funcionamento do cubilo(fig.14).

NF NF

Fig,I4

Sejam:H: a distancia entre 0 nfvel das ventaneiras e 0 nfvel em que a temperaturade fusao das cargas rnetalicas , e atingida. E , portanto, a altura ideal do pede coque;

27

Hl > H : a altura do pe de coque no infcio da fusao.Sendo 0 coque da carga completamente queimado antes que a carga metalicaseja totalmente fund ida, uma parte do pe de coque serve para terminar a fusao dacarga rnetalica. Portanto, 0 nfvel do pe de coque esta na altura H' quando se iniciaa fusao da carga rnetalica seguinte. a fenorneno se repetindo para cada carga, 0 nfveldo pe de coque baixa continuamente e qualquer que fosse a altura do pe de coqueno infcio da fusao. nao seria mais posslvel estabilizar 0 funcionamento, conservando-

58 as mesmas condicoes de carregamento.


22/47

Ao contrario. quando ~ ?1, consegue-se sempre estabilizar 0 funciona-Vcmento do eubil6 (fig. 15).

NF

Fig.15

o exeesso do pe de eoque H1 - H queima neeessariamente ate que as ear-gas metalicas atinjam 0 nlveJ H da temperatura de fusao.

Se ~ > 1, a carga rnetalica eompleta e fundida antes que a earga de co-Veque seja queimada. 0 coque restante da earga aumenta ate H' 0 nivel do pe de co-que, 0 qual se estabiliza oscilando entre os niveis H' e H.

N I . Vf 1o irnrte, se -- = I a carga metalica terminando sua fusao no mesmoVctempo em que a carga de coque completa sua cornbustao. 0 pe de coque baixa donlvel H1 para 0 nfvel H e se estabiliza nele.." Consideramos agora 0 caso em que se inicia a fusao com um pe de coque

de altura insuficiente.Temos H2 < H (fig. 16).

NF

~Fig.16

28


23/47

Desde que ~ > 1, a quantidade de coque nao queimado, apes a fusao com-Vcpleta da primeira carga metalica, aumenta a altura do pe de coque ate 0 nfvel H', quandose inicia a fusao da segunda carga rnetalica. 0 fen6meno se repete ate que 0 nfvelde fusao se estabilize na altura H.VfEm resumo, s6 se consegue 0 equillbrio da fusao quando a relacao - __Vcentre a velocidade de fusao Vf das cargas rnetalicas e a velocidade de cornbustaoVc do coque e superior ou igual a 1.

Por outro lado, tem-se interesse em iniciar a fusao com um pe de coque ligei-ramente mais alto que a altura H ideal, pois 0 excesso se queima e a fusao se equili-bra automaticamente no nfvel H. Ao contrario. um oe de coque baixo demais no inicioda fusao fica no mesmo nfvel quando ~ = 1 e se estabelece mais ou menosVcVflentamente ate 0 nivel H quando --- > 1.

VcNos t6picos seguintes sup6e-se que 0 cubil6 steja equilibrado desde 0 infcioda fusao.

3.4 - lnfluencia da vazao de ar sobre 0 equillbrioSup6e-se que a porcentagem de coque nas cargas e constante.Vimos que a velocidade de fusao Vf das cargas metalicas nao segue necessa-riamente a mesmalei que a velocidade de cornbustao Vc do coque. Sem poder deter-

. I . - I d I - Vf, drrunar experimenta mente com precisao 0 va or a re acao __ , e, contu 0, pos-. Vcsfvel, quando do funcionamento do cubil6, verificar se ha ou nao equillbrio da fusao.Vfisto 8, se 0 pe de coque se estabiliza ou baixa, e, portanto, 5e --- e ou nao in-Vcferior a 1.

Para que as cargas rnetalicas possarn fundir, a temperatura no cubil6 deve ul-trapassar a temperatura de fusao. Portanto, a fusao se realiza desde que se atinja umacerta vazao de ar 00. Para vazao inferior a 00, 0 coque se queima sem que 0 metalse funda e Vf = 0 enquanto Vc > o.Aumentando a vazao de ar a partir do limite inferior 00, a velocidade de com-bustao Vc aumenta e a velocidade de tusao Vf adquire urn certo valor. A experienciamostra que para um determinado valor 01 da vazao de ar. a velocidade de fusao Vf

atinge a velocidade de cornbustao Vc, satisfazendo a relacao --""!_ = 1. Entre 00. Vce 01, Vf < 1 e nao se pode obter 0 equilfbrio da fusao.Vc

Continuando a aumentar a vazao de ar. verifica-se que, para vazao de ar supe-rior a 01, conserva-se 0 equilfbrio da fusao. consumindo excesso de coque e que,Vf 1portanto, _-- > .Vc

Contudo, a vazao de ar nao pode ser aumentada indefinidamente.

29


24/47

Acima de uma determinada vazao On, a fusao se desequilibra novarnente. 0que mostra que _ _ _ \ { ! _ _ _ volta a ser inferior a 1.Vc

o fen6meno pode ser esquematizado pelo diagrama da figura 17.Vc Vf V f _I Vf = IVc- Vc

Vf> I V-IuV Vc >::>> 1 > Fusco estdve I

< l1> < l1_ >J'J1/1 '0 Q)0 .- >(I') ~oa. c: +0-E 1/1c:0 1010(I') 01/1::I ~u, u,

00 01 On Q

Em abscissa:Em ordenada:

QVcVf

Fig.17vazao de arvelocidade decombustao do coquevelocidade de fusao da carga rnetalica

As escalas sao calculadas de modo que:100 m

p kg de metal fundido correspondem a

m kg de coque queimado.A velocidade de cornbustao do coque e praticamente representada por uma

reta, como vimos no esquema da figura 12. A velocidade de fusao da carga metalicapode ser representada por uma curva cuja forma geral e provavelmente a esquemati-zada no diagrama. Esta curva parte do valor 0 para vazao de ar igual a Oo. cortaa reta representativa da velocidade de cornbustao do coque num ponto A de abscissaQ 1 e a corta novamente num outro ponte, B, de abscissa Qn.

100Nos pontos A e B, 0 peso de metal fundido ---- corresponde exatamen-pte ao peso m de coque queimado.

Para vaz6es de ar inferiores a Q1 ou superiores a On. a velocidade de com-bustao do coque e insuficiente para realizar a fusao da carga rnetalica completa e,necessariamente, queima-se coque do pe de coque. A fusao e desequilibrada.

Para vaz6es de ar compreendidas entre Q1 e On, a velocidade de cornbustaodo coque e mais que suficiente para se obter a fusao da carga metalica completa.A tusao e equilibrada.30


25/47

Porern, na faixa de estabilidade compreendida entre as vazoes de ar 01 eOn,e na qual Vf > 1, sabe-se que 0 coque restante da carga deve ser queimado an-Vetes que a carga metalica seguinte chegue ao nfvel de tusao. resulta que a velocidademedia de fusao da earga metallca e inferior a velocidade instantanea Vf. Esta veloci- .dade media de fusao corresponde a producao horaria do cubilo. A parte haehuradacompreendida entre a reta ABe 0 area de curva A M B esquematiza esta reducaode velocidade de fusao do metal devido a cornbustao do coque em exeesso. Pode-seadmitir, finalmente, que nesta faixa 0, On, de funcionamento estavel, tudo se passacomo se a producao horaria fosse finalmente representada igualmente pela reta A B(ou uma curva muito proximal. Esta relacao entre a producao horaria e a vazao dear verifica-se experimentalmente.

3.5 - Producao horarla

o diagrama da figura 18 mostra a variacao da producao horaria do ferro fundi-do Ifquido em funcao da vazao de ar para dois coques de tamanhos diferentes, en-quanto a porcentagem de coque nas eargas permanece constante .

..t:: 7(\JE


26/47

-----------------------

o diagrama da figura 19 representa a variacao de producao horaria de ferrofundido liquido em funcao da porcentagem de coque nas cargas, enquanto a vazaode ar e a granulometria do coque sao mantidas constantes.

10. . c :


27/47

Esta forma de curva se explica quando se observa que a quantidade de coquequeimado por unidade de tempo varia proporcionalmente com a sua superflcie exter-na, a qual aumenta a medida que 0 tamanho diminui.3.6 - Temperatura do ferro fundido IIquido

A curva 1 da figura 21, tracada com 12 a 13% de coque 90/120 e 401150nas cargas parece indicar que a temperatura do ferro fundido aumenta ligeiramente


28/47

As curvas da figura 22 mostram a variacao de temperatura em funcao da por-centagem de coque nas cargas.

Curva 1: vazao de arCurva 2: vazao de arCurva 3: vazao de ar

u 1 5oEQJ

o~ 1 4::l. . .o~QJC.EQ)I- 14

5.300 kg/m2/h8.000 kg/m2/h8.000 kg/m2/h

coque 90/1 20coque 40/150coque 60/90

1 3

~

00 !t ? , . IV y 3.J I50 I/V IIIV IIII00 IV

I/II/ I,'J50 I6 7 8 9 10 II 12 13 14 15

% de coque nos cargosFig. 22

Destas curvas, deduz-se que, para se obter a mesma temperatura com coque90/120 ou coque 60/90, deve-se aumentar bastante a porcentagem de coque utili-zando 0 segundo. Por exemplo, para se obter uma temperatura de 1.450C precisa-se:

de 9,7% de coque de 12,3% de coque 90/1 20 nas cargas60/90 nas cargas.o maximo de temperatura observado na curva 1 para 13% de coque e prova-

velmente devido a vazao de ar insuficiente para uma porcentagem crescente de co-que, 0 que a curva 2, estabelecida com vazao maier, parece confirmar.

34


29/47

A curva da figura 23 mostra nitidamente que a temperatura do ferro fundidoIIquido aumenta com a granulometria do coque, sendo a curva estabelecida para 11 %de coque nas cargas e vazao de 7.000 kg/m2/h.

1500

u 1450oEG. I

~ 1400::J..-o. . .G .I~E~ 1350

1300

-:/1 //V/i

40/60 60190 40/150 90/120Granulometria do coque

Fig. 23

3.7 - Calor perdido pelas fumacas

As curvas seguintes apresentarn a variacao das perdas de calor pelas fumacas:

< r : calor sensfvelA : calor latente

(; : calor total

em funcao:

da vazao de ar; da porcentagem de coque nas cargas; da granulometria do coque.

35


30/47

a) 0 diagrama da figura 24 mostra a variacao das perdas de calor em funcaoda vazao de ar.Verifica-se que quando a vazao de ar aumenta:

as perdas por calor sensfvel tend em a aumentar; as perdas por calor tatente diminuem; as perdas totais tendem a diminuir.As tres curvas de perdas totais foram estabelecidas para porcentagens egranulometrias do coque diferentes:curvas (j, A e (;. : 10 a 11% de coque 90/120curva -0 ' : 12,8% de coque 90(120curva ~,' : 12 'a 13% de coque 60/90

s eE 60l)~0-0u40Cl)"0In 20"0. . .Cl)CL

- . '0"- - - .C.. . . . . . . .I':.: -----_ -b "'----., 'r-.- . . . . .. , . i - - " " "

Q - '

4000 6000 BODOYazoo de or em kg/m2/hFig,24

Estes resultados sao perfeitamente norma is e suscetfveis de uma explica-cao simples atraves dos dados fornecidos pela analise dos gases.o diagrama da figura 25 mostra, em funcao da vazao de ar, a variacao:


31/47

da porcentagem de C02 nas furnaces: da porcentagem de CO nas furnaces: da temperatura T das furnacas em DC; da quantidade de ar A necessaria para queimar um quilograma de coque,expressa pela relacao kg ar/kg coque.

I

Estas curvas foram obtidas com 9,5 a 10,5% de coque 90/120 nas cargas.!Observa-se, quando a vazao de ar aumenta:, que a quantidade necessaria de ar A para queimar 0 coque tarnbem aumen-ta. aumentando carrelativamente a quantidade de furnace par kg de coquequeimado;

que, simultaneamente, a temperatura T das furnacas aumenta, pois sao me-nos resfriadas na coluna de coque, em consequencia da vazao mais elevadade ar, 0 que, finalmente, faz aumentar as perdas por calor senslvel;

que 0teor em CO diminui rapidamente, pois a subida mais rapida do ar limi-ta as reacoes de reducao, 0 que contribui para diminuir 0 resfriamento dasfumacas (reducao endoterrnical e, consequentemente. as perdas por calorlatente. /Sendo as perdas por calor latente preponderantes em relacao as perdas porcalor sensfvel, as perdas totais diminuem com 0 aumento da vazao de ar.mas de maneira pouco acentuada;

b) 0 diagrama da figura 26 mostra a variacao das perdas de calor em funcaoda porcentagem de coque nas cargas.Estas curvas foram obtidas com coque de 90/120 e vazao de ar constanteigual a:

VIo"0. . .Q. )a . . .

EQ. )._401----,,_-+-------1oou

5.100 kg/m2/h3.800 kg/m2/h15 ,-------,------,

curvas (J , A e ([; : curva &' :60~----~------~

~IO ~--~~~-~Q. )

- eI-

~o

EQ. ) 5 r---I--+------ioU

o. . .::II+-o. . .IVa.EIVI-

5 10Coqu e % 15 5 10Coque % 15Fig,26 Fig.27o diagrama da figura 27 mostra, em funcao da porcentagem de coque nas

cargas, a variacao: da parcentagem de CO nas furnaces: da temperatura T das furnaces em DC; da quantidade de ar A necessaria para queimar um quilograma de coque:kg ar/kg coque.

37


32/47

~0Ec u 60. . . .0oo 40~"U

II) 20"U. . . .C l1o,

Estas curvas foram obtidas com vazao de ar constante.Nota-se, quando aumenta a porcentagem de coque nas cargas, 0 seguinte:

aumento rapido do teor em CO; aumento rapido das perdas por calor latente; ligeira dirninuicao das perdas por calor sensfvel correlativa a reducao da quan-tidade de ar A necessaria para queimar 1 kg de coque; grande aumento das perdas totais.Deve-se observar que 0 aurnento da proporcao de CO formado resulta, logi-camente, da elevacao de temperatura no cubil6 quando se aumenta a por-centagem de coque nas cargas, pois a zona de reductio torna-se mais alta;

c) 0 diagrama da figura 28 mostra a variacao das perdas de calor em funcaoda granulometria do coque.Estas curvas foram obtidas com porcentagem de coque nas cargas e vazaode ar constantes e iguais a:

curses < r , A e "0 : 11 a 12% de coquevazao de ar = 7 AOO kg/m2/h12 a 13% de coquevazao de ar = 5.000 a 6.000 kg/m2/h curva '0':

~ ~,?;r. . . .-- - . ~'-l. . . . . . . .~ij"'_ _ +--~

~ u0E~

600 I-0. . . .::I-500 . . .c ua.EO JI-

EO J~ 15 .___--+--~-~10 I---.:_-+-----+--~-------loU

40/60 60190 90/120Granulom etria do coque

Fig, 28

40160 60/90 90/120Granulometria do coque

Fig.29a diagrama da figura 29 mostra, em funcao da granulometria do coque, avariacao:

da porcentagem de CO nas furnaces: da porcentagem de C02 nas furnaces: da temperatura T das furnaces em C; da quantidade necessaria de ar A para queimar um quilograma de coque:kg ar/kg coque.Estas curvas foram estabelecidas com vazao de ar constante e 11 a 12%de coque nas carqas,

38


33/47

Quando aumenta 0 tamanho do coque, observa-se: dirninuicao bastante rapida das perdas por calor latente, facil de prever pelareducao da superffcie de reacao coque/ar;

ligeiro aumento das perdas por calor sensfvel; dirninuicao bastante nftida das perdas totais.

As analises mostram que, em funcao do aumento do tamanho do coque,o teor em C02, a temperatura T das furnaces e a quantidade de ar A ne-cessaria para queimar 0coque aumentam, simultaneamente, enquanto 0eorem CO diminui rapidamente.

3.8 - Resultados diversos3.8.1 - lnfluencla da granulometria do coque sobre a pressao na caixa de

distribuicao de arOs resultados de varias medidas realizadas em condicoes de tusao sensivel-

mente iguais mostram que, para determinada vazao de ar, a pressao na caixa de ven-to aumenta de maneira significativa quando diminui 0 tamanho do coque (fig. 30).

EE0E :lOl(J) ~o

0 Q)- "'0c ::QJ>QJ 1000"'00)(0u0c ::010If)If)Q) 500a . .

0,4 0,5 0,6Voz do de or em

Fig. 30As curvas foram estabelecidas com porcentagem de coque sensivelmente cons-

tante e igual a 12%.Consequenternente. pode ocorrer, em certos casos, que, utilizando um venti-

lador de caracterfsticas determinadas, nao seja possivel obter vazao de ar suficienteao empregar coque de tamanho pequeno.3.8.2 - Perdas de carga no cubllo

Pesquisas permitem localizar as perdas de carga no ar soprado, entre 0ventila-dor eo nivel da porta de carregamento, atraves de medidas diretas da pressao estati-ca realizadas com man6metro de agua.

39


34/47

AS ensaios foram realizados durante uma fusao realizada com 14% de coque90/120 nas cargas e a vazao media de ar e igual a 0,48 m3/s.

Entre 0 ventilador e as ventaneiras, a perda de carga e da ordem de 50 mmde aqua, Entre as ventaneiras (pressao medida antes da entrada do ar no cubilo) eo nfvel da porta de carregamento (pressao atmosferica). a distribuicao da pressao es-tatica e representada no diagrama da figura 31.

4EE 3(l)0t:::::I02u0c:0~: : : I-l

N(vell do dorto ~e I I Ico rre o um e nto

~\ \",Nlve l dos ~~100 200 300 400 500 600

Pressdo em mm de agueFi9.31

Observam-se: brusca reducao de pressao na entrada do ar no cubil6 sob os efeitos combi-nados da modificacao brutal de Se9aO e dos obstaculos form ados pelos pe-dacos de coque diante das ventaneiras; reducao bastante rapid a na zona inferior da coluna, pois as cargas metalicasestao completamente fundidas e 0 coque apresenta dimens6es mais reduzi-das, em consequencia de sua cornbustao: pequena anomalia ao nivel da zona de fusao, pois, geralmente, pequenosengaiolamentos sao produzidos nesta zona.

40


35/47

3.8.3 Temperatura da soleira apos 0 preaquecimentoA figura 32 traduzvpor um diagrama, os resultados de varies ensaios realize-

dos para estudar a variacao da temperatura da soleira em funcao da granulometriado coque.

1500

(


36/47

A figura 33 mostra dois exemplos de variacao dos teores em CO e C02 entreo nfvel situado a 40 em acima das ventaneiras e a nivel da porta de earregamento.Nao foi possivel tracar eurvas do teor em oxiqenio. pais, ao nfvel mais baixo das me-didas, a tear neste elemento estava muito baixo - da ordem de 0,2 a 0,5%.

EEQ)

en0. . . .Q)c:0 3-c:Q)>1 1 ' 10"0 20Eu00. . . .::I+-


37/47

156015401520

u 15000E 1480.l0 14600.-0>.-. . . 1440. .0u0 1420. .::3+-0. . .Q,) 1400a.E~ 13801360

\ 14\ ' " 13-1-~/[\'\12 C/./' X l v'\v-~I . . . . . . f , t ; : o .

I 1 / I " v/ ,~~O 9 ~/ I / /~/'~ /I "/'~

. . . . . r - . " F// _ _ - -"~7\ /' .>,__~


38/47

Verifica-se que as mais altas temperaturas sao obtidas em detrimento da pro-ducao horaria e do rendimento terrnico. Porern, na pratica. temperaturas altas sao ne-cessarias para se obter ferro fundido de alta qualidade, sobretudo quando se tem deefetuar tratamentos no estado Ifquido. Portanto, recomenda-se procurar: altas temperaturas quando se tratar de producao de pecas de qualidade; rendimento elevado apenas quando se tratar de producao de pecas sem exi-gencia de qualidade e desde que a porcentagem de refugos nao aumentedemais.

5 Balance termico

No processo de fusao do ferro fundido no cubilo. distinguem-se: calor fornecido, que provern principalmente da cornbustao do coque; 0 calor util, necessario para _aquecer as cargas metalicas, fundi-las e sobrea-quecer 0 metal Ifquido; 0 calor perdido pelas paredes, fumacas etc., que resulta da diferenca entreos dois primeiros.Deve-se tambem distinguir: 0 balance terrnico em funcionamento de regime, que caracteriza 0 funciona-mento instantaneo do cubil6 e permite avaliar a sua regulagem e sua efica-cia terrnica: 0 balance terrnico de exploracao. que caracteriza 0 modo de operar 0 cubil6e leva em conta as operacoes anexas: acendimento, preaquecimento, para-das intermediaries e final etc.

5.1 - Fluxos termicos

Sendo W slmbolo de um fluxo de calor, a figura 36 mostra os fluxos de energiaterrnica na entrada e na safda do cubilo. no caso geral de um cuoilo com aquecedorde ar ou com recuperador de ar.a) Calor fornecido

Wo: calor fornecido pelos cornbustfveisWo 1: combustfvel consumido no cubilo' !Vo2: combustfvel consumido no aquecedor independenteWar: cornbustao dos elementos Fe, Si e Mn (perda por fusao)

WR: calor recuperado pelo ar de cornbustao:

b) Calor utilizado ou perdido

WFo: calor recebido pelo cubilo, que se constitui de:- Wu: calor util para aquecer, fundir e sobreaquecer 0 ferro fundido;

44


39/47

Chominei lu

WFu ...

Wor----- ...Wo Wo, -------1 ~W02 ------,Ar .-

Aquecedor CubilOWFo

\ . . . . . --.." I/ '--"\r>


40/47

46

Wd: calor perdido pelos fen6menos anexos diversos: vaporizacao daaqua contida no coque, decornposicao do calcario, formacao. fusso esobreaquecimento da esc6ria etc.;Wfo: calor perdido pelas paredes do cubil6;

WFu: calor levado pelas fumacas saindo do cubil6 sob forma de calor sensi-vel WFus e de calor latente WFul, 0 qual, por sua vez, se constitui de:WR: calor recuperado pelo ar de cornbustaoWfR:calor perdido pelas paredes do recuperadorWfu: calor perdido, levado pelas fumacas ap6s 0 recuperador;

c) Caso particular do cubil6 de ar frio e sem combustfvel adicional.o balance e mais simples (fig. 37).Como calor fornecido, consideram-se apenas:

Wol: coque consumido no cubilo Wor: cornbustao dos elementos Fe, Si e MnQuanta ao calor utilizado ou perdido:

WR = 0 e WfR = 0 porque nao ha recuperacao de calor das furnaces. nemaquecedor independente

WFu = Wfu, pois todo 0 calor contido nas furnaces e perdido pela charnine.

W o

WFo

WO-----.Wor--_____

Cubilo

W u

iFu =WFus + WFu lW fo

W d


41/47

E N T R A D A,

S A I D A


42/47

5.2.1 - Estudo do rendimento do fornoTemos a relacao:

P f

o calor util Wu e a quantidade de calor que se deve obter para aquecer, fundire sobreaquecer 0 ferro fundido.

As perdas pelas paredes Wfo dependem: do projeto do cubilo: do nfvel e da distribuicao das temperaturas na coluna do cubilo.As perdas diversas Wd dependem de fen6menos anexos, principalmente da

formacao da esc6ria, e sao pouco influenciadas pelo projeto do cubil6 e a combustaodo coque.5.2.2 - Estudo do rendimento da combustao

Temos a relacao:

PC

1

Este rendimento caracteriza a qualidade de cornbustao. Pode-se expressar es-te rendimento em funcao do teor em oxiqenio do ar, da temperatura e da cornposicaodas furnacas. Esta cornposicao das furnaces e representada:

ora pelos teores em C02 = a e CO = b ora pelo fndice de cornbustao

Nc = aa + b ora pela insuficiencia de ar

d

onde:QA vazao de ar necessaria para a cornbustao neutraQa vazao de ar realmente utilizadaTernos, igualmente, a relacao:

d 1 - Nc2

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Utiliza-se a seguinte formula:1PC = 1 - A . OFu . CFu . n 1 - Nc2 1 - Q(A . OFu . CFu. Q + B)

na qual:AeBO FuCFu

constantes dependentes do cornbustfveltemperatura das furnacescalor rnedio espedfico das furnacas entre a temperatura ambientee a temperatura das furnacesteor em oxiqenio no ar soprado

E posslvel estudar a variacao de P c em funcao da temperatura das furnacaspara diferentes valores dos parametros Nc en.

Obtern-se. por exemplo, as curvas representadas na figura 38, que correspon-dem a tres valores do indice de cornbustao:

Nc = 0,3 - 0,5 - 0,7e dois valores do teor em oxiqenio do ar:

Q =0,21 -0,30~ 90 I--~~-----,,---~~---,~~~______.,EQ J 80 E:-----"'.....,_~+-~~~+_~~~-1u

0-- 70 P-::-__"".r>-~-+---'----+-------IoI . E 60 1 : - . _""c---",-;~__...,_-~---,=------!VI: : : : I.050 J-"I.c--~~--+~--'-:-~__"_Eou40 I--~-~ __-~-,-~ 30 r--~~----,--___"'..-~-'o~ 20 r--~~~--+~-'(1)E~ IO~------~------~~c:QJ0:: 0 ,___ -'-- ...L...-~ __ ......._ _ _.

o 500

Verifica-se que':

,Temperatura das fu mopesFi9.38

em c

uma reducao de 1OODC da temperatura das.furnacas melhora 0 rendimentoda cornbustao, qualquer que seja 0 indice de cornbustao:de 5%, aproximadamente, no caso de ~\;:omum (com 21 % deoxiqenio) \de 3,5%, aproximadamente, no caso de ar com adicao de oxiqonio ateum tear total de 30% no ar; \

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0 melhoramento do mdice de combustao de 10% (ou seja, aumento de 2,1 %do tear em C02 das furnaces. carrespondente a dirninuicao de 3,5% do tearem CO) aumenta 0 rendimento da cornbustao:- de 6,5% com ar comum- de 4% com ar sobreoxigenado; a substituicao do ar comum por ar sobreoxigenado a 30% melhora 0 rendi-mento da cornbustao tanto quanto mais elevada for a temperatura das fu-macas,

Para temperatura das fumacas de 600 C e fndice de combustao de 50%, 0melharamento e de aproximadamente 22%.5.3 - Exemplo de calculo de urn balance termico simplificado

o calculo se refere a um cubil6 de ar frio de 700 mm de dlarnetro interno, fun-cionando normal mente com 12% de coque nas cargas. Producao horaria: 2.900 kg Temperatura do metal: 1.500C Vazao das fumacas: 2.500 m3/h (a 15C e 760 mm) Temperatura das fumacas: 400C Proporcao de C02: 15% Proporcao de CO: 10% Proporcao de H20: 4,5% lndice de cornbustao: Nc = __ 1_5_15 + 10 =: 0,60 Analise do coque seco:CarbonoMaterias volateisEnxofreCinzas

90%0,50%0,50%9%Para estabelecer 0 balance termico, os calculos se efetuam da seguinte manei-ra:

Nota: Trata-se apenas de um balance terrnico simplificado.a) Calor fornecido pelo coqueo poder calorffico do coque calcula-se pela formula:Pc= 100 - H x 100 - A x 7.940 kcal100 100na qual:

H = porcentaqern de umidade no coqueA = porcentagem de cinzasNesta formula, considera-se que a combustao do coque se realiza com ple-tamente sob a fprma de C02.Neste caso particular, temos:H = 4,5% A = 9%Pc = 100 - 4,5 x 100 - 9 x 7.940100 100=6.900 kcal

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quantidade de coque consumido por hora2.900 x 12 = 348 kg/h100Calor fornecido pelo coque:Wol = 6.900 x 348 = 2.400.000 kcalque se repartem da seguinte maneira:

b) Calor necessario para aquecer a carga metalica de 15 a 1.200 Co calor especffico do ferro fundido, de 15 a 1.200C, varia de 0,165 a 0,200kcal/kg/DC. Admite-se que 0 calor de aquecimento de 1 kg de ferro fundidosolido ate 1.200 C e aproximadamente igual a 200 kcal/kg.Para urna producao horaria de 2.900 kg/h, temos:200 x 2.900 = 580.000 kcal/h;

c) Calor necessario para fundir 0 metal solidoo calor latente necessario para fundir 1 kg de ferro fundi do e mais ou me-nos de 60 kcal/kg.Para uma producao horaria de 2.900 kg/hi temos:60 x 2.900 = 174.000 kcal/h;

d) Calor necessario para sobreaquecer 0 metal Ifquido de 1.200 a 1.500DCo calor especffico do ferro fundido Ifquido e igual a 0,20 kcal/kg/oC. 0 calornecessario para sobreaquecer 1 kg de ferro fundido Ifquido de 1.200 a1.500DC e. portanto, aproximadamente igual a 60 kcal/kg.Para uma producao horaria de 2.900 kg/h, temos:60 x 2.900 = 174.000 kcal/h;

e) Calor necessario para aquecer, fundir e sobreaquecer 0 ferro fundido e igual a:Aquecimento das cargas metalicasFusaoSobreaquecimento

Total Wu

580.000 kcal/h174.000 kcal/h174.000 kcal/h928.000 kcal/h

f) Calor sensfvel das furnaceso volume de furnaces produzidas por 1 kg de carbo no queimado encontra-se atraves da formula:Of = __ 2--,2,,-4_

12 (a + b)a = porcentagem de C02b = porcentagem de CONeste caso: a =0,15Of = 22,4

12 (0,1 5 + 0,10)b = 0,10

7,466 m3/kg de C.

Ouantidade de carbona contida no coque:348 x 90

100 = 313 kg/h

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Volume das furnaces por hora:7A66 x 313 = 2.337 m3/hCalor especffico de 20 a 600C:

0,493 kcal/m3;oC0,322 kcal/m3/ CCalor especffico medic das furnacas:OA93 x 0,15 + 0,322 (1-015) = 0,348 kcal/rn 31CCalor sensivel das fumacas:Wfus = 0,348 x 2.337 x 400 = 325.000 kcal/h;

g) Calor latente das furnacesVolume de CO contido nas furnaces:Oeo = 2.337 x 10 = 234 m3 h100Poder calorffico do CO: 3.045 kcal/m3Calor latente das furnaces:Wful = 3.045 x 234 = 713.000 kcal/h;

h) Calor liberado pelas furnacesCalor sensivelCalor latente

325.000 kcal/h713.000 kcal/h1.038.000 kcal/hotal WFu

i) Perdas diversasCalculam-se por diferenca:

= 2.400.000 - (928.000 + 1.038.000)= 434.000 kcal/h

jl Balance termico em 1.000 kcal/hElementos do balance Entrada Saida

Calor fornecido pelo coque Wol 2.400Calor fornecido pelo metal Wu 928Calor levado pelas furnacas WFu 1038Perdas diversas Wd + WFo 434Totais 2400 2400

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k) Rendimento do cubil6:

p 928.000 38,7%2.400.000

o quadro seguinte mostra a cornparacao entre os balances termicos simpli-ficados: de um cubil6 de ar frio (calculado acima) de um cubil6 com recuperador do calor das fumacas de um cubil6 com aquecedor de ar independente

Balances terrnicos simplificadosde um cubilo de 0 700 mm sem ou com aquecirnento do ar

Temperatura do ar. em DC 15 400 500 Producao horaria de ferro fundido em t/h 2,9 3,6 4 Temperatura do ferro fundido liquido em DC 1.500 1.520 1.530 Coque- porcentagem nas cargas, em % 12 10,5 10- peso de coque queimado por hora, em kg/h 350 380 400 Cornposicao das fumacas, em % (antes darecuperacao eventual)CO2 15 13,5 13CO 10 12,5 13O2 0,5 0 0H2O 4,5 5 5,5Nz 70 69 68Indice de cornbustao Nc % 60 52 49 Volumetotal dasfumacasa 15C e 760 mmde mercuric. em m3/ h 2.500 2.400 2.400 Temperatura das furnacas. em DC 400 500 550 Calorias fornecidas pelo coque, em kcal/h 2.400.000 2.600.000 2.740.000 Calorias fornecidas pelo ar, em kcal/h 0 300.000 400.000 Calarias fornecidas totais, em kcal/h 2.400.000 2.900.000 3.140.000 Calor deaquecimento de fusao e desobrea-quecimento de ferro fundido produzido emuma hora, em kcal/h 928.000 1.180.000 1.300.000 Calor sensivel das furnaces. em kcal/h 325.000 420.000 445.000 Calor latente das turnacas. em kcal/h 713.000 920.000 970.000 Perdasdiversas por escorias, revestimentoradiacoes, em kcal/h 434.000 380.000 425.000 Rendimento terrnico do cubil6 propriamentedito, em % 38,7 40,8 41,4 Perdaspar calor sensivel, em % 13,5 14,5 14,2 Perdaspor calor latente, em % 29,7 31,2 30,8 Perdasdiversas. em % 18,1 13,5 1'3,6 Rendimentoterrnico de uma mstalacaocomrecuperador, em % 45,4 47,5 Rendimentoterrnico de uma instalacao comaquecedor de ar, em % 37,0 37,8

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Cubilot Vol 01