Refino - Fornos eltricos em GeralPor:Jean Gustavo de Arago2ndiceIntroduo ...............................................................................................................................1 1- Fornos Eltricos a arco......................................................................................................2 1.1- Presso de vapor do nquel lquido............................................................................2 1.2- Matrias primas para a produo de Ferro-Nquel....................................................4 1.3- Aquecimento Eltrico- Forno Eltrico .......................................................................5 1.4- Caractersticas do Aquecimento Eltrico ...................................................................6 1.5- Temperatura e transmisso do calor ...........................................................................6 1.6- Conduo do calor......................................................................................................6 1.6.1- Fator de forma .....................................................................................................7 1.7- Radiao de calor .......................................................................................................8 1.8- Conveco de calor .....................................................................................................9 1.9- As Indstrias Eletroqumicas, Eletrotrmicas, Eletrometalrgicas, Eletrolticas e a Energia Eltrica..................................................................................................................9 1.10- Classificao dos Processos Eletroqumicos, Eletrotrmicos e Eletrolticos ........ 10 1.10.1- Processo Eletroqumico ...................................................................................10 1.10.2- Processo Metalrgico......................................................................................10 1.10.3- Processo Eletroltico........................................................................................10 1.10.3.1- Em soluo aquosa ...................................................................................10 1.10.3.2- Em eletrlito fundido ...............................................................................11 1.10.4- Processo Eletrotrmico....................................................................................11 1.11- Vantagens tcnico-econmicas do forno eltrico..................................................11 1.12- Classificao generalizada dos fornos eltricos .....................................................12 1.13- Classificao segundo o modo de utilizao de energia........................................12 1.13.1- Fornos por processo eletroqumico .................................................................12 1.13.2- Fornos por processo eletrotrmico..................................................................12 1.13.3- Fornos ou clulas por processo eletroltico....................................................13 1.14- Classificao segundo a Natureza da corrente de alimentao .............................13 1.14.1- Fornos de corrente continua............................................................................13 1.14.2- Fornos de corrente alternada ...........................................................................13 1.15- Classificao segundo o Sistema de transformao da energia eltrica................13 1.15.1- Fornos a arco ...................................................................................................13 1.15.2- Fornos a Resistncia........................................................................................13 1.15.3- Fornos de Induo ...........................................................................................13 1.15.4- Fornos Mistos..................................................................................................13 1.15.5- Fornos a Plasma..............................................................................................14 1.15.6- Fornos Modernos Especiais............................................................................14 1.16- Classificao segundo o Sistema de Alimentao de energia eltrica .................. 14 1.17- Classificao dos fornos eltricos 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 no condutora e arco em srie .....................................15 1.17.2.1- Fornos de soleira no condutora e arco em paralelo ...............................16 1.18- Classificao dos fornos eltricos a arco imerso ...................................................17 1.18.1- Fornos Eltricos de arco imergido de aquecimento direto .............................17 1.18.1.1- Fornos de soleira no condutora e arco em paralelo ...............................17 1.18.1.2- Fornos de soleira no condutora e arco em paralelo ...............................17 1.19- Natureza fsica do arco ...........................................................................................19 1.20- Estudo do arco........................................................................................................20 1.21- Consideraes Trmicas Bsicas ...........................................................................23 1.21.1 - Gerao do calor .............................................................................................24 1.21.2 - Calor Gerado no 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- Transmisso 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 abbada feita a troca de calor por:..................................................30 1.22.3.2 - Nas paredes feita troca de calor por:....................................................30 1.22.3.3 - No banho feita troca de calor por::......................................................30 1.23 - Perdas de calor .......................................................................................................31 1.24 - Capacidade energtica dos fornos a arco..............................................................31 2- Descrio do processo .....................................................................................................33 2.1- Sistema de refrigerao do forno .............................................................................33 2.2- Sistema de refrigerao do transformador ...............................................................34 2.3- Sistema de emergncia .............................................................................................34 2.4- Sistema de fabricao e escorrego de eletrodos .......................................................34 2.5- Salas de operaes....................................................................................................35 2.6- Fluxo do minrio 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- Vitrnio .............................................................................................................41 Fusnio .........................................................................................................................41 Durnio .........................................................................................................................41 3.2- Coque metalrgico....................................................................................................42 3.3- Coque de petrleo .....................................................................................................42 3.3.1- Coqueamento retardado (Delayed Coking) .....................................................43 3.3.1.1- Coque esponja (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- ndice Conradson......................................................................................................44 3.5- Fabricao dos eletrodos de carbono .......................................................................45 3.6- Eletrodos de carbono amorfo ...................................................................................46 3.6.1- Eletrodos de carbono amorfo propriamente dito..............................................47 3.6.1.1- Calcinao..................................................................................................49 3.6.1.2- Preparao granulomtrica .........................................................................49 3.6.1.3- Mistura........................................................................................................49 3.6.1.4- Moldagem ...................................................................................................49 3.6.1.5- Cozimento..................................................................................................50 43.6.2- Eletrodos de carbono amorfo destinados s clulas eletrolticas..................... 50 3.7- Eletrodos Soderberg .................................................................................................52 3.7.1- Eletrodos soderberg de grandes dimenses......................................................54 3.7.2- O equipamento dos eletrodos Soderberg de grandes dimenses......................61 3.7.3- Eletrodo Soderberg furados..............................................................................67 3.8- Eletrodos de grafita ...................................................................................................69 3.8.1- Limite Superior da intensidade de corrente......................................................71 3.8.2- Limite inferior da intensidade de corrente........................................................71 3.8.3- Eletrodos recobertos..........................................................................................72 3.8.4- Condies operacionais que influem no comportamento dos eletrodos de grafita ...........................................................................................................................72 3.8.5- Unio dos eletrodos ...........................................................................................73 3.8.5.1- Campo eletromagntico girante .................................................................73 3.8.6- Eletrodos refrigerados a gua............................................................................74 3.8.7- Anis economizadores(de eletrodos)................................................................78 3.9- Grafitizao..............................................................................................................80 3.10- A escolha da utilizao dos eletrodos....................................................................81 3.10.1- Qualidade (Carbono amorfo ou grafita)..........................................................81 3.10.2- Dimetro (Grande ou pequeno) .......................................................................81 3.10.3- Fatores favorveis utilizao de grandes dimetros....................................81 3.10.4- Fatores favorveis utilizao de pequenos dimetros..................................82 3.10.5- Fatores favorveis utilizao dos eletrodos de grafita nos fornos siderrgicos..................................................................................................................83 3.10.6- Fatores favorveis utilizao 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 do eletrodo........................................................................92 3.11.2- Consumo lateraldo eletrodo..........................................................................96 3.11.3- Efeito da temperatura e velocidade da atmosfera ambiente na oxidao .......96 3.11.4- Outros fatores de consumo..............................................................................97 4- Os refratrios nos Fornos Eltricos .................................................................................98 4.1- Revestimento Refratrio, Materiais Cermicos .......................................................98 4.2- Classificao dos Refratrios .................................................................................101 4.2.1- Refratrios Slico-Aluminosos........................................................................101 4.2.2- Refratrios Aluminosos ...................................................................................103 4.2.3- Refratrios de Slica........................................................................................103 4.2.4- Refratrios Bsicos..........................................................................................103 4.2.5- Outros Refratrios ...........................................................................................105 Caractersticas tcnicas dos refratrios..........................................................................105 Revestimento refratrio de fornos eltricos a arco........................................................106 Detalhes construtivos dos revestimentos refratrios .....................................................107 4.5.1- Soleira..............................................................................................................107 4.5.2- Parede..............................................................................................................110 4.5.3- Abbada ...........................................................................................................114 4.5.4- Revestimento para fabricao de ferro fundido..............................................116 Refratrios para fornos eltricos a arco imergido .........................................................117 4.6.1- Caractersticas dos refratrios para o forno a arco imergido..........................118 4.6.2- Combinao de fatores para uma boa campanha............................................118 ndice de desgaste de Refratrios..................................................................................120 5Prticas modernas de projeto e manuteno de revestimento refratrios de fornos eltricos a arco ...............................................................................................................127 4.8.1- Subsola............................................................................................................128 4.8.1.1- Construo em Estdio............................................................................128 4.8.1.2- Construo Contornante ...........................................................................129 4.8.1.3- Construo em Domo ou Semidomo Invertido .......................................129 4.8.2- Soleira de trabalho ...........................................................................................130 4.8.2.1- Soleira Monoltica....................................................................................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 escria ...............................................................................134 4.8.8- Porta do forno..................................................................................................136 4.8.9- Parede superior................................................................................................136 4.8.10- Abbada .........................................................................................................138 4.8.11- Exemplo de montagem de uma abbada convencional de um forno eltrico a arco .............................................................................................................................140 4.8.12- Abbada de alta alumina ...............................................................................141 5- Diagrama e curvas caractersticas .................................................................................141 5.1- Diagrama circular e curvas caractersticas do forno a arco ...................................141 5.2- Curva caracterstica em funo da corrente para E e X constantes .......................144 5.2.1- Diagrama da potncia ativa e reativa..............................................................144 5.2.2- Diagrama do fator de potncia........................................................................144 5.2.3- Diagrama do rendimento .................................................................................144 5.3- Curva caracterstica em funo da resistncia para E e X constantes ...................145 5.3.1- Diagrama da potncia ativa e reativa..............................................................145 5.3.2- Diagrama da corrente......................................................................................146 5.3.3- Diagrama do Fator de Potncia .......................................................................147 5.3.4- Diagrama do rendimento .................................................................................147 5.4- Diagrama caracterstica de Bergeon .......................................................................149 5.4.1- Diagrama da intensidade de corrente de um forno em funo do fator de potncia......................................................................................................................149 5.4.2- Diagrama da intensidade de corrente de um forno em funo do fator de potncia......................................................................................................................150 5.4.3- Diagrama do fator de potncia em funo da potncia e da intensidade absorvida pelo forno e da tenso de alimentao......................................................151 5.5- Concluses..............................................................................................................151 5.6- Curvas caractersticas operacionais dos fornos eltricos .......................................153 5.6.1- Escolha do tap para o teste de curto-circuito..............................................156 5.7- Diagramas operacionais e eficincia......................................................................157 5.8- Grficos de operao dos fornos a arco .................................................................167 6- Balano de Massa..........................................................................................................173 6.1- Dados de entrada....................................................................................................173 6.2- Clculos para o balano 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 66.2.5- Massa molar de enxofre no Eletrodo utilizado no Forno de Refino .............. 174 6.2.6- Balano de Massa do Carbono........................................................................174 6.2.7- Balano de Massa de Fsforo .........................................................................175 6.2.8- Balano de Massa de Nquel ...........................................................................176 6.2.9- Balano de Massa de Ferro .............................................................................177 6.2.10- Balano de Massa do Enxofre .......................................................................178 6.2.11- Balano de Massa do Oxignio .....................................................................180 6.2.12- Balano de Massa de CaO............................................................................180 6.2.13- Balano de Massa de CaO seguindo a estequiometria da reao .................181 7- Balano Trmico............................................................................................................181 7.1- Dados de entrada....................................................................................................181 7.2- Clculos para o Balano Trmico..........................................................................182 7.2.1- Entradas de energia .........................................................................................182 7.2.2- Sadas de energia .............................................................................................184 7.2.2- Perca de energia..............................................................................................184 Bibliografia........................................................................................................................185 7IntroduoA reduo um processo pirometalrgico de fuso redutora de minrio, onde utilizado cavaco de madeira ou carvo vegetal como agente redutor e eletricidade como fonte de energia e com o propsito de se obter a liga ferro-nquel na forma metlica.Este processo realizado em forno eltrico de 22 MVA (Mega Volt Ampre) da marca Elkem, tambm denominado forno a arco submerso.O calor necessrio para a fuso obtido pela passagem da corrente eltrica entre trs eletrodos existentes dentro do forno, atravs do material fundido e da carga slida e, em alguns casos, atravs dos arcos eltricos formados entre a extremidade inferior dos eletrodos e o banho, caracterizando uma operao com arco aberto.O forno Elkem constitudo de uma carcaa cilndrica de ao carbono com 25 mm de espessura, dimetro de 14.940 mm e altura de 6.425 mm.Externamente, a carcaa refrigerada por uma lmina de gua e, na parte interna, protegido por umrevestimento magnesiano, da base at a altura de 5.953 mm, correspondendo parede e soleira. Dos 5.953 mm at 6.425 mm o revestimento slico-aluminoso.Naalturade2.444mmestmontadoumquadroderefratrioquepermiteo vazamentodometal ea800mmacima, estodoisconjuntosdeconesdecobre, de dimetros diferentes, para vazamento da escria, refrigerados a gua.O controle do processo de reduo efetua-se, principalmente, pela quantidade de redutor adicionado.Sendo o Ni mais facilmente reduzido do que o Fe, o objetivo obter somente uma reduo parcial do Fe para produzir uma liga Fe-Ni com alto teor de Ni.Poroutrolado, precisa-sedeumcertoexcessodecarbonoparaseobter uma recuperao satisfatria.A influncia do carbono na carga do forno pode ser resumida da seguinte maneira:.Aumento de CMelhoraa recuperao:menos Ni na escria,diminui o teor de Ni no metale aumenta a fluidez do metal;.Diminuio de CBaixa a recuperao: aumenta o teor de Ni na escria, aumenta o teor de Ni no metal e diminui a fluidez do metal.A liga Ferro-nquel produzida na interface escria e carga, mas em quantidades taisqueoprocessopodeserconsideradocomofusodaescriacomprecipitaode partculas de metal.A temperatura mdia de vazamento da liga da ordem de 1.470C e a da escria de 1.585C.A fluidez da escria determinada, principalmente, pela relao (SiO2/(MgO+CaO)) no minrio.Para assegurar uma operao uniforme do forno necessrio manter essa relao a mais constante possvel (em torno de 1,70).A fuso mdia diria de cada Forno de 750 t de minrio seco e, em funo do grande volume de escria gerado no processo (da ordem de 80% do minrio alimentado), os vazamentos da escria so de 2 em 2 horas, com mdia de 40 minutos por corrida.Os vazamentos da liga obedecem programao do Refino.11- Fornos Eltricos a arcoO nquel possui as seguintes propriedades fsico-qumico: Peso atmico g/tomo - 58,71 gramas; Nmero de atmico - 28; Peso especfico - 8,5 g/cm3; Valncia - 0,1,2,3; Ponto de fuso - 1450C; Ponto de ebulio -2914C; Calor de fuso - 4210 cal/mol; Calor de ebulio - 89600 cal/mol; Capacidade calorfica especfica - 0,1034 cal/gC; Condutividade trmica a 0C - 0,1420 cal/cm/cm2/segC; Dureza - 3,5 escala de Mohs; Condutividade eltrica (Cu 100) - 22,7; Cor - Branca; Estrutura cristalina- - Hexagonal compacta - cbica de face centrada.Limite de resistncia trao: Arame- 1,27 de dimetro estirado a frio - 112,5 kg/mm2; Chapas, 1,27 mm largura laminada a frio - 64,68 kg/mm2; Chapas, 1,27 mm largura recozida - 53,43 kg/mm2.O nquel pode ser laminado em chapas finas e trefilado a arames pois possui um alto grau de ductilidade e tenacidade.1.1- Presso de vapor do nquel lquidoO nquel e o ferro so solveis em todas propores, tanto no estado lquido como no slido, conforme Figura 1.O clculo da presso de vapor de nquel realizada atravs da equao.6 , 1446513) ( ln +Tatm PNi2Figura 1- Diagrama de fases do sistema Fe-Ni Astabelas1.1e1.4sereferemaosdadostermodinmicosdasligasslidase lquidas do sistema Fe-Ni.Tabela 1: Calor de mistura das ligas slidas a 1200KNNi H NNi H0,1 -182 0,6 -10560,2 -350 0,7 -10610,3 -524 0,8 -8780,4 -719 0,9 -5030,5 -923 100(1-N)Fe() + NNi(s) = Fe(1-N)Ni N()Tabela 2: Quantidade parciais molares paras ligas slidas a 1200KNFe aFe Fe GFe GFeEXC0,9 0,865 0,960 -347 -960,8 0,768 0,960 -629 -960,7 0,690 0,986 -884 -330,6 0,616 1,027 -1156 62 ( 0,023) ( 0,039) ( 90) ( 90)Fe() = Fe(na liga)()3Tabela 3: Energia livre total de mistura para as ligas lquidas a 1300KNNi G GEXCNNi G GEXC0,1 -1369 -159 0,6 -3225 -7210,2 -2160 -298 0,7 -2973 -7000,3 -2704 -431 0,8 -2437 -5740,4 -3061 -556 0,9 -1548 -3380,5 -3240 -661( 90) ( 90)(1-N)Fe(l) + NNi(l) = Fe(1-N)Ni N(l)Tabela 4: Quantidades parciais molares para as ligas lquidas a 1873KNNiComponente de FeComponente de Fe Fe(l) = Fe(na liga) l Ni(l) = Ni(na liga) laFe Fe GFe GFeEXCaNi Ni GNi GNiEXC0,0 1,000 1,000 0 0 0,000 0,617 - -18000,1 0,897 0,996 -407 -15 0,068 0,675 -10032 -14620,2 0,794 0,992 -860 -29 0,138 0,692 -7363 -13730,3 0,693 0,990 -1366 -39 0,209 0,697 -5826 -13450,4 0,587 0,978 -1985 -84 0,285 0,712 -4674 -12640,5 0,470 0,941 -2805 -225 0,373 0,745 -3676 -1096( 0,008) ( 0,016) ( 60) ( 60) ( 0,013) ( 0,025) ( 125) ( 125)0,6 0,343 0,858 -3978 -568 0,481 0,802 -2723 -8220,7 0,218 0,726 -5675 -1194 0,614 0,877 -1815 -4880,8 0,116 0,581 -8014 -2024 0,756 0,945 -1042 -2120,9 0,045 0,454-11509 -2939 0,888 0,987 -442 -501,0 0,000 0,355 - -3860 1,000 1,000 0 0A energia livre de formao do xido de nquel :Ni(S) + O2 NiO(S)GNi= -5500 + 20,01*(298-1726 K)Ni(S) + O2 NiO(S)GNi= -5500 + 20,01*(1726-2000 K)1.2- Matrias primas para a produo de Ferro-NquelO principal mineral constituinte dos minrios laterticos a garnierita. A garnierita um hidro-silicato de nquel e magnsio. Estudos mineralgicos definiram a garnierita comoumavariedadedeserpentina ondeonquel substituiomagnsio.Muitosoutros nomes comonoumeita, nepouita, gymnitaegenthitasoutilizados paraas diversas espcies de silicatos de nquel, mas o termo genrico garnierita o mais usado.Limonitaniquelfera umtermousadoparaxidos frricos niquelferos em depsitoslaterticos. Agoethitao principalconstituintedaslimonitasniquelfera. O contedo de gua varia bastante. 41.3- Aquecimento Eltrico- Forno EltricoFornoeltricotodoaparelhodeaquecimentoqueserveparaseobter uma determinadatemperatura numacarga predeterminada, por meiodaenergia trmica produzidapela energia eltrica. Compreendendoumacmaraisolada, ouno, pode produziraquecimentoporfuso, refino, tratamentotrmico, etc., ouparaumareao qumica de reduo, decomposio ou combinao, etc.Generalizadamente os fornos eltricos a arco se dividem em duas classes distintas: fornos eltricos a arco aberto (ou direto) e fornos eltricos a arco imergido (ou de arco resistncia), ou ainda de reduo.Osfornoseltricosdearcoabertosocaracterizadospelofatodeosarcosse fecharem entre os eletrodos e a carga, ou entre os eletrodos, servindo como fusores da carga e do seu refino.Os fornos eltricos de ao emergidos so caracterizados pelo fato de os eletrodos estarem imersos na carga de matria-prima, e a corrente eltrica passar no apenas atravs dosarcosquesedescarregamentreaspontasdoseletrodoseobanhofundido, mas tambmlateralmenteaoseletrodos, atravsdaresistnciadacargadematria-prima. Estesfornossoutilizadosprincipalmenteparaaproduodeferro-ligascomoferro-silcio, silcio metlico, ferro-mangans, ferro-cromo, ferro slico-mangansferro slico-aluminio, ferroboro, etc., bemcomoparaaproduodeprodutos qumicos como carboneto de clcio, silicato de clcio, carboneto de silcio, eletrofundidos de alta alumia, etc.No nosso caso especfico do aquecimento eltrico pelo arco voltaico, desenvolvidoemfornos apropriados de fuso e0ou reduo,o aquecimento tem como definio a caracterstica do calor desenvolvido principalmente pela radiao do arco e, em conseqncia, pela conduo e conveco desse calor, que transferido ao seio dos ambientes que rodeiam. O arco em si ser definido posteriormente em captulo prprio.Oaquecimento eltrico envolve vantagens cuja simplicidade e preciso de controle, particularmente nos fornos de fuso e reduo, se caracterizamcomo inigualveis quando comparadascom as de qualquer outro forno cuja energia provenha do combustvel carbono.Um forno eltrico ligado a um sistema eltrico pode ser operado 24 horas por dia e pode ser desligado desse sistema quantas vezes foremnecessrias, semmaiores conseqncias, salvo quanto ao consumo de energia no que se refere ao nvel de potncia, que envolve o preo dessa energia. Cada operao pode ser representada num diagrama de carga em eixos cartesianos da potncia em funo do tempo, qual permite aumentos de potncia do forno nos momentos de fraca demanda (quando pr-acordado entre usurio e a concessionria da energia eltrica), ou para demandas j programadas para operaes contnuas de potncia com pequenas oscilaes. o caso da utilizao de fornos eltricos aarcoquetrabalhamemregimecontnuodefusooudereduo, comorefinoe/ou tratamentos trmicos executados noutros tipos de fornos eltricos auxiliares.Os fundamentos daproduodecalor pelaeletricidadesosui generisna concepo, pormemtermosdeconseqnciasoidnticosaosoutrosprocessosde produo de calor, como no caso da produo de calor pelo carbono, pela energia solar, nuclear, etc.Porm, precisoressaltarque, emqualquerdoscasos, oaquecimentoeltrico pode ser efetuado livre de ponderaes de gravidade, ambiente ou presso.51.4- Caractersticas do Aquecimento EltricoO calor produzido eletricamente tem certas caractersticas distintas, a saber: A preciso da regulagem eltrica se estende transmisso do calor. fcil alcanar uma temperatura uniforme entre reduzidos limites. Seu desenvolvimento no implica combusto de nenhuma espcie, portanto no polui o ambiente. As temperaturas que podem ser alcanadas no tm outro limite superior do que o determinado pelas caractersticas do materiais que devem suportar o calor.As vantagens derivadas destas caractersticas variamde valor, segundo as condies de cada caso. As mais importantes entre elas so: Aplicao no ponto exato onde se necessita. Flexibilidade; compreende uma fcil subdiviso, liberdade de colocao e uma grande facilidade de operao. Boascondiesdetrabalho, limpeza, funcionamento silencioso, escassa influncia da temperatura ambiente, etc. Resposta rpida. Segurana. Altos nveis de temperatura, se necessrio.1.5- Temperatura e transmisso do calorOs dois princpios bsicos do aquecimento industrial so: temperatura e forma de transmisso de calor. Neste segundo caso, reduz-se o campo em que se pode escolher o mtodo de aquecimento para um processo determinado. Em geral, existem sempre vrios mtodos para se obter um mesmo resultado, tendo-se em contra fatores econmicos entre s quais, alm do capital para a implantao ou instalao, comodidade e custos da energia, incluem-se os estudos das vantagens que oferecem os diferentes mtodos e que influem no custo total da produo.Uma classificao conveniente de nveis de temperatura pode se, segundo Knowlton:I. Baixas temperaturas: at 400C;II. Temperaturas mdias: de 400C at 1150C;III. Altas temperaturas: Pontos de fuso dos metais refratrios e superiores.O calor transmite-se por conduo, radiao e conveco.Frequentemente, a transmisso do calor efetua-se por combinao dos trs sistemas, com predominncia, porem, de um deles.1.6- Conduo do calorA conduo do calor pode-se efetuar nos trs estados da matria: slido, liquido e gasoso.Acondutividadetrmicadefine-secomoaquantidadedecalorque circulana 6unidade de tempo, atravs de uma rea-unidade, numa placa que tenha uma espessura-unidade, e em cujas superfcies exista uma diferena de temperatura igual unidade.Alei dacondutividadetrmicaparaumgradientedetemperaturaconstantese expressa como segue:Equao 1 h1= lt K Am'. . em que h1 a quantidade de calor transmitido por conduo na unidade de tempo; A a rea da seo transversal do caminho seguido pelo calor; t o gradiente de temperatura; l o comprimento do caminho; e Km o valor mdio da condutividade trmica do material, na qual se estabeleceu um gradiente de temperatura para uma determinada temperatura.1.6.1- Fator de formaA equao 1, tal como est indicada, aplicvel uniformemente em percursos de seo transversal uniforme. Se a rea da seo transversal do caminho por onde o calor flui varia ao longo do seu comprimento, pode-se aplicar a equao apresentada se tomada a mdia logartmica das reas do caminho a percorrer.Quando as superfcies-limite a considerar no apresentam contornos suaves, o termo A/l da equao 1 deve ser substitudo por um fator de forma S tal que:Equao 2 h1= S.Km.tSo duas equaes para o fator de forma S:a) Para recintos retangulares, de acordo com a Figura 2:Figura 2- Recintos retangularesEquao 3 S = t ltA. 20 , 1 . 54 , 0 + +Onde A a rea da superfcie interior; t a espessura das paredes, e l a soma dos comprimentos de todas as arestas interiores.b) Para recintos cilndricos, de acordo com a .tdhAAWSeco A-A7Figura 3- Recintos cilndricosEquao 4 S =

,_

+ +abhltA10log . 30 , 2. . 2. 54 , 0Onde A a rea das superfcies das bases superior e inferior; t a espessura das paredes; l a soma dos comprimentos dos bordos superiores e inferiores; h a altura interior; b o dimetro exterior; e a o dimetro interior.1.7- Radiao de calorumfenmenoqueseproduznassuperfcies.Assuperfcies, conforme a sua natureza emite ou absorvem energia radiante, com diferentes intensidades.A maior parte dos corpos slidos opaca radiao. O quartzo uma exceo notvel, bemcomooscorpostransparentesoutranslcidos. Oslquidostransmitema radiao em certo grau. Somente dois gases, vapor de gua e andrico carbnico absorve radiao em graus sensveis.Aquantidade de calor transmitidopor radiao nas condies correntes, na prtica, vem expressa pela seguinte Equao 5:Equao 5 hr = ( )11 4 4010 . . 57 .aT T Onde hrso watts por decmetro quadrado; o coeficiente de absoro da superfcie receptora; T0atemperaturaabsolutadasuperfcieemissora; eTaatemperatura absoluta da superfcie receptora.tahtb81.8- Conveco de calorAtransmissodocalorporconveconatural seefetuaatumasuperfcieou desde ela por movimento de um fluido, quando este movimento se deve exclusivamente a diferenas de densidade do fluido.Para a conveco natural no ar, a quantidade de calor transmitida vem expressa por:Equao 6 hc = 223 (t)1,25.10-4Onde hc so watts por decmetro quadrado e i o gradiente de temperatura. Esta equao se aplica a planos verticais, cuja altura seja maior que 30 cm. Para alturas inferiores a 30 cm, deve multiplicar-se o coeficiente da Equao 6 por uma constante cujos valores so:Tabela 5- Constantes de ajusteAltura em cm Constante20 1,3615 1,5410 1,775 2,80A quantidade de calor transmitido por unidade de tempo por conveco natural desdeumasuperfciehorizontal de35%superior transmitidapor umasuperfcie vertical, se esta encarada para cima, e de 30% inferior, se est para baixo. Portanto, para condies mdias, e considerando todas as superfcies de umcorpo, a mdia da quantidadedecalor transmitidopor unidade de tempo por conveco natural pode ser calculada com suficiente aproximao mediante a Equao 6. Na conveco forada, a transmissodocalor funopredominantedavelocidadedofluido. Esteefeitoda velocidade e a facilidade com que pode regular-se, assim como o poder de penetrao dos gases, fazem com que a conveco forada seja um mtodo eficaz para a transmisso de docalornamaioriadoscasos. Tratando-sedeaquecimentoeltrico, atransmissode calor na maioria dos casos. Tratando-se de aquecimento eltrico, a principal limitao que se ope ao emprego da conveco forada nos gases o limite mximo de temperatura de trabalho doventiladores, acima de650 C. Em alguns casos, o gs pode aquecer-se sada do ventilador, e, portanto, podem empregar-se temperaturas superiores s indicadas.Paracadaaplicaodaconvecoforadaserequeremnovospassosdefinidosparaa circulao do gs.1.9- As Indstrias Eletroqumicas, Eletrotrmicas,Eletrometalrgicas, Eletrolticas e a Energia EltricaAs indstrias eletroqumicas so as indstrias que produzem produtos qumicos atravs da eletricidade, mas tambm as que produzem os ferro-ligas diversos, pois pela eletricidadequeconseguimosareao de reduo do xido metlico que faz parte da matria-prima para formar o ferro-liga desejado.A reao no forno tambm pode ser feita por decomposio eletroltica para se atingir a formao de um produto qumico determinado.9As indstrias eletrotrmicas so as que so capazes de produzir calor em elevados nveis de temperatura para fundir e, se necessrio, refinar o produto que se deseja.As indstrias eletrometalrgicas so as que produzem ou refinam metais ferrosos e no ferrosos atravs de processos eletrotrmicos, eletroqumicos ou eletrolticos.1.10- Classificao dos Processos Eletroqumicos,Eletrotrmicos e EletrolticosOs processos eletroqumicos, eletrolticos, eletrometalrgicos e eletrotrmicos podem ser agrupados em quatro grandes grupos:1.10.1- Processo EletroqumicoNeste processo, a reao qumica vem determinada pelo efeito de Joule, quer seja alimentado por corrente contnua ou por corrente alternada.Esta categoria, a mais importante, compreende a produo de : Carboneto de clcio, de brio, de silcio, de alumnio, etc; No metlicos (grafita,silcio metlico, fsforo, etc.); Metais (mangans, zinco, etc.); Corndon, carborundo, cimento fundido; Compostos azotados (cido ntrico, calciocianamida, etc.); Compostos fosfatados.1.10.2- Processo MetalrgicoEste processo engloba os processos eletroqumicos, eletrolticos e eletrotrmicos. Atravs deles poder-se- fabricar metais ferrosos e no ferrosos, alem de ligas metlicas, tais como: Gusa eltrico; Gusa sinttico; Ao; Ferro-ligas; Metais no ferrosos e ligas metlicas.1.10.3- Processo EletrolticoS alimentado a corrente contnua e utilizado com um eletrlito;1.10.3.1- Em soluo aquosa10 Para a produo de hidrognio e oxignio; Para a fabricao de gua oxigenada e sais (persulfato e percarbonato); Para a fabricao da soda custica e potassa custica, com simultnea produo de cloro e de hidrognio; Para a fabricao de hipocloritos, de cloratos e de perclorato alcalino; Para a fabricao de zinco, de cobre, de nquel, de ferro, etc. (eletrolticos); Para processos de oxidao e reduo.1.10.3.2- Em eletrlito fundido Para a fabricao do alumnio; Para a fabricao do slido; Para a fabricao do magnsio; Para a fabricao do clcio; Para a fabricao do berilo; Para a fabricao do Mischmetal ( ou metais das terras raras lantandeos).1.10.4- Processo Eletrotrmicooque compreende todo oprocesso emque a corrente eltrica temao exclusivamente trmica: Fuso e tratamento trmico de metais e de leitos metlicos; Cozedura de cermica e de refratrios; Tratamento do vidro; Reaquecimento eltrico; Soldadura eltrica.De todos estes processos, alguns possuem atuao somente por energia eltrica, enquanto outros podem ser obtidos tambm por fornos a combustveis.Neste segundo caso, a escolha recai somente na vantagem econmica.1.11- Vantagens tcnico-econmicas do forno eltricoAs vantagens tcnico-econmicas do forno eltrico emrelao ao forno a combustvel so principalmente as seguintes:I. O valor complementar do interesse, a amortizao e a renovao da instalao do forno eltrico so, geralmente, inferiores aos de um forno a combustvel.II. A despesa de operao, isto , a despesa de mo-de-obra e consumo de refratrios, etc., resulta inferior de um forno a combustvel.III. O rendimento do forno eltrico notavelmente superior ao que se pode obter com um tipo perfeito do forno a combustvel.IV. As perdas por volatilizao e vaporizao somenores do que noforno a combustvel.11V. As temperaturas alcanadas com o forno eltrico so notavelmente mais elevadas e muito mais uniformes do que aquelas obtidas com o forno a combustvel.VI. Ofornoeltricoprometeumatimaregularizaodatemperaturaeumafcil desgaseificao.VII. A instalao do forno eltrico requer um espao mais limitado, seja pela dimenso propriamente do forno, seja pela eliminao do depsito de combustvel, fornalha e chamin.VIII. A instalao do forno eltrico pode ser feita em qualquer lugar, graas quase completa eliminao de fumos, p e cinza.IX. Omaterial produzidopelofornoeltricomaispuro, maishomogneoede caractersticas mais constantes do que as obtidas com o forno combustvel.X. O forno eltrico permite obter certos produtos, que no podem ser obtidos com o forno a combustvel.XI. O forno eltrico permite obter produtos com matria-prima de to baixo teor, que no pode ser empregada no forno a combustvel.XII. O forno eltrico permite obter mais facilmente umambiente de reao completamenteneutra, ou, aocontrrio, oxidanteouredutora, fazer reagirem sobre o produto fundido os gases determinantes (azoto oxignio, etc).Tais vantagens devem assegurar tendenciosa escolha no emprego da energia eltrica em relao ao combustvel quando o preo da energia o justificar.1.12- Classificao generalizada dos fornos eltricosA classificao dos fornos eltricos pode ser feita de muitas maneiras, dada a sua diversidadenosvriossetoresdeutilizao, nasvriasformasdefuncionamento, nos vrios tamanhos, potncias e demais caractersticas.Apesar de existirem diferentes tipos de fornos eltricos, torna-se necessrio um bom mtodo de classificao. Vamos optar primeiramente por um mtodo que pode ser feito como segue.1.13- Classificao segundo o modo de utilizao de energia1.13.1- Fornos por processo eletroqumicoSo fornos que funcionam por efeito Joule, atingindo a temperatura necessria paraprovocarareaoqumicanomaterial queconstitui acarga, paraproduziremo produto que se deseja.1.13.2- Fornos por processo eletrotrmicoSofornosqueutilizamoefeitodeJouleparafusoetratamentotrmicodo material a tratar, sem interveno de alguma reao qumica.121.13.3- Fornos ou clulas por processo eletrolticoSo fornos que se utilizam do efeito de Joule e que, por meio de um eletrlito, separam os elementos constituintes da carga, que est dissolvida nesse eletrlito, os quais, juntos, constituem o banho eletroltico.1.14- Classificao segundo a Natureza da corrente de alimentao1.14.1- Fornos de corrente continuaSo fornos empregados para todo processo eletroltico e s raramente para outras aplicao, alm de ultimamente tambm se empregarem no processo eletrotrmico como forno a arco ( para a fabricao de ao, etc.).1.14.2- Fornos de corrente alternadaSo fornos empregados para todas as utilizaes do forno eltrico, exceo do processo eletroltico.1.15- ClassificaosegundooSistemadetransformaoda energia eltrica1.15.1- Fornos a arcoSofornosquaisoscalores produzidopelapassagemdacorrenteatravsdo espaocompreendidoentreas extremidades dos dois oumais eletrodos, ouentrea extremidade do eletrodo e a carga.1.15.2- Fornos a ResistnciaSofornosnosqual ocalor produzido pelapassagemdacorrenteatravsda carga, ou massa a tratar ou, no cadinho, pela corrente induzida pelo enrolamento primrio.1.15.3- Fornos de InduoSo fornos nos quais o calor produzido por efeito de Joule, da corrente induzida na massa a tratar, ou cadinho, pela corrente induzida pelo enrolamento primrio.1.15.4- Fornos Mistos13Sofornosnosqual ocalor produzido por efeito simultneo dos precedentes tipos de fornos deste sistema.1.15.5- Fornos a PlasmaSofornosnosqualocalor produzido por tochas de plasmaque aquecem a carga a elevadssimas temperaturas, volatilizando-a, para depois condensar seus vapores pornveisdetemperatura, separandoseuscomponentesemaltosgrausdepureza, ou somente produzindo calor como nos fornos anteriores.1.15.6- Fornos Modernos EspeciaisNesta classificao podemos considerar os fornos de aquecimento dieltrico, de aquecimento por raios infravermelhos, de aquecimento por feixes de eltrons, de aquecimento por ondas ultra-snicas, de aquecimento por laser, etc.1.16- Classificao segundo o Sistema de Alimentao de energia eltrica1. Forno de corrente continua;2. Fornos de corrente continuam ligados em paralelo;3. Fornos de corrente continuam ligados em srie;4. Fornos de corrente alternada;5. Fornos de corrente alternada monofsica;6. Fornos de corrente alternada bifsica;7. Fornos de corrente alternada trifsica;8. Fornos de corrente alternada exafsica;9. Fornos de corrente mista, de plasma e especiais.O acerto do tipo mais conveniente do forno a ser empregado para um determinado processoeletrotrmicodependedeumcomplexodecircunstncias, quedeveroser examinadas, caso por caso, seja pela descrio das caractersticas de cada tipo de forno, seja pela descrio do principal processo eletroqumico ou eletrotrmico industrial.1.17- Classificao dos fornos eltricos a arco direto14Os fornos eltricos a arco direto empregam-se principalmente para fundir metais, e, se necessrio, para refin-los. So usados para a produo de aos comuns, aos-ligas e para a refuso do gusa ou ferro fundido.Em relao transmisso do calor, eles podem classificar-se em dois tipod fundamentais: Fornos de arco indireto; e Fornos de arco direto1.17.1- Fornos de arco indireto ou radianteSo do velho tipo os fornos a arco Stassano, Bassanese e derivados, nos quais os eletrodos so dispostos horizontalmente (Stassano), ou inclinados para baixo (Bassanese). O aquecimento do material advm da radiao na parte de reverberao e do movimento circular do arco, porm torna-se necessrio que o eletrodo esteja afastado do banho de uma distncia no inferior a 5 ou 6 cm.Destes tipos defornos,oque ainda se encontra em uso generalizado o forno a arco basculante, conhecido por forno Detroit. Consta de dois eletrodos horizontalmente dispostosnomesmoeixo, queatravessamoforno, comformatodeumbarril, pelos tampos. Internamente revestido de material refratrio, com uma porta nica de carga e corrida, com bica, na parte bojuda. Tem um mecanismo que lhe permite a basculagem oscilante. alimentadopor corrente monofsica ou bifsica,sem neutro.Os eletrodos esto afastados um do outro no centro do barril, de maneira a permitirem a formao do arcoque, por radiaodiretaourefletidapelasparedesrefratrias, aqueceacargaa fundir.Os eletrodos tmummecanismo que lhes permite, automaticamente, esse afastamento, por regulagem provocada pela intensidade de corrente do arco. empregado para fuso de vrios metais ou para fabricao e refino do ao. a tenso de servio deste tipo de forno 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 ao.O forno a arco radiante encontra aplicao em pequenas fundies, nas quais se devem assegurar corridas dirias de peso so superior a 100 a 150 kg cada uma.1.17.2- Fornos de arco indireto ou radiantePertencem a esta categoria os modernos fornos a arco, nos quais os eletrodos se posicionam verticalmente a poucos centmetros da carga.Ocalor obtidopela dissipaodesuanatural radiaoepelas constantes mudanasdeposio doarco, tanto na ponta do eletrodo como na carga a aquecer, e tambm, atravs da carga fechando o circuito, o que, motivado pela resistncia eltrica do arco e carga, ir fazer com que a corrente eltrica produza calor pelo efeito de Joule.O forno a arco direto se distingue por duas categorias:1.17.2.1- Fornos de soleira no condutora e arco em srie o forno tipo heroult, de trs 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 15edestesparaoeletrodoseguinte, ouvice-versa. Numsistematrifsico, acorrentede qualquer arco se fecha em estrema atravs do banho ou carga, Figura 4.Figura 4- Forno HEROULT1.17.2.1- Fornos de soleira no condutora e arco em paraleloofornotipoGirodou derivados.Nele,quase sempre, a corrente passa do eletrodo, atravs do arco,para a carga e vai alcanar o contra-eletrodo mergulhado na soleira refrigerada,Figura 5, (para um forno monofsico) ou de dois eletrodos para o contra-eletrodo submerso na carga (para o forno trifsico).Figura 5- Forno GIRODOprimeirotiporesultamaisseguroedemaisfcilconduo. Aregulagem independente da altura da carga do forno e a sonoridade caracterstica do funcionamento no eliminada como com o eletrodo envolvido pela carga, no inicio da operao.O segundo tipo apresenta, por sua vez, as seguintes vantagens: tem mais equilbrio entre a carga e a fase; permitem que se forme s 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 induzidas, provocadas pelos numerosos fluxos das correntes que, atravessando o banho, permitem uma via de retorno da corrente resultante da carga eltrica desequilibrada, permitindo mais fcil manobra do forno, por concentrar, nazonadetrabalhodoforno, ocalor geradopor efeitodeJouledascorrentes que percorrem o banho.Tais vantagens, no caso do forno do tipo de soleira condutora, propiciaram a criao do tipo misto, cujo centro do secundrio do transformador (quando este tem o seu secundrio 16ligado em estrela) ligado a um eletrodo mergulhado na soleira. Este eletrodo ligado a terra, de modo que, no inicio ou durante o funcionamento, sendo provocado o equilbrio entre suas trs fases, atravs da carga.1.18- Classificao dos fornos eltricos a arco imersoOs fornos eltricos a arco imergido, denominado tambm de aquecimento direto ou de arco-resistncia, so, construtivamente, similares ao forno a arco aberto, salvo que, operacionalmente, so completamente diferentes. Nestes os eletrodos esto sempre submersosnacarga, comosuaspontasterminais. Ocalor desenvolvidonestaspontas tambm se processa por efeito Joule.Tais fornos so, por isso, classificados como fornos de resistncia de aquecimento direto, porque se comportam como tais. Neles a resistncia constituda 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 conduo e parcialmente por conveco. Os arcos se manifestam na parte inferior dos eletrodos formando, volta de cada um, uma cavidade que designada por Zona de Reao do eletrodo.1.18.1- Fornos Eltricos de arco imergido de aquecimento diretoEstes fornos so construtivamente anlogos aos fornos a arco. Segundo a natureza da resistncia que os caracteriza, dividem-se em: Forno de arco imergido de resistncia da carga e ebulio do produto; Forno de arco imergido de resistncia da carga e produto fundido.1.18.1.1- Fornos de soleira no condutora e arco em paraleloA esta categoria pertencem os fornos destinados produo do zinco e do fsforo e fabricao do sulfeto de carbono. So similares ao alto-forno, ou seja, possuem uma cmarasuperiordepreaquecimentodacargapormeiodogsdareaoumacmara intermediria de fuso e, em baixo, um cadinho para a escria. Os vapores de zinco, ou fsforo, ou sulfeto de carbono so condensados, em forma de p, numa cmara esfriada, de formato toroidal circular, em forma de anel externo, acima da cmara de fuso.Podem tambm ser do tipo convencional de arco imergido fechado com abbada, tendo a cmara de condensao independente para a condensao desses vapores desenvolvidos.1.18.1.2- Fornos de soleira no condutora e arco em paralelo17Aestacategoriapertencemtodososfornosparaafabricaodocarbonetode clcio, ferro-ligas, gusa, etc., bem como os fornos eletrolticos do alumnio, comportando-se todos eles como reatores.Os fornos para carboneto de clcio e ferro-ligas so geralmente constitudos por uma tina cilndrica ou tronco cnico, chamada de carcaa ou cuba, de fundo chato, tronco de cone ou ovalado, constituda em chapas de ao e nervuras de chapa ou perfilados de ao, revestida internamente com material refratrio slico-aluminoso, encostado chapa, ouaindatendodeentremeioumafinacamadadequartzito. Estes revestimentos so chamados de revestimento refratrio permanente. O cadinho destes fornos formado por blocosmoldadosdecarbonoamorfo, ou, emvezdestes, porumapastacarbonosade antracitocalcinado, oudecoquedepetrleooucoquemetalrgico, aglutinadoscom piche. EstapastacarbonosachamadadepastaSoderbergparasoleira. Estetipode revestimento de cadinho empregado para a fabricao de carboneto de clcio, ou ferro-ligas de alto-carbono.Quandose tratar defabricaode ferro-ligas debaixocarbono, a soleira constituda de refratrios aluminosos, ou magnesianos, ou cromo-magnesianos, ou mesmo silicosos, sob a forma de massas ou tijolos.Este tipo de forno tambm empregado para a fabricao de gusa, ganhando o nome de baixo forno de reduo.A capacidade destes fornos, conforme se vm construindo, vai aumentando de ano para ano, ecadavezcommelhoresrendimentos, melhoressistemasdeoperao, controles mais sofisticados e automatizados, com maior confiabilidade, etc.Os fornos de grande capacidade so providos de abbadas idnticas s dos fornos de arco aberto, para a total captao dos seus gases. Dentre esses gases, predomina o CO (monxido de carbono), que, pela sua presena, justifica a sua utilizao como combustvel ou redutor para combusto em fornos de reaquecimento, ou de sinterizao, ouemcaldeiras, ououtrautilizao. Ultimamente, estes gases soutilizados, muito economicamente, como elemento redutor eminstalaes de reduo direta para a fabricao de ferro-esponja, depois de sofrerem uma depurao ou limpeza.A carcaa provida de uma bica, quando o forno de pequenas dimenses, ou, ento, quando de carcaa fixa. Os fornos de grande dimenso geralmente tm a carcaa mvel, isto, susceptvel de rodarsobreumpivnocentro. Estarotaodadapor sistema de transmisso de movimento, por meio de cremalheiras circulares, engrenagens e umredutor evariadordevelocidadeacionadopormotoreltrico. Acremalheirafica dispostaprximas rodas dotipovagoneta, queseassenta emumtrilhocircular, sustentado, por meio de mancais e eixos, a carcaa. As rodas ficam prximas 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 ento em fraes de rotao, oscilantes e lentas, isto , num e noutro sentido. Para fornos de carcaa ou cuba rotativa, soempregadas trs oumais bicas dispostas na carcaa e uniformemente distribudas.Almdasclulas eletrolticas paraareduodaalumina(alumnio), queso sempreretangulares (paralelepipdicas), tambmexistem, defabricaodaDEMAG, fornos a arco imergido para ferro-ligas retangulares.Estes fornos, dependendo do produto a ser fabricado, podero ser de pequena ou grandecapacidade. Poderoter3eletrodos em linha,ou duas filas de3eletrodos em linha, ou 6 eletrodos em linha.18Presentemente, os referidos fornos se empregampara a reduo da galena (chumbo) com fornos de 2 x 7 MVA, 6 eletrodos em linha, ou para a fabricao de ferro-nquel com fornos de 2 x 82 MVA, 6 eletrodos em linha, ou para outras redues.Em qualquer destestipos de fornos, os eletrodos so suspensos da estrutura do prdio, commecanismodesubidaedescidadomesmo, mecanicamentepormeiode guinchos, ouhidraulicamentepor meiodemacacos hidrulicos ecomumououtro sistema de comando distncia de dentro da cabine de controle do forno.Os eletrodossoconstitudos por cilindros de carbono amorfo de comprimento padro, tendocondiodeseremcontnuosporligaodeoutroscilindrosatravsde niples roscados cilndricas ou bitronco-cnico. Mais generalizadamente podemser constitudostambmdepastaSoderbergparaeletrodos, qualformadaporcoquede petrleo calcinado ou antracito calcinado, aglutinado com piche, que se moldam dentro de uma camisa de chapa de ao, com nervuras tambm de chapas de ao pela parte interna (costelas). Este tipo de eletrodo tambm constitudo e de autocozimento.Os eletrodosso presosaos mecanismos de sustentao por meio de placas de contato e colar, ou anel de contacto. Tanto as placas quanto o anel de contacto so de bronzecujacomposiode85%decobree15%dezinco. Todasessaspeasso resfriadasporgua. Aenergiaeltricapassaparaoeletrodoatravsdessasplacasde contato, vindodosecundriodotransformador por barramentos decobre rgidos e flexveis.Ainstalaodestetipodefornocompreendeum complexo deequipamentos e aparelhos diversos, como: ventiladores, exaustores, bombas de gua, bombas de leo, ar comprimido, etc.1.19- Natureza fsica do arcoNumfornoaarco, ocalorproduzidoporefeitodeJoule, pelapassagemda correnteatravsdo espao compreendido entre as extremidades dos eletrodos ou entre eletrodos e a carga.A transmisso do calor matria a aquecer advm principalmente pela irradiao e s um pequena parte por conveco e conduo.Figura 6- Forno eltricoA cmara do forno tem umrevestimento refratrio onde se operamas temperaturas que so apropriadas para o material a aquecer.Orevestimentocontidopor umacarcaadechapadeao, nofundoenas paredes. Geralmente as paredes so de formato cilndrico.19Usualmente o forno constitudo de duas partes: a cmara ou forno propriamente dito e a abbada.Para fornos de arco aberto, a abbada destacvel, para se proceder carga do forno.Para fornos de arco-resistncia ou arco imergido, a carga se processa geralmente atravs da abbada, se o forno a tiver. Fornos de arco imergido de carcaa fixa podem ter abbada. So fornos fechados. Porm, se giram em torno de seus eixos verticais, no tm abbada. So fornos abertos.Excepcionalmente, o forno de arco imergido pode ter abbada e girar em torno do seu eixo vertical, como o caso dos fornos de pesquisa ou de instalaes-piloto.Unicamente nos fornos de arco irradiantes e basculantes, nenhuma pea destacvel.Um transformador de potncia usado para reduzir a tenso de distribuio de 13800 volts ou mais para as tenses mais baixas, apropriadas para a operao.Barramentos pesados, de cobre ou alumnio, so necessrios para transportarem a corrente eltrica dotransformador para oforno. Para facilitar a basculagemde fornooua acomodao dos eletrodos, os barramentos, na proximidade dos eletrodos, so flexveis. A posio do eletrodo determina o comprimento do arco para uma dada tenso, o que resulta num certo valor da corrente e da potncia. A posio do eletrodo controlada por um dispositivo automtico que mantm a corrente ou a tenso num certo valor.1.20- Estudo do arcoAoestudarmos aregulaodeumfornoaarco, devemos deacordocomas expresses que nos do a potncia til (Ru) p ser constituda, inteiramente ou no, pela resistncia do arco.A principal caracterstica de um arco eltrico, alimentado por corrente alternada, aquela que ele possui de no constituir por si s um circuito eltrico estvel. Isto se deve ao que podemos chamar decaracterstica negativa, isto , a tenso e a corrente no so proporcionais.Na Figura 7 temos traada a curva A, caracterstica de um determinado arco. Esta curvanadamaisdoqueumdiagramatenso-corrente. Aprimeiravista, podemos observar que o arco no pode existir abaixo de certa tenso E1, cujo valor corresponde a uma diminuio de corrente e da alguns autores considerarem a curva caracterstica do arco como sendo a hiprbole. Neste caso, o produto E.I constante e podemos concluir que o arco temuma potncia constante e determinada para cada valor do seu comprimento. Modificando a distncia entre os eletrodos, teramos outras curvas caractersticas: A1,A2, etc.ComoacurvaA1correspondeaumaaproximaodoseletrodoseacurvaA2 correspondeaumafastamentodeles, o mtodo de variao da potncia de um arco simplesmente realizado pela modificao do seu comprimento.A opinio de que a potncia do arco permanece constante, ao longo das curvas A1, A2, etc., no seguida por todos os estudiosos.YYCMC2C1CD2D1DDMA2AA1E1IERuX XB20Figura 7- Curvas caractersticas de arcoArco silencioso, para o qual Ea diminui de modo notvel com o aumento de I. Para esta rea valida a Equao 7 de Ayrton:Equao 7Ih D Ch B A Ea..++ + Onde Ea a queda de tenso no arco, I a corrente absorvida, h o comprimento do arco, e A, B, C, D so constantes positivas que dependem do dimetro e da natureza fsica do eletrodo e do meio gasoso que o envolve.Zona instvel, para a qual o arco intermitente e instvel.Arcosibilante, paraoqual Eapermanecepraticamenteconstanteaovariar a corrente I, que deixa de variar mesmo variando o comprimento do arco. Para esta rea a frmula para o efetivo valor da tenso do arco , aproximadamente, a correspondente ao primeiro binmio da frmula de Ayrton.Equao 8 Ea.I = A.I + B.h.I + C + D.hOu seja, a potncia do arco uma funo do seu comprimento e da corrente, A Figura 8 nos do as curvas caractersticas de acordo com a expresso acima.Os mesmos autores consideram que a corrente no arco est em fase com a tenso, como se ele fosse uma resistncia hmica pura, mas que desde que aquelas grandezas no sosenoidais, as harmnicas resultantes doaoarcoumadefasagem, cujofator de potncia :Equao 9I EI En n n.cos . .cos Onde os ndices representama ordemdas harmnicas. Ofator de potncia,assim expresso, varia com diversas causas, sendo a principal a relao entre a potncia do arco e a capacidade do forno.I h hP PEah3h2h1I3I2I1I3I2I121Figura 8- Curvas caractersticas da Equao 9Com este fator de potncia, a potncia do arco seria ento:Equao 10( ) cos . . . . . cos . . h D C I h B I A I E Pa+ + + Para efeito de comparao, damos na Figura 9 a correspondente a Figura 8 , onde, porm, adotamosaparaaconstruoahiptesedapotnciaconstante, analisadaem primeiro lugar.Da primeira hiptese, resulta como resistncia do arco:Figura 9- Curvas caractersticas da Equao 10Equao 112IKRu (onde K uma funo de h)Da frmula de Ayrton:Equao 122. .Ih D CIh BIARu++ + Outras frmulas foram propostas, como:Equao 13hIcIbIaRu+ + 2E a do engenheiro Catani:Equao 145.0565 , 0KA kAuI IR Onde I KA a intensidade de corrente expressa em quilo-ampres.PIh3h2h1PhI3I2I1EahI3I2I122Quaisquerdosvaloresacima indicados confirmam a instabilidade do arco, ou seja, a sua caracterstica negativa, da qual resulta o seu principal inconveniente,. Ru a resistncia til do arco.At agora ns temos considerado o arco puro. Este, porm, no existe na prtica. Emsriecomoarcoexiste sempreumaresistnciaoureatnciacomoseja a dos eletrodos, barramentos, etc., inerente construo do forno ou propositadamente colocada no seu circuito, com a finalidade precpua de criar ou aumentar a estabilidade do arco.Se no diagrama da Figura 7, colocarmos a curva caracterstica de uma resistncia Rp, esta nos ser dada pela reta B. A composio das curvas A e B ou A1, e B1, etc., nos dar uma srie de curvas resultantes C, C1, C2, etc., que correspondem cada caracterstica resultante do sistema.O ponto mais baixo da curva C, ou seja, Cm, nos d o limite da estabilidade do conjunto, pois esquerda do mesmo a curva tem a caracterstica negativa do arco puro e continua, portanto, instvel. direta, a caracterstica positiva e possui a estabilidade dos circuitos normais.A famlia de curvas C, compostas para o mesmo valor da resistncia Rp e diversos comprimentos de arco, nos mostra que a curva C e, portanto, para cada comprimento de arco, existe um valor de tenso e conseqentemente de corrente, abaixo do qual, o arco, ou de uma maneira geral o circuito, se torna instvel.Estaconclusomuitoimportante, poisdurantearegulaodevemoster em mente que devemos ajustar o comprimento do arco, para um valor de tenso, a fim de o mantermos sempre alm do ponto crtico.Podemos traar outra famlia de curvas D, que nos daro o limite de estabilidade para os valores da corrente.Evidentemente que ambas a famlias de curva do resultados idnticos.Convmlembrarqueainstabilidadedoarcopodesobrevir, devidoaotipode produto que est sendo operado no forno.Na fabricao do ao, no inicio da operao, a flutuao do produto, dentro do cadinho, pode provocar a instabilidade e deve-se, ento, recorrer, como j foi assinalado, insero de elementos estabilizadores adicionais.Estes elementos sero reatncias ou resistncias com vantagens e inconvenientes a elas inerentes, no s de ordem tcnica como tambm econmica.1.21- Consideraes Trmicas BsicasAs ocorrncias trmicas num forno a arco podem agrupar-se dentro de sistemas que, entretanto, devero ser tratados com algumas extenses, independentemente, noutra ocasio. Estes sistemas so (a) gerao de calor, (b) transmisso de calor para a carga e paredes, e (c) perdas de calor.23Figura 10 - Representao esquemtica de um forno a arco-aberto com gerao do calorA Figura 10, acima, representa esquematicamente parte de um forno a arco-aberto com a gerao do calor, transmisso do calor e as perdas indicadas esquematicamente. 1.21.1 - Gerao do calorIndicamos, pelas letras A, B e C, a gerao do calor, respectivamente, no arco (A), eletrodo (B) e banho (C).1.21.2 - Calor Gerado no arcoDecididamente a grande porcentagem do calor total gerado proveniente do arco.O espao fsicodo arcono bastante desenvolvido para permitir uma anlise exata. generalizadamente admitido que a alta concentrao de energia ( energia, por unidade de comprimento do caminho percorrido pelo arco) est entre os dois extremos do arco (isto , da ponta do eletrodo superfcie do banho). Mas, a grande soma de energia gerada na coluna central do arco ou plasma. A queda de tenso entre os extremos do arco (isto da ponta do eletrodo superfcie do banho). Mas, a grande soma de energia gerada na coluna central do arco ou plasma. A queda de tenso entre os extremos da parte central doarcodaordemdegrandezade5 a15V/cm.Atensodoarcotemuma posio usualmente entre 35 a 850 V, ou mais. Considerando-se a soma dos fluxos da corrente atravs das extremidades do arco, assim como na coluna central, a potncia proporcional queda de tenso. Conseqentemente, nos dois extremos do arco, a queda de tenso ser de 8 a 35% do total da potncia produzida. Os desenhos da Figura 11, que nos mostram o arco e o conjunto da interface do eletrodo, so esquemticos. Atualmente, ACB24o dimetro do arco muito menor do que o dimetro do eletrodo. Alm do mais, devido aodasforasmagnticas, elesemovenasuperfciedotopoinferiordo eletrodo, quando antigamente isto s ocorria numa pequena rea. Similarmente, o fundo do arco no tem uma posio fixa; como o metal est fundido e em estado lquido, existem na configurao geomtrica da superfcie trocas, isto , simultaneidade comas foras magnticas: trocas de rea de contacto sero estabelecidas entre o arco e a carga.Figura 11- Ilustrao do arco e conjunto da interface do eletrodo Por outras palavras: nas adjacncias do anodo e do catodo existem considerveis concentraes de potncia, as chamadas quedas catdicas e andicas, em conseqncia dasquaisazonaexternadoarco, tambm chamadadezonadegotejamento,chegaa atingir temperaturas superiores a 2000C. Existe ainda umgradiente de potencial relativamente constante na zona central, chamada de coluna central ou plasma, em que a temperatura oscila entre 3000C a mais de 4000C, graficamente representada na Figura11, indicandoquearesistnciapertodoanodoedocatodoalta, enquantoquea resistncia por unidade de comprimento da coluna baixa.O que um plasma eltrico? Consideremos um gs que se manifesta por processo qualquer como, por exemplo, por uma descarga eltrica de determinada freqncia entre doiscondutores metlicos imersos nessegs. Partedos tomosdessegs seioniza, constituindoassimummeiocondutor decorrenteeltrica entre os dois condutores metlicos (o gs torna-se um chamado condutor de terceira classe). Se mantivermos uma diferena de potencial conveniente entre eletrodos, circular corrente eltrica atravs do gs. Comissoteremos simultaneamente, pelaenergia fornecidaaogs, umamaior ionizao e um aquecimento. O que acontece uma decomposio das molculas em seus tomos eestes seionizam, perdendoalguns suas camadas externas (queformama valncia e a covalncia). O gs passa a se constituir de ons positivos, eltrons, tomos Catodo AnodoTenso do ArcoVaVIVCPlasmaComprimento do arcoAnodoCatodoBanho25neutros, etc. Este pandemnio eletrnico conhecido como plasma, que constitui o quarto estado da matria.Apesar deastemperaturas doarcoseremelevadas, oao, ououtrometal, aquecido e fundido, de acordo com as leis da Fsica, por calorias fornecidas pelos kWh de energia eltrica. Isto devido ao seguinte: um arco eltrico um condutor eltrico um condutor eltricoextremamenteflexvel quepodeser desviadodevidoaumgrande nmerodefatores. Normalmente como o arco est a ser alimentado por uma corrente alternada, o fluxo varivel do arco orientado ao longo do eixo do eletrodo, ou melhor, ao longo da menor distncia entre eletrodo e a carcaa, naturalmente como em qualquer circuito eltrico, envolvido por um campo magntico. Quaisquer variaes nas grandezas, tais como freqncia, fluxo magntico, tenso, intensidade de corrente, resistncia eltrica, indutncia, capacitncia, etc., relacionadas com arco, fazem variar o seu campo magntico pelo auto-induo, criando foras eletromagnticas que impulsionaro correntes. Essas, por sua vez, criaro fluxos e, portanto, campos magnticos antagnicos aosoriginais, dandoaoarcomovimentosconvulsivos. Por estes motivos, oarco, ou melhor, a coluna central, ou plasma de um forno eltrico a arco aberto alimentado por corrente alternada, move-se a alta velocidade sobre a carga lquida, numa rea adjacente e projetadapara fora do eletrodoem relao ao centro do forno, motivado pela induo mtua (entre fases), difundindo calor sem afetar com suas elevadas temperaturas o metal ou ligas manipuladas. Em adio ao irregular impacto do arco, na superfcie do metal ou ligas fundidas e/ou escria, promove foras inerentes que ocasionamuma agitao mecnica, tendocomoconseqnciaatransfernciadecalorparaa carga e reao da escria. Isto de especial importncia para operaes de refino, pois os arcos estacionrios, produzidos por corrente continuam perfeitos, parecem-nos primeira vista que seriam menos eficientes no que se refere transferncia de calor, pela localizao constante da radiao.Adistribuioda energia sobre ocomprimentodoarco segue a disposio caracterstica da tenso, com concentraes tpicas do catodo e do anodo.Os valores dessa queda de tenso no catodo da ordem de 10V, enquanto que a queda de tenso atribuda ao anodo da ordem de 30V, segundo o original W. Schwabe e C. Robinson.A tenso do arco poder ento representar-se matematicamente (de acordo com a Equao 7 de Ayrton, simplificada) como:Equao 15L Ea. + Onde: = quedas de tenso catdica e andicas, totalizando Vc+Va=10+30= 40V; = queda de teno por unidade de comprimento, variando de 5 a 15 V/vm, de pendendo de vrios fatores como: ndice de basicidade da escria, estado de ionizao do gs no qual se manifesta o arco, temperatura, etc.;L = comprimento do arco em centmetros.Multiplicando-seambososmembrosdaEquao15poI.t (produtodacorrentepelo tempo), obtm-se. Equao 16 t I L t I t I Ea. . . . . . . + Sendo:Ea.I.t= energia dissipada no arco;.I.t= energia dissipada no catodo e anodo;26.L.I.t= energia dissipada na parte central do arco.A Equao 16mostra que quanto maior o comprimento do arco, maior ser a energia dissipada na sua coluna.As radiaes de calor docatodo e anodo so essencialmente focadas dentro da readoarco, enquantoquearadiaodacolunaouplasmaseespalhasobrereas circunvizinhas mais distintas, como a carg, paredes e abbada.Por pesquisadores do IRSID, foi desenvolvida a tenso do arco, que nos dada em funo da corrente do arco em kA, pela Equao 17:Equao 17 Ea = 4,12.I + 40Onde o nmero 40 o valor atribudo a = Vc +Va.1.21.3- Calor Gerado no eletrodoOcalor geradonoeletrododevidocorrentequepassanoeletrodo, sendo, todavia, distribudo ao longo do seu comprimento. Este calor s contribui indiretamente para a fuso da carga e, por radiao, reflete-se no banho, providenciando energia para reduzir as perdas de calor. A temperatura distribuda no eletrodo o resultado do calor gerado pelo eletrodo e o calor de conduo, proveniente do arco, que sobe por ele.Devido ao efeito de skin, e temperatura, dependentes das propriedades eltricas e trmicas, a relao do calor gerado no uniforme em relao ao dimetro e comprimento do eletrodo.1.21.4- Efeito de SkinTambmconhecidopor efeitopelicular ouefeitodeKelvin, explicadoda seguinte maneira: aresistncia hmica verdadeira aresistncia oferecida por um condutor passagem da corrente eltrica. Por seu lado, a resistncia especifica mesma, tanto para corrente alternada como para corrente continua, para um mesmo condutor. A resistncia total deum condutor maior para a corrente alternada que para a corrente continua. Istodevidoaofatodequeemum condutor,submetidoa fluxo alternado, engendram-se foras eletromotrizes; estas foras eletromotrizes so maiores no centro do condutor que na periferia,de maneira que a diferena de potencial tende a estabelecer correntes parasitas que se opem corrente principal no centro e que reforam a corrente principal na periferia. O resultado deste fenmeno que a corrente se v repelida para a periferia, reduzindo a rea efetiva da seo do condutor.Este fenmeno se denomina efeito pelicular, efeito de Kelvin ou efeito skin.Portanto, efeitopelicularumfenmenoqueseapresentanoscondutoresque transportam correntes de intensidades instantneas que variam periodicamente, como o caso de correntes alternadas, o que no ocorre com correntes continua. produzido pelo fatodequeoselementosde correntevarivelno encontrama mesmaindutncia em distintos pontos da seo do condutor. O elemento central encontra a mxima indutncia e, em geral, a indutncia dos elementos diminui quando a distancia ao centro aumenta, chegando a ser mnima na periferia do condutor. Isto tende a fazer com que a densidade de corrente no seja uniforme em toda a seo; a densidade mnima no centro e mxima na periferia. Essa distribuio da corrente produz um aumento na resistncia efetiva e uma 27diminuiodaindutnciainternaefetiva. Aprimeiraconseqnciademuitomaior importnciaqueasegunda. Nocasodecondutoresgrossosdecobre, comfreqncia industriais, e no caso da maioria dos condutores com udio e radiofreqncias, o aumento da resistncia deve ser levado em conta.1.21.5- Coeficiente do efeito pelicularA relao K entre a resistncia de um condutor com corrente alternada senoidal R e a resistncia com corrente contnua R, de um condutor cilndrico reto, :Equao 18 RRK'Onde K o coeficiente de efeito pelicular, em funo do valor do x, que nos vem dado pela Equao 19:Equao 19 . . 2. . . 2fa x Onde a o raio do condutor em cm, f a freqncia em Hertz, a permeabilidade magnticadocondutor(supostacomoconstante) earesistividadeemabohm-cm (abohm=10-9 ohm).Na pratica, a Equao 19 pode ser expressa:Equao 20 Rfx .. 050136 , 0 Onde R a resistncia, em corrente continua, temperatura de trabalho, em ohms por km.Se L a indutncia efetiva de um condutor linear para uma corrente alternada senoidal de uma freqncia determinada,Equao 212 1'. ' L K L L + OndeL1aindutnciaexterna, L2aindutnciadaparteinterna(devidoaocampo magntico no interior do condutor). A indutncia total efetiva por unidade de comprimento :Equao 222'. log . 2 'KadLe+

,_

Expressa-se nesta formula a indutncia em abhenry por centmetro do condutor na parte reta do circuito; a o raio do condutor e d a distancia ao condutor prximo de retorno da corrente expressa nas mesmas unidades.O Valor de para materiais no magnticos (cobre, alumnio, carbono, etc) a unidade; paramateriaismagnticosvariaentreamploslimitessegundoacomposio, 28processo de fabricao, densidade de corrente, etc, e deve ser determinado por ensaio, em cada caso considerado.1.21.6- Calor gerado no banho tambm devido corrente que flui atravs do banho. O calor proveniente de duas partes: do metal fundido e da cobertura da camada de escria. A escria tem mais alta resistividade do que o banho, ainda que no seja muito. O calor gerado na escria, porque a maior parte dela removida, empurrada para longe pelas foras provenientes do arco. Por causa da grande seo transversal que a corrente tem de percorrer no banho, a resistnciapassaasebaixae, portanto, ovalordocalorgeradomuitopequeno. A grande parte desta gerao de calor acontece na regio por baixo e entre os trs eletrodos onde a corrente tem alta densidade.1.22- Transmisso de calor dentro do fornoA transmisso do calor acontece principalmente por radiao e conduo; correntes de conveco no banho so de segunda ordem de importncia.1.22.1- Do suprimento de calor ARadiao: Para o outro eletrodo; Para a superfcie do banho entre eletrodos; Para a superfcie do banho fora dos eletrodos; Para as paredes. Para a abbada.Conduo: Dirigido para cima dos eletrodos; Dirigido para baixo dos eletrodos.1.22.2- Do suprimento de calor BRadiao: Para a superfcie do banho entre eletrodos; Para a superfcie do banho fora dos eletrodos; Para as paredes e abbada.Conduo: Dirigido para cima;29 Dirigido para os lados (radial).1.22.3- Do suprimento de calor CEm vista da natureza do suprimento de calor C difundido, a transmisso do calor se faz simultaneamente com as outras partes do forno (como abbada, banho, etc.), da seguinte forma:1.22.3.1- Na abbada feita a troca de calor por:Radiao com: O eletrodo; O arco; A parte superior do banho.Conduo com: O ambiente.1.22.3.2 - Nas paredes feita troca de calor por:Radiao com: O eletrodo; O arco; A superfcie do banho.Conduo com: O ambiente; O corpo do banho.1.22.3.3 - No banho feita troca de calor por::Radiao com: O eletrodo; O arco; A abbada; As paredes.Conduo com: O arco; A superfcie que recebe calor por radiao; As paredes (fluxo radial) O fundo (fluxo radial)301.23 - Perdas de calorAsperdasdecalorocorrematravsdassuperfciesexternasdoforno; ocalor armazenado nas paredes e abbada no considerado, conseqentemente, como perda de calor.Existem quatro grupos de perdas de calor que ocorrem atravs: Dos eletrodos; Da abbada; Das paredes; Do fundo.1.24 - Capacidade energtica dos fornos a arcoPara se fundir uma dada soma de material, requerida uma certa quantidade de calor, expressa em Kcal ou kWh.Umlimitado tempo de aquecimento, conseqentemente, exige uma grande produo de calor, Express em kcal/h ou kW.Cada aumento de fluxo de calor pode ser conseguido por um dos dois meios: ou pela diminuio da relao de perdas, ou pelo aumento da energia ligada.Constanteacargaligadaehavendo a diminuio da relao de perdas,haver mais energia livre para se transformar em calor til.Seoaumentodecargaligadanofor acompanhadopor umadiminuioda relao de perdas, rendimentos mais proveitosos de calor no so conseguidos.Areduodeperdas at certopontoextensivaaumaquestodeprojeto mecnico da instalao (por exemplo, o melhor mtodo de carregamento poder encurtar o tempo de carregamento e, conseqentemente, reduzir as perdas durante o carregamento), mas largamente limitada pelas propriedades da validade do material do revestimento.Um aumento da ligao de carga (energia) pode ser considerado tanto sob o ponto de vista eltrico como trmico.Um aumento da ligao de energia pode ser efetuado por um aumento da tenso, da corrente, ou de ambos.O aumento da tenso para uma instalao j existe limitado por um certo nmero de fatores,a saber: segurana do pessoal operador, dificuldades de isolamento eltrico, limitadacapacidadedepotncia(transformador, barramentos, dimetrodoseletrodos, etc.,e at da subestao alimentadora) e estabilidade do arco. Para algumas tenses, a seguranatorna-se deficienteparao pessoal que opera o forno. O isolamento eltrico, projetadoparaaltas temperaturas eparaaltas tenses, difcil disponibilidade; esta dificuldade pode atender a um dos itens, porm dificilmente atende aos dois.De altas tenses resultamlongos e conseqentemente limitaodavida dos revestimentos, particularmente das paredes e abbadas.Entretanto, nas novas instalaes em funcionamento ou em projeto, a tenso de servioempregadanos fornos aarcotemcontinuamenteaumentado, conformevem aumentando a potncia dos fornos.31Assim em 1917, D. L. Clark e J. A. Clark, nos EE.UU., disseram que a tenso mxima entre fases usada nos fornos eltricos a arco aberto era de 200 voltes; em 1927, erade265V;em1939, erade300V;em1948, erade450V. Masem1951, R. J. McCudy mencionou que a tenso emuso nesses fornos poderiamatingir 550V. Posteriormente passou para 600 V essa limitao. Presentemente j ultrapassou os 800 V, atingindo j os 1000 V.Porseulado,apotnciados fornos vem aumentando dia a dia nas instalaes novas postas em funcionamento e, acompanhando o aumento da potncia, vm as tenses de servio.Okorokovsugere-nosparaclculodosvaloresdastensesdeservioEentre fases, em funo da potncia P do forno em watts:Equao 23610. 15134PE + Equao 24610. 4 , 9180PE + O aumento da corrente requer aumento do tamanho dos eletrodos e conseqentemente grandes barramentos condutores, tanto fixos como flexveis. Supe-se ser praticamente funcional, sem contestao, o uso dos sistema trifsico a trs eletrodos paracarregar aenergiaparaoforno. Asdificuldadesmecnicasemconexescoma abbada removvel, basculagem do forno, e os conjuntos de cabos impem um limitao do projeto no que se refere ao tamanho mximo dos fornos basculantes. Atualmente, esse tamanho praticamente j atingiu propores gigantescas. Existem no Estado de Illinois, nos EE. UU. Dois fornos de arco aberto de 400 toneladas cada corrida, com 9,75 m de dimetro de cuba, cilndrica, de 2,50 m de altura do nvel da soleira da porta at borda superior,de 223 m3de volumeinterno, de 53,72 m3de capacidade de ao fundido ou cercade400toneladas. Aabbadatempesototal de135toneladas, sendo125de refratrios. O dimetro da circunferncia primitiva dos trs eletrodos de 1,76 m e os porta-eletrodos comportameletrodos de 0,61a 0,71m. Atenso de servio entre eletrodos (entre fase) de 840 volts, dispostos em 30 taps (tomadas de comutao) de 30volts cada, apartir de600volts. Otransformador quealimentaestefornode 162000kVA, alimentado por tenso de servio de 34,5 kV.A energia para estes dois fornos so provenientes de uma usina nuclear de 800000 kVA, a 150 km de distncia.Mesmoassim, ocustodatoneladadeaofabricadopor estes dois fornos competitivo com o ao fabricado em qualquer outro forno eltrico.A operao de fornos eltricos a arco, com tenso de servio to elevadas, obriga opessoal operacional ateremcuidados especiais desegurana, emsuaoperaoe manuteno, principalmente no que se refere limpeza, que ter de ser mais caprichosa, paraquenovenhamaocorreracidentesgraves, provocadospordescargaseltricas ocasionadas pelas poeiras acumuladas.H outros aspetos a se considerar alm destes, quando se empregam altas tenses nas tenses secundrias dos fornos eltricos a arco. Comoj vimos, os vrios aspectos de consideraotrmica, noqueserefereaosaumentosdetenso, serelacionamcomo aumento de potncia. Esses aspectos podem ser essencialmente reduzidos aos problemas de concentrao de energia. No forno eltrico a arco, a maior quantidade de energia gerada no arco. Como na conexo eletrodo-material que a carga eltrica aumentada, a densidade de energia (W/cm3) prxima desse ponto principal de contato aumenta tambm 32e as diferenas de temperaturas tornam-se grandes, com os inerentes perigos de oxidao e/ou vaporizao do material, devido s sobre-temperaturas nesse ponto.Esse perigo particularmente pronunciado diretamente por baixo do eletrodo, mas ele apreciavelmente calmo na rea acidentada descrita por um crculo que circunda o eletrodo.Por outro lado, colocandoos eletrodos mais afastados, os arcos podemser fechados com a abbada e/ou coma as paredes.Estasconsideraesencontram expresso na relao entre o dimetro primitivo dos trs eletrodos dispostos eqidistantes e o dimetro do eletrodo, no dimetro do forno.2- Descrio do processoPara garantia de funcionamentodos equipamentos doprocessode Reduo, alguns elementos so de suma importncia, tais como, sistema de refrigerao da carcaa, cones, unidadehidrulica, chamin, barramentos, anel depressoefundodoforno, sistema de refrigerao do transformador, fabricao e escorrego de eletrodos e controle operacional (sala de operao). Assim, antes da descriodofluxodominriono processo de Reduo, descreveremos esses sistemas.2.1- Sistema de refrigerao do fornoA gua para refrigerao proveniente da caixa de gua abastecida da represa. Desta caixa a gua vem, por gravidade, atravs de uma tubulao de 24 de dimetro, a uma presso da ordem de 7Kgf/cm2.Dessa tubulao saem ramificaes com dimetros menores para refrigerao da carcaa, cones, chamins e para o manifold. Do manifold saem tubulaes independentes quevorefrigerar otransformador, aunidadehidrulicados eletrodos, barramentos, placas de contato e anel de presso. Nesse sistema com gua industrial.Esse manifold tambm alimentado com gua que vem diretamente da represa da Serra da Mesa, com mais baixa dureza, que entope e incrusta menos as tubulaes. Essa gua bombeada para uma torre denominada torre de abrandamento, que nada mais que uma torre que serve como um pulmo para o circuito fechado da gua e para resfri-la por ventilao forada e chuveiros. Tal gua bombeada atravs de tubulaes independentes para os fornos, onde temos automao por vlvulas eltricas e automticas, que podemos escolher qual gua dever ser utilizada no manifold, a tratada ou a industrial.Ogradientedatemperaturaideal nasada, emrelaoaentrada(temperatura ambiente), da ordem de 10C.A refrigerao da carcaa do forno feita atravs de tubos que jorram gua, em forma de "spray", formando uma pelcula em torno de toda a carcaa.As chamins so refrigeradas por tubos e os cones por uma ramificao da mesma tubulao.Arefrigeraodaunidadehidrulicademovimentaodos eletrodos feita atravsdeumtrocadordecalor, ondeoleocirculaemcontracorrentecomagua alimentada por uma tubulao do "manifold".E, por ltimo, o fundo do forno refrigerado por um ventilador instalado na sua parte inferior.332.2- Sistema de refrigerao do transformadorPara cada forno possui um transformador trifsico, com capacidade de 22 MVA. Os transformadores para fornos de reduo diferem dos comuns dos sistemas de potncia, pela necessidade de apresentar no secundrio, corrente muito alta em baixas tenses. Bem como contar com dispositivo que permita a variao da tenso de sada dentro de uma faixa compatvel com as variaes da resistncia da carga.Os principais requisitos para um transformador de forno eltrico de reduo so: Suportar grandescargascomelevaodetemperaturadentrodefaixas tolerveis, detal formaqueoisolamentodeseusenrolamentosnose danifique; Suportar os esforos mecnicos advindos das variaes acentuadas de corrente que ocorre durante a operao; Possuir nmerode "taps" detensocompatvel comas variaes da resistividade eltrica das cargas com possibilidade de troca dos mesmos sob carga; Alta relao de transformao.A refrigerao do leo do transformador em operao, feita em contra corrente com a gua, atravs de dois trocadores de calor. Quando o disjuntor do forno est ligado, duasbombasdeleo(paracirculaodentrodotransformador)estautomaticamente ligada e a terceira bomba fica como reserva para manuteno das principais.2.3- Sistema de emergnciaOsistemadeabastecimentodeguaIndustrial conta, ainda, comumalinha reserva (emergncia) que alimentada por duas bombas, diretamente da represa e que acionada quando falta gua na caixa (reservatrio alto).Emcasodefaltadeenergiaeltrica, osistemadeabastecimentodegua acionado por um motor diesel instalado na casa de bombas .Valelembrar queo sistema de emergncia atende unicamente os equipamentos cuja refrigerao no pode ser interrompida (p.e., carcaa do forno Elkem, cones, placas de contato, anel de presso e chamin).A gua utilizada na refrigerao quase totalmente recuperada. Esta se d atravs de uma calha coletora situada na base dos fornos, por onde retorna para as canaletas que, por sua vez, retornam para a represa.2.4- Sistema de fabricao e escorrego de eletrodosOs eletrodo