O aquecimento de panelas com queimadores de combustível/oxigênio
Este artigo aborda as vantagens econômicas e ambientais da utilização de queimadores de combustível/ oxigênio para o aquecimento de panelas de vazamento, em comparação com os queimadores de gás natural/ar. Estes equipamentos também podem ser empregados na sinterização e aquecimento de fornos de espera, conforme relatado a seguir.
Josef Weschenbach
Data: 09/10/2017
Edição: FS Setembro 2016 - Ano - 27 No 285
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Os queimadores de combustível/oxigênio (ou gás natural/oxigênio)são utilizados principalmente nas fundições de ferro e aço, além das aciarias.
Em comparação com os queimadores de gás natural/ar, os que empregam oxigênio apresentam vantagens energéticas, pois a demanda de combustível é claramente menor. Adicionalmente, eles proporcionam tempos mais curtos para o aquecimento de panelas, fornos, conversores e calhas (mesmo em fornos de média frequência e de frequência de rede). Isso resulta em um aumento de produtividade.
Dependendo do projeto do queimador e do revestimento refratário, é possível alcançar temperaturas da panela entre 1250°C e 1450°C, em um intervalo de 50 a 60 min.
Fig. 1 Queimador de gás natural/oxigênio versus queimador de gás natural/ar, em uma panela com capacidade para 8 t
Além disso, ocorre uma melhora da qualidade do produto, devido às maiores temperaturas obtidas.
Merece menção ainda o nível do ruído, que é claramente menor, em virtude da proporção de mistura de 1:2 no queimador de gás natural/oxigênio, em comparação com a proporção de 1:10 no queimador de gás natural/ar.
Utilização industrial dos queimadores de combustível/oxigênio
Até meados dos anos 80 do século passado, as panelas eram revestidas predominantemente com massas de socagem ou tijolos de chamote, em função do seu tamanho.
Fig. 2 Queimador de combustível/oxigênio, para o aquecimento de uma panela com capacidade para 8 t. A) Representação esquemática do princípio da instalação; b) equipamento montado em uma fundição. (Imagem: J. Weschenbach)
Além disso, os primeiros queimadores possuíam velocidades de fluxo muito altas, devido à sua construção, e funcionavam quase como maçaricos de corte. As suas chamas muitas vezes não podiam ser ajustadas para o modo neutro, com uma proporção de gás natural/oxigênio de 1:2.
Fig. 3 Instalação móvel do queimador de combustível/oxigênio, com regulador de fluxo da massa, controle eletrônico e indicação digital da potência. A) Representação esquemática do princípio da instalação; b) instalação com cabine de controle.
Hoje em dia, existem altos padrões de segurança tanto na operação dos queimadores, como em relação ao abastecimento de oxigênio. Apesar disso, na indústria de fundição ainda predominam os queimadores de carvão vegetal/ar ou gás natural/ar.
A adesão ao emprego dos queimadores de combustível/oxigênio foi mais rápida nas aciarias do que nas fundições, devido à utilização de massas de melhor qualidade na indústria siderúrgica, em virtude das maiores temperaturas do aço em relação ao ferro fundido cinzento.
A partir de 1980, começaram a ser utilizados os primeiros concretos e massas secas de melhor qualidade nas fundições, em razão das maiores temperaturas de fusão e melhora da qualidade das peças fundidas.
Os queimadores de combustível/ oxigênio, para o aquecimento de panelas e fornos, podem contribuir para a obtenção de uma operação ecológica e econômica nas fundições, com eficiência de energia.
A nova geração de queimadores foi adaptada aos desafios técnicos desta indústria, podendo ser empregada em temperaturas ao redor de 1250°C, com resfriamento natural pelo fluxo de oxigênio, e até 1450°C, com resfriamento em água.
Com eles, as emissões de gases de descarga são 80% a 85% menores do que nos queimadores de gás natural/ ar, em virtude dos curtos tempos de aquecimento e do menor consumo de combustível resultante.
Motivos da eficácia dos queimadores de combustível/oxigênio
Fig. 4 Desenvolvimento da temperatura na sinterização e aquecimento, em uma panela com capacidade para 25 t
O efeito do aquecimento é maior quando o trabalho é realizado com oxigênio puro, sem a necessidade de aquecer o nitrogênio contido no ar.
O nitrogênio, que constitui o elemento principal do ar (79%), aumenta os volumes dos gases de descarga.
Durante o aquecimento de fornos e panelas, as respectivas tampas devem ser encostadas quase completamente, por causa do volume reduzido dos gases de descarga, para manter a temperatura após o aquecimento.
Depois de alcançar a temperatura desejada da panela (±1250°C), é possível desligar a instalação automaticamente, por meio de um relê temporizador.
A figura 1 compara o consumo de energia e os custos para o aquecimento de uma panela de 8 t, utilizando os queimadores de gás natural/ar e gás natural/oxigênio (figura 2).
Exemplo de cálculo
Queimador de gás natural/ar
O aquecimento da panela de 8 t, para aproximadamente 950°C, demora em torno de 2,5 h, com um consumo total de gás natural de aproximadamente 125 m3 e de ar de combustão em torno de 1.250 m3 , com cerca de 79% de nitrogênio.
Fig. 5 Processo de aquecimento de uma panela horizontal. O queimador está fixado na parede (à esquerda). Atrás dela encontra-se a panela.
Fig. 6 Emprego de um queimador de combustível/oxigênio, para a sinterização e aquecimento de um forno de espera
Os custos totais para o aquecimento e a conservação do calor em uma panela deste tipo alcançam 131,18 euros.
Queimador de gás natural/oxigênio
O aquecimento da panela de 8 t, para aproximadamente 1250°C, demora apenas 1 h, com um consumo de gás natural em torno de 30 m3, e de oxigênio de aproximadamente 60 m3.
As emissões totais chegam a 90 m3; o que representa uma redução considerável dos gases de descarga.
Neste caso, a soma dos custos totais, incluindo a conservação do calor na panela, alcança 33,38 euros.
Exemplos de aplicação
Panela de 25 t, com isolamento especial
Para os queimadores de combustível/oxigênio, existem diferentes possibilidades de utilização.
A unidade ilustrada na figura 3 consiste em uma instalação reguladora móvel de queimadores de combustível/oxigênio, que pode ser utilizada em qualquer lugar da fábrica.
Ela dispõe de dois reguladores de fluxo da massa, um comando eletrônico e indicadores digitais de potência.
Nesta instalação, o queimador de gás natural/oxigênio é utilizado para a sinterização de fornos e o aquecimento de panelas.
A instalação pode ser projetada para cada faixa de potência e equipada para se obter um acesso remoto em determinadas condições.
As particularidades são as grandes economias de custos e de energia conseguidas durante a sinterização e
Aquecimento de panelas horizontais
Panelas de 25 e 80 t também podem ser aquecidas na posição horizontal, em frente a uma parede.
Neste caso, o queimador controlado por uma instalação reguladora de três estágios é fixado na parede (figura 5).
Anteriormente nesta fundição, as panelas de 25 e 50 t eram aquecidas com aquecedores de gás natural/ar, o que torna possível comparar ambos os sistemas em relação à eficiência energética e poluição por gases de descarga.
Fig. 7 Molde de fundição do sino de Halberstädter no fosso de fundição, com os massalotes colocados na parte de cima
Para este processo, na panela menor são empregados 180 m3 de gás natural e 360 m3 de oxigênio, enquanto a panela maior consome 438 m3 de gás natural e 876 m3 de oxigênio. Portanto, o consumo total para o aquecimento de ambas chega a 618 m3 de gás natural e 1236 m3 de oxigênio.
Apesar das capacidades das panelas aquecidas hoje em dia e no passado serem diferentes, o consumo de energia do queimador de gás natural/ ar era claramente maior com o tempo de aquecimento mais longo e menor temperatura de pico.
As duas panelas (25 e 50 t) foram aquecidas para a temperatura de 900/950°C, dentro de 8 a 12 h. Para isso, foi necessário utilizar 2.600 m3 de gás natural e 26.000 m3 de ar.
Analogamente ao maior consumo de energia, anteriormente também ocorriam quantidades maiores de emissões de dióxido de carbono (CO2) e óxidos de nitrogênio (NOx).
O queimador de combustível/oxigênio produz 1.854 m3 de gases de descarga, enquanto o queimador de gás natural/ar chega a 26.600 m3.
Finalmente, devem ser mencionados os menores encargos financeiros dos queimadores de combustível/oxigênio, tendo em vista que os custos para o aquecimento das duas panelas são de 531 euros, contra 1.352 euros no passado.
Forno de espera de 90 t
Os queimadores de combustível/oxigênio também podem ser utilizados para a sinterização e aquecimento de fornos de espera, como mostrado na figura 6 (forno com a capacidade de 90 t).
Quando o consumo de energia de queimadores de gás natural/ar é comparado com aqueles que utilizam oxigênio, as vantagens de custo deste último ficam evidentes. Enquanto o queimador de gás natural/ ar necessita de 14.728 m3 de gás natural e 147.280 m3 de ar, com um tempo de aquecimento de sete dias, o consumo do queimador de combustível/oxigênio alcança 6.720 m3 de gás natural e aproximadamente 13.440 m3 de oxigênio.
Desta forma, é possível reduzir os custos com a nova instalação em aproximadamente 79%, enquanto a poluição pelos gases de descarga é reduzida de 162.008 m 3 para 20.160 m3.
A fundição de sinos da catedral de Halberstadt
Um queimador de combustível/oxigênio foi utilizado na fundição pública do conjunto de sinos da catedral de Halberstadt (Alemanha).
Ele foi utilizado para sinterizar a panela de transferência na cidade de Stassfurt. Esta panela foi aquecida a cerca de 1350°C em Blankenburg, para receber o banho fundido de bronze, e transportada posteriormente para Halberstadt por caminhão.
Antes da fundição do sino, as calhas de corrida também foram aquecidas com queimadores de combustível/ oxigênio, até a temperatura prevista.
A domina, com diâmetro de 2,26 m e um badalo com aproximadamente 300 kg, foi fundida na praça da catedral. Em seguida, o sino foi resfriado durante quatro semanas. O acabamento da peça fundida, que pesava 8,5 t no total, demorou outras quatro semanas.
O objetivo do projeto era restituir o conjunto completo de sinos medievais da catedral, que foi fundido como sucata durante a Segunda Guerra Mundial, para a fabricação de armas.