Aumento da Produtividade de Cubas Eletrolticas para ... ? Aumento da Produtividade de Cubas Eletrolticas

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  • Universidade Federal de Campina Grande

    Centro de Cincias e Tecnologia

    Unidade Acadmica de Engenharia Qumica

    Programa de Ps-Graduao

    Aumento da Produtividade de Cubas

    Eletrolticas para Produo de Alumnio

    Atravs da Anlise Trmo-Eltrica do Conjunto

    Bloco Catdico e Barra Coletora

    Mestrando: Paulo Zaidan Drumond

    Orientadores: Prof. Dr. Shiva Prasad

    Prof. Dr. Romildo Pereira Brito

    Campina Grande - PB

    Abril/2007

  • Livros Grtis

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  • Aumento da Produtividade de Cubas Eletrolticas para Produo de Alumnio Atravs

    da Anlise Trmo-Eltrica do Conjunto Bloco Catdico e Barra Coletora

    Paulo Zaidan Drumond

    DISSERTAO APRESENTADA

    UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA

    GRANDE COMO PARTE DOS REQUISITOS

    EXIGIDOS PARA OBTENO DO TTULO

    DE MESTRE EM ENGENHARIA QUMICA

    rea de Concentrao: Operaes e Processos

    Orientadores: Prof. Dr. Shiva Prasad

    Prof. Dr. Romildo Pereira Brito

    Campina Grande Paraba

    Abril/2007

  • Aumento da Produtividade de Cubas Eletrolticas para Produo

    de Alumnio Atravs da Anlise Trmo-Eltrica do Conjunto

    Bloco Catdico e Barra Coletora

    Paulo Zaidan Drumond

    Dissertao Aprovada em: 27 de Abril de 2007

    Banca Examinadora:

    ______________________________________

    Prof. Dr. Shiva Prasad (UFCG)

    Orientador

    ______________________________________

    Prof. Dr. Romildo Pereira Brito (UFCG)

    Orientador

    ______________________________________

    Prof. Dr. Jos Jalson Niccio Alves (UFCG)

    Examinador

    ______________________________________

    Prof. Dr. Renato Alexandre Costa de Santana (UEPB)

    Examinador

  • I

    DEDICATRIA

    Dedico este trabalho a meus pais, irmos, a minha esposa e filhos que sempre me

    apoiaram e incentivaram a abraar os estudos e as oportunidades da vida.

  • II

    AGRADECIMENTOS

    Deus que guia e orienta minha vida e meus passos.

    Alumar - Consrcio de Alumnio do Maranho, em especial os superintendentes de

    Tecnologia, Qualidade e ABS da Reduo, Hlio Trucci e posteriormente Ciro Kato, que

    acreditaram no potencial de todos os escolhidos para compor esta turma e criaram esta

    oportunidade em parceria com a Universidade Federal de Campina Grande UFPG.

    Ao excelente corpo docente do curso de Engenharia Qumica.

    Aos professores doutores Shiva Prasad, Romildo Brito e Jos Jailson Alves, pela

    participao e orientao nesse trabalho.

    toda equipe de engenharia de processo da Alumar que me apoiou e incentivou neste

    desafio.

    Aos Tcnicos de processo Carlos Melo e Ronald Maciel que foram incansveis na

    realizao das medies de campo e acompanhamento dos testes.

    A parceria entre Alumar e Alcoa-Month Holly- Soulth Caroline-USA que por sua

    similaridade de projeto, viabilizou estudos de campo preliminares e pr-teste em 5 fornos

    durante o ano de 2005 com acompanhamento de profissionais da Alumar e Month Holly:

    Elsio Bessa (atual Superintendente de Tecnologia e Processo), Elieser Batista (Supervisor de

    Processo da Sala de Cubas), Ari Silva, Jos Ewerton Neto, Nilton Nagem, Felippe Navarro,

    Cris Ritter (Engenheiros de Processo), entre outros que contriburam com o sucesso deste

    projeto.

    PCE Projetos e Consultoria em Engenharia Ltda., que em parceria com a Alumar,

    desenvolveu os modelos matemticos que possibilitaram simular o comportamento

    operacional e assim auxiliar a determinar as mudanas que suportaram as necessidades do

    projeto.

  • III

    RESUMO

    A utilizao de estudos de simulao numrica, alm da utilizao de materiais

    alternativos que permitem a elevao da corrente das cubas (fornos) de produo de alumnio,

    tem sido o caminho escolhido por empresas que buscam por melhorias na produtividade e na

    eficincia de corrente, sem a necessidade de grandes investimentos. A Alumar, h mais de 10

    anos iniciou o processo de aumento de produtividade atravs da elevao gradual da corrente,

    de 180 kA at 225 kA, sem necessidade de modificaes significativas no projeto das cubas

    eletrolticas. A nova etapa atingir 240 kA como novo patamar de corrente que ir permitir

    aumentar a produo de alumnio em torno de 6%. Para isso foram utilizados estudos de

    simulao numrica e testes em planta para 10 cubas operando a 240 kA, que demonstraram a

    necessidade de modificaes no projeto atual das cubas para se manter o equilbrio trmico e

    eltrico. Das 10 clulas em teste, 5 sofreram modificaes no tipo de bloco catdico (de semi-

    graftico para grafitizado) e aumento nas dimenses da barra catdica, baseados nos

    resultados dos estudos de simulao (modelos trmico e eltrico). Medies de campo e de

    parmetros de processo foram realizadas nas clulas que sofreram modificaes e nos que

    permaneceram com o projeto atual com o objetivo de avaliar o desempenho dos dois grupos

    comparativos e validar o modelo numrico utilizando a perda de tenso catdica (CVD) como

    principal resultado de comparao. As cubas com o projeto modificado, assim como previsto

    na simulao, tm apresentado melhores desempenhos trmicos e eltricos.

  • IV

    ABSTRACT

    Studies of numerical simulation beyond the use of alternative materials that allow the

    electrical current rise in the aluminum production pot line, has been the way pursued for the

    majority of the aluminum companies that are searching for productivity improvements beyond

    the improvement of the current efficiency without of great investments should be necessary.

    More than the 10 years the Alumar Company initiated this process of productivity

    improvement through the gradual rise of the electrical current from 180 kA up to 225 kA

    without necessity of significant modifications in the pot design. The new stage is to reach 240

    kA as new electrical current platform that will make possible increase around 6% in the

    current aluminum production. For these studies of numerical simulation in set with a real test

    in 10 pots operating with 240 kA had been used and it has demonstrated the necessity of

    modifications in the current design of the pots to remain the current thermal and electric

    balance. From the ten pots in test, five had suffered modifications in the type of cathode

    blocks (from semi-graphitic to graphitized) and increase in the cathode bar dimensions based

    in the thermal and electric studies of numerical simulations. Measurements of field and in the

    process parameters had been carried through in the pots that had suffered modifications and in

    the pots that had remained with the current design. The objective of it is to evaluate the

    performance of its two comparative groups and also to validate the numerical simulation

    model using the Cathode Voltage Drop (CVD) as mainly comparison. The pots with the

    modified design, as well as foreseen in the numerical simulation, have presented better

    thermal and electric performances.

  • SUMRIO

    1. INTRODUO .............................................................................................................. 1

    2. DESCRIO DO PROBLEMA ................................................................................... 2 2.1. BREVE DESCRITIVO DO PROCESSO HALL-HEROULT ................................................................................ 2 2.2. AUMENTO DA PRODUTIVIDADE VIA ELEVAO DA CORRENTE ELTRICA ............................................... 4 2.3. BLOCOS CATDICOS BREVE DESCRIO .............................................................................................. 5

    3. OBJETIVOS E METAS ................................................................................................ 7 3.1. GERAL ..................................................................................................................................................... 7 3.2. ESPECFICO .............................................................................................................................................. 7

    4. REVISO BIBLIOGRFICA ...................................................................................... 8

    5. MODELAGEM MATEMTICA ............................................................................... 11 5.1. BREVE DESCRITIVO SOBRE O MTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ......................................................... 14 5.2. CONSIDERAES UTILIZADAS PELO PROGRAMA ALGOR PARA UTILIZAO DO MTODO DOS ELEMENTOS FINITOS. ......................................................................................................................................... 15

    Anlise de Transferncia de Calor em Estado Estacionrio Linear: ........................................................... 15 Anlise de Transferncia de Calor em Estado Estacionrio No-Linear:.................................................... 17

    6. METODOLOGIA ........................................................................................................ 22 6.1. EXPERIMENTAO PRTICA .................................................................................................................. 23 6.2. EXPERIMENTAO NUMRICA ............................................................................................................... 24

    7. ESTIMATIVA DE PARMETROS DO MODELO MATEMTICO .................. 26

    8. USO DO MODELO NA ANLISE TERMO-ELTRICA ...................................... 30 8.1. ANLISE ELTRICA ................................................................................................................................ 30 8.2. ANLISE TRMICA ................................................................................................................................. 30

    9. RESULTADOS OBTIDOS A PARTIR DOS FORNOS DE TESTE ...................... 38 9.1. INTENSIDADE DE CORRENTE (AMPERE) ................................................................................................. 38 9.2. RUDO (SPPN) ......................................................................................................................................... 39 9.3. MODIFICADOR DE RUDO ....................................................................................................................... 39 9.4. RESISTNCIA BASE (MICRO-OHMS) ........................................................................................................ 40 9.5. TENSO MDIA DOS FORNOS (V) .......................................................................................................... 41 9.6. TEMPERATURA DO BANHO ..................................................................................................................... 42 9.7. RATIO DO BANHO .................................................................................................................................. 43 9.8. CVD - CATODIC VOLTAGE DROP (MV) PERDA DE TENSO CATDICA .......................................... 44

    10. CONCLUSO .............................................................................................................. 46

    11. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................... 46

    12. ANEXOS ....................................................................................................................... 47 12.1. CONCEITO DO BALANO DE ENERGIA - FORNO DE PRODUO DE ALUMNIO ................................... 47 12.2. RELAO DE ENERGIA E CALOR NA PRODUO DE ALUMNIO. ........................................................ 48 12.3. FONTES DE ENERGIA DO FORNO ........................................................................................................ 49 12.4. PERDAS DE ENERGIA NO FORNO. ....................................................................................................... 50 12.5. DISTRIBUIO PERCENTUAL DA PERDA DE CALOR TPICA EM UM FORNO DE PRODUO DE ALUMNIO. ......................................................................................................................................................... 51

    13. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................... 52

  • NDICE DE FIGURAS

    Figura 1 Cuba eletroltica para produo de alumnio........................................................... 4 Figura 2 Cuba Vista frontal do bloco catdico e da barra coletora........................................ 6 Figura 3 Geometria com indicao dos materiais..................................................................12 Figura 4 Soluo do Algor para Processo No Linear...........................................................18 Figura 5 Modelo de radiao entre corpos.............................................................................20 Figura 6(a) Barra coletora dos experimentos 1 e 2...............................................................22 Figura 6(b) Barra coletora do experimento 3........................................................................22 Figura 6(c) Bloco catdico dos experimentos 1 e 2...............................................................22 Figura 6(d) Bloco catdico do experimento 3.......................................................................22 Figura 7 Esquemtico do fluxo de corrente eltrica num forno de eletrlise de alumnio....24 Figura 8 Identificao dos coeficientes de troca trmica.......................................................25 Figura 9 Queda de potencial do catodo-CVD (mV x Idade).................................................27 Figura 10(a) Queda de potencial do forno com catodo CFK calibrado - catodo novo (sem resistncia de contato).............................................................................28 Figura 10(b) Queda de potencial do forno com catodo CFK calibrado - catodo velho (com resistncia de contato).............................................................................28 Figura 10(c) Queda de potencial do forno com catodo KS calibrado - catodo velho (sem resistncia de contato).............................................................................29 Figura 11 Exemplo da simulao da distribuio da tenso eltrica (V) do experimento 1 a 240 kA.........................................................................................31 Figura 12 Exemplo da distribuio da corrente eltrica Experimento 1, sem a barra coletor A/mm2.....................................................................................31 Figura 13 Comparativo de calor gerado internamente e do calor extrado do banho dos experimentos calculados..................................................................33 Figura 14 Comparativo da diferena entre os calores extrados e gerados nos experimentos 2 e 3 em relao ao experimento 1............................................33 Figura 15(a) Mapa de distribuio da temperatura do experimento 1...................................34 Figura 15(b) Mapa de distribuio da temperatura do experimento 2...................................34 Figura 15(c) Mapa de distribuio da temperatura do experimento 3...................................35 Figura 16(a) Distribuio do fluxo de calor - experimento 1.................................................35 Figura 16(b) Distribuio do fluxo de calor - experimento 2.................................................36 Figura 16(c) Distribuio do fluxo de calor - experimento 3.................................................36 Figura 17 Intensidade de corrente (I).....................................................................................38 Figura 18 Rudo (sppn)..........................................................................................................39 Figura 19 Modificador de Rudo............................................................................................40 Figura 20 Resistncia base (micro-ohms)..............................................................................41 Figura 21 Tenso mdia dos fornos (V).................................................................................42 Figura 22 Temperatura do Banho (C)...................................................................................43 Figura 23 Ratio do forno........................................................................................................44 Figura 24 CVD Cathode Voltage Drop (mV) Perda de Tenso Catdica....................45

  • NDICE DE TABELAS Tabela 1 Propriedade dos diferentes tipos de blocos catdicos..........................................6 Tabela 2 Propriedade eltricas e trmicas dos materiais do forno....................................13 Tabela 3 Coeficientes de conveco determinados....................... ...................................25 Tabela 4 Quedas de potencial para fornos operando a 226 kA.........................................26 Tabela 5 Resultados da anlise dos experimentos 240 kA/cuba....................................30 Tabela 6 Resultados trmicos Perda de calor e Calor gerado........................................32 Tabela 7 Balano trmico do forno...................................................................................32 Tabela 8 Balano trmico do forno atravs de vrios cenrios.........................................37

  • SIMBOLOGIA

    Cp = calor especfico ............................................................. J kg-1 k-1

    = potencial eltrico ............................................................. Volts

    V = velocidade ....................................................................... m s-1

    = condutividade trmica ...................................................... W m-1 k-1

    H = calor latente de fuso ....................................................... J kg-1

    fs = frao slida na interface lquida da aresta ...................... 1

    hea = fonte de calor devido as reaes qumicas .................... W m-3

    GLOSSRIO

    Grafite = forma alotrpica do elemento carbono constitudo de tomos arranjados de forma

    hexagonal num sistema de anis condensados planar. As camadas esto dispostas

    paralelas umas as outras. A palavra chave perfeio na estrutura;

    Graftico = inclui todas as variedades de substncias de elemento carbono na forma

    alotrpica de grafite contida nos defeitos da estrutura;

    Grafitizado = corresponde ao carbono graftico com estruturas cristalinas tridimensionais

    relativamente perfeitas, obtidas atravs do tratamento trmico a temperaturas que variam

    de 2226 a 3026 C;

    Amorfo = material sem uma forma cristalina de longo alcance. O desvio interatmico das

    distncias de ligao C-C relativa ao grafite, incluindo as que esto na base planar maior

    que 5%.

    Temperatura de Lquidus = o valor mais alto do intervalo de fuso do metal observado

    no diagrama de equilbrio de fases.

    Banho eletroltico = composto de sdio e fluoreto de alumnio (Na3AlF6), onde os anodos

    ficam mergulhados e onde ocorrem as reaes eletrolticas de transformao da alumina

    em alumnio. O alumnio produzido se deposita sobre o catodo e abaixo deste banho.

    Ratio = razo entre o fluoreto de sdio (NaF) e o fluoreto de alumnio (AlF3). O Ratio tem

    a finalidade de controlar a solubilidade da alumina no banho eletroltico, alm da

    densidade e da temperatura do banho (relao direta).

    CVD = a perda de tenso catdica, medida entre o catodo e a barra coletora andica do

    forno subseqente (sentido da corrente eltrica).

    Forno = Clula eletroltica onde ocorrem as reaes de obteno do alumnio.

  • 1

    1. INTRODUO

    Nas ltimas dcadas tem-se observado muitos esforos para otimizar a produtividade

    nos fornos de reduo de alumnio. Estes esforos tm sido motivados pela crescente

    demanda de alumnio no mercado internacional, aliado elevao dos custos dos principais

    insumos utilizados na sua produo, ou seja, nos custos do coque e do piche para produo

    dos anodos e dos catodos e da energia eltrica utilizada na eletrlise para produo de

    alumnio.

    Um dos caminhos mais comuns utilizados para melhorar a produtividade

    aumentando a corrente eltrica total; porm este aumento de corrente tem impacto no

    equilbrio trmico dos fornos, o qual tem uma forte correlao com o desempenho do

    processo como demonstrados nos Anexos 1 a 4 [10] e [11].

    Outra maneira de aumentar a produo atravs da melhoria da eficincia de

    corrente EC(%). Porm esta requer elevados investimentos em melhoria de processo,

    controle operacional e at em mudanas de projeto, como layout dos barramentos catdicos a

    fim de minimizar a influencia do campo magntico na estabilidade dos fornos.

    Esta otimizao tem tido auxlio de vrios estudos de engenharia utilizando

    simulaes numricas de processo [4] e [6].O projeto mecnico dos fornos, seu equilbrio

    trmico, estudos magneto-hidrodinmicos dos fluidos, estabilidade na interface banho-metal,

    mudanas na composio dos materiais de revestimento dos fornos, sistemas de controle

    associados a modelos qumicos, so alguns dos aspectos que tm sido descritos por modelos

    matemticos avanados que atualmente conseguem simular com grande aproximao, o

    comportamento operacional real desses fornos e o alvo minimizar o consumo de energia,

    aumentar eficincia de corrente e maximizar a vida til dos fornos.

    Estudo similar est sendo realizado na Alumar a fim de avaliar o impacto do

    aumento da corrente eltrica no atual projeto de revestimento dos fornos e em projetos

    modificados com o objetivo de aumentar a produo de alumnio em aproximadamente 6%

    com o aumento de 226 kA para 240 kA. O objetivo desse estudo obter uma configurao

    tima que garanta o melhor balano trmico e eltrico para esse novo patamar de corrente.

    Nesse estudo foram avaliadas mudanas no tipo de catodo e nas dimenses da barra

    catdica. O catodo atualmente utilizado, semi-grafitizado (30%), foi confrontado com o

    grafitizado (100%), que por suas propriedades, deve garantir maior condutividade trmica e

    eltrica. A barra catdica atual tambm foi comparada com outra de maior largura, que possui

    maior rea superficial visando melhor distribuio e conduo da corrente eltrica.

  • 2

    Ambas as modificaes impactam em aumento do custo de revestimento e uma

    anlise do custo/benefcio destas mudanas foi considerada na concluso deste trabalho.

    2. DESCRIO DO PROBLEMA

    2.1. Breve Descritivo do Processo Hall-Heroult

    No processo de produo de alumnio, realizado em cubas eletrolticas (fornos)

    construdas em ao e revestidas internamente por refratrios, a alumina reduzida a

    alumnio metlico por meio de eletrlise em banho crioltico. Esse processo chamado de

    Hall-Heroult. As principais funes do eletrlito so baixar a temperatura de fuso da

    alumina, possibilitando a decomposio eletroltica em alumnio metlico em temperaturas

    mais baixas (ao redor de 950 oC) e garantir a separao fsica do alumnio produzido no

    catodo e dos xidos de carbono formados no anodo. O componente mais importante do

    eletrlito a criolita, ou complexo de fluoreto de alumnio e sdio (Na3AlF6). Elementos

    como o Fluoreto de Alumnio, o Fluoreto de Clcio e o Carbonato de Sdio so muito

    utilizados tendo a finalidade de manter o Ratio (razo entre Fluoreto de Sdio-NaF e

    Fluoreto de Alumnio-AlF3) estvel e conseqentemente, a temperatura desejada no

    processo.

    Outros elementos como Fluoreto de Ltio (LiF) e Fluoreto de Magnsio (MgF2),

    podem ser adicionados ao banho eletroltico de modo a modificar suas propriedades fsico-

    qumicas e, assim, melhorar a eficincia de operao dos fornos e o consumo de energia

    quando necessrio.

    Durante o processo de reduo em um forno eletroltico, anodos de carbono so

    mergulhados no banho, o oxignio contido na alumina dissociado eletroliticamente

    depositando-se sob os anodos como um produto intermedirio, ento reage imediatamente

    com o carbono do anodo e assim consume-o gradualmente pela formao de dixido de

    carbono gasoso (CO2). O alumnio lquido gerado se deposita no fundo da cuba. Esta

    reao ocorre na interface banho/metal onde as reaes eletroqumicas podem ser descritas

    atravs das seguintes equaes:

    Equao Global (1):

    )g(2)l(s)dissolvida(32 CO3Al4C3OAl2 ++ (1)

  • 3

    Onde a reao andica para baixo teor de alumina descrita como: + +++++ eNaCONaAlFCNaFOFAlNa 66)2/3(6)2/3(63 24622

    Ou por componente;

    eNaCOAlFCNaFOAl 66)2/3(2)2/3(6 2332 ++++++

    (2)

    No catodo a reao decomposta como;

    NaFAleNaNaAlF 82662 4 ++++

    Ou por componente;

    NaFAleNaAlF 62662 3 ++++

    (3)

    A composio tpica do banho eletroltico :

    Elemento Peso Percentual

    Al2O3 3,00

    AlF3 42,06

    NaF 47,94

    CaF2 6,75

    MgF2 0,23

    LiF 0,02

    A ALUMAR usa no processo de produo de alumnio fornos eletrolticos do tipo

    Prebaked (anodos so fabricados e pr-cozidos em um processo anterior). Cada forno

    utiliza 24 anodos e cada par de anodos consumido ao longo de 26 dias quando ento so

    substitudos por novos, ou seja, a cada 2 dias 2 anodos so trocados por novos.

    Durante a vida til do revestimento dos fornos, que em media de 2500 dias no

    caso da ALUMAR, a camada de material carbonceo (formada por 16 catodos) e as de

    refratrios, sofrem desgastes por eroso ou por formao de trincas, que em situao

    extrema, podem expor a superfcie metlica do forno (carcaa) ao alumnio lquido, vindo

    este a vazar. Nestes casos realizado o desligamento do forno para substituio do

    revestimento e blocos catdicos.

    A Figura 1 apresenta o desenho esquemtico de um forno eletroltico de produo

    de alumnio.

  • 4

    Figura 1 Forno eletroltico para produo de alumnio.

    2.2. Aumento da Produtividade via Elevao da Corrente Eltrica

    Ao longo dos ltimos 10 anos tem-se aumentado gradativamente a corrente das

    linhas de produo de alumnio sem, no entanto, realizar mudanas no revestimento dos

    fornos. O patamar inicial de 216 kA, hoje se encontra em 230 kA e com planos de atingir

    240 kA.

    Este aumento contnuo de corrente tem acarretado nos fornos:

    Aumento na perda de tenso catdica (CVD Cathode Voltage Drop) quanto

    maior o CVD, maior ser o custo devido menor eficincia do sistema, alm do

    aumento da tenso de operao;

    Elevao na temperatura do banho eletroltico causando reduo na vida

    operacional das cubas atravs de maior stress trmico e maior desgaste, por eroso,

    que o conjunto refratrio e os blocos catdicos sofrem.

  • 5

    Para continuar elevando o nvel de corrente para nveis prximos de 240 kA ou

    mais, a fim de possibilitar aumento de produo de alumnio, fazem-se necessrias

    modificaes no revestimento, principalmente no tipo de bloco catdico, nas dimenses do

    barramento catdico e no revestimento lateral das cubas, de modo que os balanos

    trmicos e eltricos proporcionem boa estabilidade e eficincia operacional.

    2.3. Blocos Catdicos Breve Descrio

    Existe no mercado diversas opes de blocos catdicos que so diferenciados

    principalmente pela matria prima e temperatura do processo, j que o ligante sempre ser

    o piche [7]. O processo de conformao comumente utilizado por extruso e em baixa

    escala por vibro compactao.

    Os tipos de blocos mais utilizados pelas industrias de alumnio so:

    Blocos de antracito ou amorfo (1) nenhum ou parte do material grafitizado;

    Blocos semi-grafticos (2) o agregado grafitizado mas o bloco composto por

    coque tratado termicamente a 1200 C;

    Blocos semi-grafitizados ou grafticos (3) todo o bloco (agregado e ligante)

    constitudo de materiais grafitizveis que so sinterizados a uma temperatura tpica

    de 2300 C;

    Blocos grafitizados (4) - todo o bloco (agregado e ligante) constitudo de

    materiais grafitizveis que so sinterizados a uma temperatura tpica de 3000 C;.

    Aps a conformao, h o cozimento do material temperaturas entre 1200 C e

    3200 C. Atravs do processo de grafitizao por eletro-calcinao, h razovel

    organizao da estrutura cristalina e maior densidade do bloco obtendo-se assim,

    caractersticas como a diminuio da resistividade eltrica e o aumento da condutividade

    trmica.

    A seguir, na Tabela 1 e abaixo, sero apresentadas algumas das principais

    propriedades dos diferentes tipos de blocos catdicos [12].

    Piche coqueificado

    Antracito

    Grafite

    1 2 3 4

    Piche coqueificado

    Antracito

    Grafite

    1 2 3 4

  • 6

    Tabela 1 Propriedades dos diferentes tipos de Blocos Catdicos.

    Blocos Isotrpicos e Anisotrpicos coques anisotrpicos no apresentam

    uniformidade de propriedades, por exemplo, resistividade eltrica, em todas as

    direes, enquanto coques isotrpicos caracterizam-se por baixo coeficiente de

    expanso linear e so de grafitizao relativamente fcil. Os blocos considerados

    isotrpicos tm razo entre a resistividade eltrica medida no sentido da extruso e a

    medida perpendicular a ela prpria de 1:1, enquanto no anisotrpico essa razo de

    1:2 ou superior.

    Blocos Extrudados e Vibro Compactados o processo de extruso fora os gros a

    uma maior orientao no sentido do comprimento dos blocos acarretando diferena

    nas propriedades nos sentidos vertical e horizontal. O processo por Vibro compactao

    permite uma orientao dos gros mais vertical que o processo anterior, favorecendo a

    uma maior resistncia eroso.

    Blocos Grafitizados, Semi-grafticos e de Antracito os blocos grafitizados

    permitem s cubas uma reduo significativa na perda catdica e voltagem de

    operao, alm de propiciar condies favorveis ao aumento de corrente, so

    caracterizados tambm por uma baixa expansividade porm, apresentam menor

    resistncia a abraso o que os tornam mais susceptveis ao ataque do metal por

    foras cisalhantes, causando maior eroso em relao aos blocos semi-grafticos e

    antracito. J os blocos amorfos so caracterizados por apresentarem uma alta

    resistncia abraso e custos relativamente baixos.

    Muito baixa-------------BaixaAdequadaReao ao Sdio2 ~ 321,5 ~ 1,81Preo em relao ao amorfo

    OrganizadaOrganizadaSemi organizadaDesorganizadaEstrutura CristalinaMuito bom

    Bom

    15 ~ 30

    15 ~ 30baixa

    30 ~ 45alta

    1.200 ~ 1.800

    Antracito+ grafite

    SEMI-GRAFTICO

    Excelente-------------AceitvelResistncia choque trmico

    PobrePobreExcelenteResistncia abraso23 ~ 2720 ~ 2515 ~ 18Porosidade (%)

    8 ~ 14Muito baixa

    12 ~ 18Muito baixa

    30 ~ 50mdia

    Resistividade Eltrica (-ohm-m)

    80 ~ 120Muito alta

    30 ~ 40alta

    8 ~ 15moderada

    Condutividade Trmica (W/mC)

    > 2.700(grafitizao)

    2.000 ~ 2.3001.200 Temperatura de cozimento (C)

    PicheLigante

    GrafiteGrafiteAntracitoAgregado (materia prima)

    GRAFITIZADOSEMI-GRAFITIZADOAMORFOTIPO

    Muito baixa-------------BaixaAdequadaReao ao Sdio2 ~ 321,5 ~ 1,81Preo em relao ao amorfo

    OrganizadaOrganizadaSemi organizadaDesorganizadaEstrutura CristalinaMuito bom

    Bom

    15 ~ 30

    15 ~ 30baixa

    30 ~ 45alta

    1.200 ~ 1.800

    Antracito+ grafite

    SEMI-GRAFTICO

    Excelente-------------AceitvelResistncia choque trmico

    PobrePobreExcelenteResistncia abraso23 ~ 2720 ~ 2515 ~ 18Porosidade (%)

    8 ~ 14Muito baixa

    12 ~ 18Muito baixa

    30 ~ 50mdia

    Resistividade Eltrica (-ohm-m)

    80 ~ 120Muito alta

    30 ~ 40alta

    8 ~ 15moderada

    Condutividade Trmica (W/mC)

    > 2.700(grafitizao)

    2.000 ~ 2.3001.200 Temperatura de cozimento (C)

    PicheLigante

    GrafiteGrafiteAntracitoAgregado (materia prima)

    GRAFITIZADOSEMI-GRAFITIZADOAMORFOTIPO

  • 7

    3. OBJETIVOS E METAS

    3.1. Geral Determinar o conjunto de revestimento, descritos nos experimentos 1, 2 e 3

    (Captulo 6), com o melhor custo/benefcio para operar em nveis mais elevados de

    corrente (240 kA).

    3.2. Especfico Essa dissertao de mestrado consiste em comparar, do ponto de vista eltrico e

    trmico, atravs de simulao matemtica utilizando o programa ALGOR e medies de

    campo:

    Blocos catdicos grafitizados que garantem uma maior dissipao de calor e maior

    condutividade eltrica versus o bloco catdico atual com 30% de grafite e custo

    inferior;

    Barras coletoras de ao, com praticamente o dobro da largura (279 mm) na rea

    que fica fixada internamente ao bloco catdico versus a de 140 mm do projeto

    atual (Figura 2), a fim de proporcionar:

    o Melhor distribuio de corrente sobre o catodo, evitando caminho

    preferencial de corrente eltrica apenas no centro do bloco que geram

    desgastes localizados do bloco catdico;

    o Redues nas perdas de tenso, que possibilitaro maior eficincia

    operacional.

    190 190

    540 120 300 120

    540

    450

    152 140 152 279

    Atual Proposta

    Corrente

    Catodo

    Barra

    ANODO ANODO

    Figura 2 Vista frontal do bloco catdico e da barra coletora para o modelo atual e o proposto

  • 8

    4. REVISO BIBLIOGRFICA

    K. Grjotheim e H. Kvande [1] e [2], publicaram livros sobre a teoria da produo de

    alumnio em clulas eletrolticas. Nessas edies, compostas por vrios autores, so

    exploradas de forma clara os princpios do balano de energia, da termodinmica, teorias do

    consumo de energia em clulas de produo de alumnio pelo processo Hall-Heroult,

    princpios da eletroqumica, determinao da eficincia de corrente, controle de processo e

    prticas avanadas. Esses estudos serviram de embasamento e de entendimento das anlises

    trmicas e eltricas do processo, as quais foram usadas para avaliao do aumento de

    produtividade proposto nesse trabalho. Observamos que fornos mais estveis (rudo baixo)

    que sofrem pouca influncia das principais atividades como troca de anodos e corrida de

    metal, tendem a ser mais eficientes e produtivos. Fornos que conseguem operar com Ratio do

    banho mais baixo (relao entre 1:09 e 1:11) e conseqentemente, temperaturas mais baixas,

    tambm permitem aumentos de corrente, se tornando mais produtivos sem necessidade de

    modificaes de projeto.

    Kjar et al [3], realizaram um estudo sobre a evoluo dos projetos dos barramento

    eltricos nas linhas de produo de alumnio que operam com alta corrente, Os projetos atuais

    desses barramentos utilizam conjuntamente modelos matemticos, projetos prticos e

    mtodos eficientes de produo onde a estabilidade magneto-hidrodinmica (MHD) deve ser

    alcanada para se obter timo balano eltrico e tima distribuio do campo magntico.

    Antille et al [4] publicaram um artigo sobre os efeitos do aumento de corrente em

    cubas de reduo de alumnio, onde abordam a necessidade de otimizao do processo atravs

    da minimizao do consumo de energia, aumento da eficincia de corrente e maximizao da

    vida operacional das cubas. Citam ainda que modelos matemticos avanados tm sido

    utilizados para melhorar projetos de cubas atravs de um melhor equilbrio trmico, de

    estudos magneto-hidrodinmicos dos fluidos, de uma melhor estabilidade da interface metal-

    banho e melhorias nos sistemas de controle.Neste estudo os autores descrevem um modelo

    trmico, prevendo os efeitos da variao de corrente no perfil da aresta lateral e compara os

    resultados com medidas realizadas numa reduo de alumnio, utilizando a metodologia de

    elementos finitos.

    Homsi et al [5], estudo sobre alta performance, alta produtividade e baixo custo em

    cubas com novas tecnologias, onde descrevem modificaes no projeto AP 18 (Tecnologia

    Pechiney) que opera com 180 kA, transformando em AP 21 210 kA, atravs de estudos

    utilizando modelos matemticos de simulaes termo-eltricas para determinar o impacto de

  • 9

    cada modificao no projeto, onde cada simulao resultou na determinao da corrente

    operacional.

    Johansen et al [6] publicaram sobre o aumento de produtividade na planta de reduo

    de alumnio da Soral, Noruega, fundada em 1962. Esse projeto de modernizao foi realizado

    em 4 etapas. Na 1 etapa foram contemplados aumento de corrente (105 para 115 kA),

    aumento da eficincia de corrente (90% para 92%) e reduo do consumo de energia (15,5

    para 14,7 kwh/ kg Al), atravs de modificaes nos projetos dos catodos e revestimentos

    laterais e melhorias no controle de processo. Na 2 etapa aumento de corrente (115 para 125

    kA) e aumento da eficincia de corrente (92% para 93%), atravs da utilizao de blocos

    catdicos maiores e grafitizados e revestimento lateral com blocos de carbeto de silcio (SiC).

    Na 3 etapa aumento de corrente para 137 kA, aumento da eficincia de corrente para 94% e

    reduo do consumo de energia para 14,5 kwh/ kg Al, atravs de modificaes no projeto dos

    barramentos eltricos, adio de novos retificadores, reduo da variao da temperatura do

    banho eletroltico, implantao de equipes de garantia da qualidade, utilizao de manuteno

    preventiva, treinamentos e mudanas organizacionais. Na 4 etapa, campanhas de medies

    nas cubas em teste com 140 kA, mostraram que tanto termicamente quanto magneto-

    hidrodinamicamente, as cubas eram estveis. Baseado nesses resultados e em prognsticos de

    modelos matemticos seria possvel operar a 150 kA, com a mesma eficincia de corrente e

    reduzindo o consumo de energia para 14,0 kwh/ kg Al, atravs do aumento do tamanho dos

    anodos, melhorias na estao de limpeza dos butts (melhoria da matria-prima do anodo),

    novos projetos de haste andica.

    Sorlie et al [7], publicao literria sobre a teoria da produo de anodos e catodos

    para a industria do alumnio, detalhando os principais processos, matrias primas,

    caractersticas e tipos de produtos que podem ser obtido.

    Campos [8] e Pereira [9], descrevem os aspectos fundamentais do mtodo de

    elementos finitos aplicados simulao numrica como tcnica de resoluo de equaes

    diferenciais parciais que permitam, atravs de simulaes, a anlise de escoamento de fluidos,

    distribuio de temperaturas, projeto e anlise de estruturas, eletromagnetismo, projetos

    eletromecnicos, etc.

    Johnson et al [10] e Bruggeman et al [11], descrevem em seus seminrios o processo

    de produo de alumnio dando nfase em cada um dos parmetros que afetam direta ou

    indiretamente a produo de metal, a eficincia de corrente, o consumo de energia, o balano

    trmico, eltrico e de MHD (Magneto-hidro-dinmico) dos fornos, caractersticas dos anodos,

    catodos e do revestimento refratrio dos fornos.

  • 10

    D. Lombard et al [12], apresentaram estudo sobre a experincia com blocos

    catdicos grafitizados nos diferentes projetos de fornos da Pechiney testados por vrios anos

    em suas plantas de produo de alumnio. Descrevem as vantagens tericas da utilizao deste

    tipo de bloco, principalmente em relao possibilidade de aumento de corrente da linha.

    Baseados em diferentes testes industriais onde foram realizadas comparaes com fornos

    usando blocos convencionais, foram avaliadas, principalmente, a perda de tenso catdica,

    resultados operacionais e durao dos blocos catdicos.

  • 11

    5. MODELAGEM MATEMTICA

    As anlises foram realizadas baseadas em dados experimentais dos fornos em teste e

    atravs de dados obtidos via simulao numrica (resoluo dos balanos trmicos e eltricos

    realizados em conjunto com a empresa PCE especializada em estudos de modelamentos

    computacionais para a indstria do alumnio).

    As medies em campo foram realizadas antes e aps as mudanas de projeto em um

    grupo de 10 fornos, inicialmente com corrente de 226 kA e aps atingirem 240 kA atravs da

    utilizao de um booster, transformador extra que permitiu este aumento apenas nos fornos

    em teste. Abaixo seguem as medies que foram realizadas no campo:

    Distribuio de corrente andica atravs de um instrumento manual que

    mede a perda de tenso (mV) em cada haste andica, pode-se determinar o

    perfil de distribuio de corrente entre os 24 anodos instalados em cada forno;

    Perda de tenso catdica (CVD) a perda de tenso medida entre o catodo

    do forno e o barramento catdico. Os valores registrados sofrem influencia do

    tipo do bloco e da idade operacional do forno ;

    Altura da camada de metal heave tem correlao direta com a

    estabilidade operacional do forno ;

    Superheat Diferena entre a temperatura de Liquidus e a temperatura de

    solidificao;

    Temperatura do casco so realizadas medies em vrios pontos do casco

    para se determinar o perfil do fluxo de calor e pontos crticos devido a

    concentraes de calor ;

    Fluxo de calor no casco determina as reas de concentrao de calor

    auxiliando nas modificaes de projeto que suportaro aumento de corrente

    eltrica.

    O processo de eletrlise muito complexo e os modelos, normalmente, usam

    simplificaes. Ainda no possvel determinar todas as reaes qumicas e eletroqumicas; a

    influencia das bolhas de gs que se formam sob os anodos; os processos de difuso, etc. O

    modelo baseado em duas equaes diferenciais parciais:

    Balano trmico;

  • 12

    pdTagrdivTdagrVCp tT +=+ )(

    Onde,

    dtdfsHheadagrp ++= 2)(

    Sendo: hea a fonte de calor devido as reaes qumicas e

    fs a frao slida na interface lquida da aresta.

    (4)

    Balano eltrico;

    0= dagrdiv

    (5)

    A Equao (4) representa o balano trmico e a Equao (5) o balano eltrico

    (Poisson). As seguintes condies de contorno so consideradas:

    O potencial eltrico = 0 no extremo de todas as barras coletoras (condio de

    Dirichlet) e a densidade de corrente J no topo de cada haste andica

    fornecida (condio de Newmann);

    O coeficiente de troca de calor h na superfcie da cuba dado.

    O modelo matemtico foi resolvido usando o Mtodo dos Elementos Finitos, cuja

    breve descrio apresentada no prximo item.

    A geometria consiste de um corte transversal de um dos lados da cuba, considerando-

    se barra coletora, conforme figuras a seguir.

    Os materiais consistem da parte metlica (cradle e shell) e do revestimento (lining).

    A Figura 3 apresenta a geometria usada na modelagem e a Tabela 2 as propriedades eltricas

    e trmicas dos materiais da cuba.

    Figura 3 Geometria com indicao dos materiais.

  • 13

    Tabela 2 Propriedades eltricas e trmicas dos materiais da cuba.

    Propriedades dos materiais Orient. ou

    Espessura

    Resistiv.

    Eltrica

    Condutiv.

    Eltrica

    Condutiv.

    Trmica

    Parte do desenho Material ..m A/(V.mm) W/m.C

    1

    Bloco catdico 30% grafite CFK

    (Carbone Savoie)*

    M (s) 10 100,00 16

    P (r,t) 15 66,67 10

    1

    Bloco catdico grafitizado

    KS (Carbone Savoie)*

    M (s) 10,5 95,24 125

    P (r,t) 13 76,92 100

    2 Aresta Lateral - - 0,5094

    3 Bloco de carbeto de silcio - - 18,68

    4 Bloco de grafite - - 67,92

    5 Pasta de antracita (seam mix) 80 12,5 6,792

    6 Bloco de antracita 40 25 13,58

    7 Concreto refratrio Isolite-85 - - 1,019

    8 Placa de isolante Isoplac ACF1 - - 0,2038

    9 Tijolo refratrio - - 1,019

    10 Barreira seca Clayburn - - 13,58

    11 Bloco de isolante Isoplac - - 0,2038

    12 Bloquete de antracita 40 25 13,58

    13 Cimento BVM-51/Sigri 16 62,5 1

    14 Barra coletora (Ao a 200C) 0,23 4347,83 54,5

    15 Barra coletora (Ao a 600C) 0,74 1351,35 38,5

    16 Barra coletora (Ao a 900C) 1,1 909,09 26,5

    17 Casco (Ao a 200C) - - 54,5

    18,19,21** Chapas (Ao a 200C) 19mm

    Apenas modelo trmico

    54,5

    20,22 Chapas (Ao a 200C) 15,88mm 54,5

    23 Chapas (Ao a 200C) 15,55mm 54,5

    24 Chapas (Ao a 200C) 9,52mm 54,5

    25,26 Chapas (Ao a 200C) 25,4mm 54,5

    * Os catodos tem propriedades ortotrpicas, sendo a direo M correspondente direo de extruso do

    mesmo e a direo P perpendicular extruso.

    **Foi considerada espessura das mesmas, devido a condio de simetria.

  • 14

    5.1. Breve Descritivo Sobre o Mtodo dos Elementos Finitos

    O Mtodo de Elementos Finitos (ou FEM Finit Element Method), inicialmente

    conhecido como Mtodo de Hitz (1909), por ter sido desenvolvido por Walker Hitz (1878-

    1909) que o utilizava para determinar a soluo aproximada de problemas de mecnica dos

    slidos deformveis, teve suas possibilidades de utilizao aumentadas consideravelmente

    em 1943 por Richard Courant (1888-1972), aps introduzir funes lineares especiais

    definidas sobre regies triangulares e aplicar este mtodo para soluo de problemas de

    toro. Com isso, possibilitou a determinao dos valores das funes (Incgnitas) nos

    pontos nodais nas regies triangulares e assim foi eliminada a principal restrio das

    funes do Mtodo de Hitz a satisfao das condies de contorno.

    Apenas em 1960 o termo Mtodo de Elemento Finito foi utilizado pela primeira

    vez, por Ray William Clough Jr., quando o utilizou como mtodo de simulao

    computacional para anlise de estruturas aeroespaciais. Posteriormente este mtodo passou

    a ser utilizado para simulao de problemas no estruturais em fludos, termodinmica e

    eletromagnetismo [8].

    Atualmente o FEM considerado um mtodo matemtico para a soluo de

    equaes diferencias parciais como a Equao de Poisson, Equao de Laplace, Equao

    de Helmholtz, Equao de Navier-Stokes, etc., ou seja, uma poderosa ferramenta para a

    soluo aproximada de equaes diferenciais, descrevendo diferentes processos fsicos.

    Devido as suas caractersticas de flexibilidade e estabilidade numrica, muito

    utilizado, na forma de sistema computacional, na soluo de problemas complexos em

    diferentes campos da engenharia civil, mecnica, nuclear, biomdica, hidrodinmica,

    conduo de calor, geo-mecnica, eletromagnetismo, projeto de equipamentos

    eletromecnicos (mquinas, transformadores, contatores, etc...) , entre outros.

    Em muitos casos prticos, o FEM a nica ferramenta capaz de fornecer uma

    soluo aceitvel, ainda que sob o ponto de vista matemtico, a soluo seja considerada

    uma aproximao [9].

    A primeira caracterstica desse mtodo o campo contnuo, ou domnio,

    subdividido em clulas chamadas de elementos,os quais formam uma malha. Os elementos

    tm comumente uma forma triangular ou quadrangular, podendo ser retilneos ou

    curvados. A malha em si no precisa ser estruturada, o que faz com que muitas geometrias

    complexas possam ser tratadas com facilidade.

  • 15

    A segunda caracterstica do mtodo que a soluo do problema discreto

    assumida, a priori, para ter uma forma prescrita. A soluo tem que pertencer a um espao

    de funes e este construdo pelos valores da funo variando numa dada maneira, por

    exemplo, linearmente ou quadraticamente, entre os valores dos pontos nodais. Os pontos

    nodais ou ns, so os pontos tpicos dos elementos como: os vrtices, os pontos mdios dos

    lados, os pontos mdios dos elementos, entre outros. Devido a esta escolha, a

    representao da soluo fica fortemente vinculada representao geomtrica do domnio

    A terceira caracterstica do FEM a procura por uma soluo integral da equao

    diferencial parcial. A formulao integral obtida a partir da formulao residual

    ponderada. Para esta formulao o mtodo adquire a capacidade para incorporar

    naturalmente condies de contorno do tipo diferencial.

    A combinao da representao da soluo num dado espao de funes com a

    formulao tratando rigorosamente as condies de contorno, d ao mtodo uma

    fundamentao matemtica extremamente rigorosa e robusta e permite uma boa definio

    da preciso.

    Uma caracterstica final do FEM a maneira com que a discretizao obtida. As

    equaes discretas so construdas a partir das contribuies de cada nvel do elemento, os

    quais, mais tarde, so reunidos [8].

    5.2. Consideraes utilizadas pelo programa ALGOR para utilizao do Mtodo dos Elementos Finitos.

    Anlise de Transferncia de Calor em Estado Estacionrio Linear:

    Transferncia de calor de estado estacionrio linear ocorre quando a condutividade

    do material no dependente da temperatura e quando a radiao no est aplicada.

    Qualquer um destes efeitos torna o problema no-linear (iterativo).

    Especificamente as seguintes cargas podem ser includas em uma anlise linear:

    Conduo:

    Onde

  • 16

    q = fluxo de calor

    k = condutividade trmica (constante) incorporada como uma propriedade do

    material. Materiais isotrpicos recaem sob esta categoria.

    A = rea da seo transversal de uma face do elemento

    T= gradiente de temperatura na direo normal rea, A

    Conveco:

    Onde

    h = coeficiente de transferncia de calor convectivo (constante) incorporado na

    tela de Propriedades superficiais

    A = rea do elemento sujeito a conveco

    X = Multiplicador de Conveco incorporado na tela de Parmetros de

    Anlise .

    T = Ts-T

    Ts = temperatura superficial do elemento (calculado)

    T = temperatura do fluido (assumida como uma constante) e incorporado na

    tela de Propriedades superficiais

    Gerao de Calor Interno:

    q = (q por unidade de volume)(X)(volume)

    Onde:

    q por unidade de volume = quantidade de calor interno gerado ao elemento por

    unidade de volume, incorporado na tabela de Carregamento da tela de

    Definio do Elemento

    X= "Multiplicador de Gerao de Calor" incorporado na tela de

    "Parmetros de Anlise ".

    volume = volume do elemento (calculado)

    Temperatura Aplicada:

    q = stiffness(T)

    Onde:

  • 17

    stiffness = equivalente ao coeficiente do tempo de conveco da rea (hA).

    T = Tn-XT

    Tn = temperatura do n (calculado)

    X= "Multiplicador da Temperatura de Contorno" incorporado na tela de

    "Parmetros de Anlise ".

    T = "Magnitude" da temperatura, introduzido pelo usurio.

    Fluxo de Calor:

    q = (fluxo de calor)AX

    Onde:

    Fluxo de calor = quantidade de fluxo de calor (calor por unidade de rea)

    aplicada a uma superfcie.

    A = rea superficial da face

    X= "Multiplicador de conveco" introduzido na tela de "Parmetros de

    Anlise ".

    Anlise de Transferncia de Calor em Estado Estacionrio No-Linear:

    Vista geral do processo

    Quando o coeficiente da conduo for uma funo da temperatura (modelo para

    material anisotrpico) ou quando a radiao estiver aplicada ao modelo, as iteraes

    mltiplas necessitam ser executadas para resolver os problemas de estado estacionrio

    da anlise de transferncia de calor. Para o exemplo, sem saber as temperaturas, a

    condutividade trmica no conhecida, mas as temperaturas no podem ser calculadas sem

    a condutividade trmica. Assim, necessria uma aproximao iterativa.

    Alm disso, usando a condutividade e a radiao dependentes da temperatura para

    finalidades definidas, estes efeitos podem ser usados para calcular a radiao e a conveco

    entre corpos em funo da temperatura como descrito abaixo.

    Em cada interao da soluo do estado estacionrio, os coeficientes de conduo e

    as taxas de transferncia do calor por radiao dependentes da temperatura so estimados

    baseando-se na estimativa prvia das temperaturas nodais, (Ticur). Na primeira iterao, as

    temperaturas iniciais so dadas ou pelos valores aplicados aos ns individualmente ou

    globalmente (defaut temperatura nodal). Quando os valores iniciais da temperatura so

  • 18

    especificados para ns, aqueles valores cancelam os valores defaut. O modelo analisado

    ento. As temperaturas resultantes (Tinew) so comparadas estimativa prvia das

    temperaturas nodais. Se a diferena entre as temperaturas prvias e resultantes for

    aceitvel, como definido abaixo, ento as iteraes da anlise param. Se a diferena no for

    aceitvel, a seguir as taxas de condutividade trmica e da radiao de calor so

    recalculadas, baseadas assumindo as novas temperaturas nodais estimadas e o problema

    resolvido outra vez. Este processo mostrado na figura 4.

    Figura 4: Soluo do ALGOR para Processo No-Linear

    Na realidade, as temperaturas usadas para calcular a conductividade ou a radiao na

    iterao seguinte (Tatual) so calculadas [(1-A)(Tianterior)+(A)(Tinova)] ou como a equivalente

    [Tianterior+A(Tinova-Tianterior)] onde A um parmetro de amortizao e Tianterior a uma

    temperatura calculada na iterao precedente. Um valor de A = 1 recomendado

    normalmente, significando que as temperaturas assumidas para a prxima iterao so as

    temperaturas resultantes (Tinova) da iterao que acabou de ser executada. Os valores entre

    0 e 1 so usados quando desejado atualizar as temperaturas Tatual por um valor menor a

    fim de suavizar possveis picos de oscilaes. Desde que um valor de 0 (zero) faria com

    que as temperaturas no fossem atualizadas, um parmetro diferente de zero de

    amortizao deve ser usado. Um parmetro de amortizao diferente de 1 (um)

    necessrio quando o ciclo das temperaturas nodais entre iteraes sucessivas no

    convergem facilmente.

    Atribui temperaturas iniciais ao modelo

    Calcula a condutividade e a

    Radiao baseado nastemperaturas iniciais

    Resolve as equaes para a nova

    temperatura TnovaAjusta Tatualigual a Tnova

    Calcula a condutividade e a

    Radiao baseado nastemperaturas Tatuais

    Resolve as equaes para a nova

    temperatura Tnova

    Repete atTerminar

    Atribui temperaturas iniciais ao modelo

    Calcula a condutividade e a

    Radiao baseado nastemperaturas iniciais

    Resolve as equaes para a nova

    temperatura TnovaAjusta Tatualigual a Tnova

    Calcula a condutividade e a

    Radiao baseado nastemperaturas Tatuais

    Resolve as equaes para a nova

    temperatura Tnova

    Repete atTerminar

  • 19

    As novas temperaturas assumidas so usadas para atualizar os coeficientes de

    conduo e recalcular as equaes de radiao, e ento o processo repetido.

    Conduo como uma funo da Temperatura.

    Se for usado um modelo para material anisotrpico, ento pode ser especificada a

    conduo em funo da temperatura. Devem ser fornecidos valores de temperatura

    correspondentes aos valores de conduo. As propriedades anisotrpicas devem ser dadas

    em ordem ascendente de temperatura e a faixa das temperaturas encontradas na soluo

    no deve exceder aos limites superior ou inferior de temperatura que so fornecidas pelas

    propriedades dos materiais. Os coeficientes de conduo so calculados pela interpolao

    linear entre os valores de temperatura fornecidos.

    O valor pr-determinado para a temperatura inicial 0(zero), e se este no for

    mudado, a temperatura mnima especificada para determinar os coeficientes da conduo

    deve ser menor ou igual a 0. As temperaturas iniciais so usadas para calcular os

    coeficientes iniciais da conduo. A opo no-linear descrita acima deve ser usada para

    iterar nas temperaturas para atualizar os coeficientes da conduo.

    Radiao

    O fluxo do calor (Transferncia de calor/tempo/rea) que passa por uma

    superfcie sujeita radiao descrito pelas seguintes equaes:

    onde

    q" = fluxo de calor;

    Frad = fator de radiao, que inclui efeitos de absoro, emissividade e da

    superfcie;

    = constante de Stefan-Boltzmannt.

    X= "Multiplicador de Radiao" introduzido na tela de "Parmetros de

    Anlise ".

    Ts = temperatura da superfcie calculada, unidades em valores absolutos

    (Rankine ou Kelvin).

    Trad = temperatura ambiente, unidades em valores absolutos (Rankine ou

    Kelvin).

  • 20

    A quantidade (Ts4-Trad4) pode ser reescrita como (Ts2+Trad2)(Ts+Trad)(Ts-Trad). Se a

    quantidade (Ts2+Trad2)(Ts+Trad) for suposta constante, ento pode ser usado um algoritmo

    linear da soluo. A opo no-linear do tempo de funcionamento substitui Tianterior para Ts

    na parcela constante da equao e iterando como descrito acima. O parmetro de

    amorrtizao (A) pode necessitar ser reduzido se a soluo oscilar durante o processo de

    iterao.

    Radiao entre Corpos

    O tipo de radiao discutido acima vlido para uma pea que radia em volta do

    ambiente. Na realidade, frequentemente as peas transferiro o calor atravs da radiao

    com outras superfcies da mesma pea e de outras peas. Isto pode ser feito no programa

    ALGOR. Neste caso devero ser colocadas as superfcies que iro transferir calor por

    radiao entre elas, dentro de recintos separados. Devem ser definidas as emissividades

    destas superfcies como valores constantes ou valores dependentes da temperatura.

    Em alguns casos, a radiao entre corpos pode ser emulada usando a conduo

    dependente da temperatura como mostrado na figura 5 abaixo:

    Figura 5: modelo de radiao entre corpos

    Para radiao, a taxa do calor igual ao fluxo do calor definido acima, multiplicado

    pela rea correspondente. Conseqentemente o fluxo de calor devido radiao :

    onde a temperatura superficial Ts a temperatura de um corpo (como exemplo TA) e

    a temperatura ambiente Trad a temperatura do outro corpo (TB); isto , a temperatura

    ambiente vista pelo corpo A.

    O fluxo de calor devido conduo entre os dois corpos :

    Corpo A Corpo BL

    TA TB

    Elementos com K como funo da Tmed

    Corpo A Corpo BL

    TA TB

    Elementos com K como funo da Tmed

  • 21

    Uma vez que o fluxo de calor por radiao seja igual ao fluxo de calor por conduo,

    igualando as duas equaes acima, teremos:

    Expandindo (Ts4-Trad4) (Ts2+Trad2)(Ts+Trad)(Ts-Trad),

    Teremos:

    como:

    Rearranjando os termos:

    Elevando Tmed ao quadrado, teremos:

    Substituindo na equao acima, teremos:

    Uma camada de elementos construda em um novo nmero da peas entre os dois

    corpos. Visto que pode-se resolver um problema de condutividade dependente da

    temperatura, a condutividade avaliada sobre uma escala ampla de temperaturas esperadas

    (TA e TB) e ento executada uma soluo iterativa de estado estacionrio.

    Os vrios valores de Tmed so substitudos na ltima equao para obter a curva de

    temperatura versus a curva de conduo. Estes valores podem ento ser usados como

    descritos na seo anterior (conduo como funo da temperatura).

    4)( 222 radS

    medTT

    T+

    2)( rads

    medTT

    T+

    =

    3))(8( medrad TLFK

  • 22

    6. METODOLOGIA

    Os experimentos realizados so descritos a seguir:

    Experimento 1 Barra Coletora 5.5x6, Catodo 30% Grafite (Tipo CFK,

    fornecedor Carbone Savoie do Brasil) e comprimento de 3302 mm (Figura 7a);

    Experimento 2 Barra Coletora 5.5x6, Catodo Grafitizado (Tipo KS,

    fornecedor Carbone Savoie do Brasil) com comprimento de 3302 mm (Figura 7a);

    Experimento 3 Barra Coletora 5.5x11, Catodo Grafitizado (Tipo KS,

    fornecedor Carbone Savoie do Brasil) e comprimento de 3353 mm (Figura 7b).

    As Figuras 6a e 6b mostram as geometrias das barra coletora avaliadas.

    (a)

    (b)

    Figura 6(a) barra coletora dos experimentos: 1e 2; Figura 6(b) - barra coletora do experimento 3.

    As Figuras 6c e 6d mostram as geometrias dos blocos catdicos avaliados.

    (c)

    (d)

    Figura 6(c) bloco catdico dos experimentos: 1e 2; Figura 6(d) - bloco catdico do experimento 3.

  • 23

    6.1. Experimentao Prtica

    Devido a logstica e facilidade de montagem, 10 fornos seqenciais da linha 1

    foram escolhidos para o experimento de aumento de corrente eltrica Fornos 7 a 16 da

    sala 2. Nestes fornos foi instalado um sistema extra de barramento conectado a um

    booster, transformador extra de corrente contnua, que permitiu o aumento de corrente

    para 240 kA.

    Os 5 fornos mais antigos deste grupo foram programados para serem desligados e

    reformados com o novo projeto de revestimento (bloco catdico grafitizado e maior, barras

    mais largas, revestimento lateral mais estreito) e os outros 5 fornos foram mantidos com o

    projeto atual para servirem de comparao durante o experimento. O aumento de corrente

    foi realizado de forma gradual entre 226 kA e 240 kA, numa taxa de 0,5 kA por semana de

    forma a evitar sobrecarga, superaquecimento e perda de controle dos fornos. Em alguns

    momentos foi necessrio parar este aumento de corrente at obter-se a estabilidade

    operacional e de processo necessrias. Devido a isto, apenas nove meses depois do incio

    deste aumento que a corrente atingiu 240 kA.

    Dois tipos de medies foram planejadas e realizadas neste experimento:

    A primeira realizada antes de iniciar o aumento de corrente: perda de tenso

    catdica (CVD); altura da camada de metal; corrente da linha e temperaturas

    na superfcie/fluxo de calor no casco. Estas medies ocorreram durante uma

    semana, com repeties para se cobrir todo ciclo operacional dos fornos. Os

    resultados dessas medies serviram para calibrar os modelos trmico e

    eltrico que serviriam para as simulaes dos experimentos.

    O segundo grupo de medies tinha como objetivo acompanhar a

    performance desses fornos durante o teste e determinar qual tipo de projeto

    melhor se comportaria com o aumento da corrente eltrica. Essas medies

    eram realizadas semanalmente nos fornos em teste e em fornos comparativos

    fora da rea de teste e os valores obtidos alimentavam um banco de dados em

    conjunto com dados obtidos dos computadores de processo (resistncia

    eltrica, tenso do forno, corrente da linha, rudo, modificador de rudo).

    Grficos gerados dessas informaes eram analisados a cada semana.

    Medies realizadas/acompanhadas: perdas de tenso andica e catdica;

    ratio; temperatura do banho; altura das camadas de banho e metal.

  • 24

    6.2. Experimentao Numrica

    O objetivo da anlise eltrica calcular a queda de potencial no forno. Com a

    corrente eltrica conhecida, pode-se calcular a resistncia eltrica pela Lei de Ohm.

    Esta perda de potncia igual ao calor gerado por unidade de volume, podendo

    ser usado como dado de entrada numa anlise trmica por simulao para clculo da

    distribuio de temperatura.

    A Figura 7 apresenta a indicao do carregamento eltrico, que consiste em fazer

    passar a corrente eltrica desejada obtendo a correspondente distribuio de potencial

    eltrico e de densidade de corrente de acordo com a geometria e as propriedades dos

    materiais.

    Figura 7 Esquemtico do fluxo de corrente eltrica num forno de eletrlise de alumnio.

    O objetivo da anlise trmica obter a distribuio de temperaturas no forno

    durante a operao de reduo do alumnio. A simulao para a anlise trmica levou em

    considerao as seguintes condies de contorno:

    O efeito Joule no conjunto que contribui para a formao do perfil de

    temperaturas;

  • 25

    A poro do catodo e da aresta lateral (camada de banho solidificado que

    se forma nas laterais do forno e avana sobre parte do catodo, isolando

    termicamente o forno e protegendo o revestimento lateral do ataque direto dos

    lquidos) que fica imersa no banho estando sujeita a uma temperatura de 960

    C;

    A perda de calor da cuba para o ambiente, que se d por conveco e

    radiao.

    A Figura 8 apresenta esquematicamente as condies de contorno usadas para a

    simulao e a Tabela 3 os dados do coeficiente de transferncia de calor.

    Figura 8 Identificao dos coeficientes de troca trmica.

    Figura 8 Identificao dos Coeficientes de troca trmica

    Tabela 3 Coeficientes de conveco determinados, considerando temperatura ambiente de 50 C.

    hc1 hc2 hc3 hc4 hc5 hc6 hc7

    6 10 10 10 10 12 15

    * Valores em W/m2 C

    Os Valores da Tabela 3 acima foram calculados analiticamente utilizando-se

    fundamentos de mecnica dos fluidos e dados de medio de campo como temperatura

    ambiente e temperaturas de superfcie dos cascos e das estruturas de sustentao dos

    fornos.

  • 26

    7. ESTIMATIVA DE PARMETROS DO MODELO MATEMTICO

    A validao dos modelos trmicos e eltricos foi feita a partir de dados coletados nas

    cubas de teste da Alumar, para a condio de 226 kA/cuba.

    Primeiramente foi feita a calibrao do modelo eltrico considerando-se a perda de

    potencial no catodo (CVD) como representativa de todas as perdas relativas aos materiais

    empregados no revestimento e a perda de contato entre eles.

    Utilizando-se o projeto atual de revestimento com bloco catdico tipo CFK 30%

    grafite (experimento 1), porm na condio de catodo novo, no qual considera-se que no

    existe resistncia eltrica de contato entre o catodo e a barra coletora, onde apresentou 660

    mV de perda catdica (ponto A na esquerda superior da Figura 7). A partir deste modelo de

    catodo novo, pde-se calibrar os modelos na condio com catodo velho, buscando-se assim o

    valor medido, 710 mV (ponto B na direita superior da Figura 7) alterando-se a

    condutividade eltrica do cimento que liga catodo e barra coletora (Item 13 da Figura 3 e na

    Tabela 2), simulando-se desta forma a resistncia de contato entre estas duas partes.

    A calibrao dos modelos eltricos que utilizaram catodo grafitizado-KS

    (experimentos 2 e 3), foi feita para a condio de catodo velho que apresentam maior perda de

    potencial situao mais crtica. Na Tabela 4 e Figura 9 abaixo, observa-se que os fornos

    com catodos grafitizados-KS tm em mdia 60 mV a menos que os fornos com catodo CFK.

    Menor perda de potencial representa melhor estabilidade operacional e conseqentemente,

    maior eficincia de corrente.

    Tabela 4 Quedas de potencial para forno operando 226 kA, excluindo-se a queda de potencial dos

    barramentos catdicos (300 mV).

    Catodo Novo Velho

    30% grafite - CFK 360 mV 410 mV

    Grafitizado - KS 350 mV

    * No h valor de queda de potencial para bloco grafitizado novo, devido no perodo

    de medio no ter forno novo com este tipo de bloco.

  • 27

    Figura 9 Queda de potencial do catodo-CVD (mV x Idade). Comparativo entre fornos com blocos catdicos

    grafitizados (KS) e fornos com blocos catdicos semi-grafticos (CFK) a 226 kA.

    Em relao a Figura 9, medidas de campo na Alumar (mV x data) do catodo 30 %

    grafite (CFK) e do catodo grafitizado (KS), com linha suavizada, devem ser descontados

    300mV, que corresponde queda de potencial dos barramentos da cuba (valor considerado

    como constante e igual para todos os fornos). Tendo-se ento, para calibrao do modelo os

    resultados da Tabela 3 j excluda a queda de potencial dos barramentos.

    A seguir tem-se a representao das perdas de tenso no conjunto catdico dos

    fornos para condio de 226 kA.

    A Figura 10a, representa um forno novo onde desprezada a resistncia de contato

    entre o bloco CFK (30% graftico) e a barra coletora. Nesta situao observa-se a perda de

    tenso concentrada no centro e na superfcie do catodo alcanando o valor mximo de 0,3672

    V de queda de potencial.

    A Figura 10b, similar a Figura 10a, porm na condio de catodo velho onde a

    resistncia de contato elevada, observa-se uma concentrao maior na queda de potencial

    em toda sua regio e obtendo-se valores de at 0,4102 V.

    A Figura 10c, utilizando bloco KS (100% grafitizado) e na condio de catodo velho,

    apresentou menor queda de potencial, 0,3505 V devido este tipo de bloco oferecer menor

    resistncia eltrica.

    A

    B

  • 28

    Figura 10a Queda de potencial do forno com catodo CFK calibrado catodo novo (sem resistncia de contato)

    Figura 10b Queda de potencial do forno com catodo CFK calibrado - catodo velho (com resistncia de

    contato)

  • 29

    Figura 10c Queda de potencial do forno com catodo KS calibrado - catodo velho (com resistncia de contato).

  • 30

    8. USO DO MODELO NA ANLISE TERMO-ELTRICA

    Tendo sido feita a calibrao considerando-se 226 kA/cuba, as anlises foram

    estendidas para a condio de 240 kA/cuba.

    8.1. Anlise Eltrica

    Os resultados da anlise eltrica para condio de 240 kA, so apresentados na

    Tabela 4, com os valores das quedas de potencial dos modelos calculados. Esses valores

    foram obtidos aps calibrao do modelo a 226 kA com os valores mximos de queda de

    tenso apresentados nas Figuras 10a, 10b e 10c. As Figuras 11 e 12 so exemplos

    simulados da tenso e da corrente a 240 kA, utilizando o experimento 1 como exemplo

    onde pode-se observar que a tenso mxima aumenta de 0,3672 V para 0,4355 V (aumento

    de 18,6%) que demonstra a necessidade de mudana do tipo de bloco e barra catdica para

    se manter o equilbrio trmico e eltrico no interior do forno. Na Tabela 5 abaixo se pode

    comprovar que no experimento 2 (mudana do tipo de bloco) o valor de tenso fica bem

    prximo do valor original a 226 kA e no experimento 3 (mudana no bloco e na barra) a

    tenso fica at abaixo da condio inicial, demonstrando assim a sua eficcia.

    Tabela 5 Resultados da anlise eltrica dos experimentos 240 kA/forno.

    Anlise Eltrica Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3

    Queda de potencial (V) 0,436 0,372 0,325

    8.2. Anlise Trmica

    O objetivo da anlise trmica verificar o balano trmico, comparar os

    experimentos realizados e obter a distribuio de temperaturas no forno. As anlises foram

    feitas considerando-se as condies de contorno da anlise do forno atual e considerando o

    efeito Joule correspondente s correntes e geometrias propostas. Os resultados esto

    apresentados na forma de tabelas e na forma de mapas de temperaturas.

    Os experimentos 2 e 3 por utilizarem blocos catdicos grafitizados tipo KS que

    tm como caractersticas, maior condutividade trmica e eltrica (ver Tabela 1), ao

    operarem com a mesma temperatura que os fornos com bloco CFK no experimento 1,

  • 31

    conseguem gerar menos calor internamente e extrair mais calor (ver Tabelas 6 e 7),

    possibilitando assim, que os fornos operem com correntes mais altas mantendo

    praticamente o mesmo equilbrio trmico do forno e com menor gradiente de variao de

    temperatura dentro do bloco. (ver Figuras 13, 14, 15 e 16).

    Figura 11 Exemplo da simulao da distribuio da tenso eltrica (V) do experimento 1 a 240 kA.

    Figura 12 Exemplo da distribuio da corrente eltrica - Experimento 1, sem a barra coletora - A/mm2.

  • 32

    No experimento 3 por utilizar blocos KS com barras coletoras mais largas e

    revestimentos laterais mais finos, observa-se uma concentrao maior de sada de calor

    pela lateral permitindo assim a manuteno do equilbrio trmico mesmo com corrente

    mais elevada. (ver Figuras 15 e 16).

    Tabela 6 Resultados trmicos Calor Gerado e Perda de Calor

    410mV a 240kA Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3

    Tipo de Catodo 30% grafite Grafitizado Grafitizado (maior)

    Dimenses Barra 5.5"x6" 5.5"x6" 5.5"x11"

    Joule Catodo (W) 104377.60 89203.20 75507.20

    Output Forno (W) 222616.6 254817.0 253316.6

    Tabela 7 Balano Trmico do Forno

    Anlise Trmica Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3

    Catodo

    Barra (dimenses)

    CFK

    5.5"x6"

    KS

    5.5"x6"

    KS+

    5.5"x11"

    Calor Gerado Internamente (kW) 226 kA 92.6 - -

    240 kA 104.4 89.2 75.5

    Calor Extrado do Banho (kW) 226 kA 126.2 - -

    240 kA 118.4 165.9 178.1

    kW a menos em relao ao

    experimento 1 240 kA - 62.6 88.6

    kW a mais devido ao aumento de corrente

    (226-240) no experimento 1 19.64

  • 33

    104,489,2

    75,5

    118,4

    165,9178,1

    020406080

    100120140160180200

    Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3

    CFK 5,5" x 6" KS 5,5" x 6" KS+ 5,5" x 11"

    kW

    Calor Gerado Internamente (kW) Calor Extrado do Banho (kW)

    Figura 13 Comparativo do calor gerado internamente e do calor extrado do banho dos modelos calculados.

    62,6

    88,6

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    Experimento 2 Experimento 3

    KS 5,5" x 6" KS+ 5,5" x 11"

    kW

    Figura 14 Comparativo da diferena entre os calores extrados e gerados nos experimentos 2 e 3 em

    relao ao experimento 1.

    Nos mapas de distribuio de temperatura a seguir, pode-se observar a influncia

    das modificaes propostas, como bloco catdico grafitizado (experimento 2 e 3) e barra

    mais larga (experimento 3) em relao ao experimento 1 sem modificaes no projeto. No

    experimento 1 observa-se gradientes de temperatura sobre o bloco que demonstra sua

    menor capacidade de dissipar o calor fazendo com que o forno se aquea mais com o

    aumento de corrente eltrica.

  • 34

    Figura 15a Mapa de distribuio de temperaturas do experimento 1.

    Figura 15b Mapa de distribuio de temperaturas do experimento 2.

  • 35

    Figura 15c Mapa de distribuio de temperaturas do experimento 3.

    Nas Figuras 16a, 16,b e 16c so representados os fluxos de calor para os 3

    experimentos a 240kA. Observa-se maiores concentraes pela barra coletora e lateral dos

    fornos e com intensidade maior no experimento 3 que utiliza blocos grafitizados com

    barras coletoras mais largas, que favorecem esta maior dissipao de calor.

    Figura 16a Distribuio do fluxo de calor - experimento 1.

  • 36

    Figura 16b Distribuio do fluxo de calor - experimento 2.

    Figura 16c Distribuio do fluxo de calor - experimento 3.

    A Tabela 8 a seguir, foi montada usando um modelo para balano trmico de

    fornos e deve ser entendida como indicao do que ir acontecer na prtica.

  • 37

    Tabela 8 Balano trmico do forno atravs de vrios cenrios.

    Experimento Cenrio 1 226kA 6 stub

    Anodo 1576 Catodo CFK

    Cenrio 2 240kA

    6.5 stub Anodo 1618 Catodo CFK

    Cenrio 3 240kA

    6.5 stub Anodo 1618 Catodo KS+

    Cenrio 4 240kA

    6.5 stub Anodo 1618 Catodo KS+

    Cenrio 5 240kA 6 stub

    Anodo 1576 Catodo KS+

    Cenrio 6 245kA

    6.5 stub Anodo 1618 Catodo KS+

    ACD (mm) 42.8 42.8 42.8 46.4 42.8 42.8 Calor gerado pelo banho (kW)

    302 335 335 360.5 344 352

    Calor extrado do banho pelo anodo (kW) 1

    29.8 36.5 36.5 36.5 29.8 32.3

    Calor extrado do banho pelo catodo (kW)

    126.2

    118.4 178 178 178 174.7

    Calor restante (kW) 2

    146 180.1 120.5 146 136.2 145

    Voltagem cuba (V)

    4.475 4.58 4.487 4.595 4.55 4.55

    1 Valores extrados do Relatorio_0305_Rev00.pdf. 2 Calor restante = Gerado pelo banho - extrado pelo anodo - extrado pelo catodo

    Observa-se que o aumento de corrente no forno, de 226 kA para 240 kA resultar

    em um aumento de 34 kW do calor restante (cenrio 2 em relao ao cenrio 1), calor este

    que dever ser dissipado pela lateral do forno. Para manter a temperatura do banho o ledge

    diminuir.

    O cenrio 3 resultou em uma diminuio de 26 kW do calor restante quando

    comparado ao cenrio 1. Esta diminuio dever esfriar a cuba. Para manter a cuba na

    mesma condio trmica a distncia AC dever aumentar - ver cenrio 4. Este aumento de

    ACD dever ser benfico em termos de reduo de rudo e aumento de eficincia de

    corrente.

    O cenrio 5 mostra que possvel usar o anodo atual (1576 mm) somente se o

    catodo usado for o KS de comprimento 3353 mm.

    O cenrio 6 mostra que o limite em termos de amperagem de 245 kA.

    Em termos trmicos, o modelo 5 (barra coletora de 5x11, catodo KS com

    comprimento de 3353 mm) o melhor para que a cuba possa operar com 240 kA.

  • 38

    9. RESULTADOS OBTIDOS A PARTIR DOS FORNOS DE TESTE

    A seguir sero apresentados grficos dos principais parmetros de processo dos 10

    fornos de teste (em azul - com e sem revestimento modificado operando a 240 kA) versus 10

    fornos de controle (em vermelho - fornos com idades similares aos de teste, sem revestimento

    modificado e operando a 226 kA).

    9.1. Intensidade de Corrente (Ampere)

    A Figura 17 demonstra a comparao da evoluo da intensidade de corrente eltrica

    entre os fornos em teste (em azul) e os fornos fora do teste, porm da mesma linha (em

    vermelho). O objetivo de atingir 240 kA foi obtido aps 11 meses do incio do teste.

    222500

    224500

    226500

    228500

    230500

    232500

    234500

    236500

    238500

    240500

    1/1/

    06

    16/1

    /06

    31/1

    /06

    15/2

    /06

    2/3/

    06

    17/3

    /06

    1/4/

    06

    16/4

    /06

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    Data

    Am

    ps

    240 kA - Average of Res_Cycle_Avg_Amps_Normal Comp - Average of Res_Cycle_Avg_Amps_Normal8 por. Md. Mv. (240 kA - Average of Res_Cycle_Avg_Amps_Normal) 8 por. Md. Mv. (Comp - Average of Res_Cycle_Avg_Amps_Normal)

    Figura 17 Grfico da evoluo da corrente eltrica nas cubas de teste e nas cubas de controle. Atualmente a

    corrente j se encontra com 240,0 kA.

  • 39

    9.2. Rudo (sppn)

    O Rudo mede a estabilidade operacional do forno atravs da diferena de resistncia do

    ciclo atual em relao ao ciclo anterior (Ciclo = intervalo de tempo entre cada leitura de

    resistncia). A Figura 18 demonstra que os fornos do experimento (em azul) esto com a

    mesma estabilidade dos fornos de controle (em vermelho), mesmo operando em condies

    diferentes de intensidade de corrente.

    0,000

    0,050

    0,100

    0,150

    0,200

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    Data

    Ru

    do

    240 kA - Nois_SPPN_magnitude Comp -Nois_SPPN_magnitude8 por. Md. Mv. (240 kA - Nois_SPPN_magnitude) 8 por. Md. Mv. (Comp -Nois_SPPN_magnitude)

    Figura 18 Medida do rudo.

    9.3. Modificador de Rudo

    O Modificador de Rudo um aumento extra e temporrio da tenso e

    adicionado quando necessrio para garantir a estabilidade do forno. A Figura 19 demonstra

    que os modificadores, nos fornos do experimento (em azul), esto sendo adicionados com

    freqncias e intensidades similares aos fornos de controle (em vermelho), demonstrando

    que ambos os grupos tem o mesmo comportamento de estabilidade.

  • 40

    0,000

    0,020

    0,040

    0,060

    0,080

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    1/1/

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    Data

    Mod

    ifica

    dor R

    udo

    /For

    no d

    ia

    240 kA - Res_Mod_Noise_Val Comp -Res_Mod_Noise_Val8 por. Md. Mv. (240 kA - Res_Mod_Noise_Val) 8 por. Md. Mv. (Comp -Res_Mod_Noise_Val)

    Figura 19 Modificador de Rudo (freqncia de acionamento).

    9.4. Resistncia Base (micro-ohms)

    A resistncia base um parmetro de ajuste da distncia AC (anodo-catodo).

    Quanto menor a resistncia, menor ser a voltagem consumida (V=R.I). Mas este ajuste

    limitado estabilidade da cuba (Rudo). Observa-se na Figura 20 que os fornos do

    experimento (em azul) operaram com a resistncia base menor, como esperado e mantendo

    o rudo similar ao dos fornos de controle (em vermelho). A diferena nas ltimas medies

    tem diminudo devido a um planejado aumento da intensidade de corrente para 230 kA nos

    outros fornos da linha e devido a partida de fornos novos na seo do teste que necessita de

    tenso elevada nos primeiros dias para romper a alta resistividade dos materiais ainda frios.

  • 41

    10,600

    10,800

    11,000

    11,200

    11,400

    11,600

    11,800

    12,000

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    1/1/

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    Data

    mic

    ro-o

    hms

    240 kA - Res_Base_Resist_Target Comp -Res_Base_Resist_Target

    Figura 20 Resistncia base micro ohms .

    9.5. Tenso Mdia dos Fornos (V)

    A tenso do forno um parmetro dependente da estabilidade do forno (rudo) e

    da intensidade de corrente (I). A tenso dos fornos de teste, conforme apresentado na

    Figura 21, se apresenta em patamares acima aos dos fornos de controle, devido estar

    operando a uma intensidade de corrente maior e terem dentro do grupo de teste fornos que

    no sofreram modificaes de projeto e fornos que partiram recentemente, e por isso,

    operam com tenso maior.

  • 42

    4,200

    4,250

    4,300

    4,350

    4,400

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    Data

    Volta

    gem

    md

    ia (V

    )240 kA - Res_Cycle_Avg_Volts Comp -Res_Cycle_Avg_Volts8 por. Md. Mv. (240 kA - Res_Cycle_Avg_Volts) 8 por. Md. Mv. (Comp -Res_Cycle_Avg_Volts)

    Figura 21 Tenso na clula.

    9.6. Temperatura do Banho (C)

    A temperatura est relacionada com o Ratio e com a intensidade de corrente. Nos

    fornos de teste, conforme apresentado na Figura 22, a temperatura se comporta similar aos

    de controle. Isto se deve as modificaes no tipo de bloco, barra coletora e espessura do

    revestimento lateral que permitem maior dissipao de calor.

  • 43

    930

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    Data

    Tem

    pera

    tura

    do

    Ban

    ho240 kA - Meas_Bath_Temperature Comp -Meas_Bath_Temperature8 por. Md. Mv. (240 kA - Meas_Bath_Temperature) 8 por. Md. Mv. (Comp -Meas_Bath_Temperature)

    Figura 22 Temperatura do banho - C.

    9.7. Ratio do Banho

    O Ratio do banho a relao entre fluoreto de sdio e fluoreto de alumnio

    (NaF/AlF3) e tem como funo controlar a viscosidade do banho e a solubilidade da

    alumina, alm de ter relao direta com a temperatura. Na Figura 23 abaixo, no

    observada diferena entre o grupo de teste (em azul) e o grupo de controle (em vermelho).

  • 44

    1,000

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    Data

    Rat

    io

    240 kA - Meas_Bath_Ratio Comp -Meas_Bath_Ratio 8 por. Md. Mv. (240 kA - Meas_Bath_Ratio) 8 por. Md. Mv. (Comp -Meas_Bath_Ratio)

    Figura 23 Ratio do Forno.

    9.8. CVD - Catodic Voltage Drop (mV) Perda de Tenso Catdica

    A Alumar considera como CVD, a perda total de tenso desde o catodo at o

    barramento andico do forno vizinho e est relacionado com as propriedades eltricas e

    idade do catodo, conexo com a barra coletora e intensidade de corrente eltrica. Quanto

    mais velho maior a perda de tenso. Na Figura 24 o CVD dos fornos de teste (em azul)

    tem mostrado nos ltimos meses, valores bem abaixo do CVD dos fornos de controle. Isto

    demonstra a efetividade do projeto e do catodo grafitizado.

  • 45

    650,000

    660,000

    670,000

    680,000

    690,000

    700,000

    710,000

    720,000

    730,000

    1/1/

    06

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    27/1

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    12/1

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    27/1

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    25/2

    /07

    Data

    CVD

    (mV)

    241 kA - Average of Cathode_Drop_Inc_Bus Comp - Average of Cathode_Drop_Inc_Bus

    Figura 24 Perda de tenso catdica.

  • 46

    10. CONCLUSO

    Analisando todos os dados, considerando-se o estudo de modelamento

    matemtico e os resultados dos parmetros de processo das cubas em teste, o Experimento 3,

    com barra larga e catodo KS (grafitizado) com comprimento de 3353 mm, a opo que

    melhor gerencia o calor no forno, ou seja, apresenta a menor gerao prpria de calor e maior

    extrao de calor do banho, sendo a melhor opo para a Alumar viabilizar o aumento de

    corrente para 240 kA em todas as linhas de produo.

    11. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS

    Novas medies de campo devero ser realizadas com 240 kA, a fim de

    confirmarem os resultados obtidos por simulao na resoluo das equaes dos

    modelos trmicos e eltricos;

    Para total garantia deste novo projeto de revestimento, um estudo de desgaste dos

    blocos grafitizados dever ser realizado quando as cubas atingirem idades mais

    avanadas (em torno de 1.000 dias) que permitam analisar o custo/benefcio deste

    projeto antes de expandir para os demais fornos.

    Avaliar novas opes de blocos catdicos com percentual de grafite intermedirio

    entre 30% e o grafitizado, o qual poder atender a necessidade de aumento de

    corrente mantendo o equilbrio trmico e eltrico desejado e a um custo menor.

    Exemplo: Blocos comerciais 50% grafticos ou 100% grafticos.

  • 47

    12. ANEXOS

    12.1. Conceito do Balano de Energia - Forno de Produo de Alumnio

  • 48

    12.2. Relao de Energia e Calor na Produo de Alumnio.

  • 49

    12.3. Fontes de Energia do Forno

  • 50

    12.4. Perdas de Energia no Forno.

  • 51

    12.5. Distribuio Percentual da Perda de Calor Tpica em um Forno de Produo de Alumnio.

  • 52

    13. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    1. Kai Grjotheim, Halvor Kvande, Introduction to Aluminium Eletrolysis, 2nd Edition,

    Aluminium Verlag Ed., 1993;

    2. Kai Grjotheim, Reidar Huglen, Halvor Kvande, Principles os Energy Balance,

    Thermochemistry and Theoretical Energy Consumption, Aluminium Verlag Ed.,

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    Reduction Cells, 8th Australasian Aluminium Smelting Technology Conference, 3rd

    8th October 2004);

    4. J. P. Antille, M. Givord, Y. Kraehenbuehl, R. Von Kaenel, Efects of Current

    Increase on Aluminium Reduction Cells, Ed. The Minerals, Metals & Materials

    Society, Light Metals 1995;

    5. Pierre Homsi, Jerme Bos, Peter Herd, AP21: A High Performance, High

    Productivity and Low Capital Cost New Cell Tecnology, Ed. The Minerals, Metals

    & Materials Society, Light Metals 1999;

    6. Terje Johansen, Hans Peter Lange, R. Von Kaenel, Productivity Increase at Soral

    Smelter, Light Metals 1999, Ed. The Minerals, Metals & Materials Society , Light

    Metals 1999;

    7. Morten Sorlie, Harald A. Oye, Cathodes in Aluminium Electrolysis, 2nd Edition,

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    8. M. D. Campos, O Mtodo de Elementos Finitos Aplicado Simulao Numrica de

    Escoamento de Fluidos, III Bienal da SBM IME/UFG, 2006;

    9. Prof. Luis A. Pereira, Aspectos Fundamentais do Mtodo dos Elementos Finitos

    PUC-RS, PPGEE, artigo, 2005

    10. M. H. Johnson, ALUMAR Technical Workshop Potrooms, MelAlum Consulting

    Services, March 23-27, 1998

    11. J. Bruggeman, et al, 1st ALUMAR Aluminum Production Training For Mechanical

    & Electrical Engineers, So Luis, May 1999

    12. D.Lombard, T. Bhrgaray, B. Fve, J.M. Jolas, Aluminium Pechiney Experience

    With Graphitized Cathode Blocks, Light Metals, 1998

    13. Informaes de dados gerados em teste similar iniciado na planta de produo de

    alumnio de Mt Holly do grupo Alcoa nos Estados Unidos, 2005.

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