estudo dos agentes metalúrgicos - ifmg
TRANSCRIPT
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Estudo dos Agentes
Metalrgicos Fernando de Almeida Gonalves
Tcnico em Metalurgia
Universidade Federal de Mato Grosso
Cuiab-MT
2013
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Presidncia da Repblica Federativa do Brasil
Ministrio da Educao
Secretaria de Educao Profissional e Tecnolgica
Diretoria de Integrao das Redes de Educao Profissional e Tecnolgica
Este caderno foi elaborado pelo Instituto Federal Tecnolgico do Par -
PA para a Rede e-Tec Brasil, do Ministrio da Educao em parceria com a
Universidade Federal do Mato Grosso.
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Equipe de Reviso
Universidade Federal de Mato Grosso UFMT Coordenao Institucional
Carlos Rinaldi
Equipe de Elaborao
Coordenao de Produo de Material Didtico
Impresso
Pedro Roberto Piloni
Designer Educacional
Daniela Mendes
Designer Master
Marta Magnusson Solyszko
Ilustrao
Diagramao
Reviso de Lngua Portuguesa
Marcy Monteiro Neto
Projeto Grfico
Rede e-Tec Brasil/UFMT
Instituto Federal Tecnolgico do Par PA
Coordenador Institucional
Erick Alexandre de Oliveira Fontes
Coordenador de Curso
Oscar Jesus Choque Fernandez
Equipe Tcnica
Carlos Lemos Barboza Darlindo Veloso
Gisely Regina Lima Rebelo
Wuyllen Soares Pinheiro
Ser preparada aps a finalizao do texto
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Apresentao Rede e-Tec Brasil
Prezado(a) estudante,
Bem-vindo(a) a Rede e-Tec Brasil!
Voc faz parte de uma rede nacional de ensino, que por sua vez constitui uma das aes do Pronatec -
Programa Nacional de Acesso ao Ensino Tcnico e Emprego. O Pronatec, institudo pela Lei n 12.513/2011,
tem como objetivo principal expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educao Profissional
e Tecnolgica (EPT) para a populao brasileira propiciando caminho de acesso mais rpido ao emprego.
neste mbito que as aes da Rede e-Tec Brasil promovem a parceria entre a Secretaria de Educao
Profissional e Tecnolgica (Setec) e as instncias promotoras de ensino tcnico como os institutos federais,
as secretarias de educao dos estados, as universidades, as escolas e colgios tecnolgicos e o Sistema S.
A educao a distncia no nosso pas, de dimenses continentais e grande diversidade regional e cultural,
longe de distanciar, aproxima as pessoas ao garantir acesso educao de qualidade e ao promover o
fortalecimento da formao de jovens moradores de regies distantes, geograficamente ou economicamente,
dos grandes centros.
A Rede e-Tec Brasil leva diversos cursos tcnicos a todas as regies do pas, incentivando os estudantes a
concluir o ensino mdio e a realizar uma formao e atualizao contnuas. Os cursos so ofertados pelas
instituies de educao profissional e o atendimento ao estudante realizado tanto nas sedes das instituies
quanto em suas unidades remotas, os polos.
Os parceiros da Rede e-Tec Brasil acreditam em uma educao profissional qualificada integradora do
ensino mdio e da educao tcnica - capaz de promover o cidado com capacidades para produzir, mas
tambm com autonomia diante das diferentes dimenses da realidade: cultural, social, familiar, esportiva,
poltica e tica.
Ns acreditamos em voc!
Desejamos sucesso na sua formao profissional!
Ministrio da Educao
Maro de 2013
Nosso contato
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Indicao dos cones Os cones so elementos grficos utilizados para ampliar as formas de linguagem e facilitar a organizao e a leitura hipertextual.
1.
Ateno: indica pontos de maior relevncia no texto.
Saiba mais: oferece novas informaes que enriquecem o assunto ou curiosidades e notcias recentes relacionadas ao tema.
Glossrio: indica a definio de um termo, palavra ou expresso
utilizada no texto.
Mdias integradas: remete o tema para outras fontes: livros, filmes,
msicas, sites, programas de TV.
Atividades de aprendizagem: apresenta atividades em diferentes
nveis de aprendizagem para que o estudante possa realiz-las e
conferir o seu domnio do tema estudado.
realiz-las e conferir o seu domnio do tema estudado. realiz-las e
conferir o seu domnio do tema estudado.
Reflita: momento de uma pausa na leitura para refletir/escrever sobre pontos importantes e/ou questionamentos.
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Palavra do professor-autor
Caro(a) estudante.
Estamos iniciando uma nova disciplina e com ela novos desafios. Essa
uma caminhada que s ter sucesso se atuarmos em parceria. Voc ter que
dispensar parte do seu tempo para as leituras, atividades propostas e estudo e eu
estou empenhado em apresentar um material acessvel e com contedos
interessantes para sua aprendizagem.
Voc deve estar se perguntando para que serve essa disciplina, ento
vamos esclarecer melhor, para que desde o incio voc saiba a aplicabilidade
dessas informaes para seu crescimento enquanto profissional.
A disciplina de Estudo dos Agentes Metalrgicos parte importante do
seu curso tcnico em METALURGIA, pois dar subsdios para conhecer certos
materiais de suma importncia para os processos metalrgicos.
Esses conhecimentos podero ser utilizados para extrao, purificao e
transformao de um metal.
Por outro lado, se no tivssemos acesso a estas informaes, nosso
conhecimento ficaria mais restrito e isso dificultaria o procedimento correto em
situaes como entender o aquecimento de fornos ou como evitar a perda de
calor dos mesmos.
Como voc pode perceber, esta uma caminhada rumo a um
aprendizado que dar instrumentos para sua atuao como um(a) tcnico(a) com
qualificao para atuar na funo que lhe couber dentro da rea escolhida para
trabalhar.
Estamos juntos nesse processo de aprendizagem.
Prof. Fernando de A. Gonalves
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Apresentao da Disciplina
A metalurgia a cincia que estuda e gerencia a extrao e transformao
dos metais, utilizando como matria-prima bsica os minrios.Essa transformao
no ocorre isoladamente e sim sob a forma combinada constituindo os minrios.
Nestes minrios, os metais esto sob a forma de xidos, sulfetos, sulfatos,
carbonatos e outros misturados a impurezas, ou seja, compostos em cuja
composio no encontrado o metal em questo. Esta parte impura chamada
de ganga ou ainda de estril.
Para extrair e posteriormente transformar o metal, inicialmente so
realizadas as operaes de beneficiamento com o objetivo de separar o composto
metlico de sua ganga (impurezas). Depois desta etapa diz-se que o minrio est
concentrado. Obtido o minrio concentrado, a etapa seguinte a de extrao do
metal. A extrao do metal feita atravs de reaes qumicas que, dependendo
da natureza do composto, acontecem, ou no, em temperatura acima da
ambiente.
Obtido o metal so realizadas as operaes de transformao em produtos
acabados. Tais transformaes ocorrem, na maioria das vezes, em condies
diferentes das ambientais, portanto as operaes metalrgicas necessitam de
certos agentes para suas realizaes, como combustveis para se ter altas
temperaturas, isolantes trmicos para evitar a perda de calor, entre outros. A
estes agentes denominamos de agentes metalrgicos, os quais constituem
objetivo de estudo desta disciplina.
Observe a figura abaixo e voc poder visualizar o contedo que ter pela frente.
Bom estudos!
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MINRIO EXTRA
O
COMBUSTVEL
FUNDENTE
REFRATRIO
METAL PRIMRIO
ESCRIA
TRANSFORMAO
COMBUSTVEL
FUNDENTE
REFRATRIO PRODUTO METLICO
ESCRIA
Figura: Esquema das operaes metalrgicas mostrando a participao dos agentes metalrgicos (combustvel, fundente, escria e refratrio) no processo.
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Sumrio
Aula 1 COMBUSTVEIS .................................................................................................. 1.1 Combustveis ................................................................................................................ 1.2 Comburente .................................................................................................................. 1.3 Combusto ................................................................................................................... 1.4 Tipos de Combusto ..................................................................................................... 1.5 Clculos de Combusto ................................................................................................ Aula 2 PODER CALORFICO ......................................................................................... 2.1 Calor de Combusto ..................................................................................................... 2.2 Temperatura de Ignio ................................................................................................ 2.3 Poder Calorfico ............................................................................................................ 2.4 Temperatura de Chama ................................................................................................ AULA 3 CLASSIFICAO DOS COMBUSTVEIS ......................................................... 3.1 Classificao ................................................................................................................. 3.2 Principais Combustveis Usados na Metalurgia ............................................................ 3.3 Combusto e meio ambiente ........................................................................................ AULA 4 ESTUDO DAS ESCRIAS ................................................................................ 4.1 Escrias ........................................................................................................................ AULA 5 FUNDENTES ..................................................................................................... 5.1 Generalidades .............................................................................................................. 5.2 Classificao dos fundentes ......................................................................................... 5.3 Preparao do Fundente .............................................................................................. AULA 6 REFRATRIOS ................................................................................................. 6.1 Generalidades .............................................................................................................. 6.2 Propriedades Gerais ..................................................................................................... 6.3 Composio dos refratrios .......................................................................................... AULA 7 - CLASSIFICAO .............................................................................................. 7.1Classificao dos refratrios .......................................................................................... 7.2 Refratrios silico-aluminosos ........................................................................................ 7.3 Refratrios de slica ...................................................................................................... 7.4 Refratrios de alumina .................................................................................................. 7.5 Refratrios de magnesita .............................................................................................. 7.6 Refratrios de cromo-magnesita ................................................................................... 7.7 Refratrios de cromita ................................................................................................... 7.8 Refratrios de dolomita ................................................................................................. 7.9 Refratrios de carbeto de silcio .................................................................................... 7.10 Refratrios de carbono ................................................................................................ 7.11 Refratrios de zirconita ............................................................................................... 7.12 Refratrios de zircnia ................................................................................................
Palavras finais
Guia de solues
Referncias
Outras fontes
Currculo do Professor-Autor
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Caro(a) estudante,
Nessa unidade abordaremos assuntos que podem nos auxiliar a entender
como os fornos metalrgicos atingem temperaturas elevadas, muitas vezes
superiores a 1.000C, que so capazes de fundir (liquefazer) os metais. So os
combustveis que fornecem energia trmica para os fornos, seja na indstria
metalrgica ou em outras, como mecnica, qumica, etc.Vamos iniciar a aula
tratando deles
1.1 Combustveis
Segundo Wylen (1995), combustvel toda e qualquer substncia capaz de
reagir rapidamente com o oxignio e fornecer luz e calor passveis de
aproveitamento industrial. O combustvel deve ser ainda um material que reaja
facilmente com o oxignio do ar e produzir uma grande quantidade de calor,
atendendo a um conjunto de pr-requisitos tcnico-econmicos tais como baixo
custo, facilidade de obteno, facilidade na utilizao, segurana na utilizao e
transporte e no produzir substncias corrosivas e nem txicas. A exemplo do
carvo, madeira, bagao de cana, lcool, derivados do petrleo, etc, na
Aula 1 Combustveis
Objetivos
Conceituar os combustveis usados nos processos metalrgicos.
Identificar o processo, o produto, o tipo e o clculo de combusto.
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composio da maioria dos combustveis so encontrados os elementos C, H, O,
S e N.
A qualidade do combustvel est vinculada ao seu teor de C e H; o S,
apesar de reagir com o oxignio e produzir calor, considerado indesejvel, pois
no atende os requisitos acima citados para o combustvel ser considerado
econmica e industrialmente vivel.
Conclui-se ento que a metalurgia dependente dos combustveis,
principalmente o carvo, pois so fontes de calor e carbono.
Carvo mineral Carvo vegetal
Fonte: www.brasilescola.com Fonte: redeparede.com.br
Forno industrial para produo de carvo vegetal
Fonte: www.revistafatorbrasil.com.br
1.2 Comburente
a substncia que ao lado do combustvel origina a reao de combusto.
Ou seja, o material custa do qual o combustvel sofre oxidao. Na maioria
dos casos o comburente o ar, mistura gasosa com 20% de O2, 79% de N2 e 1%
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de argnio. Uma vez que o nitrognio e os demais gases so inertes, o elemento
comburente oxignio.
Nos clculos de combusto considera-se a composio volumtrica ou molar
do ar seco como:
Oxignio 21% (peso molecular= 32)
Nitrognio 79% (peso molecular= 28)
Pode-se considerar que em 100 litros de ar atmosfrico seco encontramos
21litros de oxignio e 79 litros de nitrognio ou que 100 moles de ar atmosfrico
seco apresentam 21moles de oxignio e 79 moles de nitrognio.
A composio em massa do ar atmosfrico pode ser tomada como sendo:
Oxignio 23,2%
Nitrognio 76,8%
1.3 Combusto
o fenmeno observado quando o oxignio
reage com outra substncia produzindo calor.
Quimicamente, esta reao classificada como uma
reao de oxireduo, sendo o oxignio o elemento
redutor.
Esta reao pode ser descrita segundo o
esquema abaixo:
COMBUSTVEL + COMBURENTE FUMOS + CINZAS + CALOR
Quando os tomos de carbono se combinam com os tomos de oxignio,
libertada energia que se manifesta sob vrios tipos de atividades e radiao,
inclusive o calor. Sendo uma reao de oxidao em alta temperatura, necessita
de energia de ativao, conseguida pela elevao de temperatura em um ponto
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do combustvel, e o calor liberado neste ponto serve em parte para ativar os
demais pontos de maneira sucessiva at a extino completa do combustvel.
Fumos Produto da reao de combusto, normalmente visualizados em chamins
ou condutos de escape, sendo composto pelos gases residuais (CO2, CO, SO2,
N2, O2), pelo vapor dgua, por neblinas (partculas de lquidos em suspenso -
gua ou HC pesados e condensados pelo resfriamento), poeiras constitudas
por partculas slidas em suspenso (cinzas ou partculas de combustveis slidos
arrastados pelos gases). onde est contido todo o material voltil do
combustvel ou produzido durante a reao e ainda os slidos em suspenso.
Cinzas
Resduos slidos da combusto de um combustvel lquido, formada pelos
seus componentes inorgnicos. No caso do carvo mineral esta cinza o produto
da decomposio da matria mineral (silicatos hidratados de alumnio, piritas,
carbonatos de clcio e magnsio, cloretos alcalinos e etc.) em xidos e sulfatos.
Calor
a energia liberada devido s alteraes nas ligaes, que est quase
toda contida nos fumos e pronta para ser transferida para outro sistema.
A reao de combusto s ocorre em condies ideais de temperatura e
presso. A combusto do carbono slido com o oxignio gasoso, por exemplo,
ocorre em temperaturas superiores a 400C.
1.4 Tipos de Combusto
a) Completa: a combusto em que o carbono do combustvel atinge seu
ponto mximo de oxidao,
C(s) + O2(g) CO2(g) ; H1 = - 96400cal/mol
Quando no combustvel est presente o hidrognio, os produtos da
combusto completa so gs carbnico (CO2) e vapor dgua.
Dependendo das quantidades proporcionais de combustvel e de
comburente (oxignio) a combusto ser denominada teoricamente completa se
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o oxignio estiver na sua quantidade estequiomtrica ou ser denominada
praticamente completa se a quantidade de oxignio estiver acima da
estequiometricamente calculada para oxidar completamente a matria
combustvel.
b) Incompleta: aquela em que o carbono no atinge seu estado final de
oxidao,
C(s) + O2(g) CO(g) ; H2= - 28700cal/mol
Na combusto incompleta ocorre a formao do monxido de carbono que
deve ser manipulado com cuidado por causa da sua toxidez. Esta reao
acontece quando o carbono est incandescente.
c) Imperfeita: a combusto que ocorre com queima parcial do
combustvel e junto com o produto da reao encontra-se carbono na forma de
fuligem,
nC + O2 CO2 + ( n - 1 ) C
nC + O2 CO + ( n - 1 ) C
Na queima do material combustvel, a matria mineral no gaseifica e passa
a constituir as cinzas juntamente com o resduo orgnico que no foi queimado e
denominado cinza. Cinzas, portanto, composto pela cinza e pela matria
mineral. A composio das cinzas varia largamente. Em termos de xidos, esta
composio (em %) tem a seguinte variao:
SiO2 20-60
Al2O3 10-35
Fe2O3 5-35
Co 1-20
MgO 0.3-4.0
TiO2 0.5-2.5
Na2O e K2O 1.0-4.0
SO3 0.1-1.2
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O conhecimento da composio das cinzas do carvo til para no
contaminar o metal.
1.5 Clculos de Combusto
Oxignio Terico: A quantidade de oxignio necessria, mas no em excesso,
para queimar o carbono, o hidrognio e o enxofre presentes no combustvel, o
oxignio terico. O peso ou o volume de oxignio terico depende da
composio qumica do combustvel ou, se a composio qumica no for bem
conhecida, deve-se saber a proporo dos componentes.
Na combusto completa de um combustvel que contm carbono,
hidrognio, enxofre e oxignio as reaes finais so:
C + O2 CO2(GS) (1)
12 32 44
H2 + O2 H2O(VAP) (2)
S + O2 SO2(GS) (3)
32 32 64
Segundo a reao (1), para queimar-se 1g de C necessitamos de 8/3g de
O e assim obteremos 11/3 g de CO2. Da mesma forma, na reao (3) sero
necessrios 1g de oxignio para queimar 1g de enxofre produzindo 2g de SO2,
assim como na reao (2) 1g de hidrognio necessita de 8g de oxignio para
fornecer 9g de gua.
A quantidade de oxignio terico necessrio para combusto pode ser
expressa da seguinte forma:
O2 terico = O2 para combusto completa - O2 do combustvel
Segundo Gomes (2000), veremos ento alguns conceitos importantes abaixo:
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Ar Terico: Denomina-se ar terico a quantidade de ar que contenha a
quantidade de oxignio terico. Sabendo-se que a % de oxignio no ar de 21%
em volume ou em moles, o ar terico pode ser expresso por:
21,0
)(
)(2tericoO
arterico
VV ou )(artericon = nO2 terico / 0,2
Ar em excesso: Uma combusto completa s pode ser obtida na prtica se o ar
usado estiver em quantidade acima daquela calculada estequiometricamente.
Tm-se o ar real ou o ar realmente utilizado, que o ar terico acrescido de um
excesso, que esto relacionados pela expresso:
Qtd.de ar real = Qtd. de ar terico + Qtd. de ar em excesso
Entretanto, se o excesso for grande, a temperatura final dos fumos cair
devido massa desnecessria de material no utilizado na combusto e diminuir
o aproveitamento do poder calorfico do combustvel. A percentagem tima de ar
em excesso varia de acordo com o estado fsico do combustvel:
5 a 30% para combustvel gasoso;
20 a 40% para combustvel lquido
30 a 100% para combustvel slido.
Para efeito de clculo considerado que em 100 litros ar atmosfrico seco
temos 21litros de oxignio e 79 litros de nitrognio, assim como em 100 moles de
ar, 21 moles so de O2 e 79 moles so de N2. E que 1 litro de O2 equivale a 3,76
litros de N2. E que 1mol de O2 corresponde a 3,76 moles de N2.
Produtos da combusto: O volume dos gases gerados pode ser calculado a
partir do conhecimento do peso do combustvel consumido. A anlise dos gases
de combusto realizada, por exemplo, em aparelho de Orsat (veja figura abaixo)
fornece a percentagem de CO2, CO, O2 e N2 que utilizada na determinao da
quantidade de calor contida nestes gases.
No clculo dos produtos da combusto podemos supor que os produtos
formados nas Condies Normais de Temperatura e Presso-CNTP (760mmHg e
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0C) e nestas condies cada molcula gasosa ocupa 22,4 l/ g.mol ou 22,4
m3/Kg.mol, o que na prtica pode implicar em erro quanto ao volume ocupado. A
outra maneira, mais exata, de calcular utilizando o peso especfico
correspondente presso e temperatura nas quais se encontram os produtos
gasosos.
Aparelho Orsat
(Fonte: www. tradeindia.com)
importante saber:
A combusto pode ser sintetizada pelas seguintes reaes:
C + O2 CO S + Ox SOx
CO + O2 CO2 N + Ox NOx
H2 + O2 H2O
[U1]
Consideraes a serem feitas para os clculos da combusto:
a) Quanto ao combustvel:
Carbono produz CO2 nos fumos
Hidrognio produz H2O nos fumos
Enxofre produz SO2 nos fumos
Nitrognio passa a N2 nos fumos
Oxignio passa a H2O nos fumos
Umidade produz H2O nos fumos
Cinza far parte do resduo slido
b) Quanto ao comburente:
Oxignio puro:
- em quantidade terica no produz O2 nos fumos
- em excesso produz O2 nos fumos;
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Ar atmosfrico seco
- na quantidade terica produz N2 nos fumos
- em excesso produz N2 e O2
[U2]
Para que voc aplique as informaes apresentadas at aqui, vamos juntos
resolver alguns exerccios. Acompanhe a demonstrao para depois fazer
sozinho.
Para calcular o consumo terico de oxignio necessrio combusto de 160 g de
metano (CH4), seguimos os seguintes passos:
1. Escrever a equao da combusto e balance-la
CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O.
2. Calcular o mol das substncias das quais foram fornecidas as massas e
daquelas que foram solicitadas:
CH4 = 16 2O2 = 64
3. Montar a regra de trs para calcular a massa da substncia pedida a partir
dos mols calculados e das massas fornecidas:
16 --------------- 64
160-------------- x x= 160. 64 = 640 g de O2
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4. a)Para transformar a massa em volume precisamos conhecer a massa
especfica do material em questo. De um modo geral, o ar puro e seco
apresenta a presso de 1 atm s seguintes massas especficas:
Dados do ar seco a 1atm.
Temperatura (C) Massa especfica (kg/m3) Volume especfico
(m3/kg)
0 1,293 0,7736
25 1,184 0,8443
50 1,093 0,9151
75 1,014 0,0858
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100 0,9464 1,0566
4.b) Para calcular o volume de ar necessrio queima do metano a que se
refere o problema anterior, considerando P = 760 mmHg e T= 25 C seguimos os
seguintes passos:
1. Considerando que para cada mol de oxignio envolvido h 3,76 mols de
nitrognio e que
Massa de ar = massa de O2 + massa de N2.
N2/ O2 = 3,762
N2 = 3,762 . 640 = 2407,68 Kg
Ar = 640 + 2407,68 = 3047,68kg
2. Transformando em volume:
A 25 C 1Kg de ar ---------------------0,8443m3
3047,68 kg -------------------- x
X= 2573,15 m3
Para calcular o consumo de ar atmosfrico necessrio combusto de 2200 Kg
de propano (C3H8), considerando a necessidade de excesso em 35%. E
determinar a composio da fumaa, seguimos os seguintes passos:
C3 H8 + 5O2 3CO2 + 4 H2O.
44 160 132 72
44 ----------- 160
2200--------- x x= 8000kg de oxignio
1. Calcular a massa de ar:
N2/ O2 = 3,762
N2 = 3,762 . 8000 = 30096 Kg de nitrognio e argnio
Massa de ar = 30096 + 8000 = 38096 kg de ar
2. Incluir o excesso de 35%:
38096 . 1,35 = 51429,6 kg de ar.
3. Transformar a massa em volume: (consultar a tabela para t=25C)
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19
51429,6 . 0,8443 = 43 422 m3 de ar
4. Determinar a composio da fumaa:
De acordo com a reao qumica os produtos desta combusto so CO2 e H2O:
Calculando o gs carbnico formado:
44 -------------------- 132
2200 ------------------ x x= (2200. 132) / 44 = 6600 kg de CO2
5. Calcular a gua formada:
44 ------------------- 72
2200 --------------- x x = (2200.72)/44 = 3600 kg de H2O
6. Nos fumos encontraremos:
Oxignio em excesso (que no reagiu): 35% de 8000 = 2800 kg de O2
Nitrognio e argnio (inertes): 79% de 51.429,6 kg de ar = 40.629,36 Kg de
inertes
Composio dos fumos
Constituintes Massa %
CO2 6600 12,306
H2O 3600 6,712
O2 2800 5,221
Inertes 40629,36 75,76
Total 53629,32 100
Resumo
Nesta aula voc teve oportunidade de aprender o que um combustvel, qual sua
aplicao na metalurgia, quais as condies para que ele queime e libere calor,
quais so os outros produtos da combusto e, por ltimo, como calcular os
elementos envolvidos na combusto.
Agora que voc j conhece o conceito de combustvel, combusto e ar
necessrio para que ela acontea, pense e responda a questo a seguir.
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20
1.Calcular o consumo de ar necessrio e a quantidade de gs carbnico e vapor
dgua formados quando so queimados 100 kg de metano (CH4).
Prezado(a) estudante
Espero que voc tenha conseguido realizar as atividades de aprendizagem e
assim fixado mais o contedo que acabou de ser apresentado.Na prxima aula
trataremos de poder calorfico. Continue disciplinado(a) em seus estudos.
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Ol!
Agora iniciamos nossa segunda aula. um novo passo nessa nossa
caminhada. Voc conseguiu assimilar os novos contedos? importante no
deixar dvidas pendentes, pois nesse momento outras informaes iro ser
acrescentadas no seu aprendizado. A seguir, trataremos de assuntos que vo
auxiliar no entendimento da quantidade de combustvel necessria ao processo
de queima .
2.1 Calor de Combusto
Qualquer que seja o tipo de combustvel e qualquer que seja a tcnica da
combusto, o objetivo principal o mesmo, ou seja, desenvolver em uma forma
til a mxima proporo de calor potencial do combustvel.
Para ocorrer a combusto, o combustvel deve ser aquecido a uma determinada
temperatura conhecida como temperatura de ignio.
2.2 Temperatura de Ignio
, portanto, a temperatura mnima a que deve estar o combustvel para
que a reao de combusto se processe de modo rpido e eficiente.
Quando a mistura queima sem qualquer fonte de ignio ela dita
inflamvel. Para inflamar a mistura, ou seja, lev-la temperatura de ignio,
podem-se usar diversos mtodos: centelha eltrica, superfcies quentes, chama
ou ondas de choques.[DP3]
Aula 2 Poder Calorfico
Objetivo
Calcular a energia liberada na queima do combustvel
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22
Fonte: webphysics.davidson.edu/.../SoundBarrier.gif
Esta temperatura de chama varia com a razo entre o combustvel e o ar.
Em geral, quanto maior o % de ar, menor ser a temperatura de ignio.
Para determinar a temperatura de ignio, um dos mtodos mais importante o
de Moore, que consiste em deixar cair pequenas pores do combustvel slido
ou lquido sobre uma chapa metlica aquecida a temperaturas cada vez maiores.
Ao aparecer a chama, l-se a temperatura da chapa aquecida.
A tabela a seguir apresenta a temperatura de ignio de alguns
combustveis em presena de ar e presso atmosfrica.
Combustvel Frmula Temperatura em C
Enxofre S 245
Carvo Mineral C 400-600
Monxido de carbono CO 650-670
Petrleo bruto - 65-320
Querosene - 250-320
Metano CH4 650-760
Gasolina Comum C8H18 240-430
Acetileno C2H2 300-440
Etileno C2H4 480-550
Etano C2H6 470-630
Hidrognio H2 575-610
Quando um combustvel queimado, desenvolve-se calor e a quantidade
de calor proporcional ao peso do material queimado. A quantidade de calor
liberado por unidade de massa diferente para as diferentes substncias. A
medida desse calor denominada poder calorfico.
-
23
2.3 Poder Calorfico
por assim definido como a quantidade de calor desprendido durante a
combusto completa de uma unidade de massa ou de volume de um combustvel
quando queimado completamente, em uma dada temperatura (18 ou 25 C),
sendo os produtos da combusto resfriados at a temperatura inicial do
combustvel.
Teoricamente, o poder calorfico numericamente igual entalpia padro
de combusto, porm com sinal contrrio: PC= -Hcombusto. Na prtica, uma parte
deste calor perdida por radiao ou na forma de calor sensvel levado pelos
fumos quando saem em temperatura acima da inicial do combustvel.
Entalpia de combusto em Kcal/kg
Combusto Grafite Coque Carbono mineral
C a CO 2210 2250 2390
CO a CO2 5640 5640 5640
C a CO2 7850 7890 8030
A maioria dos combustveis contm hidrognio em sua constituio e seu
processo de combusto ocorre com formao de gua. A gua formada pode
permanecer no estado vapor ou se condensar no ambiente da combusto,
resultando assim, dois valores para o calor de combusto do combustvel que
contem hidrognio, de acordo com Gomes (2000):
O Poder Calorfico Superior (PCS) correspondente ao calor produzido
pela combusto completa do combustvel, havendo formao somente de
gs carbnico e gua e ficando toda essa gua no estado lquido.
O Poder Calorfico Inferior (PCI) o valor obtido quando se considera
que toda gua produzida, mais a inicialmente presente no combustvel,
permanece no estado vapor. Sendo este de maior preciso tambm
chamado de poder calorfico til.
A diferena entre os dois valores ser exatamente o calor de vaporizao
da gua que existe no carvo ou que se forma pela oxidao do hidrognio livre.
PCI = PCS L m
-
24
Onde L o calor de evaporao da gua a 18C e m a massa da gua nos
fumos. A massa de gua inclui tanto a inicialmente presente no combustvel
quanto a formada durante a combusto. Sendo L = 0,586kcal/g, temos:
PCI = PCS - 0,586 (mH2O nos fumos)
Utiliza-se convencionalmente nos balanos de energia o poder calorfico
superior, visto que o estado de referncia para toda a gua envolvida no processo
o estado lquido.
Unidades do poder calorfico: as unidades usadas para expressar o PC so:
Caloria por quilo ou caloria por grama (cal/kg ou cal/g) a quantidade de
calor necessria para elevar de 15 para 16C um grama de gua;
Unidade britnica de calor por libra (BTU/lb) a quantidade de calor
necessria para elevar a temperatura de 1lb de gua de 60 a 61F.
Unidade britnica de calor por galo - BTU/gal
Unidade britnica de calor por p cbico - BTU/ft3
Caloria por metro cbico - cal/m3.
Unidades molares: kcal/kmol e Kcal/mol
Relaes entre as unidades:
1 BTU/lb = 0,555 Kcal/kg
1 BTU/pe3 = 8,9 Kcal/m3
1 Kcal/kg = 1,8 BTU/lb
1 Kcal/Kmol = 1000 Kcal/mol
2.3.1 Determinao do poder calorfico
A quantidade de calor liberada pela combusto de uma unidade de massa ou
volume de qualquer combustvel pode ser determinada no calormetro ou atravs
-
25
dos calores de reao ou empiricamente, como veremos abaixo, tomando como
princpio os estudos de Silva (1979):
A. A partir da composio do combustvel e dos calores de combusto de
suas fraes dados na tabela abaixo:
Calores de Combusto
Composto Frmula Estado
PC a 25C e presso const.
H2O(liq.) e CO2(g) H2O(v) e CO2(g)
Kcal/mol Cal/g Kcal/mol Cal/g
Hidrognio H2 Gs 68,32 33887 57,79 28669
Carbono(grafite) C Sol. 94,5 7831 - -
Monxido de
carbono CO Gs 67,64 2415 - -
Carbono amorfo C Sol. 96,7 8083 - -
B. Por frmulas empricas
Para carves minerais, pode-se utilizar a frmula de Dulong, que permite
calcular o poder calorfico superior a partir dos dados da anlise elementar,
obtendo-se resultados aceitveis para carves com teor de carbono superior a
76% e menor que 90%:
PCS ( Kcal/Kg) = 81,4 C + 345 ( H - 0/8 ) + 25 S
Onde:
C o teor de carbono no combustvel.
H o teor de hidrognio no combustvel
O o teor de oxignio no combustvel
S o teor de enxofre no combustvel.
Os coeficientes so valores aproximados dos respectivos calores de combusto
divididos por 100, para que assim possa ser utilizado o valor da percentagem dos
elementos.
(H-0/8) representa o hidrognio livre, disponvel para a combusto.
-
26
O/8 equivale ao hidrognio combinado.
Para valores abaixo de 76%:
PCS (Kcal/Kg) = 8070 C + 34550 (H - 0/8) + 2248 S
Para a determinao do poder calorfico inferior pode-se efetuar a
subtrao do calor latente de condensao de toda gua presente nos fumos ou
utilizar a expresso:
PCI (kcal/kg) = 81,4. C + 290 (H - 0/8) + 25. S 6. H2O
Onde H2O a percentagem de umidade do combustvel.
C. Medida experimental
O poder calorfico de um combustvel pode ser determinado
experimentalmente em um aparelho denominado bomba calorimtrica (visualize-a
na figura abaixo). A bomba um recipiente de ao inox resistente a altas
presses, contendo um cadinho.
Para fazer esta medida, uma quantidade pesada de carvo ou leo
combustvel colocada no cadinho e a bomba preenchida com oxignio a uma
presso de 25 atm; em seguida esta bomba imersa em uma quantidade pesada
de gua contida em um vaso calorimtrico.
Um filamento fusvel aquecido eletricamente o que permite a queima do
combustvel. O calor produzido eleva a temperatura da bomba e da gua do vaso
calorimtrico. O calor determinado a partir da medida cuidadosa da elevao
desta temperatura.
-
27
Bomba calorimtrica (fonte: webs.uvigo.es)
2.4 Temperatura de Chama
Intensidade calorfica ou Temperatura de chama ou Temperatura Terica de
Combusto: a temperatura mxima atingida pelos fumos da combusto
completa, se toda quantidade de calor desprendida fosse utilizada unicamente
para aquecimento dos fumos, sem haver perda de calor.
Temperatura terica da chama de combustveis gasosos na presena de ar em
proporo correta.
Combustvel Temperatura (C)
Hidrognio 2155
Monxido de Carbono 2120
Metano 1920
Etano 1950
Propano 1970
Butano 1965
Gs Natural 1960
Gs de Carbureto 1965
Gs de alto forno 1455
Gs de Coqueria 1985
-
28
Como o processo de combusto real sempre ocorre em excesso de ar
difcil atingir a temperatura terica.
Clculo da Temperatura de chama (TC):
TCPC
C V C V C Vn n
1 1 2 2 .....
PC = poder calorfico do combustvel;
C1... n = calor especfico dos produtos da combusto;
V1...n = volume dos produtos da combusto.
Havendo pr-aquecimento do ar e do combustvel seus calores sensveis
sero somados ao PC e,
TCPC Q Q
C V C V C V
a c
n n
1 1 2 2 .....
A temperatura efetiva de combusto acentuadamente menor, no
alcana 80% da terica, porm sua determinao permite prever a temperatura
mxima a que estaro sujeitos os materiais que estaro em contato com os fumos
da combusto ou com a chama da combusto.
Resumo
Nesta aula tratamos sobre a energia trmica liberada do combustvel por ocasio
de sua queima, ou seja, o seu poder calorfico. Como consequncia tambm
mostramos sobre a temperatura mnima que o combustvel precisa estar para
queimar, bem como a temperatura que a chama atinge.
Caro(a) estudante, agora que voc j pde conhecer a energia liberada na
combusto e como calcular, pois so pontos relevantes de nosso estudo, pense e
responda o questionamento seguir.
Atividades de aprendizagem
-
29
Para que voc aplique as informaes apresentadas at aqui, vamos juntos
resolver alguns exerccios novamente e continuaremos no decorrer das outras
aulas. Acompanhe a demonstrao para depois fazer sozinho.
Determinar o poder calorfico inferior de uma mistura gasosa de 60% em volume
de propano (C3H8) e 40% em volume de n-butano (C4H10), a partir dos calores de
combusto a seguir:
C3H8(gs)+ 5 O2 ------> 3 CO2 + 4 H2O(vapor) + 488,53 kcal/mol
C4H10 (gs)+ 6,5 O2 ------> 4 CO2 + 5 H2O(vapor) + 635,38 kcal/mol
Base de clculo: 1000 litros (1m3)
Seguimos os seguintes passos:
1) Calculando o volume dos componentes da mistura.
Vp = 60% x 1000 = 600 litros de propano
Vb = 40% x 1000 = 400 litros de n-butano
2) Calculando o nmero de moles dos componentes (np e nb).
Nas CNTP o volume de qualquer gs igual a 22,4 l/mol e assim teremos as
seguintes quantidades molares (o volume molar equivale ao mol das
determinaes mssicas):
np= 600 / 22,4 = 26,785 moles de propano e nb= 400 / 22,4 = 17,857 moles de n-
butano
3) Calculando o poder calorfico da mistura.
Na queima dessas quantidades molares haver desprendimento de calor de
acordo com os calores de combusto das reaes do propano e do n-butano:
Q= n x calor de combusto
Q = 26,785 moles/m3 x 488,53 kcal/mol + 17,857 moles/m3 x 635,38 kcal/mol
Q = 24.431 kcal/m3 ou PCI = 24.431 kcal/m3, pois as equaes mostram a
formao da gua no estado vapor.
2) Um carvo mineral apresenta a seguinte anlise elementar em % em peso:
Carbono Hidrognio
(livre) Nitrognio Enxofre
gua
combinada Umidade Cinza
-
30
66,6 3,2 1,4 0,5 9,5 9,6 9,2
Determine o PCS e o PCI utilizando a frmula de Dulong
PCS (Kcal/Kg) = 8070 C + 34550 (H - 0/8) + 2248 S
(H - 0/8) equivale ao hidrognio livre
Seguimos os seguintes passos:
1) Substitumos na frmula os valores fornecidos na tabela
PCS = 8070 x (66,6/100) + 34550 ( 3,2/100) + 2248(0,5/100)
PCS = 6.491 kcal/kg
2) Para calcular o PCI, proceder da mesma maneira.
PCI (kcal/kg) = 81,4. C + 290 (H - 0/8) + 25. S 6. H2O
A percentagem de gua no combustvel ser a soma da gua combinada e da
gua de umidade.
PCI (kcal/kg) = 81,4 x (66,6) + 290 (3,2) + 25 x (0,5) 6 x 19,1
PCI = 6.247,14 kcal/kg
Caro(a) estudante.
Aps seus estudos nessa aula, espero que consiga visualizar a aplicabilidade das informaes aqui obtidas. Pesquise em outros materiais (disponveis nas Referncias), converse com seus colegas de curso e complemente seu aprendizado sempre que possvel. Vamos em frente! Na prxima aula o tema ser a classificao dos combustveis. Bons estudos!
-
31
Estimado(a) estudante.
Agora estamos na metade da nossa caminhada. Voc j refletiu como est
sua compreenso do contedo? Ainda temos mais alguns avanos pela frente.
No desanime, pois ao final voc perceber a importncia dos conhecimentos
adquiridos.
3.1 Classificao
Os combustveis podem ser classificados de vrias maneiras. Entretanto,
como o seu estado fsico que determina o mtodo de utilizao e o tipo de
equipamento necessrio combusto, os combustveis so classificados
prioritariamente em:
a) slidos
b) lquidos
c) gasosos
Cada uma destas classes pode ser ainda subdivida em naturais ou primrias e
preparadas, derivadas ou secundrias. Veja a seguir:
Classificao Geral dos Combustveis
SLIDOS
Combustveis primrios Carves minerais (turfa, linhito, hulha,
antracito, madeira, etc.)
Combustveis secundrios
Coque, carvo vegetal, coque de petrleo,
resduos industriais, combustveis slidos de
foguetes (tiocol, hidrazina, nitrocelulose)
Aula 3 Classificao dos Combustveis
Objetivos: Classificar os combustveis usados em metalurgia. Identificar o processo de combusto e sua relao com o meio
ambiente.
-
32
LQUIDOS
Combustveis primrios Petrleo cru
Combustveis secundrios Gasolina, querosene, leo diesel, HC da
pirlise da hulha e do xisto betuminoso.
GASOSOS
Combustveis primrios Gs Natural
Combustveis secundrios Gs de hulha, gs de gua, gs de alto forno,
gases da refinao de petrleo.
Em sua maioria, os combustveis so fsseis:
Carvo, petrleo e seus derivados.
No-fsseis: esta classificao inclui a madeira e seus derivados e o
carvo vegetal.
A turfa e o linhito esto includos entre os carves, apesar da turfa ficar no
limite de diviso entre o vegetal e o fssil.
Outra maneira de caracterizar os combustveis pelo seu poder calorfico.
Logo eles podem ser classificados como de alto poder calorfico ou de baixo
poder calorfico. Deste modo, o coque com 90% de carbono mais forte ou de
maior poder calorfico que a turfa, que contm um alto contedo de gua.
De acordo com Silva (1979), o gs natural possui maior poder calorfico
que o gs artificial em virtude deste apresentar um alto contedo de nitrognio.
Os combustveis podem tambm ser distinguidos como sendo renovveis e no-
renovveis:
No-renovveis so todos os combustveis fsseis e os elementos
radioativos dos quais obtm-se a energia nuclear - considerada energia
limpa - estando porm, em quantidades bem superiores, quase ilimitada se
forem considerados os recursos do fundo dos oceanos.
Renovveis: Madeira renovvel, mas em taxa muito baixa. A gua, o
vento e as mars fornecem energia indefinidamente, entretanto, a taxas
insuficientes para atender a necessidade de um forno. Outra fonte
inexaurvel de calor o sol e as fontes geotermais que, no entanto,
necessitam de tecnologias mais adequadas para poderem ser utilizadas
em larga escala.
Podem tambm ser classificados como naturais e artificiais; encontrados ou
obtidos no estado slido, lquido e gasoso:
-
33
Naturais - Biomassa: madeira, substncias aucaradas, substncias
amilceas, leos vegetais, gorduras animais, ceras, resinas, petrleo, gs
natural, carvo mineral (hulha, antracito, linhito, turfa) e os xistos
betuminosos.
A turfa o primeiro estgio da decomposio da madeira, formada pela
ao bacteriana e qumica no s da madeira como tambm dos restos de
plantas. fibrosa e de cor marron. Sua formao se d pela acumulao e
posterior compactao de musgos, plantas, detritos florestais, juncos, etc. em
regio pantanosa, bastante mida. Possui alto teor de umidade. A ao posterior
do calor, da presso e de outros agentes fsicos, leva formao das vrias
espcies de carvo, do linhito ao antracito.
Turfa Linhito Antracito
(Fonte: gckbr.com)
(Fonte: mundoeducacao.com.br)
(Fonte: teotokus.com.br)
Metalurgicamente no um combustvel importante. Se disponvel em
grande quantidade ela seca e usada industrialmente, em certos casos at para
gerao de energia eltrica.
O linhito um carvo mineral intermedirio entre a turfa e o carvo
semibetuminoso. Contm 10 a 40% de umidade e de 5 a 12% de cinzas. de uso
bastante restrito na metalurgia.
O antracito uma variedade dura do carvo mineral, no coqueificvel e
no apresenta mais vestgio de sua origem vegetal. Na metalurgia encontra
utilizao apenas como refratrio. Possui 86,5% de carbono fixo, arde com
dificuldade e possui alto poder calorfico.
Artificiais - so obtidos por transformaes qumicas, fsicas e mecnicas
dos combustveis naturais. Por destilao fracionada do petrleo obtm-se
gasolina, querosene, leo combustvel, etc. Por catlise obtm-se o leo
diesel.
-
34
Pela transformao do carvo mineral obtm-se diferentes tipos de coque;
da madeira e da celulose so obtidos o carvo vegetal, o gs de gua, o gs de
ar. Alm destes temos o gs de coqueria, o gs de alto-forno, o gs de leo e o
gs de gasognio.
3.2 Principais Combustveis Usados na Metalurgia
Os principais combustveis usados na metalurgia so aqueles de maior facilidade
de aquisio, menor custo e com caractersticas que atendam as necessidades
metalurgias, so eles:
3.2.1 Combustveis naturais
a) madeira: no empregada diretamente como combustvel na
metalurgia, sendo, porm a matria-prima da formao dos depsitos
carbonferos e da fabricao do carvo vegetal. Segundo a teoria de Parr, a
celulose - principal componente da madeira - decompe-se conforme as reaes
a seguir:
5C6H10O5 C20H22O4 + 3CH4 + 8H2O + 6CO2 + CO
linhito
6C6H10O5 C22H20O3 + 5CH4 + 10H2O + 8CO2 + CO
carvo betuminoso
Durante o processo de transformao da madeira ocorre um aumento na
quantidade de carbono e uma diminuio do hidrognio e do oxignio, eliminados
pela formao dos volteis.
b) carvo betuminoso ou hulha ou carvo mineral: um dos principais
combustveis industriais. Contm alto teor de material voltil e constitudo de
hidrocarbonetos e matria mineral, formada de argila, xidos e areia, podendo
conter tambm pirita (FeS2) e fsforo dependendo do meio onde foi formado.
Conforme seu comportamento, durante a queima na ausncia de ar, ele pode ou
no ser coqueificvel.
-
35
A presena do enxofre e do fsforo pode inviabilizar sua utilizao
metalrgica como matria-prima para a fabricao do coque, gs e carvo
pulverizado. Constitui a etapa mais avanada das transformaes a que foi
submetida matria vegetal, situando-se entre o linhito e o antracito. Possui
63,5% de carbono fixo.
3.2.2 Combustveis artificiais
a) Carvo pulverizado: pode ser obtido de qualquer tipo de carvo, feito
para ser utilizado em queimadores especiais. Deve apresentar 80% de suas
partculas a 200 meshes (0.075mm) ou 95% com 100 meshes (0.150mm). A
pulverizao feita em moinhos de bola aps britagem e secagem. Este carvo,
obviamente, queima melhor que o carvo em pedaos e utiliza ar em quantidade
praticamente igual estequiomtrica.
uma vantagem que provm do fato deste carvo possuir maior superfcie
de contato. Para se ter uma ideia melhor, um cubo de carvo com 2,5cm de lado
apresenta uma superfcie exposta igual a 37,5cm2 entretanto, se este cubo for
pulverizado em partculas de 200 meshes, sua superfcie de contato (rea de
todas as partculas) sobe para 27.500m2.
Sua desvantagem est em no poder ser estocado durante muito tempo,
no mximo 48 horas, por causa da sua combusto espontnea. Seu teor de
cinzas deve ser o menor possvel, pois esta poder formar uma camada isolante
sobre a carga do forno.
b) Carvo briquetado: o carvo pulverizado que foi comprimido em mistura
com uma substncia aglutinante, de modo a formar cubos, denominados
briquetes. O aglomerante usado pode ser o piche, o alcatro, o naftaleno, o
asfalto, etc.
c) Carvo vegetal: o resduo da destilao da madeira, realizada em
ambiente com insuficincia de ar, com eliminao inicialmente da umidade,
seguida do material voltil e deixando como resduo o carbono. A transformao
completa ocorre entre 400C e 10000C. Possui baixo teor de cinza e nenhum
enxofre. Seu poder calorfico de 6100 cal/kg, em mdia. A vantagem deste
carvo est na ausncia de enxofre; a desvantagem sua baixa resistncia
(40kg/cm2) e a devastao das florestas.
-
36
d) leo combustvel - Os principais tipos de leo combustvel utilizados nas
indstrias so os leos residuais da destilao do petrleo a 3800C entre o
querosene e os leos lubrificantes - um lquido escuro constitudo de uma
mistura complexa de hidrocarbonetos. Seu poder calorfico de 10000 a
10200cal/kg, os quais so classificados de acordo com o teor de enxofre (alto e
baixo) e com a viscosidade. Existe tambm o consumo de combustveis leves
como o diesel e o querosene em menor escala. A sua utilizao na metalurgia
requer um baixo teor de enxofre (BTE), pois este elemento contamina o banho
metlico.
e) Gs de Gasognio - o gs obtido pelo sopro de ar e/ou vapor em
quantidade suficiente apenas para realizar a combusto incompleta, atravs de
uma camada de combustvel slido aquecido. Gasognio o nome do
equipamento onde realizada a produo que pode utilizar carvo, coque,
antracito, linhito, independentemente de sua qualidade como, por exemplo, o seu
teor de enxofre.
Quando se injeta ar, tm-se o gs de ar; quando se injeta vapor atravs do
carbono incandescente temos o gs de gua, tambm chamado de gs azul em
virtude da cor da chama da sua combusto. Injetando-se simultaneamente ar e
vapor, temos o gs misto. A operao realizada em ciclos alternados de injeo
de ar e vapor; a reao de obteno do gs de gua endotrmica e, por isso,
tende a resfriar rapidamente o leito do coque ou do carvo, o que compensado
pelo calor liberado durante a reao de obteno do gs de ar.
Na obteno do gs de ar, a reao principal a ocorrer deve ser:
C + O2 2CO H = - 58660cal/kg mol
A reao principal na obteno do gs de gua :
C + H2O CO + H2 H = +28380cal/kg mol
f) Gs de Coqueria - um subproduto da fabricao do coque e tambm da
destilao do carvo betuminoso em ausncia de ar. limpo, incolor e
geralmente saturado de gua; sua composio :
Composio qumica do gs de coqueria
Constituinte Frmula Percentagem
-
37
Hidrognio (H2) 46.5 a 57.9%
Metano (CH4) 26.7 a 32.1%
Monxido de Carbono (CO) 4.6 a 6.9%
Dixido de Carbono (CO2) 1.3 a 2.4%
HC n-saturados 3.1a 4.0%
Oxignio (O2) 0.2 a 0.9%
Seu poder calorfico (PC) 4500 cal/m3. usado na siderurgia para aquecer
as prprias retortas de coqueificao, misturado ao gs de alto-forno como
combustvel nos fornos de recozimento, no preparo de atmosfera desoxidante.
g) Gs de alto-forno - a operao de reduo do minrio de ferro, realizada
em alto-forno, produz um gs composto principalmente de N2, CO2 e CO. Este
ltimo resulta da reao inicial do coque com o ar soprado e, ao atravessar a
carga, promove a reduo do xido de ferro. O CO2 resultante desta reao
que, misturado ao CO restante mais o N2 do ar constitui o gs de alto forno cuja
anlise tpica :
CO 25%
CO2 14.5%
H2 3.0%
N2 57.5%
Ao sair do alto-forno este gs vem acompanhado de impurezas
necessitando de lavagem e purificao. Seu poder calorfico baixo, 900cal/m3,
devido ao alto teor de nitrognio e ao pequeno teor de matria voltil no coque
usado para a reduo, sendo utilizado principalmente nos regeneradores.
h) Gs de aciaria - Os gases emanados da aciaria a oxignio so ricos em
CO e, portanto, combustveis. Aps passar por um sistema de recuperao,
constitudo por uma srie de precipitadores de poeira e filtro, o gs acumulado
em um gasmetro para da ser utilizado em outras unidades da reduo. Seu PC
2200 cal/m3 e sua composio:
CO 65 %
CO2 15 %
N2 20 %
-
38
i) Coque metalrgico ou coque hard: O carvo mineral, quando aquecido
acima de 950C na ausncia de ar est sujeito a uma alterao de composio e
estrutura. Dele se desprendem gases e um resduo de carbono. Estes gases
apresentam uma composio qumica de acordo com a natureza do carvo.
O resduo carbonoso rgido, consistente e poroso, vem constituir o coque,
de poder calorfico equivalente a 8000cal/kg, que se classifica em metalrgico e
no metalrgico, dependendo de suas caractersticas fsicas e qumicas.
A matria voltil extrada, dependendo do processo usado para a obteno
do coque, aproveitada aps conveniente resfriamento.
Por definio, coque o resduo slido da decomposio do carvo mineral
pelo calor, na ausncia de ar.
Para produo do coque, outros carves alm do carvo mineral podem ser
utilizados. Para isso devem possuir caractersticas coqueificantes, ou seja, serem
aglutinveis. considerado coqueificvel aquele carvo que amolece durante o
aquecimento, torna-se plstico, posteriormente funde e medida que os volteis
so eliminados volta a solidificar numa nova estrutura.
Veja a figura:
-
39
CARVO
VOLTEIS COQUE
Amnia
Alcatro
Nafta
leo desinfetante
Antraceno
Creosoto
Enxofre
leos Leves
Gs
Combustvel
Benzeno
Tolueno
Xileno
CH4, H2, CO, CO2, outros,
PCI : 4390Kcal/m3
-
40
No caso do carvo betuminoso, o aquecimento feito entre 300 e 400o C.
Nesta temperatura sofre um amolecimento, sua fluidez alcana o valor mximo,
aps o que decresce para finalmente solidificar-se entre 450 e 500C.
Os carves no coqueificveis no se fundem, ficando no mximo pastoso.
Em mdia cada tonelada produz:
Alcatro 30/35L
Sulfato de amnio 10/12 L
leos leves 10/12 L
Gs de coqueria 350m3
O uso do carvo mineral brasileiro, na siderurgia, apresenta restries
devido ao grau de impurezas, cinza e enxofre, o que requer uma intensa
cominuio (reduo da granulometria) para a liberao da pirita (FeS).
(Fonte:mundoeducacao.com.br) (Fonte: www.fem.unicamp.br) (Fonte: ufrgs.br)
3.2.3 Fatores que mais influenciam nas propriedades coqueificantes dos
carves
Na preparao dos carves encontramos outras substncias, alm da parte
combustvel, e condies que influenciam nas suas propriedades. So eles:
- Matria Voltil (MV): no sendo constituda de elementos combustveis,
o teor de MV no carvo deve ser no mximo 35%. Carves com MV alto fornecem
coque de baixa resistncia. Entretanto, o carvo de MV muito baixo tambm
inadequado na medida em que este sofre expanso durante o aquecimento e
pode exercer presses perigosas contra as paredes da retorta, alm disto, a
-
41
quantidade de subprodutos menor. A alta MV de um carvo pode ser
compensada pela mistura com outro de MV baixa de tal forma que a mistura
contenha entre 28 e 30% de material voltil.
- Cinza: o teor de cinza do coque aproximadamente 1,35 vezes a do
carvo usado, portanto este teor deve ser baixo, no mximo 10% na mistura de
carves a ser coqueificada. A cinza geralmente slica e alumina que devem ser
escorificadas no alto-forno com cal. A presena de cinza no coque diminui o seu
rendimento.
- Enxofre: este elemento, por ser altamente prejudicial ao ao, no pode
ultrapassar 0,8% no coque para o alto-forno ou 1% no coque para fundio.
Consequentemente, o seu contedo no material a ser coqueificado deve ser o
mais baixo possvel, visto que 60 a 80% do S do carvo passam para o coque. E
como a maioria deste enxofre deve ser removida na forma de CaS, quanto maior
o contedo de enxofre maior o consumo de calcrio e, consequentemente, o de
coque para aquec-lo e fundi-lo.
- Umidade: umidade em excesso pode danificar o refratrio da retorta na
qual est acontecendo a coqueificao, devendo estar em torno de 7%, no
mximo.
- Oxignio: um carvo com teor de oxignio acima de 8% em base seca
(livre de cinza) no fornecer um bom coque. Um dos fatores que contribuem
para o aumento do teor deste elemento o tempo de estocagem.
- Variao de volume: durante o aquecimento os carves tanto podem
sofrer expanso quanto compresso, no havendo um meio seguro de prever seu
comportamento a no ser atravs de experincia. Em geral, os carves de MV
baixo expandem e, os de MV alto, contraem. Um determinado carvo com 18%
de MV expande 40% e, com 42% de MV, contrai at 30%. Outro carvo expande
20% com 17% de MV e contrai apenas 3% com 24% de MV. Para diminuir a
expanso faz-se, como j foi dito anteriormente, a mistura de carves de alta MV
com carves de baixa MV. A pulverizao mais acentuada e uma maior umidade
tendem a diminuir a expanso ao diminuir a densidade aparente.
- Presso desenvolvida: segundo a presso desenvolvida, os carves
betuminosos classificam-se em:
Alto voltil - 0.5 a 0.66 psi durante toda a coqueificao.
-
42
Mdio voltil - 0.5 no carregamento a 1.75 psi aps meia hora, podendo
atingir um pico de 4psi aps 7 horas.
Baixo voltil - 0.5 no carregamento a 6psi aps 7 horas.
- Granulometria: o carvo usado deve possuir 80 a 90% de suas
partculas menor que 3mm. Se o nmero de partculas nesta faixa granulomtrica
for menor, por exemplo 70%, o coque obtido ser menos duro. Entretanto, se
houver muito material fino surgir o problema da deposio nas tubulaes.
3.2.4 Caractersticas do coque metalrgico:
O coque utilizado na siderurgia como: combustvel, redutor e carburente.
Como combustvel o responsvel pelo fornecimento de calor aos processos;
como redutor promove a reduo dos xidos de ferro a ferro metlico; e como
carburente fornece C para a formao da liga Fe-C, o gusa. Estas funes, todas
de natureza qumica, exigem que o coque apresente um alto contedo de carbono
fixo. Deste modo, a composio tpica em base seca (sem cinzas, umidade ou
mv) deve estar prxima de:
Carbono 95%
Hidrognio 1%
Nitrognio 1%
Enxofre 1%
Oxignio 2%
O coque deve possuir propriedades fsicas de resistncia abraso e
compresso que permitam a sua chegada regio das ventaneiras sem ter
sofrido fragmentao significativa, apesar do peso da carga. Deve possuir uma
homogeneidade granulomtrica de tal maneira a no prejudicar a
passagem dos gases ascendentes em contra corrente.
Apesar de toda carga poluente que geram, o coque e os demais
combustveis obtidos a partir da elaborao, principalmente do carvo, ainda so
os mais utilizados em metalurgia, onde prevalece a economia e o bom
desempenho dos equipamentos de queima que, alis, so projetados para
utilizao deste tipo de combustvel.
-
43
3.3 Combusto e meio ambiente
Desde os primrdios da humanidade, o consumo de
energia s vem aumentando, tanto no consumo per capita
como no consumo global. O homem primitivo consumia
2.000 kcal por dia, quantidade mnima necessria sua
sobrevivncia. Este valor se elevou para cerca de
200.000 kcal por dia. Para suprir esta necessidade energtica, o homem precisa
de combustveis. Dentre estes temos os alimentos que garantem o funcionamento
de seu organismo e aqueles necessrios para o funcionamento de um complexo
sistema industrial decorrente das exigncias e dos hbitos adquiridos por fora da
evoluo do homem.
Os combustveis lquidos do petrleo utilizados nas indstrias, geralmente
leos combustveis pesados, concorrem de forma significativa para a deteriorao
do meio ambiente devido a vrios fatores como: dificuldade de se manter as
condies ideais para atomizao e presena de elementos como o enxofre e
alguns metais, mesmo em pequenas percentagens, como vandio, nquel, sdio e
ferro.
Conforme Barros, Deleo e Costa, (2004), os principais efeitos dos
combustveis e produtos da combusto no meio ambiente so:
a) Chuva cida, causada pela formao de SO2, SO3, CO2, N2O e NO.
b) Aquecimento global, causado pelo efeito estufa oriundo do CO2, N2O e
CH4
c) Neblina que irrita os olhos, causada pela foto oxidao dos vapores dos
HC no queimados em presena de NO2 e da luz solar.
d) Aumento de material particulado na atmosfera devido emisso de
fuligem (carbono no-queimado).
A emisso de produtos incompletos da combusto para a atmosfera, como
vapores de hidrocarbonetos, monxido de carbono e fuligem est associada a
condies inadequadas de combusto como:
-
44
I. Baixa turbulncia, ou seja, insuficiente superfcie de contato entre o
combustvel e o comburente, como ocorre em uma m atomizao do leo
combustvel.
II. Baixo tempo de residncia da mistura combustvel-comburente nas
condies de ignio.
III. Rpida queda da temperatura da chama, antes que a queima seja
completa, fenmeno esse que chamado de "congelamento da chama".
IV. Insuficincia de comburente, tambm chamada de mistura rica.
A formao de NOx est relacionada com o uso do ar atmosfrico
(comburente) como:
I. Mistura pobre (excesso de ar de combusto elevado).
II. Tempo de residncia elevado em condies de ignio.
III. Alta turbulncia.
IV. Chama e processo de alta temperatura.
As condies ideais da combusto so aquelas em que o excesso de ar de
combusto o mnimo necessrio para garantir a queima completa do
combustvel. Assim, a eficincia de combusto maximizada, reduzindo a
formao dos produtos da combusto: CO2, H2O, SOx e NOx.
Independentemente do energtico utilizado, existem muitas possibilidades
para reduzir o impacto ambiental da queima de combustveis, todas elas ligadas a
medidas de conservao de energia:
Controle da Combusto e da Tiragem
O controle feito atravs da anlise dos produtos da combusto,
monitorando os teores de O2, CO2, CO e carbono no queimado. Atravs do
controle da tiragem possvel regular a presso interna do equipamento trmico,
evitando a perda de gases quentes e a entrada de ar frio do ambiente.
Basicamente a otimizao da combusto resume-se em minimizar o excesso de
ar de combusto sem a presena significativa de fraes combustveis, sendo
percebida pelo aumento do teor CO2 e pela diminuio do teor de O2 na anlise
dos produtos da combusto. Benefcios imediatos para o meio ambiente: reduo
das emisses totais de CO2 e de NOX devido ao mnimo excesso de ar.
-
45
Preaquecimento do Ar de Combusto
O preaquecimento do ar de combusto uma medida que proporciona
significativa economia de combustvel, principalmente em processos trmicos de
alta temperatura. Este preaquecimento pode ser feito atravs de recuperadores
ou de regeneradores. Portanto, sob o ponto de vista da emisso de CO2, esta
medida contribui para sua reduo por diminuir a quantidade de combustvel
queimado.
Porm, aumenta o potencial para formao de NOx devido elevao da
temperatura da chama. Mas esta formao pode ser reduzida atravs da reduo
do excesso de ar de combusto
3.3.1 Combusto, meio ambiente e o setor siderrgico
Segundo os especialistas Barros, Deleo e Costa (2004), a eficincia dos
processos convencionais est se aproximando do seu limite terico e,
consequentemente, no podemos mais esperar redues significativas na
emisso de poluentes. Estes fatos, somados ao efeito sobre o meio ambiente da
queima dos combustveis fsseis e ao esgotamento eminente das reservas de
petrleo do planeta motivaram o desenvolvimento de pesquisas para modificar a
matriz energtica atualmente usada.
Atualmente as siderrgicas em parceria com universidades fazem estudo
de viabilidade de substituio do carvo mineral pelo carvo vegetal produzido a
partir de biomassa diversa. No Brasil h empresas cuja matriz energtica
constituda por 86% de biomassa plantada. Bagao de cana-de-acar, casca de
arroz, resduo de madeira, capim-elefante e eucalipto so exemplos da utilizao
da biomassa que, alm de fornecer carbono, proporciona a reciclagem do CO2.
No balano global, a utilizao do carvo vegetal reflorestado retira o CO2
de forma cclica uma vez que as rvores utilizadas na produo do carvo so
colhidas antes que sua fase de crescimento tenha se completado e, estando
constantemente em fase de crescimento, absorvem mais CO2 do que liberam.
At que se encontre um substituto a altura, a alternativa racionalizar o
uso dos atuais combustveis.
-
46
A cogerao um exemplo de racionalizao. Cogerao a gerao
sequencial em temperatura de trabalho de energia eltrica ou mecnica e de
energia trmica (calor ou frio) atravs de uma nica queima de combustvel. Este
processo de gerao de energia de grande futuro por utilizar basicamente o
gs.
Na cogerao aproveita-se o potencial existente nos produtos resultantes
da queima de um combustvel que esto a alta temperatura para gerao de
trabalho e energia trmica. Na metalurgia, a cogerao j vem sendo utilizada, a
exemplo da utilizao do gs de coqueria, gs de aciaria e gs de alto forno. O
aproveitamento dos finos do carvo uma outra tentativa para amenizar os
prejuzos ao meio ambiente provocados pela queima de combustvel.
Resumo
Nesta aula voc pde aprender a classificar e identificar as caractersticas dos
combustveis, verificamos tambm os principais combustveis usados na
metalurgia, especialmente o coque e o carvo vegetal. Foi realizada uma
abordagem sobre a questo ambiental relacionada com a produo e utilizao
dos combustveis.
Prezado(a) estudante. Terminamos mais uma aula. Parabns pelo seu empenho. Como foi seu aproveitamento nesta unidade? Conseguiu desenvolver um pouco mais sua formao profissional? importante acreditar que cada conhecimento aqui adquirido parte fundamental no seu curso. Acredite em voc e no seu potencial. Vamos para a prxima aula, na qual abordaremos as escrias.
-
47
Caro(a) estudante.
A partir deste ponto iremos conhecer outro material de suma importncia,
pois se trata de um subproduto que pode ser reaproveitado em outras operaes,
alm de fornecer informaes para avaliar o desempenho do processo.
4.1 Escrias
Escrias so as impurezas no gasosas geradas pelo processo de
obteno do metal. Elas so produtos da ao dos fundentes sobre a ganga do
minrio e sobre as cinzas do combustvel.
O processo de formao da escria envolve a reao entre um xido cido
e um xido bsico. A escria contm, portanto, a parte intil da carga. A figura a
seguir apresenta uma escria de siderurgia.
Aula 4 Estudo das Escrias
Objetivos:
Reconhecer as escrias formadas durante os processos metalrgicos
de extrao e refino de metais
- Identificar sua formao e reaproveitamento
-
48
As escrias podem ser reaproveitadas na indstria cermica para produo
de cimento, pisos e revestimentos, bem como para produo de fertilizantes,
entre outras aplicaes.
4.1.1 Requisitos necessrios a uma escria
Ao estudarmos sobre as escrias, precisamos pensar em alguns pontos
principais para ficarmos atentos. Segundo Silva (1979), os requisitos principais a
uma escria so:
Possuir ponto de fuso tal que possa fundir completamente temperatura
do forno e esta fuso no ocorra antes que a carga esteja fundida;
Possuir baixa temperatura de formao;
Possuir baixa densidade, que possibilita a separao entre as fases
metlicas e no metlicas;
Ser imiscvel, de maneira que possa flutuar sobre o metal lquido;
Conter o menor teor possvel do xido metlico do qual est sendo extrado
o metal;
Possuir baixa viscosidade para, da mesma forma que a densidade, separar
o metal e para que possa fluir sem arrastar a poro metlica;
Possuir baixo calor especfico para minimizar as perdas de calor;
Possuir baixo poder dissolvente dos constituintes metlicos ou dos
compostos intermedirios como as mates e speiss.
[.4]
4.1.2 Classificao das Escrias
J foi dito que a reao de formao da escria se d entre um xido que
funciona como base e outro que funciona como cido.
Quanto natureza do xido cido formador, as escrias podem ser
silicatadas e no-silicatadas.
Escrias silicatadas so aquelas em que o xido cido formador a slica
(SiO2) e o outro xido pode ser qualquer xido bsico (CaO, MgO, FeO, MnO,
BaO, ZnO, Na2O, etc.).
-
49
Escrias no-silicatadas so as escrias formadas pela reao entre um
xido cido qualquer excetuando a slica (P2O5, SO3, TiO2, Sb2O5, As2O5, B2O5,
etc..) e xidos bsicos.
As escrias silicatadas so as mais importantes por possurem grande
utilizao na metalurgia. Estas escrias, metalurgicamente, so caracterizadas
pelo grau de silicato S, definido pela relao entre o peso do oxignio na slica e
o peso do oxignio nos demais xidos.
As escrias formadas possuem as seguintes frmulas gerais: (MO)n ( SiO2)m,
(M2O3)n (SiO2)m , onde M o metal. De acordo com o valor de S, a escria recebe
as seguintes designaes:
Subsilicato, quando S = 0.5; a exemplo de 4Mn2O3.SiO2
Monossilicato, quando S = 1.0; a exemplo de 2FeO.SiO2
Sesquissilicato, quando S = 1.5; a exemplo de 4CaO.3SiO2
Bissilicato (metassilicato ) S = 2; a exemplo de NaO.SiO2
Trissilicato, quando S = 3; a exemplo de 2CaO.3SiO2
Os trissilicatos no se formam e deve ser evitada a sua formao nas operaes
metalrgicas por causa de sua alta viscosidade. Os bissilicatos raramente se
formam.
4.1.3 Basicidade da escria
A natureza da escria o fator que determinar o tipo de refratrio usado
no revestimento do forno. Se o processo gera escria cida, o revestimento do
forno dever ser tambm cido.
A basicidade V determinada pela relao entre o percentual de xidos
bsicos e o percentual de xidos cidos contidos na escria
Voxidosbasi
oxidosacidos
% cos
%, se
V< 1 Escria cida;
V= 1 Escria neutra;
1< V < 2 Escria semibsica;
V > 2 Escria bsica.
-
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Para as escrias silicatadas: Voxidos basi
SiO
cos
2
Resumo
Nesta aula tratamos sobre a escria, desde sua formao, tipos at a funo nos
processos metalrgicos de extrao. Tambm mostramos como determinar sua
natureza qumica, ou seja, a basicidade.
Caro(a) estudante. Finalizamos mais uma aula. Faa uma reflexo sobre o que conseguiu melhor assimilar sobre as questes aqui oferecidas sua aprendizagem. Ao realizar o exerccio proposto, poder perceber o que gera dificuldade e o que foi facilmente incorporado no seu conhecimento. Releia os pontos que mais trouxeram dvida para voc e compartilhe com seus colegas os momentos que aprendeu.Prepare-se para estudar fundentes, assunto da nossa prxima aula.
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51
Caro(a) estudante.
Separar os metais de suas impurezas muito importante pois quanto mais
puro, melhor ser o metal. Nesta aula iremos demonstrar como isso se processa
e voc poder verificar que o fundente o facilitador da remoo das impurezas.
5.1 Generalidades
Nos processos pirometalrgicos de obteno dos metais, as temperaturas
de trabalho so elevadas, o que requer uso de combustvel. Conseguir minimizar
o gasto de combustvel uma das maneiras de otimizar economicamente o
processo. Trabalhar na temperatura mais baixa possvel uma maneira no s de
economizar combustvel como tambm de evitar a reduo das substncias que
constituem a ganga. Entretanto, os compostos da ganga possuem, em geral,
pontos de fuso elevados.
Substncias que reagem com a ganga e formam compostos de ponto de
fuso inferior ao dos reagentes que lhes deram origem so denominadas de
fundentes.
Por definio, fundentes so substncias utilizadas nos processos
pirometalrgicos para, mediante fuso gnea, tornar a ganga do minrio mais
fusvel em temperatura mais conveniente para a separao do metal.
Alm de escorificar a ganga, ou seja, reagir com esta para transform-la
em material mais facilmente separvel do metal, o fundente tambm escorifica as
cinzas do combustvel e as impurezas do metal na etapa de refino.
A escolha do fundente exige conhecimento prvio da composio e das
propriedades do minrio e de sua ganga. A neutralizao dos xidos cidos da
ganga ser feita pela adio de fundente bsico, assim como o fundente cido
neutralizar os xidos bsicos.
Objetivo
Apontar os materiais que possibilitam a remoo das impurezas das
matrias-primas usadas nos processos metalrgicos.
Aula 5 Fundentes
-
52
5.2 Classificao dos fundentes
Para falarmos sobre a classificao dos fundentes, tomamos como base os
conceitos de Silva (1979), que nos aponta que de acordo com sua composio os
fundentes classificam-se em fundente cido, fundente bsico e fundente neutro.
Fundentes cidos: so aqueles que se compem basicamente de slica.
Deste modo so utilizados como fundentes cidos o quartzo, quartzito, argila e
areia silicosa, sendo esta o principal fundente das gangas bsicas;
Quartzo Calcrio
Fundentes bsicos: os principais fundentes de gangas cidas so:
Calcrio (CaCO3), usado na fuso de minrio de Pb e de Cu; o principal
fundente das gangas cidas;
Cal (CaO), usado em aciaria a oxignio;
Dolomita (MgCO3.CaCO3), usado em alto-forno;
Criolita (3NaF.AlF3) um fundente da alumina, usado na extrao de
alumnio;
Oxidos de Fe (Fe2O3 e Fe3O4), usado na fuso de Pb, Cu e, algumas vezes,
Ag.
Dolomita Fluorita
-
53
Fundentes Neutros: estes fundentes so utilizados para modificar as
propriedades da escria a exemplo da fluorita (CaF2), que usada para aumentar
a fluidez.
5.3 Preparao do Fundente
Para ser utilizado como fundente o material deve ser submetido a:
Secagem ao ar;
Britagem;
Peneiramento.
A granulometria (medida dos grnulos) das partculas de vital importncia,
pois ela vai influenciar no rendimento e na velocidade da reao de escorificao.
Resumo
Nesta aula verificamos o que um fundente, qual sua funo nos processos
metalrgicos, ou seja, so substncias facilitadoras na remoo das impurezas.
Aprendemos tambm como esto classificados levando em conta seu carter
qumico, bem como sua preparao para serem utilizado
Agora que voc j reconheceu os fundentes e pde verificar que so pontos
relevantes para remoo das impurezas dos minrios acredito que est apto a
efetuar as atividades de aprendizagem propostas.
Prezado(a estudante)
Caminhamos muito at o final desta aula e realizar as atividades com xito
reflexo dos seus estudos. Caso tenha sentido dificuldade em compreender algum
tpico, volte ao incio da aula e releia as informaes que esto disponveis no
caderno. Bom trabalho! Vamos para a prxima aula na qual o tema ser
refratrios.
-
54
.
Caro(a) estudante.
Esta a penltima aula da disciplina e um grande nmero de informaes
j foram passadas no contedo visto. Mas preciso continuar pois o que vir
tambm relevante para a sua capacitao. Evitar que o calor do interior dos
fornos se perca para o meio ambiente muito importante, pois alm de manter a
temperatura necessria ao processo tem-se economia de combustvel. Isso
conseguido com a utilizao de revestimento cermico chamado de refratrio. O
estudo desse material ser abordado nessa aula.
6.1 Generalidades
Os materiais que ficam expostos a altas temperaturas, lquidos e gases
corrosivos e correntes de gases quentes e assim protegem os equipamentos
usados nos processos piro e eletrometalrgicos so chamados de refratrios.
Segundo a ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas), materiais
ou produtos refratrios so materiais naturais ou artificiais, geralmente no
metlicos, mas no excludos aqueles que contenham constituintes metlicos,
capazes de suportar temperaturas elevadas em condies especficas de
emprego sem se deformarem.
Para que o material possa ser considerado refratrio, deve resistir a pelo
menos 1.435C sem se deformar.
Na metalurgia, o refratrio o material que nos fornos atua como isolante
trmico, protege as estruturas da ao da temperatura e presso, dos lquidos e
Aula 6 Refratrios
Objetivos
- Conceituar os refratrios;
- Identificar as propriedades que caracterizam o refratrio e a sua aplicao na metalurgia. - Listar a composio do refratrio
-
55
gases corrosivos e, em casos especiais, como os das coquerias, atua como
condutor de calor.
Refratrios
Fonte :http://www.scandelari.ind.br
6.2 Propriedades Gerais
Para entendermos melhor sobre as propriedades gerais vamos tomar como
princpio os estudos de Cottrell (1975) e Silva (1979). Eles nos indicam que a
escolha do refratrio deve levar em considerao as seguintes propriedades:
a) Resistncia s altas temperaturas: a capacidade do refratrio resistir a
esforos em altas temperaturas est relacionada com a temperatura de
amolecimento e fuso.
A fuso da maioria dos materiais refratrios ocorre de forma gradual. O ponto em
que surge a fase lquida denominado de temperatura de amolecimento.
Dependendo da viscosidade desta fase lquida e da cristalizao da fase slida
presente, o material pode ou no continuar desempenhando sua funo de
refratrio, sem perigo de colapso. A temperatura de amolecimento determinada
no teste de refratariedade sob carga enquanto a de fuso determinada mediante
o uso dos cones piromtricos Seger.
b) Resistncia ao ataque qumico: os componentes dos refratrios em contato
com os xidos do processo podem com estes reagir e produzir substncias de
menor refratariedade que se destacam do corpo refratrio ocorrendo, assim, sua
destruio. Ou seja, o refratrio no deve reagir com o material envolvido no
processo;
-
56
c) Resistncia esfoliao: esfoliao o fenmeno segundo o qual as
camadas do refratrio so destrudas e novas camadas vo sendo expostas e
sucessivamente consumidas. Pode ser de origem trmica, mecnica e qumica.
A esfoliao trmica causa o aparecimento de fendas nos tijolos e provocada
pelo choque trmico que por sua vez provoca as sucessivas expanses e
contraes que levam ao desprendimento das camadas superficiais do refratrio.
A esfoliao mecnica resultante de pancadas recebidas durante o transporte,
carregamento, raspagem de escrias e outros procedimentos sem o devido
cuidado.
A esfoliao qumica resulta do ataque de escria, gases, e etc.
A esfoliao, de qualquer origem, deve ser minimizada.
d) Expanso e variao de volume: a variao nas dimenses do refratrio
deve ser a menor possvel para evitar a deformao e at a destruio do forno
nas fases de aquecimento.
e) Porosidade: a quantidade de vazios ou poros, assim como seus tamanhos e
distribuio influem em outras propriedades.
A relao entre o volume de poros abertos (comunicam-se com o exterior) e o
volume total do tijolo chamada porosidade aparente. Quanto maior esta
porosidade, maior o ataque qumico pelas escrias e gases.
A percentagem de todos os vazios no refratrio a porosidade total. A resistncia
a frio, capacidade calorfica, condutibilidade trmica, etc. diminuem com o
aumento da porosidade; os refratrios isolantes apresentam porosidade bastante
alta (60 a 80% de vazios) e so fabricados juntamente com serragens, cortia,
que quando queimados, deixam vazios.
f) Permeabilidade: indica a maior ou menor tendncia dos lquidos e gases se
difundirem atravs do refratrio. E quanto maior o nmero de poros conectados
entre si, modo a formar canais, maior ser a permeabilidade. O refratrio pode ser
destrudo se permitir grande difuso de lquidos e gases, ou seja, se tiver alta
permeabilidade.
-
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g) Densidade aparente e densidade absoluta: quanto maior a densidade
aparente (massa do tijolo/ volume), maior a resistncia, a estabilidade volumtrica
e a resistncia ao ataque da escria. A densidade absoluta a densidade do
material que constitui o refratrio e pode indicar o grau de transformao do
material.
h) Condutibilidade trmica: a propriedade usada na determinao de perdas
de calor pelos revestimentos para o meio ambiente. Sofre influncia da resistncia
do material ao choque trmico e da capacidade trmica de transmisso de calor
do refratrio, e varia com a temperatura. Por definio, o coeficiente de
condutibilidade trmica a quantidade de calor que passa por unidade de
superfcie para uma diferena de temperatura de um grau centgrado, expresso
em Kcal/m2 h 0C/m. Em geral, os refratrios devem ter baixa condutibilidade
trmica para diminuir as perdas de calor atravs das paredes do equipamento.
Em alguns casos, a condutibilidade trmica deve ser alta como nos processos de
aquecimento atravs das paredes usados em retortas de coqueificao e em
muflas e nos empilhamentos de tijolos dos regeneradores de calor.
i) Condutibilidade eltrica: via de regra, os refratrios so isolantes. A exceo
para os refratrios usados em fornos eltricos que so de carbono na forma de
grafite (altamente refratrios e condutores eltricos), utilizados como eletrodo e no
revestimento destes fornos. Os refratrios com componentes metlicos tambm
so condutores.
j) Resistncia a frio: determinada em ensaio de compresso, o quociente
entre a carga total e a rea da seo. O refratrio, alm de resistir carga da
estrutura dos fornos, deve apresentar resistncia suficiente para no sofrer
quebras no transporte e manuseio.
l) Resistncia abraso: a propriedade mecnica que relaciona o desgaste
fsico superficial de um slido contra o outro. Nos refratrios a abraso
provocada por atrito da carga, poeiras, ao corrosiva dos gases e etc.
-
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A medida de cada uma das propriedades pode ser obtida atravs de testes de
qualidades encontrados em normas nacionais e internacionais, como: ABNT,
ASTM, ISO, etc.
Nos fornos usados em metalurgia, o material refratrio deve apresentar o
seguinte comportamento:
Suportar temperaturas de at 18000C;
Suportar mudanas bruscas de temperaturas, alm de ciclos bruscos de
aquecimento e resfriamento;
Ter resistncia a compresso (a frio e a quente);
Ter resistncia a abraso e ao impacto das partculas arrastadas;
Ter resistncia ao qumica das escrias, gases e poeiras arrastadas;
Possuir pequenos coeficientes de expanso.
Mesmo nos dias de hoje, no se encontram refratrios que possuam
propriedades para trabalhar sob a ao de muitas condies agressivas. Cada
tipo de material apresenta propriedades especficas prprias, com base nas quais
determinada uma esfera racional do campo de aplicao. Os chamados super-
refratrios so refratrios especificamente destinados para condies extremas
de temperatura e de meio.
6.3 Composio dos refratrios
Os refratrios industrial e comercialmente usados apresentam em suas
composies, com algumas excees, xidos minerais de altos pontos de fuso e
boa refratariedade, alm de impurezas que em geral prejudicam a refratariedade.
Grafite, carbeto de silcio e alguns metais so tambm matria-prima para a
fabricao de refratrios.
Os principais xidos utilizados so: xAl2O3.ySiO2 , Al2O3, SiO2, CaO, MgO,
FeO.Cr2O3, ZrO, V2O5, etc. Dentre estes, somente o SiO2, Al2O3 e o MgO so
suficientemente fortes para serem utilizados de forma pura, ou seja, sem
misturas. Dos demais xidos so feitas misturas.
-
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Resumo
Nesta aula mostramos o que um refra