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Estudo Energético de Processos de Fabrico na Indústria da

Pedra Natural

Pedro Duarte Teixeira Pereira

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Orientadores: Prof. António Luís Nobre Moreira

Prof. Pedro Miguel Gomes Abrunhosa Amaral

Júri

Presidente: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis

Orientador: Prof. Pedro Miguel Gomes Abrunhosa Amaral

Vogal: Prof. Edgar Caetano Fernandes

Novembro 2018

i

Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaria de agradecer a todas as entidades envolvidas no programa Galp 21 (Instituto

Superior Técnico, Galp Energias e Assimagra), no qual tive o prazer de participar e de conseguir

integrar na minha tese de mestrado.

Agradeço aos meus orientadores académicos, Professor Pedro Amaral e Professor António Moreira,

pelo constante apoio nas mais variadas vertentes ao longo de todo o semestre, o que foi determinante

para a realização desta dissertação.

Muito obrigado a todos os colegas da Frontwave por todo o apoio, conhecimento e tempo que me

concederam durante todo o tempo que lá estive a trabalhar. Especial atenção ao meu orientador na

empresa, o Engenheiro Adriano Coelho, pela constante orientação no trabalho e também aos

engenheiros Nuno Reis, Victor Costa e João Vital.

Agradeço também a todos os trabalhadores da empresa Mármores Galrão pelo acompanhamento e

disponibilidade durante toda a auditoria e posteriores idas à fábrica.

Um obrigado ao Rui Pereira e ao Sören Friedrichs do campus sustentável pela disponibilidade mostrada

e pelo empréstimo do analisador de energia elétrica.

Quero deixar um agradecimento especial a toda a minha família, principalmente aos meus pais e irmão.

Agradeço também a todos os meus amigos que me acompanharam nesta etapa académica. Por fim,

deixo um obrigado muito especial à Margarida por me ter acompanhado diariamente e por trazer alegria

mesmo nos momentos mais difíceis.

ii

Resumo

Nas últimas décadas, verificou-se uma maior consciencialização ecológica como resultado de um

crescimento, não só do consumo de energia, mas também do preço de combustíveis fósseis. O

presente trabalho tem como objetivo caracterizar o consumo energético na área transformativa do

sector da pedra natural, de forma a encontrar medidas que possam contribuir para a racionalização de

energia.

Numa primeira parte da dissertação é realizado um estudo de otimização dos parâmetros operativos

de uma máquina de corte típica deste sector industrial. Através de uma metodologia de ensaios, onde

foram registados o consumo de energia da máquina e o desgaste da ferramenta utilizada, conclui-se

ser possível chegar a uma poupança acumulada de cerca de 15%.

Na segunda metade do trabalho é realizado um caso de estudo numa empresa representativa da cadeia

de processamento de pedra natural. Neste estudo foi possível identificar que o processo produtivo é

responsável por aproximadamente 50% do consumo total de energia primária da empresa e, por isso,

esta será o foco desta parte do trabalho. Através da realização de uma auditoria aos processos da

principal linha de produção da fábrica foi possível identificar quatro medidas de eficiência energética,

as quais não contêm quaisquer investimentos associados. Estas, se aplicadas, resultariam numa

poupança de energia primária na ordem dos 20,7 tep, correspondendo a 5,1% do consumo total, e

numa poupança económica de cerca de 21 910 €, 10,2% dos gastos anuais associados a energia

elétrica.

Palavras-chave: Eficiência Energética, Poupança de Energia, Parâmetros Operativos, Processo

Produtivo.

iii

Abstract

For the last few decades, an ecological consciousness has been developed due to the increase, not

only of the energy consumption, but also of the price of fossil fuels. The present work aims to

characterize the energy consumption in the transformative area of the natural stone sector to find energy

saving measures.

In the first part of the present dissertation a study is developed to find the optimal operating parameters

of a stone cutting machine. Going through a test procedure, where the energy consumption of the

machine and the wear of the utilized tool were recorded, it was possible to achieve overall savings of

about 15%.

In the second half of the present thesis a case study is carried out in a representative natural stone

processing factory. In this study it is identified that the production process is responsible for

approximately 50% of the total primary energy consumption of the company and, therefore, it will be the

focus of this part of the work. By conducting an energy audit on the plant's main production line, it was

possible to identify four energy efficiency measures, without any associated investments. These

measures, if applied, would result in a primary energy savings of around 20.7 toe (tons of oil equivalent),

corresponding to 5.1% of the total consumption, and economic savings of 21 910 €, about 10.2% of the

annual energy related costs.

Keywords: Energy Efficiency, Energy Savings, Operating Parameters, Production Process.

iv

Índice

Agradecimentos .........................................................................................................................................i

Resumo .................................................................................................................................................... ii

Abstract.................................................................................................................................................... iii

Índice ....................................................................................................................................................... iv

Índice de Figuras ..................................................................................................................................... vi

Índice de Tabelas .................................................................................................................................... ix

Lista de Abreviaturas ............................................................................................................................... xi

1. Introdução ........................................................................................................................................ 1

1.1. Enquadramento e Motivação ................................................................................................... 1

1.2. Objetivo .................................................................................................................................... 4

1.3. Frontwave: Avaliação inicial de processos de corte ............................................................... 5

1.4. Mármores Galrão: Diagnóstico inicial da linha fabril ............................................................... 6

1.5. Estrutura do Documento ........................................................................................................ 10

2. Revisão Bibliográfica ...................................................................................................................... 13

2.1. Panorama Nacional do Sector da Pedra Natural .................................................................. 13

2.2. Principais Processos Produtivos ........................................................................................... 14

2.3. Processo Abrasivo ................................................................................................................. 22

2.3.1. Desgaste Abrasivo......................................................................................................... 23

2.3.2. Contacto abrasivo .......................................................................................................... 25

3. Ensaios de Desgaste da Ferramenta versus Energia ................................................................... 31

3.1. Equipamentos de Medição Utilizados ................................................................................... 31

3.1.1. Medição de Energia Elétrica .......................................................................................... 31

3.1.2. Medição do Desgaste da Ferramenta ........................................................................... 32

3.1.3. Medição das Forças Presentes no Corte ...................................................................... 35

3.2. Testes Preliminares ............................................................................................................... 36

3.3. Descrição da Metodologia de Ensaio .................................................................................... 38

3.3.1. Parâmetros Operativos .................................................................................................. 38

3.3.2. Pedra Natural ................................................................................................................. 39

v

3.3.3. Ferramenta de Corte ..................................................................................................... 40

3.3.4. Procedimento de Ensaio ............................................................................................... 40

3.4. Resultados ............................................................................................................................. 41

3.4.1. Desgaste na Ferramenta ............................................................................................... 42

3.4.2. Consumo de Energia Elétrica ........................................................................................ 44

4. Caso de Estudo: Mármores Galrão ................................................................................................ 47

4.1. Processos Produtivos ............................................................................................................ 47

4.1.1. Engenhos Multi-lâmina .................................................................................................. 48

4.1.2. Comparação dos Engenhos Multi-lâmina ..................................................................... 57

4.1.3. Polidoras ........................................................................................................................ 60

4.1.4. Comparação das Polidoras ........................................................................................... 62

4.1.5. Máquinas de Corte CNC 1 e CNC 2 ............................................................................. 62

4.1.6. Mono-lâmina .................................................................................................................. 65

4.1.7. Comparação da Mono-lâmina com o Mono-fio ............................................................. 67

4.2. Medidas e Resultados ........................................................................................................... 69

4.2.1. Definição de uma Rota Ótima ....................................................................................... 69

4.2.2. Planeamento do Processamento dos Engenhos Multi-lâmina ...................................... 71

4.2.3. Otimização do Sistema de Controlo das Polidoras ....................................................... 72

4.2.4. Extrapolação dos Ensaios de Desgaste da Ferramenta versus Energia ...................... 73

5. Conclusões ..................................................................................................................................... 75

5.1. Trabalho Futuro ..................................................................................................................... 76

6. Referências .................................................................................................................................... 78

ANEXOS ................................................................................................................................................... I

vi

Índice de Figuras

Figura 1- Dependência Energética em Portugal [1] ................................................................................ 1

Figura 2- Produção de Eletricidade em Portugal, primeiro trimestre 2018 [3] ........................................ 2

Figura 3 - Evolução da Mix da Produção de Eletricidade em Portugal [3] .............................................. 2

Figura 4 - Consumo de energia por setor de atividade em 2015 [9] ....................................................... 4

Figura 5 - Máquina-ferramenta de corte por disco .................................................................................. 6

Figura 6 - Representação de uma chapa, bandas e ladrilhos, respetivamente ...................................... 6

Figura 7 - Esquema dos principais processos analisados ...................................................................... 7

Figura 8 - Distribuição do consumo de energia primária por forma de energia ...................................... 9

Figura 9 - Desagregação do consumo de energia ................................................................................ 10

Figura 10 - Recursos geológicos em Portugal [15] ............................................................................... 13

Figura 11 - Exportações e Importações de rochas ornamentais portuguesas [18] .............................. 14

Figura 12 - Exemplo de um equipamento mono-lâmina ....................................................................... 15

Figura 13 - Exemplo de um engenho multi-lâmina ............................................................................... 16

Figura 14 - Esquerda: exemplo de um equipamento mono-fio; direita: representação de um fio

diamantado ............................................................................................................................................ 18

Figura 15 - Exemplo de um equipamento multi-fio ............................................................................... 19

Figura 16 - Esquema de funcionamento de uma polidora .................................................................... 20

Figura 17 - Exemplo de uma polidora de chapas de pedra .................................................................. 20

Figura 18 - Exemplo de uma máquina de corte multi-discos ................................................................ 22

Figura 19 - Desbaste Abrasivo a dois e três corpos, respetivamente [26] ........................................... 23

Figura 20 - Mecanismos presentes no Desgaste Abrasivo [27] ............................................................ 24

Figura 21 - Modelo de Desgaste Abrasivo com uma Partícula Cónica [27] ......................................... 25

Figura 22 - Parâmetros operativos que influenciam o corte [32] .......................................................... 26

vii

Figura 23 - Representação de um rasgo produzido por uma ferramenta circular [32] ......................... 27

Figura 24 - Forças envolvidas no processo de corte com uma ferramenta circular [33] ...................... 28

Figura 25 - Analisador de energia montado no quadro da máquina ..................................................... 31

Figura 26 - Ligação do equipamento de medição [38] .......................................................................... 32

Figura 27 – Esquerda: Sensor laser Omron [39]; Direita: Representação da estrutura contruída ....... 33

Figura 28 - Interface para configuração e aquisição das medições do sensor laser ............................ 33

Figura 29 - Representação dos outputs da análise de um dente ......................................................... 34

Figura 30 - Representação das medições ao longo da ferramenta utilizada ........................................ 34

Figura 31 - Pormenor do espaçamento entre segmentos de corte ...................................................... 35

Figura 32 - Célula de carga utilizada para a monitorização da força [40] ............................................. 35

Figura 33 – Perfil de potência dos rasgos com diferentes parâmetros operativos e identificação de dois

rasgos específicos ................................................................................................................................. 36

Figura 34 - Representação do perfil de potência de um rasgo (exemplo) e das diferentes fases desse

............................................................................................................................................................... 37

Figura 35 - Representação do granito testado ...................................................................................... 39

Figura 36 - Disco utilizado nos ensaios e pormenor de um segmento ................................................. 40

Figura 37 - Representação detalhada do ciclo descrito ........................................................................ 41

Figura 38 - Desgaste na ferramenta para as duas velocidades estudadas .......................................... 43

Figura 39 - Forças resultantes para as diferentes velocidades estudadas ao longo dos vários rasgos

............................................................................................................................................................... 44

Figura 40 – Perfil de potência das duas velocidades estudadas .......................................................... 45

Figura 41 - Desagregação do consumo pelos processos produtivos estudados ................................. 47

Figura 42 - Perfil de potência do engenho 1 ......................................................................................... 50



viii




Figura 48 - Comparação entre os engenhos medidos .......................................................................... 58

Figura 49 - Relação entre a potência absorvida e o comprimento de contacto.................................... 59

Figura 50 - Perfis de potência observados em ambas as partes da polidora 1 .................................... 61

Figura 51 - Perfil de potência para a polidora 2 .................................................................................... 61

Figura 52 – Máquinas de corte CNC 1 (à esquerda) e CNC 2 (à direita) ............................................. 63

Figura 53 - Perfil de potência da máquina de corte CNC 1 .................................................................. 64

Figura 54 - Perfil de potência da máquina de corte CNC 2 .................................................................. 65

Figura 55 - Perfil de potência da mono-lâmina ..................................................................................... 66

Figura 56 - Consumo relativo dos engenhos multi-lâmina .................................................................... 70

ix

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Fatores de conversão para energia primária por fonte de energia [13]................................. 9

Tabela 2 - Consumo de energia primária e emissões de CO2 nas instalações da empresa .................. 9

Tabela 3 - Principais características dos equipamentos mono-lâmina [19] .......................................... 15

Tabela 4 - Principais características dos equipamentos multi-lâmina [19] ........................................... 17

Tabela 5 - Principais características de um equipamento mono-fio [19] .............................................. 18

Tabela 6 - Principais características dos equipamentos multi-fio [19] .................................................. 18

Tabela 7 - Principais características das polidoras [19] ........................................................................ 21

Tabela 8 - Principais características para o processo de corte [19] ..................................................... 21

Tabela 9 - Especificação dos parâmetros para os dois cortes selecionados ....................................... 37

Tabela 10 - Parâmetros operativos utilizados no ensaio ...................................................................... 38

Tabela 11 - Composição do granito utilizado [41] ................................................................................. 39

Tabela 12 - Exemplo de cálculo realizado para contabilizar o desgaste .............................................. 42

Tabela 13 - Desgaste por metro quadrado cortado .............................................................................. 44

Tabela 14 – Consumo de energia por metro quadrado ........................................................................ 45

Tabela 15 - Dimensões máximas de processamento de matéria prima ............................................... 48

Tabela 16 - Características dos motores principais dos engenhos multi-lâmina .................................. 49

Tabela 17 - Dados relativos ao ensaio no engenho 1 ........................................................................... 50

Tabela 18 – Dados relativos ao ensaio no engenho 2 .......................................................................... 51


Tabela 20 – Dados relativos ao ensaio no engenho 4 .......................................................................... 54



x

Tabela 23 - Caraterísticas para comparação dos engenhos estudados .............................................. 58

Tabela 24 - Dados relativos ao ensaio na CNC 1 ................................................................................. 63

Tabela 25 - Dados relativos ao ensaio na CNC 2 ................................................................................. 64

Tabela 26 - Dados relativos ao ensaio na mono-lâmina ....................................................................... 67

Tabela 27 - Dados relativos ao ensaio no mono-fio .............................................................................. 68

Tabela 28 - Resumo das medidas de melhoria encontradas ................................................................ 76

xi

Lista de Abreviaturas

µm – Micrómetros

CE – Consumo Específico de Energia

CIE – Consumidoras Intensivas de Energia

CNC – Controlo Numérico Computacional

DGEG – Direção Geral de Energia e Geologia

ENE – Estratégia Nacional para a Energia

GEE – Gases de Efeito de Estufa

h - Hora

IC – Intensidade Carbónica

IE – Intensidade Energética

J - Joule

k - Kilo

l – Litros

mm – Milímetros

ms – Milissegundos

PREn - Plano de Racionalização dos Consumos

de Energia

PRI – Período de Retorno do Investimento

rpm – Rotações por Minuto

s – Segundos

SGCIE – Sistema de Gestão dos Consumos

Intensivos de Energia

tep – Tonelada Equivalente de Petróleo

W – Watt

1

1. Introdução

1.1. Enquadramento e Motivação

Portugal é um país que apresenta uma grande escassez em recursos fósseis tais como petróleo, carvão

e gás natural, que são os principais responsáveis pela satisfação das necessidades energéticas do

país, resultando numa elevada dependência energética exterior (74,8% em 2016). Tal situação conduz

a uma necessidade constante de aumentar o contributo das energias renováveis, fazendo diminuir o

consumo destes recursos fósseis a nível nacional [1].

Figura 1- Dependência Energética em Portugal [1]

Observando a Figura 1, é possível verificar a tendência decrescente da dependência energética. No

entanto, este valor encontra-se bastante acima da média europeia (53,6%) [2]. Este decréscimo ao

longo da última década deve-se principalmente ao aumento da produção doméstica com base nas

energias renováveis, que representam atualmente uma grande parte da produção em Portugal. No

primeiro trimestre de 2018, esta produção atingiu o valor de 62,1% (9,382 GWh), como pode ser

verificado na Figura 2.

2

Figura 2- Produção de Eletricidade em Portugal, primeiro trimestre 2018 [3]

Apesar da produção de energia elétrica por fontes renováveis ser altamente influenciada pelas

condições atmosféricas, esta é uma forma de produção não poluente para a atmosfera e solos e recorre

a fontes inesgotáveis. Tendo as condições atmosféricas um papel crucial, é também necessária a

produção por fontes não renováveis, garantindo a satisfação das necessidades energéticas do país.

No entanto, esta produção não renovável tem um grande impacto nas condições ambientais, uma vez

que são emitidos gases de efeito de estufa (GEE), os principais responsáveis por um aumento da

temperatura global e graves alterações climatéricas. É então expectável que a produção por vias

renováveis continue a aumentar e a seguir a tendência já observada nos últimos anos.

Figura 3 - Evolução da Mix da Produção de Eletricidade em Portugal [3]

3

Através da observação da Figura 3 é possível perceber a evolução da produção de energia elétrica nos

últimos 17 anos, a nível nacional. É detetável um grande aumento na produção de energias verdes

devido a um importante contributo das centrais eólicas, que continuam a ser alvo de investimentos nos

dias que correm. Apesar do forte crescimento que Portugal tem tido na produção e uso de energias

renováveis, ainda há um longo percurso a percorrer para conseguir satisfazer as metas energéticas

impostas a nível nacional e internacional.

Devido ao grande crescimento no consumo energético mundial ao longo dos tempos e, um enorme uso

de fontes não renováveis para satisfazer esse consumo, começou a surgir, no final do passado século,

a necessidade de se estabelecer um controlo às formas de produção e à emissão de GEE.

Em dezembro de 1997 surge e é negociada a primeira medida para limitar as emissões de GEE, o

protocolo de Kyoto. O objetivo deste protocolo seria atingir uma redução de, pelo menos, 5,2% das

emissões desses gases no período de 2008-2012 (primeiro período de compromisso), relativamente

aos valores de 1990. Por virtude da grande dependência de recursos fósseis nem todos os assinantes

cumpriram as metas estabelecidas. Em 2013 começou o segundo período de compromisso, que tem

como objetivo a redução das emissões em, pelo menos, 18% dos resultados de 1990, até 2020 [4].

Por parte da Comissão Europeia, com o intuito de aumentar a eficiência energética e reduzir as

emissões na zona euro, surge a iniciativa 20-20-20. Esta iniciativa tem três objetivos até ao ano de

2020. São eles: reduzir em 20% as emissões de GEE (mais uma vez relativas aos valores de 1990),

conseguir que 20% do consumo na Europa tenha origem em fontes renováveis e, por último que a

eficiência energética tenha um aumento de 20% [5].

Em Portugal, não só de forma a cumprir os objetivos acima descritos, mas também no sentido de reduzir

a dependência energética é aprovada, em Abril de 2010, a Estratégia Nacional para a Energia (ENE

2020) [6]. Com esta estratégia pretende-se o crescimento financeiro e da independência energética por

parte do país, através de maior aposta nas energias renováveis, aumento da eficiência energética e

sustentabilidade económica e ambiental. Detalhadamente, os principais objetivos do ENE 2020 são, a

diminuição da dependência energética para 74%, cumprir os objetivos do programa 20-20-20, reduzir

o saldo importador energético, melhorar o Cluster das energias renováveis em Portugal, criando cerca

de 100 mil novos postos de trabalho, promover o desenvolvimento sustentável e, por fim, continuar a

promover a eficiência energética [7].

Ainda a nível nacional, no âmbito da ENE, foi publicado um Decreto-Lei que regulamenta o Sistema de

Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE). Este sistema tem como objetivo traçar medidas

reguladoras para as instalações Consumidoras Intensivas de Energia (CIE) tendo em vista o aumento

da sua eficiência energética. São consideradas todas as instalações com um consumo anual superior

a 500 tep. As metas definidas pelo SGCIE propõem uma diminuição de, no mínimo, 6% do consumo

específico de energia (CE) e da intensidade energética (IE) para CIE superiores a 1000 tep, no prazo

4

de 8 anos. Para CIE entre 500 e 1000 tep, uma diminuição de 4% dos mesmos indicadores, também

em 8 anos. Propõem ainda que os valores de intensidade carbónica (IC), no mínimo, se mantenham

[8].

De acordo com os dados da Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG), para Portugal no ano de

2015, o consumo de energia no setor industrial representa cerca de 31% do consumo total nacional (22

059 570 tep) [9]. Este setor é, então, responsável pelo consumo de grande parte da energia do país.

Como tal, é importante que exista uma mentalidade focada na melhoria da eficiência energética e da

gestão de energias.

Figura 4 - Consumo de energia por setor de atividade em 2015 [9]

Em 2007 a Galp Energia cria o programa Galp 20-20-20, agora designado por Galp 21, que tem o

objetivo de atribuir a 21 bolseiros a oportunidade de investigar e desenvolver medidas de gestão de

energia junto de 21 entidades clientes da Galp Energia [10]. É nesse sentido que surge esta

dissertação, direcionada para a gestão de energia na indústria, de forma a cumprir todas as metas

propostas nacional e internacionalmente. Muitas medidas já têm sido implementadas, contudo, existe

ainda um longo caminho que pode ser percorrido.

1.2. Objetivo

A Assimagra (Associação Portuguesa dos Industriais dos Mármores, Granitos e Ramos Afins) definiu

recentemente uma estratégia que visa a caracterização do impacto energético associado às empresa

de processamento de pedra natural. Dentro das ações em curso, foi realizado um acordo com a Galp

Energia (dentro do programa Galp 21) que permite a realização de um estudo para caracterizar e

apresentar soluções que visem a melhoria da eficiência energética no processamento industrial neste

sector.

5

De modo a ser possível atingir este objetivo, foi realizado em primeiro lugar, um estudo junto da

empresa Frontwave S.A. de forma a encontrar uma metodologia de análise energética de um processo

de corte, o qual tem como intuito ser representativo para todo o setor da pedra natural. Esta

metodologia, que relaciona o desgaste de uma ferramenta de corte com a energia consumida pela

máquina-ferramenta, foi direcionada, no presente trabalho, para a fase de processamento

(transformação) da pedra, e não tanto para as fases de extração desse material. Contudo, será possível

utilizar os princípios desta metodologia para realizar uma conexão entre ambas as realidades

mencionadas (extração e transformação), e obter regimes de corte ótimos do ponto de vista do

desgaste numa ferramenta versus a energia consumida pelo equipamento.

Na segunda parte deste trabalho é efetuada uma análise à linha de produção da Empresa Mármores

Galrão S.A., do Grupo Galrão, com o objetivo de apresentar e implementar medidas de racionalização

de energia, as quais não devem interferir na produtividade da mesma. Entre as medidas a implementar,

prevê-se a aplicação da metodologia de análise energética acima referida, de forma a extrapolar as

possíveis poupanças ao nível dos processos de corte. Nas suas instalações, situadas em Pêro Pinheiro,

Sintra, a empresa em questão processa uma grande quantidade e qualidade de pedras

(maioritariamente naturais), obtendo os mais variados produtos daí provenientes.

Segundo o seu website, a missão da Assimagra é: “Contribuir para o desenvolvimento tecnológico e

económico do setor. Intervir de uma forma consolidada e estruturada junto dos organismos oficiais, em

defesa e representação do setor…” [11]. Assim, os objetivos acima traçados vão de encontro aos desta

entidade cliente da Galp, relativamente aos quais este trabalho se enquadra.

1.3. Frontwave: Avaliação inicial de processos de corte

A Frontwave, cujas instalações se encontram também em Pêro Pinheiro, Sintra, é uma Spin-Off do IST

que atua no setor da pedra natural e materiais afins. Esta dedica-se ao projeto, desenvolvimento e

implementação de produtos e tecnologias de produção de forma a obter soluções inovadoras e que

proporcionem valor a este mercado.

Apesar de não se dedicar à produção, a empresa possui alguns equipamentos de processamento nas

suas instalações. São maioritariamente utilizados para investigação e testes que a empresa faz. Para

a realização da primeira parte desta dissertação foi disponibilizada uma máquina-ferramenta utilizada

para corte ou desbaste. Esta máquina produz cortes utilizando um disco como ferramenta, tem um

modo manual e um modo automático, sendo que para os ensaios realizados esta foi controlada em

modo automático, utilizando uma interface já desenvolvida. Esta particularidade facilitou bastante no

decorrer dos testes uma vez que a relação homem-máquina não necessita de ser contínua.

6

Figura 5 - Máquina-ferramenta de corte por disco

Como pode ser observado na Figura 5, esta é uma máquina muito simples de 3 eixos (x, y e z). Não

obstante, a mesma serviu como base ao estudo, uma vez que o tipo de corte por ela produzido

encontra-se bastante presente na área de produção deste setor, nomeadamente no corte de chapas

de pedra em bandas e/ou ladrilhos e ainda no corte por medida.

Figura 6 - Representação de uma chapa, bandas e ladrilhos, respetivamente

1.4. Mármores Galrão: Diagnóstico inicial da linha fabril

De acordo com a informação disponibilizada no seu website, o Grupo Galrão, “Fundado em 1955, é

hoje uma das referências portuguesas e internacionais na extração, transformação e comercialização

de pedra natural. Através das colossais pedreiras de Estremoz e da Fonte da Moura, é assegurada

uma capacidade produtiva anual de perto de 7000 m3, de mais de uma dezena de mármores de

diferentes matizes e colorações, todos de qualidade superior. Mármores exportados para todos os

7

continentes e apreciados em todo o mundo, seja na forma de blocos, seja na forma de chapas ou

ladrilhos, seja ainda como peças com corte à medida” [12].

O Grupo Galrão contém vários pontos de operação, no entanto, como visto anteriormente, é nas

instalações de Pêro Pinheiro, na Mármores Galrão, que se desenvolve este estudo. Como o próprio

nome indica, esta fábrica dedica-se maioritariamente ao processamento de mármores, contudo,

também trabalha com outros tipos de pedra semelhantes a esse material.

Nas suas instalações podem ser encontradas diversas estações de trabalho entregues ao

processamento de pedra natural, tendo sido consideradas para este estudo aquelas que, à partida, se

sabia que eram responsáveis por uma maior proporção do consumo total da fábrica.

Figura 7 - Esquema dos principais processos analisados

Na perspetiva da linha de produção, na maior parte das vezes, a matéria prima que entra no processo

tem a forma de blocos de pedra, com dimensões variadas e provenientes de diversas pedreiras. O mais

comum é que esses blocos sejam extraídos de uma das duas pedreiras de mármore pertencentes ao

grupo, a pedreira de Fonte da Moura, situada em Vila Viçosa, e a de Estremoz.

Estes blocos, que se encontram armazenados nas áreas da fábrica reservadas para tal, aquando de

uma encomenda, são posicionados numa zorra que os leva até um dos sete engenhos multi-lâmina

destinados à serragem do mesmo. Estes têm a função de serrar a pedra em diversas chapas, valor que

depende da espessura das chapas e da dimensão do bloco, através das suas várias lâminas com

segmentos diamantados. Normalmente, os engenhos encontram-se com as suas lâminas com um

espaçamento de 20 ou 30 milímetros, no entanto, sempre que se justifica para trabalhos especiais, um

8

engenho é configurado com um espaçamento diferente e fica entregue a esse trabalho. É importante

referir que as chapas resultantes desta operação podem continuar na linha produtiva, mas também

podem ser vistas como produto final, tal como representado acima, na Figura 7.

Nos casos em que as chapas serradas nos engenhos continuam na linha de produção estas seguem

para as estações de tratamento da superfície. Presentes nas instalações estão duas polidoras que,

apesar de serem assim designadas, são capazes, não só de polir, mas também de calibrar, amaciar,

abujardar, entre outras. Desta etapa resultam chapas com um tratamento superficial, geralmente de

polimento, que, como acontecia anteriormente com as chapas saídas dos engenhos, podem ser

produto final ou continuar para a próxima etapa da linha produtiva.

Após as chapas terem recebido o tratamento superficial na etapa anterior podem seguir dois percursos.

Por um lado, podem seguir para a linha de bandas e ladrilho, onde são sujeitas a cortes longitudinais

e transversais, de forma a obter ladrilho com dimensões padrão. Por outro, seguir para as duas

máquinas ferramenta CNC, daqui em diante designadas por CNC 1 e CNC 2, onde as chapas serão

sujeitas a cortes por medida, respeitando os requisitos do trabalho solicitado pelo cliente, resultando o

produto final.

Apesar da linha acima descrita ser a principal linha de produção da fábrica em questão, esta possui

outros postos de processamento que, estando dedicados a trabalhos “especiais” não foram incluídos,

porém um desses postos será abordado adiante devido ao peso do seu consumo energético. Salienta-

se ainda que, por não representar grande consumo energético e devido ao tempo disponível para esta

dissertação, a linha de bandas e ladrilhos fica fora do estudo desenvolvido.

Quando existem encomendas que requeiram o corte de chapas com dimensões, principalmente de

espessura, muito diferentes do que é processado pelos engenhos multi-lâmina, é utilizado um

equipamento mono-lâmina. Por possuir apenas uma lâmina para executar o corte, este garante maior

liberdade no que toca à espessura da chapa, por exemplo 60 ou 70 milímetros, no entanto apresenta

uma produtividade extremamente inferior quando comparado aos engenhos descritos anteriormente.

Em 2015 a empresa apresentou um consumo de 508 tep, pelo que a sua fábrica passou a ser

considerada uma instalação consumidora intensiva de energia (consumo superior a 500 tep). Nesse

sentido, foi incluída no Plano de Racionalização dos Consumos de Energia (PREn) de forma a cumprir

com o Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia, já descrito anteriormente. Após

realizada a auditoria obrigatória, com o objetivo de caracterizar os consumos energéticos das

instalações em questão, ainda no âmbito do SGCIE, foi possível encontrar a distribuição destes

consumos por forma de energia e mesmo por sector/equipamento da fábrica.

A Tabela 1 apresenta os fatores de conversão de cada fonte de energia, utilizadas nestas instalações

para energia primária, bem como as emissões de dióxido de carbono associadas a essas.

9

Tabela 1 - Fatores de conversão para energia primária por fonte de energia [13]

Forma de Energia

Unidade

tep/unidade

𝑘𝑔𝐶𝑂2/tep

Energia Elétrica kWh 0,000215 2186,05

Gasóleo/Diesel t 1,009259 3099,39

Utilizando estes fatores de conversão é possível não só saber qual a quantidade de energia primária

utilizada pelas instalações em questão, mas também o peso que cada forma de energia tem nas

emissões de dióxido de carbono. Os valores são anuais e foram disponibilizados os valores referentes

a 2015 e 2017, como pode ser visto na Tabela 2.

Tabela 2 - Consumo de energia primária e emissões de CO2 nas instalações da empresa

2015 2017

Consumo de energia primária

(tep) 508,2 408,5

Emissões de dióxido de carbono (t)

1170,6

923,2

O consumo de energia primária sofreu no último ano uma descida relativa ao ano de 2015,

apresentando um valor de 408,5 tep, que se deve maioritariamente à diminuição da quantidade

produzida pela fábrica nesse mesmo ano. Neste período foram consumidas cerca de 33 toneladas de

Gasóleo (8%) e 1,75 GWh de Energia Elétrica (92%).

Figura 8 - Distribuição do consumo de energia primária por forma de energia

92%

8% Energia Elétrica

Gasóleo/Diesel

10

Por último, apresenta-se ainda a desagregação da energia consumida pela fábrica, tanto elétrica, como

na forma de diesel/gasóleo. É importante salientar que cerca de metade de todo este consumo se

encontra diretamente associado ao processo, ou seja, aos equipamentos que estão responsáveis pela

transformação da pedra natural. Os empilhadores são os únicos responsáveis pelo consumo de

gasóleo, o que pode ser concluído pela igual percentagem, respetiva a esse combustível, nas Figura 8

e Figura 9. E ainda, que o sistema de circulação de água, executado pelas bombas, tem um peso

relativamente grande (14%). Este sistema é muito importante no processamento da pedra natural, pois

confere limpeza e refrigeração. Sempre que algum equipamento se encontra em funcionamento a água

proveniente deste circuito fechado está presente, o que justifica o alto consumo observado.

Figura 9 - Desagregação do consumo de energia

1.5. Estrutura do Documento

A presente dissertação encontra-se dividida em cinco capítulos. No primeiro capítulo são apresentados

o enquadramento e objetivo deste trabalho, é também realizada uma pequena introdução ao estado da

energia nacional e quais as metas e obrigações que o país tem de cumprir. Ainda no primeiro capítulo,

são feitas duas abordagens. A primeira relativa ao estudo desenvolvido na empresa Frontwave, e a

segunda referente ao caso de estudo concretizado nas instalações da Mármores Galrão.

No segundo capítulo é realizada uma revisão teórica dos principais processos de fabrico na indústria

transformadora da pedra natural. É também revista a teoria associada ao processo abrasivo, que

representa o modo de remoção de material pelas ferramentas diamantadas, e que dará sustento aos

ensaios experimentais realizados no terceiro capítulo.

50%

14%

8%

7%

4%

17%

Processo

Bombas

Empilhadores (Gasóleo)

Ar Comprimido

Iluminação

Outros

11

O terceiro capítulo desta dissertação descreve pormenorizadamente os ensaios experimentais

realizados. Estes tiveram como objetivo perceber a relação existente entre o desgaste de uma

ferramenta circular de corte, ao processar uma pedra natural, e a energia consumida pela máquina-

ferramenta de forma a encontrar melhores parâmetros operativos e economizar os custos associados

ao processo.

O quarto capítulo é referente ao estudo que tem como alvo os principais processos de fabrico da

empresa Mármores Galrão, onde são procuradas medidas capazes de racionalizar o consumo de

energia associado aos mesmos.

Por fim, no quinto capítulo, é apresentado um resumo geral das melhorias encontradas para cada fase

do trabalho, são apresentadas as principais conclusões do trabalho realizado e ainda sugestões para

trabalhos futuros.

13

2. Revisão Bibliográfica

2.1. Panorama Nacional do Sector da Pedra Natural

Portugal é um dos dez principais produtores de rochas ornamentais do mundo, sendo que tem um

volume de exportação de cerca de 70%. Por virtude da existência de recursos geológicos um pouco

por todo o país, o que pode ser observado na Figura 10, existem boas possibilidades de aumentar o

peso deste sector industrial na economia nacional [14].

Figura 10 - Recursos geológicos em Portugal [15]

Apesar de um contexto desfavorável nas atividades de construção, a indústria da pedra tem

apresentado um comportamento aceitável. Tal acontece devido à capacidade de adaptação que o

sector tem apresentado e também à crescente diversidade de produtos emergentes [16]. Segundo um

relatório da Assimagra, publicado em 2016 [17], o volume de vendas em 2015 sofreu um aumento

relativo ao ano de 2014 principalmente devido à diversificação do mercado e às melhorias na qualidade

do produto. Tal aspeto é confirmado num relatório desenvolvido pela Sigma Team Consulting [18], em

que apresentam o gráfico com as exportações nacionais entre 2001 e 2015 (Figura 11).

14

Figura 11 - Exportações e Importações de rochas ornamentais portuguesas [18]

Este crescimento, acompanhado de uma diversificação no sector, do surgimento de novas tecnologias

de processamento e ainda do aumento do custo da energia elétrica, aumenta a necessidade e

importância de implementação de medidas de melhoria da eficiência energética das fábricas entregues

ao processamento de pedra natural.

2.2. Principais Processos Produtivos

A presente dissertação, como referido anteriormente, encontra-se inserida no sector da pedra natural.

Este sector encontra-se dividido em duas fases distintas, a extração e o processamento. A extração,

realizada nas pedreiras distribuídas um pouco por toda a parte do mundo, tem como objetivo a obtenção

de blocos de pedra. A partir dessa etapa segue-se a fase de processamento da pedra natural. Neste

ponto, os blocos anteriormente mencionados serão processados de forma a obter produtos

semiacabados ou acabados. As principais etapas de trabalho prendem-se com a serragem de blocos

de forma a obter chapas, com o tratamento superficial e com o corte dessas chapas para obter produtos

com as dimensões desejadas, originando o produto final [19], [20].

De seguida serão apresentados os principais equipamentos responsáveis pelo processamento de

pedra natural, onde serão explicados o funcionamento e as principais caraterísticas associados a

esses. É importante referir que neste sector, a matéria prima é muitas vezes dividida em duas grandes

classes: granito e mármore. Esta divisão é tomada com base na dureza dessas duas pedras e, portanto,

na facilidade de processamento, sendo que o granito é uma pedra dura e o mármore uma pedra macia.

O tipo de pedra é um aspeto importante que influencia significativamente os equipamentos, métodos e

parâmetros operativos utilizados nos processos.

15

Mono-lâmina:

Este equipamento destina-se não só ao acerto de blocos irregulares, mas também poderá ser utilizado

na serragem de chapas com espessuras diferentes à normal produção de uma fábrica. Destina-se

principalmente ao processamento de mármores e materiais com dureza semelhante.

As mono-lâminas são constituídas por dois pilares metálicos, que são os suportes da sua estrutura em

ponte, ao longo dos quais o sistema que contém a lâmina se desloca verticalmente. O movimento

principal desta máquina, o movimento da lâmina, é conferido por um motor elétrico que transmite a

rotação do seu eixo a um mecanismo de biela manivela. Este mecanismo é responsável por transformar

o movimento rotacional num movimento de translação de trás para a frente. Juntamente com uma

descida vertical, conferida por outro motor elétrico, o movimento de translação permitirá que a lâmina

remova material do bloco a ser processado. O segundo motor mencionado é responsável pela

produtividade da máquina, uma vez que controla a velocidade a que a lâmina desce.

Importa ainda referir que o processamento se desenrola com a presença constante de água para

refrigeração e limpeza.

Figura 12 - Exemplo de um equipamento mono-lâmina

A Tabela 3 apresenta algumas características padrão deste tipo de equipamento.

Tabela 3 - Principais características dos equipamentos mono-lâmina [19]

Comprimento de corte máximo [mm] 3000-4500

Altura de corte máxima [mm] 2000-2100

Velocidade de descida [cm/h] 40-140

Consumo de água [l/min] 50-100

Potência do motor principal [kW] 18-22

16

Engenho Multi-lâmina:

Estas máquinas têm o objetivo de serrar blocos de pedra de forma a obter chapas. Pelo facto de

estarem dotadas de várias lâminas, a produtividade destes equipamentos é claramente superior à da

mono-lâmina quando esta se encontra incumbida de serrar chapas.

A base de funcionamento deste tipo de equipamentos encontra-se associada a um potente motor

elétrico que aplica um movimento rotacional a um volante de inércia, através de uma cinta que conecta

o eixo do motor ao exterior desse volante. No mesmo eixo do volante de inércia encontra-se um sistema

biela-manivela, que adquire esse mesmo movimento rotacional e transforma-o num movimento linear

que é aplicado às lâminas responsáveis pelo corte do bloco. Estas lâminas percorrem o seu curso de

ponta a ponta, funcionando como um serrote, em que cada passagem na pedra corresponde à remoção

de material da mesma.

O processo é auxiliado por outro motor elétrico responsável pela elevação da matéria prima ao longo

do corte. Este movimento de ascensão realiza-se ao longo de guias de curso presentes nos pilares

estruturais do engenho. É importante perceber que este é o responsável pela aplicação da força normal

às lâminas, fator necessário para se conseguir alcançar a remoção de material, bem como pela

velocidade a que se desenrola o processo.

No caso do mármore, para este tipo de equipamentos, a serragem é desempenhada utilizando lâminas

com segmentos diamantados. Para o granito são utilizadas lâminas de aço em conjunto com uma lama

abrasiva de forma a criar fricção e a remover material. Importa referir que os engenhos direcionados

para o processamento de granito são mais potentes e pesados, por este ser um material mais difícil de

trabalhar, do que os utilizados no processamento de mármores.

Para completar, é importante fazer referência à constante presença da água para refrigeração e

limpeza. A Figura 13 permite uma melhor perceção do descrito acima.

Figura 13 - Exemplo de um engenho multi-lâmina

17

Na Tabela 4 estão representadas algumas características de equipamentos multi-lâmina, tanto para

mármore como para granito. Salienta-se que o número máximo de lâminas que estes equipamentos

apresentam variam com a espessura das chapas a serem cortadas, estando os valores seguintes

associados à espessura de 20 milímetros.

Tabela 4 - Principais características dos equipamentos multi-lâmina [19]

Mármore Granito

Comprimento de corte máximo [mm] 2600-3250 2500-4000

Altura de corte máxima [mm] 1800-2000 2000-2200

Velocidade de descida [cm/h] 0-50 0-50

Número de lâminas 30-100 130-230

Consumo de água [l/min] por lâmina 9-10 14-15

Potência do motor principal [kW] 55-130 75-200

Mono-fio:

Neste tipo de equipamentos pode ser encontrada uma tecnologia alternativa às máquinas mono-lâmina.

O mono-fio permite um processamento significativamente mais rápido e com menores custos

associados ao consumo de energia elétrica, relativamente à mono-lâmina. Este equipamento é capaz

de fazer o acerto de blocos e serrar chapas não só em blocos de mármore, mas também em pedras

mais duras como os granitos.

Estas máquinas são compostas por uma estrutura metálica em ponte que servem de guia de movimento

e suporte a duas polias de grande diâmetro, por onde circula o fio. Este fio é maioritariamente

constituído por aço e por pérolas diamantadas, as responsáveis pela remoção de material. Nesta

tecnologia de processamento a remoção dá-se devido à conjugação de dois movimentos, o movimento

de rotação do fio ao longo das polias e o movimento de descida do fio, que irá originar a força normal

necessária ao processamento do bloco. Mais uma vez, a água encontra-se sempre presente no

processo.

O facto deste tipo de equipamentos garantirem maior produtividade e menor consumo de energia [21],

prende-se principalmente pela razão da ferramenta nunca “parar”, ao contrário do que acontece com a

lâmina quando inverte o sentido do seu movimento. Desta forma, a tecnologia de processamento com

fio diamantado consegue alcançar regimes quase estacionários.

18

Figura 14 - Esquerda: exemplo de um equipamento mono-fio; direita: representação de um fio diamantado

Na Figura 14, à direita, é observável um fio diamantado, onde é possível detetar as referidas pérolas

diamantadas e as respetivas partículas de diamante.

Na Tabela 5 encontram-se as principais características de um equipamento deste tipo.

Tabela 5 - Principais características de um equipamento mono-fio [19]






Multi-fio

À semelhança do que ocorreu anteriormente com o mono-fio, em relação à mono-lâmina, este tipo de

equipamento é uma alternativa aos engenhos multi-lâmina na serragem de blocos em chapas. Para

além de que o mesmo equipamento poder ser utilizado no processamento de mármore e de granito,

garante ainda um aumento da produtividade e uma diminuição do consumo energético.

O modo de funcionamento é em tudo semelhante ao funcionamento de uma mono-fio, sendo que possui

uma maior quantidade de fios diamantados. Por essa razão torna-se evidente que terá uma estrutura

maior e mais robusta e motores de maior potência, em relação a esse equipamento singular.

Tabela 6 - Principais características dos equipamentos multi-fio [19]




Número de fios (20 mm espessura) 30-80

Consumo de água [l/min] por fio 7-8


19

À semelhança do salientado para os equipamentos multi-lâmina, o valor referente ao número de fios

depende da espessura das chapas a serem cortadas.

Figura 15 - Exemplo de um equipamento multi-fio

Polidora:

As chapas de pedra resultantes dos processos anteriormente descritos são, na maioria das vezes,

submetidas a tratamentos superficiais nas polidoras.

Estas máquinas são constituídas por diversas cabeças de polimento, suportadas por um travessão que

se move perpendicularmente ao movimento da pedra. A pedra, ao ser transportada ao longo do

processo por um tapete rolante, entra na máquina e aí começa o processamento. Através de sensores

a máquina fica a conhecer a posição e dimensões da chapa e vai descendo as suas cabeças de

polimento pendulares, que se encontram animadas por um movimento rotativo, à medida que a pedra

vai passando por baixo das mesmas. Juntando ambos os movimentos descritos acima, é garantido que

toda a superfície da chapa é trabalhada. Existe ainda a presença constante de água para limpeza e

refrigeração da superfície e, no fim do tapete é usual existirem ventiladores e rolos que têm o objetivo

de secar a pedra processada.

O número de cabeças de polimento varia consoante o equipamento analisado, mas, usualmente, esse

número insere-se no intervalo de 8 a 20 cabeças. Nessas cabeças de polimento encontram-se

encaixados calços, que representam as ferramentas da polidora. Estes são removíveis e apresentam

características destintas consoante a fase de processamento.

20

Figura 16 - Esquema de funcionamento de uma polidora

A Figura 16 permite uma melhor compreensão dos mecanismos descritos acima. Os símbolos

representados nessa figura dizem respeito às velocidades dos movimentos mencionados, em que, 𝑊

designa a velocidade rotacional das cabeças de polimento, 𝑉𝐿 a velocidade do tapete e 𝑉𝑇 a velocidade

do travessão [22].

Apesar destas máquinas serem designadas por polidoras, muitas das vezes são capazes de conferir à

matéria prima outros tratamentos superficiais, sendo apenas necessário a troca dos calços nas suas

cabeças rotativas. Normalmente, um equipamento destes é capaz de polir, amaciar, calibrar e

abujardar. A diferença entre o polimento e o amaciamento prende-se, principalmente, pela diferença

do brilho resultante do tratamento, assim, um amaciamento é como que um polimento incompleto, em

que não são executadas as últimas etapas desse. A calibração trata-se de um processo que consiste

em conferir planura à superfície da chapa tratada. Por fim, abujardar é um tratamento, na maior parte

das vezes direcionado para aplicações exteriores, em que é concedida à pedra uma textura rugosa,

parecida com um picotado.

Figura 17 - Exemplo de uma polidora de chapas de pedra

Na Tabela 7 encontram-se algumas das principais características das polidoras para mármore e granito.

21

Tabela 7 - Principais características das polidoras [19]

Número de cabeças de polimento 8-20

Largura máxima de trabalho [mm] 500-1000

Espessura máxima de trabalho [mm] 60-120

Potência dos motores das cabeças [kW] 4,5-19

Velocidade do tapete [m/min] 0-60


Máquina de corte em ponte:

Este tipo de equipamento é extremamente utilizado na fase de processamento da indústria da pedra

natural graças à sua enorme versatilidade de trabalho. A grande maioria das empresas que se dedicam

ao processamento possuem nas instalações máquinas de ponte para o corte de chapas. Nas empresas

mais pequenas, onde a matéria prima entra na forma de chapa, trata-se do processamento principal

para obter um produto final. Nas maiores fábricas de processamento, onde a matéria prima a iniciar o

processo são blocos de pedra, trata-se de uma etapa indispensável para concluir toda a linha de

produção.

Como o nome indica, a sua estrutura é em forma de ponte através da qual, pelo acionamento de

motores elétricos independentes, a sua ferramenta tem a liberdade de se mover. Normalmente estas

máquinas de corte apresentam três eixos de liberdade (x, y e z), podendo desempenhar vários cortes

paralelos ao longo do comprimento da pedra, por exemplo. O motor principal desta máquina encontra-

se diretamente acoplado a um disco de corte, a ferramenta destes equipamentos. Estes discos são

constituídos por um núcleo (ou alma), normalmente fabricado numa liga de aço, e os segmentos

diamantados, responsáveis pela remoção de material, que são soldados ao longo do perímetro da

alma.

A Figura 5 representa uma máquina de corte deste género, onde se pode observar a sua estrutura em

ponte, os eixos segundo os quais a máquina se pode mover e uma ferramenta de corte. Muitas destas

máquinas possuem já um controlo numérico computacional, o que permite uma maior produtividade

com elevado rigor dimensional. Com o avançar da tecnologia surgem máquinas com mais um grau de

liberdade, como as apresentadas no ponto 4.1.5, onde se descreverão as vantagens daí provenientes.

Tabela 8 - Principais características para o processo de corte [19]

Diâmetro do disco de corte [mm] 250-400

Velocidade de rotação do disco [rpm] 900-3500

Velocidade de avanço [mm/s] 25-160

Profundidade de corte máxima [mm] 35-70



22

Na Tabela 8 encontram-se detalhados algumas das principais características dos equipamentos

entregues ao processo de corte. As informações nesta disponíveis são também válidas para máquinas

de corte multi-discos, com as devidas adaptações.

Máquina de corte multi-discos:

As máquinas de corte multi-discos são largamente utilizadas no corte de chapas em bandas e de

bandas em ladrilho. O facto de possuírem diversos discos de corte permite um aumento bastante

significativo na produtividade, sendo assim aparelhos essenciais para a produção de ladrilho em massa.

O seu mecanismo de corte é muito idêntico ao das máquinas de ponte, onde a principal diferença se

encontra no movimento destas. Para o corte da chapa em bandas é comum os discos estarem

dispostos numa ponte fixa e a progressão do corte é devida ao movimento de um tapete rolante. No

caso do corte do ladrilho, os discos encontram-se num suporte móvel que, quando as bandas se

encontram no local apropriado desempenha o corte, percorrendo toda a largura dessas.

Figura 18 - Exemplo de uma máquina de corte multi-discos

2.3. Processo Abrasivo

No processamento de pedra natural a remoção de material é conseguida através de processos

abrasivos. As ferramentas utilizadas contêm geralmente, como mencionado anteriormente, segmentos

diamantados. Estes segmentos possuem grãos de diamantes, distribuídos aleatoriamente numa matriz

metálica, que serão os responsáveis pela abrasão do material a remover. Já no caso dos engenhos

multi-lâmina para granito, as suas lâminas são construídas em aço e a abrasão é conseguida pela

adição de lamas abrasivas, originando assim outro tipo de abrasão. No ponto 2.3.1. estes mecanismos

de remoção serão analisados com maior detalhe e ficar-se-á a percebê-los melhor.

23

2.3.1. Desgaste Abrasivo

O desgaste, alvo de estudo da tribologia, mais precisamente pela sua área relativa à mecânica dos

sólidos, é definido como a perda de material de um corpo devido à interação dinâmica com outro [23]–

[25]. O desgaste e atrito, resistência ao movimento, relacionam-se de forma muito direta, no entanto,

não são características intrínsecas de um material específico, uma vez que são influenciadas por

condições exteriores a ele. Estes são responsáveis pela dissipação de energia e de massa na interação

de dois corpos com movimento relativo entre si. Existem diferentes formas de desgaste, no entanto, no

âmbito da presente dissertação, apenas o desgaste abrasivo será abordado.

O desgaste abrasivo é causado pela interação, em movimento, de uma partícula dura e a superfície de

um corpo. Noutros tipos de desgaste (desgaste adesivo, tribo-químico e fadiga superficial), a

desagregação de partículas da superfície de um corpo pode ocorrer, o que faz com que estas partículas

fiquem compreendidas entre as superfícies de ambos os corpos, causando desgaste. Este desgaste é

denominado de desgaste abrasivo a três corpos. O desgaste a três corpos pode ainda ser obtido pela

adição propositada de lamas abrasivas, como visto anteriormente.

Muito frequentemente, em processos de remoção de material, como corte, desbaste e maquinagem,

utilizam-se segmentos de corte cuja composição é formada por uma matriz e por partículas,

normalmente de diamante, fixas na estrutura da matriz. Nesta interação, essas partículas serão as

causadoras do desgaste provocado no corpo adjacente, pelo que se considera ser um desgaste

abrasivo a dois corpos.

Figura 19 - Desbaste Abrasivo a dois e três corpos, respetivamente [26]

24

O desgaste abrasivo, apesar de assim denominado, não descreve completamente este tipo de

desgaste uma vez que, os mecanismos presentes neste modo de desgaste são vários. Esta

característica faz com que o desgaste abrasivo seja bastante difícil de prever e controlar [27]. Acontece

que, neste tipo de desgaste, os diferentes mecanismos podem estar ativos simultaneamente. Na Figura

20 estão presentes esses mecanismos, são eles: o corte, a fratura, a fadiga por deformações repetidas

e, por fim, a perda de grão [28].

Figura 20 - Mecanismos presentes no Desgaste Abrasivo [27]

A Figura 20, para além das ilustrações de cada mecanismo, contém também a direção do processo

abrasivo, aspeto importante para compreender o processo de desgaste. Na ilustração a) encontra-se

presente o modo clássico, onde uma dura partícula abrasiva corta o material mais macio. Em b) é

representado um caso onde o material que é alvo de desgaste é frágil, neste são originadas fraturas

onde, a propagação das respetivas fendas, no plano perpendicular ao movimento, pode dar origem à

libertação de grandes partículas abrasivas. Quando um material dúctil é desgastado por uma partícula

que já se encontre cega, isto é, sem poder de corte, encontra-se presente a situação c), onde a

superfície desse material é repetitivamente deformada. Por último, representado em d), encontra-se

presente uma situação onde existe separação ou perda de grão. Esta situação é mais usual nos

materiais cerâmicos, e o grão pode passar a comportar-se como uma partícula de desgaste [25], [27],

[29].

De acordo com [27], um dos mais simples e antigos modelos analíticos para descrever o desgaste

abrasivo, considerando o mecanismo de corte presente na Figura 20, consiste na representação de

uma partícula abrasiva na forma de um cone. Considera-se que esta partícula produzirá uma

indentação, deslocando-se ao longo da superfície de um material mais macio, provocando remoção de

material por deformação plástica.

25

Figura 21 - Modelo de Desgaste Abrasivo com uma Partícula Cónica [27]

Neste modelo, a carga a que cada partícula se encontra sujeita é o produto entre a área projetada do

cone e a dureza do material [30]:

𝐹𝑝 =

1

2𝜋(𝑑 ∙ 𝑐𝑜𝑡𝑔(𝛼))

2𝐻

(1)

onde 𝐹𝑝 é a carga individual da partícula, 𝑑 representa a profundidade da indentação, 𝛼 o ângulo de

inclinação do cone e 𝐻 a dureza.

O volume removido pela passagem da partícula abrasiva é dado por:

𝑉 =

2 ∙ 𝐹𝑝 ∙ 𝑙 ∙ 𝑡𝑔(𝛼)

𝜋 ∙ 𝐻

(2)

Esta expressão é dependente da força aplicada em cada partícula, demonstrada na equação (1), tem

em consideração a forma da partícula e ainda a distância percorrida no deslizamento da mesma, 𝑙. De

forma a obter o volume total desgastado numa interação é necessário realizar um somatório do volume

desgastado por todas as partículas abrasivas envolvidas [30], [31].

2.3.2. Contacto abrasivo

De forma a perceber a interação que existe entre uma ferramenta de corte circular e um material, num

processo de corte, é importante estudar a cinemática e dinâmica do contacto abrasivo entre eles. Com

esta análise será possível a identificação dos principais parâmetros que influenciam a física deste tipo

de processo.

Com a análise cinemática do processo é possível definir parâmetros como a taxa de remoção de

material, a penetração das partículas abrasivas no material a ser cortado e, por consequência, aspetos

relativos à apara resultante desta interação. Sendo aqui retratado um corte utilizando uma ferramenta

circular, é necessário estudar quais os parâmetros que podem ser controlados pela máquina-

ferramenta responsável pelo processo. Os parâmetros possíveis de controlar para exercer um corte

26

nesta configuração são a velocidade periférica da ferramenta (𝑣𝑠), a velocidade de avanço (𝑣𝑤) e a

profundidade de corte (𝑎𝑝), ilustradas na Figura 22.

Figura 22 - Parâmetros operativos que influenciam o corte [32]

Para que a interação entre a ferramenta e a peça a trabalhar resulte num desbaste, ou corte, é

necessário que as partículas abrasivas existentes na ferramenta sejam mais duras que o material a

cortar. É assumido que os grãos abrasivos, durante a interação, não sofrem qualquer deformação, quer

de tamanho, quer de forma, numa perspetiva a curto prazo. O material, que com as partículas abrasivas

formam um par tribológico, é deslocado da sua posição atual. Essa deslocação de material tem o nome

de apara e é caracterizada pela sua espessura ℎ𝑎, que varia entre 0 e ℎ𝑎.𝑚á𝑥, largura 𝑏𝑎 e comprimento

médio 𝑙𝑐, considerado igual ao comprimento da zona de contacto. O volume médio da apara pode ser

então obtido por,

�̅�𝑎 = ℎ̅𝑎 ∙ �̅�𝑎 ∙ 𝑙𝑐

(3)

onde ℎ̅𝑎 e �̅�𝑎 são os valores médios da espessura e largura da apara, respetivamente. Quando a este

volume se multiplica o número de interações entre as partículas abrasivas e o material obtém-se o

volume de material removido da peça, associado a um rasgo. Este volume, �̅�𝑤, pode também ser obtido

pela seguinte expressão,

�̅�𝑤 = 𝑎𝑝 ∙ 𝑏𝑤 ∙ 𝐿𝑤

(4)

sendo 𝑏𝑤 a largura do corte e 𝐿𝑤 o seu comprimento, representados na Figura 23.

27

Figura 23 - Representação de um rasgo produzido por uma ferramenta circular [32]

Para além de alguns parâmetros envolvidos no processo de corte, a Figura 23 retrata dois regimes de

corte, up-grinding e down-grinding, ou up-cutting e down-cutting, nomenclatura associada ao sentido

de rotação da ferramenta respetivamente à direção do seu avanço. Considerando esse parâmetro, o

avanço, e a sua velocidade, 𝑣𝑤, é possível chegar a uma expressão que caracterize a taxa de remoção

de material da superfície alvo [31]–[34].

𝑄𝑤 = 𝑎𝑝 ∙ 𝑏𝑤 ∙ 𝑣𝑤

(5)

A espessura da apara, um parâmetro muito importante no corte, pois relaciona-se com a severidade

do mesmo, é também muito difícil de ser calculada com precisão. Esta dificuldade deve-se

principalmente ao facto de depender do espaçamento das partículas num segmento de corte, do

segmento que se considera e da profundidade de corte. Com o avançar do desgaste da própria

ferramenta, o espaçamento altera-se, devido à aleatoriedade da distribuição de partículas, e é de

extrema dificuldade controlar ou prever esse comportamento, pelo que, em trabalhos experimentais,

utiliza-se a aproximação [31], [35], [36].

ℎ𝑒𝑞 = 𝑎𝑝

𝑣𝑤

𝑣𝑠

(6)

Para completar a análise teórica do corte, ou desbaste, utilizando uma ferramenta circular importa

abordar a dinâmica do processo. Dependentes do material, ferramenta e parâmetros operativos

selecionados, ter-se-ão forças, potência e energia resultantes. Estas grandezas estão diretamente

relacionadas com a qualidade e produtividade do processo, sendo que, a fim de uma redução de custos

operativos, é para elas que deve ser direcionada a atenção. A força resultante do contacto entre a

28

ferramenta de corte e a peça a ser cortada pode ser dividida em duas componentes principais, a força

tangencial, 𝐹𝑡, e a força normal, 𝐹𝑛, presentes na Figura 24.

Figura 24 - Forças envolvidas no processo de corte com uma ferramenta circular [33]

Como o próprio nome indica, a força tangencial terá a direção da tangente à ferramenta, no ponto de

aplicação da força, e a força normal terá a direção radial. Pela observação da Figura 24 e utilizando as

relações trigonométricas, é possível chegar ao ângulo correspondente ao arco de interação ferramenta-

peça, 𝜙,

𝜙 = cos−1 (1 −

2𝑎𝑝

𝑑𝑠

)

(7)

sendo 𝑑𝑠 o diâmetro da ferramenta. Para saber a posição exata de aplicação da força será necessário

saber quais as intensidades das restantes forças. Em ensaios, é usual e de maior facilidade realizar as

medições das componentes horizontal e vertical da força resultante, 𝐹ℎ e 𝐹𝑣, respetivamente, obtendo:

𝐹𝑟 = √𝐹ℎ2 + 𝐹𝑣2

(8)

Igualando ambos os pares de forças, presentes na Figura 24 (vertical-horizontal e normal-tangencial),

obtém-se,

𝐹𝑛 = √𝐹ℎ

2 + 𝐹𝑣2 − 𝐹𝑡

2

(9)

29

A força tangencial, usualmente muito menor que a força normal, relaciona-se diretamente com a

potência, 𝑃, envolvida no processo da seguinte forma,

𝐹𝑡 =

𝑃

𝑣𝑠

(10)

Portanto, para obter esta componente da força, e, por conseguinte, obter a componente normal, é

necessário medir a potência. Desta forma, é possível encontrar o ângulo correspondente à posição de

aplicação da força,

𝑘𝜙 = cos−1

𝐹𝑛

𝐹𝑟

+ cos−1𝐹𝑣

𝐹𝑟

(11)

Por fim, é relevante definir um parâmetro que relaciona a potência com a taxa de remoção de material.

É designado por energia específica, 𝑢, e traduz a energia consumida por unidade de volume removido.

𝑢 =

𝑃

𝑄𝑤

=𝐹𝑡 ∙ 𝑣𝑠

𝑎𝑝 ∙ 𝑏𝑤 ∙ 𝑣𝑤

(12)

Analisando os valores de energia específica podem ser retiradas conclusões quanto à eficiência do

corte que, quanto menor mais eficiente será e vice versa [31]–[37].

31

3. Ensaios de Desgaste da Ferramenta versus Energia

Neste ponto é descrito todo o procedimento utilizado para a realização dos ensaios de desgaste versus

energia. É realizada uma análise prévia aos regimes de funcionamento da máquina de corte

apresentada na Figura 5, onde foram recolhidos todos os dados relacionados com o consumo

energético da mesma. Após essa análise foi possível traçar um plano e metodologia de ensaio de forma

a obter a relação entre o consumo energético do equipamento e o desgaste da ferramenta utilizada.

Por último, são apresentados os resultados provenientes desses ensaios.

É importante referir que apesar deste tipo específico de processamento, o corte de chapas utilizando

uma ferramenta circular, aqui estudado, não representar uma grande importância do consumo

energético de uma linha de produção padrão, este encontra-se presente em praticamente todas as

fábricas dedicadas ao processamento de pedra natural e materiais afins. Este é um aspeto importante

uma vez que os resultados aqui obtidos poderão ser extrapolados e aplicados a todo este sector,

podendo traduzir uma poupança de energia geral neste.

3.1. Equipamentos de Medição Utilizados

3.1.1. Medição de Energia Elétrica

De forma a ser possível monitorizar e registar, não só o consumo de energia elétrica, mas também a

frequência, intensidade de corrente, tensão, fator de potência, entre outros, foi utilizado um analisador

de energia. O equipamento utilizado foi o modelo C.A. 8332B Power Analizer da marca Chauvin Arnoux,

representado na Figura 25.

Figura 25 - Analisador de energia montado no quadro da máquina

32

Para ser utilizado com todas as suas potencialidades e de forma a apresentar o menor erro possível,

que se aproxima a 0,5%, este equipamento deverá ser instalado de acordo com a Figura 26 [38]:

Figura 26 - Ligação do equipamento de medição [38]

Em que L1, L2 e L3 representam as três fases da corrente alternada e N o neutro.

3.1.2. Medição do Desgaste da Ferramenta

Para a medição do desgaste na ferramenta de corte em questão optou-se por utilizar um método ótico

out-process, ou seja, fora do processo. Realizar a medição fora do funcionamento da própria ferramenta

facilita todo o processo. Este aspeto garante que a medição seja levada a cabo com o mínimo de

vibrações e perturbações possível. O dispositivo responsável pela medição foi um sensor laser da

conceituada marca japonesa Omron. Este sensor, ZX2-LD100L, permite medições com uma precisão

de 5 µm [39].

De modo a garantir uma medição credível foi construída uma estrutura onde o sensor poderia estar fixo

e isento de interferências exteriores e, na qual, a ferramenta pudesse executar um movimento de

rotação com o mínimo atrito possível. Na Figura 27 (direita) encontra-se um desenho CAD da estrutura

descrita. É possível verificar que existe a liberdade de mover a ferramenta, não só utilizando um

movimento de rotação, como também um movimento transversal, aspeto importante que permite a

medição do desgaste em ferramentas de diferentes diâmetros.

33

Figura 27 – Esquerda: Sensor laser Omron [39]; Direita: Representação da estrutura contruída

Por fim foi desenvolvida uma ferramenta em MATLAB® para análise dos dados lidos e registados pelo

sensor laser. Esta, tratando os dados provenientes de um ficheiro .txt, exportado pela interface

desenvolvida para o sensor, permite ao utilizador não só obter medições de dentes singulares,

escolhidos pelo próprio, mas também uma perspetiva de toda a ferramenta. Os valores da distância

são adquiridos em intervalos de 10 ms, aproximadamente, sendo que o disco é rodado de forma a ser

integralmente percorrido pelo sensor.

Figura 28 - Interface para configuração e aquisição das medições do sensor laser

Quando analisado um dente singular, esta ferramenta apresenta a média da medição, o desvio padrão

dessa e ainda um gráfico que ilustra o comportamento dessa mesma medição. A Figura 29 é um

exemplo do acima descrito.

34

Figura 29 - Representação dos outputs da análise de um dente

Ao analisar as medições numa perspetiva total da ferramenta (Opções 2 e 3 do menu na Figura acima

à esquerda), é possível obter um somatório das médias de todos os dentes da mesma, a diferença

máxima entre essas médias e permite ainda a observação de um gráfico com todas as medições

presentes na amostra.

Figura 30 - Representação das medições ao longo da ferramenta utilizada

Na Figura 30 podem ser observados 24 “vales”, estes correspondem aos segmentos de corte presentes

na ferramenta. Os segmentos são representados de tal forma no gráfico uma vez que a distância entre

estes e o sensor laser é inferior. Os “picos” representam os intervalos presentes entre os segmentos

de corte e os valores próximos de 20 mm, observáveis no gráfico da Figura 30, são pequenas farpas

que por vezes existem nesses intervalos, como se pode observar na Figura 31.

35

Figura 31 - Pormenor do espaçamento entre segmentos de corte

3.1.3. Medição das Forças Presentes no Corte

Um parâmetro muito importante para a análise de um corte é a força que neste se encontra envolvida.

Esta força, como visto anteriormente no ponto 2.3. da presente dissertação, é resultante da interação

da ferramenta de corte com o objeto a ser cortado. De modo a concretizar uma boa medição das forças

que atuam durante o corte foi incorporada, na máquina-ferramenta, uma mesa constituída por quatro

células de carga. Estas células, de modelo Tedea 616, são fabricadas pela empresa VPGTransducers.

Três destas têm o intuito de medir a força vertical, pelo que são orientadas nessa direção, enquanto

que a última é orientada horizontalmente para obter essa componente da força. As células verticais

possuem uma carga máxima de 300Kg com um erro total de ± 0,05%, a horizontal, com carga máxima

de 100Kg, tem também o mesmo erro associado [40].

Figura 32 - Célula de carga utilizada para a monitorização da força [40]

36

3.2. Testes Preliminares

De forma a perceber qual seria o comportamento da máquina-ferramenta em funcionamento, foram

realizados alguns testes preliminares. Estes tiveram o objetivo de ilustrar a sensibilidade às variações

do consumo de energia da máquina, enquanto alguns parâmetros de funcionamento foram alterados.

A máquina-ferramenta utilizada para realizar os testes tem a liberdade de variar os principais

parâmetros operativos que influenciam o corte:

• Velocidade rotacional da ferramenta, 𝑤

• Velocidade de avanço, 𝑣𝑤

• Profundidade de corte, 𝑎𝑝

• Quantidade de água no corte, em litros por minuto

Através da combinação de três valores de velocidade de corte, com três valores de velocidade

rotacional e três valores de profundidade foram realizados diferentes rasgos numa pedra com cerca de

550 mm de comprimento, tendo sido obtido um perfil de perfil de potência (ver Figura 33).

Figura 33 – Perfil de potência dos rasgos com diferentes parâmetros operativos e identificação de dois rasgos específicos

Neste gráfico estão presentes as combinações acima descritas, sendo possível observar que em cada

rasgo existe um padrão de potência que é mantido independentemente dos parâmetros impostos. Na

Figura 34, é possível observar com maior detalhe o padrão de apenas um rasgo, o que permite uma

melhor perceção das várias etapas que uma ferramenta atravessa durante um corte.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1

82

16

3

24

4

32

54

06

48

7

56

8

64

9

73

0

81

18

92

97

3

10

54

11

35

12

16

12

97

13

78

14

59

15

40

16

21

17

02

17

83

18

64

19

45

20

26

21

07

21

88

22

69

23

50

24

31

25

12

25

93

26

74

27

55

28

36

Po

tên

cia

[W]

Tempo [s]

Teste Preliminar

12

37

Figura 34 - Representação do perfil de potência de um rasgo (exemplo) e das diferentes fases desse

A fase A corresponde ao início de funcionamento da máquina, em que a ferramenta entra em rotação

e os motores de avanço deslocam-na até ao local onde esta entrará em contacto com o material. Na

parte B encontra-se representada a fase do corte (remoção de material), sendo que o aumento e a

diminuição da potência representam a entrada e saída da ferramenta de corte nos limites do material a

cortar. Em C, é representado o período em que a ferramenta se desloca na vertical, de modo a sair da

zona de ação, para que finalmente, em D, recue até à posição inicial e pare o movimento de rotação.

Após uma análise detalhada ao comportamento da potência em função dos parâmetros operativos da

máquina utilizada percebeu-se que existem cortes que, teoricamente são mais exigentes, contudo,

apresentam uma menor potência associada. Os rasgos, assinalados na Figura 33 com uma seta e com

a numeração 1 e 2, são um exemplo do descrito acima. Para esta escolha foi tido em conta a

particularidade de que muitas vezes, e num contexto mais industrial, não é flexível alterar os parâmetros

profundidade de corte e velocidade de avanço, pois estes influenciam diretamente a produtividade. A

Tabela 9 representa a comparação deste exemplo de forma mais específica:

Tabela 9 - Especificação dos parâmetros para os dois cortes selecionados

Rasgo V. avanço

[mm/s] Profundidade

[mm] V. rotacional

[rpm] h equivalente

[mm] Potência média

[W]

1

35

12 1800 0,01114 3440

2

35 12 1100 0,01823 3039

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

1 3 5 7 9 111315171921232527293133353739414345474951535557596163

Po

tên

cia

[W]

Tempo [s]

Rasgo isolado

A B C D

38

Uma forma de prever a severidade do corte é através do parâmetro ℎ𝑒𝑞 que, como visto em 2.3.2.,

representa uma aproximação para a espessura teórica da apara resultante do corte. Um valor mais

elevado deste parâmetro representa uma maior severidade no corte.

Daqui conclui-se que, apesar do primeiro rasgo exigir mais esforço que o segundo, o aumento da

velocidade de funcionamento do motor principal da máquina (motor de rotação) será mais determinante,

numa perspetiva do consumo de energia da máquina. Esta conclusão serviu como ponto de partida

para os ensaios de desgaste versus energia, uma vez que, deve ser estudado se o aumento de

desgaste na ferramenta, resultante do aumento do esforço, é, ou não, compensado pela mudança do

regime de funcionamento do motor de rotação.

3.3. Descrição da Metodologia de Ensaio

3.3.1. Parâmetros Operativos

Após as conclusões retiradas dos testes preliminares prosseguiu-se para a realização dos ensaios de

desgaste versus energia. Neste ensaio, como anteriormente clarificado, optou-se por manter

constantes os parâmetros que influenciam diretamente a produtividade do processo, ou seja, a

profundidade de corte e a velocidade de avanço. Assim, a variável diferenciativa foi a velocidade de

rotação da ferramenta utilizada. Outro aspeto importante que foi tido em consideração foi o caudal de

água utilizada para limpeza e refrigeração da ferramenta. Este rondou os 26 l/min em ambas as

velocidades de rotação, caudal que se encontra na gama de valores recomendada para este tipo de

processamento [19].

As velocidades de rotação escolhidas para realizar os testes foram de 1430 e 1100 rpm que, junto com

todos os parâmetros descritos acima, relevantes para os ensaios, se encontram resumidos na Tabela

10:

Tabela 10 - Parâmetros operativos utilizados no ensaio

V. rotacional [rpm]

V. avanço [mm/s]

Profundidade [mm]

Caudal de água

[l/min]

V. Recuo [mm/s]

1430

30 18 26 80

1100

30 18 26 80

39

Importa referir que o motor principal da máquina, associado à rotação da ferramenta, tem uma potência

de 7,5 kW e um variador de velocidade que o possibilita de exercer cortes aceitáveis entre 900 e 4000

rpm, pelo que, com estes ensaios esses valores foram respeitados.

3.3.2. Pedra Natural

A pedra natural que foi selecionada nesta fase foi um tipo de granito conhecido comercialmente como

Rosa Porrinho, cuja composição aproximada e aspeto podem ser observados de seguida.

Foram utilizadas no total seis chapas com as dimensões de 1000*600*20 (medidas em milímetros),

onde, os cortes foram realizados segundo a maior dimensão da pedra, de forma a minimizar o tempo

de ensaio requerido por chapa.

Tabela 11 - Composição do granito utilizado [41]

Composição (%)

Quartzo 35

K-feldspatos 40

Plagioclase 13

Biotite 11

Outros 1

Figura 35 - Representação do granito testado

10 mm

40

3.3.3. Ferramenta de Corte

A ferramenta utilizada para esta fase do trabalho desenvolvido foi, como já referido, uma ferramenta

circular (disco). Esta é uma ferramenta padrão para corte de granito que apresenta um diâmetro

exterior de, aproximadamente, 400 mm e 24 segmentos de corte, como pode ser observado na

Figura 36 à esquerda.

Figura 36 - Disco utilizado nos ensaios e pormenor de um segmento

Os segmentos de corte em questão podem ser aproximados a um paralelepípedo com 40 mm de

comprimento, 10 mm de altura e 3,8 mm de espessura. Cerca de 5% do seu volume são grãos de

diamante, sendo estes os responsáveis pelo corte, e os restantes 95% dizem respeito à matriz metálica.

3.3.4. Procedimento de Ensaio

Após detalhada descrição de todos os aspetos relevantes à realização do ensaio de desgaste da

ferramenta versus energia, resta indicar o procedimento utilizado, que permitiu a obtenção de dados

fidedignos para análise. Os quatro pontos seguintes têm o objetivo de explicar as principais etapas

percorridas neste ensaio.

1- Medição dos segmentos da ferramenta a utilizar, através da utilização do sensor laser (ver

Figura 27);

2- Definição e introdução de todos os parâmetros de ensaio relevantes na máquina de corte;

3- Realização do processo de corte, resultando na obtenção de rasgos ao longo de toda a

chapa e aquisição simultânea de todos os dados relevantes ao processamento;

4- Nova medição dos segmentos da ferramenta para contabilizar o desgaste ocorrido.

Estas etapas são desempenhadas de forma cíclica para as seis chapas que foram utilizadas. É

importante notar que na etapa 2, nos primeiros três ciclos, a velocidade de rotação da ferramenta

41

assume o valor de 1430 rpm, mas nos restantes toma o valor de 1100 rpm. Desta forma é possível

obter a variação dos parâmetros operativos desejada.

O desgaste encontrado na ferramenta de corte é obtido pela diferença entre os dados obtidos nas

etapas 1 e 4, sendo que os dados em 1 são, em cada mudança de chapa, tidos como referência para

garantir o maior rigor possível.

A secagem da ferramenta é também importante para garantir uma boa medição dos segmentos de

corte. Numa primeira fase, esta é realizada com a exposição da ferramenta a ar comprimido, concluindo

com uma secagem ao ar livre.

A Figura 37 apresenta um esquema mais detalhado das operações levadas a cabo durante a realização

destes ensaios.

Figura 37 - Representação detalhada do ciclo descrito

3.4. Resultados

Depois de desempenhado o ciclo presente na Figura 37, três vezes para cada velocidade de rotação,

e de adquiridos todos os dados relevantes à análise, apresentam-se os resultados obtidos.

Limpeza da mesa e

colocação da pedra

Medição dos segmentos do

disco

Montagem da ferramenta

Setup da máquina

Conexão do analisador

Produção dos cortes

Desmontagem e secagem da ferramenta

Nova medição dos segmentos

42

3.4.1. Desgaste na Ferramenta

Para os cálculos e resultados aqui apresentados foi utilizada a funcionalidade do programa

desenvolvido em MATLAB® para análise total da ferramenta, através da qual o desgaste é obtido pela

variação do somatório da perda de altura em todos os segmentos de corte. Optar por analisar a

ferramenta num todo, em vez de apenas um segmento, é vantajoso na medida em que garante a

minimização do erro de medição, uma vez que a amostragem é ampliada, e permite ainda garantir uma

abordagem de todos os segmentos envolvidos no corte.

Como visto anteriormente, foram realizadas medições antes e depois do corte de uma chapa na sua

totalidade. Para garantir que a medição era fiável, cada vez que a ferramenta era sujeita a medição

eram adquiridos três valores. Para a comparação das medições antes e depois do corte utilizou-se a

média desses valores. É também apresentada a diferença máxima entre medições, de forma a

assegurar que esta era precisa (o maior valor registado corresponde a 2% do valor do desgaste

encontrado). Serve a Tabela 12 como exemplo explicativo do acima descrito.

Tabela 12 - Exemplo de cálculo realizado para contabilizar o desgaste

Início Fim

Somatório [mm] Somatório [mm]

342,0197 346,9197

341,9551

Diferença máxima

346,9296 Diferença máxima

341,8972 0,1225 346,8026 0,127

média 341,9573 média 346,8839

Desgaste: 4,926 mm

Área: 1,206 m^2

Após a realização deste procedimento para todos os ciclos executados, obteve-se o gráfico que

relaciona o desgaste da ferramenta quando esta funcionou a 1430 rpm (azul) e a 1100 rpm (laranja).

43

Figura 38 - Desgaste na ferramenta para as duas velocidades estudadas

Como seria de esperar através da análise do esforço associado a cada corte, utilizando o parâmetro

ℎ𝑒𝑞, o desgaste seria maior ao processar a pedra a 1100 rpm. Para uma velocidade de rotação de 1100

rpm e com uma ferramenta com 400 mm de diâmetro tem-se:

𝑣𝑠 1100 =

1100 [𝑟𝑝𝑚]

60 [𝑠]∗ 2𝜋 ∗ 0,2[𝑚] = 23,04 𝑚. 𝑠^ − 1

(13)

ℎ𝑒𝑞 1100 = 𝑎𝑝

𝑣𝑤

𝑣𝑠

= 18 ∗30

23,04 ∗ 103= 0,023438 𝑚𝑚

(14)

Para a velocidade de 1430 rpm resulta agora:

𝑣𝑠 1430 =

1430 [𝑟𝑝𝑚]

60 [𝑠]∗ 2𝜋 ∗ 0,2[𝑚] = 29,95 𝑚. 𝑠−1

(15)

ℎ𝑒𝑞 1430 = 𝑎𝑝

𝑣𝑤

𝑣𝑠

= 18 ∗30

29,95 ∗ 103= 0,01803 𝑚𝑚

(16)

Fazendo agora a análise aos resultados experimentais obtém-se a Tabela 13 relativa ao desgaste por

metro quadrado cortado.

y = 3,788x + 0,3185R² = 0,9998

y = 3,9539x + 0,2077R² = 0,9993

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3 4

Des

gast

e [m

m]

Área cortada [m^2]

Desgaste da ferramenta

1430

1100

1430

1100

44

Tabela 13 - Desgaste por metro quadrado cortado

1430 1100 %

Desgaste por 𝑚2 [mm] 4,1065 4,1616 1,34

Foi obtida uma variação de 1,34% no desgaste de uma velocidade para a outra, o que representa uma

variação muito pouco significativa e que não transmite segurança. Fazendo uma análise às forças

resultantes do corte que, como visto no ponto 2.3., se relacionam diretamente com o volume

desgastado e, portanto, com a severidade do corte, chega-se à conclusão do porquê a variação ter sido

tão reduzida.

Figura 39 - Forças resultantes para as diferentes velocidades estudadas ao longo dos vários rasgos

Como é possível observar no gráfico acima, as forças estão muito coincidentes para as velocidades

testadas, chegando mesmo a cruzarem-se várias vezes, pelo que, é possível afirmar que para as

velocidades estudadas a variação do desgaste pode ser desprezada. É relevante reforçar que ambos

os regimes são considerados regimes “normais” de funcionamento, segundo [19].

3.4.2. Consumo de Energia Elétrica

Uma vez concluído que o desgaste não é um fator determinante para a poupança geral do processo,

neste ensaio específico, resta analisar os dados relativos à energia elétrica. É possível afirmar que esta

será a principal responsável por essa poupança resultante da variação dos parâmetros operativos.

0

100

200

300

400

500

600

1

10

19

28

37

46

55

64

73

82

91

10

0

10

9

11

8

12

7

13

6

14

5

15

4

16

3

17

2

18

1

19

0

19

9

Forç

a R

esu

ltan

te [

N]

Rasgos

Força Resultante

1430

1100

45

Utilizando o aparelho mencionado no ponto 3.1.1., foram adquiridos todos os dados relativos à energia

elétrica durante os cortes. O gráfico presente na Figura 40 apresenta a relação entre a potência para

cada uma das velocidades estudadas.

Figura 40 – Perfil de potência das duas velocidades estudadas

No caso da potência já não acontece o que foi observado na Figura 39, para a força resultante. Estas

encontram-se claramente separadas e é percetível uma reação à variação da velocidade de rotação

do motor elétrico associado à ferramenta.

É de notar que a potência adquirida pelo analisador de energia teve a sensibilidade de registar um

momento em que a força de corte se alterou substancialmente (perto do rasgo 138). Isto indica que

este tipo de sistemas de medição externos podem ser aplicados para a monitorização de um processo

de corte.

Analisando a energia consumida em cada chapa ensaiada é possível obter também os consumos por

metro quadrado cortado, uma vez que em cada chapa são cortados 1,206 𝑚2.

Tabela 14 – Consumo de energia por metro quadrado

1430 1100 Chapa

Consumo de energia [Wh]

2779,276 2303,718 1

2607,561 2286,828 2

2703,227 2273,117 3

Média 2696,688 2287,888 %

Consumo por 𝑚2 [Wh] 2236,06 1897,088 15,16

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

1 9

17

25

33

41

49

57

65

73

81

89

97

10

5

11

3

12

1

12

9

13

7

14

5

15

3

16

1

16

9

17

7

18

5

19

3

Po

tên

cia

[W]

Rasgo

Potência

1430

1100

46

Através da variação da velocidade de rotação de 1430 para 1100 rpm resulta uma variação de cerca

de 15% no consumo de energia para o processamento, de onde se conclui que é possível alcançar

uma poupança, não só de energia, mas global, tomando esta medida. Importa referir que apesar da

redução de energia alcançada, esta poderá não ser máxima, pelo que seria necessário realizar a

otimização dos parâmetros de funcionamento. Esta otimização não foi concretizável devido à escassez

de tempo e de recursos disponíveis para estes ensaios experimentais. Conclui-se, então, que é de

extrema relevância operar com parâmetros ótimos, ou melhorados, para cada processo utilizado nesta

indústria. Este conhecimento acerca da influência dos parâmetros operativos pode conduzir a

poupanças gerais no processamento que, quando é aplicado a toda a indústria, se tornam bastante

significativas.

47

4. Caso de Estudo: Mármores Galrão

Na análise ao processo produtivo da empresa Mármores Galrão, como visto anteriormente, foram tidos

em consideração aqueles que à partida se sabiam ser os processos com maior peso energético e os

que faziam parte da principal linha de produção da fábrica. No ponto 1.4. foi apresentada sucintamente

a linha de produção desta fábrica, Figura 7, no entanto, foi visto que nas suas instalações estão

presentes muitos mais postos de processamento. Para esta dissertação foram considerados os postos

que constituem a principal linha de produção, constituída pelos engenhos multi-lâmina, as duas

polidoras e as máquinas CNC 1 e 2. Ademais, foi analisado também o equipamento mono-lâmina

existente na fábrica.

No caso dos processos produtivos acima mencionados, foram realizadas medições aos consumos de

energia elétrica de forma a tornar possível a comparação entre os diferentes equipamentos

encarregues pelo mesmo processo. Para isso, durante cerca de duas semanas, foi utilizado o mesmo

analisador de energia que anteriormente, descrito no ponto 3.1.1., conectado aos respetivos quadros

elétricos usando a ligação representada na Figura 26. De forma a obter uma comparação coerente

foram, sempre que possível, utilizados mármores provenientes da pedreira de Fonte da Moura,

mantendo assim uma relação quase perfeita das características do material trabalhado.

4.1. Processos Produtivos

Resultado da auditoria, mencionada na introdução ao caso de estudo, foram desagregados os

consumos para cada sector/equipamento do processo de produção. São destacados no gráfico

presente na Figura 41 os consumos, em percentagem, dos equipamentos acima mencionados.

Figura 41 - Desagregação do consumo pelos processos produtivos estudados

59%18%

3%

7%

13%

Processos Produtivos

Engenhos Polidoras CNCs Mono-lâmina Outros

48

As percentagens que se encontram no gráfico circular têm em consideração apenas o consumo refente

ao processo que, como foi visto no ponto 1.4., era cerca de 50% do consumo total das instalações. É

percetível que os engenhos multi-lâmina se responsabilizam pela grande maioria do consumo dos

processos de produção, com cerca de 59% desse. As polidoras também representam um consumo

considerável, bem como a mono-lâmina.

4.1.1. Engenhos Multi-lâmina

São responsáveis pela serragem da matéria prima, em forma de blocos, com o objetivo de obter

chapas, normalmente de 20 ou 30 milímetros, que podem ser consideradas produto final, ou continuar

a serem processadas por outros equipamentos presentes nas instalações. Na sua fábrica, a Mármores

Galrão, possui sete engenhos deste tipo dedicados a este propósito.

Dada a estrutura de um engenho deste tipo ser constituída por quatro pilares e pelo facto do suporte

onde as lâminas se encontram instaladas ter dimensões limitadas, é importante ter conhecimento

quanto às dimensões máximas de matéria prima que estes são capazes de processar. A Tabela 15

permite obter uma perceção das dimensões máximas para cada um destes engenhos. A nomenclatura

relativa aos equipamentos aqui utilizada respeita aquela que é aplicada na empresa em questão.

Tabela 15 - Dimensões máximas de processamento de matéria prima

Engenho Cumprimento [m] Largura [m] Altura [m]

1 3,20 1,18 2,00

2 3,20 1,80 1,80

3 3,20 2,00 2,00

4 2,50 1,50 1,60

5 3,00 1,75 1,70

6 3,00 1,75 1,90

7 3,20 2,20 2,00

É possível verificar que o engenho com a maior capacidade produtiva, em volume, é o 7, que apesar

de duas das dimensões máximas serem iguais às dos engenhos 1 e 3, este tem a maior largura

registada. Esta última dimensão encontra-se diretamente relacionada com o número de chapas que é

possível obter com o processamento.

Na Tabela 16 estão presentes as informações relativas aos motores principais dos engenhos. Os

motores correspondentes aos engenhos 3 e 6 não estão representados uma vez que a chapa do motor

49

do primeiro estava degradada e no caso do engenho 6 era inexistente. No motor principal do engenho

7 apenas era visível a informação relativa à potência e à tensão.

Tabela 16 - Características dos motores principais dos engenhos multi-lâmina

Motor do Engenho

Marca Modelo Potência

[kW] Corrente

[A] Tensão

[V] cosφ RPM

1

Bruncken

DN 250 D4

75

135

380

0,90

1485

2

Loher

SI280.S-4

110

195

380

0,91

1475

4

-

TYP 9 230

90

178

380

0,84

1460

5

-

P 260 SP-4

110

219

380

0,82

1475

7

-

-

99,55

-

380

-

-

Para obter os regimes de funcionamento de cada um dos engenhos foram realizadas seis medições,

sendo que o engenho número 5 não se encontrava disponível para medição durante a auditoria.

Durante estas, foi processado um bloco de pedra do início ao fim e, como referido anteriormente,

procurou-se, sempre que possível, realizar as medições processando mármore com origem na pedreira

de Fonte da Moura. Contudo, no engenho número 1 não foi possível alcançar esse objetivo, este

engenho foi alvo de medição quando estava a processar um mármore, mas, neste caso, proveniente

da pedreira de Estremoz. Trata-se de uma pedra com características bastante semelhantes, mas, ainda

assim, que apresenta uma maior facilidade de processamento.

De seguida apresentam-se os dados relevantes e perfis de consumo dos engenhos observados,

quando estes foram medidos no processamento de um bloco.

Engenho 1:

A medição deste engenho foi realizada no dia 26 de junho de 2018, teve início às 17:10 horas e fim às

13:25 horas do dia seguinte. Apesar deste período de medição, observa-se de seguida que este não

esteve a trabalhar durante todo esse intervalo de tempo. A Tabela 17 contém todas as informações

relevantes à matéria prima, bem como a espessura das chapas resultantes do processamento, o

consumo total de energia e a área total trabalhada.

50

Tabela 17 - Dados relativos ao ensaio no engenho 1

Engenho Pedra Dimensões

médias [m]

Número de Chapas

Espessura das chapas

[mm]

Área total processada

[m^2]

Consumo [kWh]

1 ED17448 2,15x1,7 29 20 106 183,14

É de notar que, a informação relativa à pedra processada diz respeito a uma numeração de blocos

utilizada pelos funcionários da empresa, garantindo assim um melhor acompanhamento dos produtos

que desse derivarão. A nomenclatura ED significa que este bloco teve origem na pedreira de Estremoz.

Para todos os restantes blocos, as primeiras duas letras serão FM que indica que foram extraídos da

pedreira de Fonte da Moura.

Salienta-se ainda o facto de apenas serem apresentadas duas dimensões, sendo estas o comprimento

e a altura, enquanto que a terceira dimensão encontra-se implícita no número de chapas e na

espessura das mesmas.

Tendo em conta o valor de área total e o consumo de energia associados a este processamento, é

possível obter o consumo específico do engenho 1. Este toma um valor de 1,728 kWh/m^2.

Nota: Uma vez que o engenho esteve a processar mármore ED, aquando uma comparação dos engenhos

estudados, através dos consumos específicos, essa particularidade será tida em consideração.

A Figura 42 apresenta o perfil de potência observado durante o processamento do bloco indicado.

Figura 42 - Perfil de potência do engenho 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Po

tên

cia

[kW

]

Hora (h:mm:ss)

Engenho 1

51

Como pode ser observado, e já referido, o engenho não esteve em processamento durante todo o

intervalo de tempo da medição, onde se pode verificar que este teve duas paragens até à conclusão

do corte do bloco em questão. Na maioria das vezes, quando se serra um bloco nestes engenhos, é

importante realizar uma paragem no processo. Esta paragem é importante, algumas vezes essencial e

indispensável, para aplicar uma massa, constituída maioritariamente por gesso que, ao ser aplicada

nos rasgos efetuados pela passagem das lâminas, garante que as chapas não se partirão com o

avançar do processo. É de notar que, neste caso, o engenho esteve parado uma segunda vez (entre

as 05:55h e as 08:00h, aproximadamente), o que deve ser evitado, no caso em questão, numa

perspetiva do custo energético associado a cada tarifa horária, bem como no que toca à produtividade

da fábrica. Esta particularidade das tarifas energéticas é um ponto a ter em consideração no que toca

ao planeamento produtivo. Uma vez que a fábrica tem um funcionário, responsável pela operação dos

engenhos, durante o período noturno, é bastante proveitoso que, sempre que possível, os blocos sejam

serrados durante esse período. Este assunto será abordado com maior rigor no avançar desta

dissertação.

Engenho 2:

Este engenho foi alvo de medição no dia 20 de junho de 2018, tendo essa sido iniciada às 09:40h e

finalizada às 09:32h do dia seguinte. No momento em que esta medição foi iniciada, o engenho

encontrava-se a acabar o processamento de um bloco, no entanto, os dados apresentados na Tabela

18 apenas dizem respeito ao processamento do segundo bloco (bloco escolhido para o teste).

Tabela 18 – Dados relativos ao ensaio no engenho 2


[m] Número de

Chapas


[mm]


[m^2]

Consumo [kWh]

2 FM25412 2,7x0,75 42 30 85,05 370,63

Tendo como objetivo a comparação dos diferentes engenhos medidos importa, mais uma vez, chegar

ao valor do consumo específico correspondente ao processamento do bloco em questão. Dividindo o

consumo pela área total processada, valores presentes na tabela, chega-se a um consumo específico

de 4,358 kWh/m^2.

Relembra-se que todos os engenhos excetuando o engenho número 1 serão alvo de uma comparação

direta, uma vez que, os blocos por estes processados têm todos origem na pedreira de Fonte da Moura.

O perfil de potência obtido da medição do segundo engenho encontra-se representado na Figura 43.

Após a análise do gráfico presente na Figura 42 e comparando com o respetivo ao engenho 2, verifica-

se um significativo aumento na potência média consumida pelo engenho 2. Este aumento pode estar

52

relacionado com o maior contacto que existe entre as lâminas do engenho e o bloco de pedra, uma vez

que o comprimento e o número de chapas aumentaram em relação ao sucedido no primeiro engenho.

Mais adiante, no ponto em que os engenhos são alvo de comparação, serão tiradas conclusões

pertinentes quanto a esta particularidade.


Desta vez, é possível verificar que houve apenas uma paragem no processamento do bloco, por volta

das 03:20h, aproximadamente, para a aplicação da massa anteriormente referida. Este corte foi

executado no período noturno, o que é sempre vantajoso, e teve uma duração de cerca de 10 horas.

Engenho 3:

A medição do engenho número 3 foi desempenhada das 17:45h do dia 21 de junho de 2018 até às

10:30h do dia seguinte. Durante esta medição este engenho processou dois blocos de uma vez. Tal

aconteceu uma vez que, tendo ambos os blocos um comprimento reduzido, os responsáveis pela

produção da fábrica optaram por introduzir um à frente do outro e assim aumentar a produtividade desta

operação. Todas as contas realizadas, mais exatamente a conta para a área total processada, têm em

consideração esta particularidade, não invalidando os dados adquiridos da medição. Os dados mais

relevantes encontram-se apresentados na Tabela 19.

0

10

20

30

40

50

60

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Engenho 2

53



[m] Número de

Chapas


[mm]


[m^2]

Consumo [kWh]

3

FM25438 1,5x1,5 66 20

269,1 679,48

FM25323 1,5*1,2 67 20

Para este engenho, a trabalhar também um mármore FM, obtém-se um consumo específico de 2,525

kWh/m^2. Trata-se de um consumo específico bastante inferior em relação ao que foi alcançado para

o engenho 2.

Na Figura 44 encontra-se representado o perfil da potência consumida por este engenho quando

processava estes dois blocos. É percetível, pelo gráfico, que existe uma diferença nas alturas dos

blocos, facto que é confirmado pela observação da Tabela 19, onde se encontram alturas de 1,5 e 1,2

metros para os blocos em questão. Quando as lâminas alcançam o ponto onde se encontram a serrar

ambos os blocos por inteiro, o valor da potência estabiliza e observa-se um comportamento normal.


Neste caso, quando as lâminas atingem o ponto acima mencionado, encontra-se uma potência de

cerca de 50 kW, sendo este valor maior do que o adquirido no engenho 2. No entanto, verifica-se um

consumo específico bastante inferior.

0

10

20

30

40

50

60

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Engenho 3

54

Engenho 4:

A medição do engenho número 4 foi levada a cabo no dia 18 de junho de 2018, onde começou pelas

09:40h desse dia e prolongou-se até às 09:30h do dia seguinte. Na Tabela 20 encontra-se a informação

relevante a este processamento.

Tabela 20 – Dados relativos ao ensaio no engenho 4


[m] Número de

Chapas


[mm]


[m^2]

Consumo [kWh]

4 FM25272 1,85x0,75 42 20 58,28 160,72

Mais uma vez, fazendo o cálculo para o consumo específico, obteve-se um valor de 2,758 kWh/m^2

no que ao engenho 4 diz respeito. Apesar do consumo total ser inferior aos processamentos anteriores,

a área total processada também o é, o que acaba por resultar num valor de consumo específico

comparável ao obtido para o engenho 3.

De seguida, apresenta-se o perfil de potência, onde é possível observar que o processo foi realizado

maioritariamente durante o período diário.


À semelhança com o que acontece na Figura 43, verificam-se picos de potência quando o engenho

começa a trabalhar. Estes picos, que estão associados ao arranque da máquina, deveriam estar em

todos os perfis apresentados, no entanto o período de aquisição de dados do analisador de energia foi

alterado. Então, nos gráficos onde se podem observar picos o período de aquisição foi de 1 em 1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Engenho 4

55

minuto, enquanto que nos outros de 2 em 2. Esta alteração deveu-se à gestão de memória do aparelho

que, se mantido o período inicial, não iria ser suficiente para adquirir todos os dados relevantes ao

estudo dos engenhos. Tal situação em nada prejudica os dados relativos ao consumo total de energia.

Engenho 6:

A medição em questão foi iniciada na sexta-feira dia 22 de junho de 2018 e, como a fábrica apenas

continua a sua operação durante a parte da manhã de sábado, o processamento do bloco selecionado

esteve em pausa até segunda-feira. Assim, as medições tomaram os períodos das 16:20h de dia 22

até às 11:30 do dia seguinte e das 08:30h do dia 25 até às 14:00h do mesmo dia. Salienta-se que,

apesar do sucedido, os valores presentes na Tabela 21 são confiáveis, uma vez que, tal paragem foi

previamente agendada.



[m] Número de

Chapas


[mm]


[m^2]

Consumo [kWh]

6 FM25106 2,85x1,8 36 30 184,68 412,93

De onde se obtém, através dos valores presentes na Tabela 21, um consumo específico associado ao

engenho número 6 de 2,236 kWh/m^2.

O perfil de potência encontrado para este processamento encontra-se na Figura 46.


0

5

10

15

20

25

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Engenho 6

56

Tal como referido, e de possível observação no gráfico, o engenho foi obrigado a parar no fim da manhã

de sábado, uma vez que a fábrica cessa a sua produção no resto do fim-de-semana. O processamento

foi retomado na manhã de segunda-feira, onde continuou sem paragens até ao fim do bloco.

Engenho 7:

A auditoria ao engenho 7 teve início no dia 19 de junho de 2018, pelas 09:40h, e terminou no dia

seguinte às 09:28h. Nesta medição, assim como se verificou para os engenhos 2 e 4, estão presentes

os picos associados ao arranque da máquina, devido à mesma razão anteriormente clarificada. A tabela

que contém os dados relevantes ao processamento realizado por este engenho encontra-se de

seguida.



[m] Número de

Chapas


[mm]


[m^2]

Consumo [kWh]

7 FM25440 3,05x1,3 42 30 166,53 331,51

O consumo específico para este engenho foi de 1,991 kWh/m^2, ao processar o bloco em questão,

que, tirando o engenho 1 que se encontrava a processar ED, um bloco relativamente mais fácil de

trabalhar por apresentar menor resistência ao desgaste abrasivo, à flexão sob carga e ao

escorregamento, este é valor o mais baixo encontrado.

O gráfico apresentado na Figura 47 apresenta o perfil de funcionamento, no que à potência consumida

diz respeito, do engenho em questão.

57


Sendo este o último engenho estudado, de seguida será apresentada uma comparação entre todos

estes equipamentos.

4.1.2. Comparação dos Engenhos Multi-lâmina

Esta comparação permitirá tirar conclusões pertinentes quanto ao comportamento dos engenhos,

utilizando todos os dados apresentados anteriormente, quando estes estão no seu processamento

normal e, muito importante, a processar o mesmo material. É de fácil perceção que, as dimensões do

bloco que é alvo do processamento têm uma grande influência e, por isso, estas comparações terão

esse aspeto em conta, utilizando sempre valores específicos relativos às dimensões desse.

Em primeiro lugar, na Tabela 23, estarão reunidos, de forma sucinta, todos os dados que a esta

comparação importam. O comprimento de contacto é obtido efetuando a multiplicação entre o

comprimento do bloco e o número de lâminas que se encontravam ativas na serragem. Salienta-se

que, no que à potência média diz respeito, este é um valor aproximado e tem como objetivo principal

realizar a comparação operativa dos engenhos quando estes estabilizam. Essa comparação não será

afetada por essa aproximação, uma vez que, terá a função de apoiar as conclusões retiradas pela

comparação dos consumos específicos entre os engenhos.

0

10

20

30

40

50

60

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Engenho 7

58

Tabela 23 - Caraterísticas para comparação dos engenhos estudados

Engenho Pedra

Número de

chapas

Comprimento do Bloco

[m]

Comprimento de contacto

[m]

Área processada

[m^2]

Potência média

aproximada [kW]

Consumo Específico [kWh/m^2]

1 ED 29 2,15 62,35 106,00 15 1,728

2

FM

42 2,7 113,4 85,05 40 4,358

3 66 (1,5+1,5) 198 269,10 50 2,525

4 42 1,85 77,7 58,28 18 2,758

6 36 2,85 102,6 184,68 20 2,236

7 42 3,05 128,1 166,53 30 1,991

A Figura 48, permite uma melhor visualização relativa aos consumos específicos dos engenhos. Apesar

do engenho 1 ter processado um bloco ED, este aparece representado de seguida pois, mesmo sendo

um material mais fácil de trabalhar acaba por também se tratar de um mármore. No entanto, para efeitos

de cálculos posteriores este não será incluído.

Figura 48 - Comparação entre os engenhos medidos

Analisando a Figura 48, é possível perceber que os engenhos 3, 4, 6 e 7 se encontram relativamente

comparáveis quanto aos seus consumos específicos. Estes apresentam uma diferença máxima de

38,5% entre si (engenho 4 relativo ao 7). Caso o engenho 1 processasse um bloco FM, é provável que

o seu consumo específico aumentasse ligeiramente de forma a ficar comparável com os referidos

1,73

4,36

2,532,76

2,241,99

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

1 [ED] 2 3 4 6 7

CE

[kW

h/m

^2]

Engenho

Consumo Específico dos Engenhos

59

acima. É no engenho 2 que as atenções devem ser focadas, este apresenta uma diferença, em relação

ao engenho 7, de cerca de 119%, ou seja, o seu consumo específico é mais do dobro do engenho 7.

Outra particularidade a ter em atenção nesta comparação, e que servirá de apoio ao observado acima,

é a relação que existe entre a potência absorvida quando o engenho se encontra em processamento,

numa zona estacionária do perfil de potência, e o comprimento total de contacto entre as respetivas

lâminas e o bloco.

Figura 49 - Relação entre a potência absorvida e o comprimento de contacto

Na Figura 49 estão representadas duas situações. A primeira, a azul, relaciona todos os engenhos, que

processaram blocos FM, enquanto que a segunda, a cor-de-laranja, relaciona esses mesmos

engenhos, excluindo o número 2, uma vez que foi identificado um consumo específico muito superior

aos restantes. São apresentadas duas linhas de tendência, para cada uma das situações, bem como

as suas equações e o valor de 𝑅2 (coeficiente de determinação). No caso da reta de regressão linear

cor-de-laranja, observa-se um valor de 𝑅2 = 0,98, aproximadamente, o que significa que a variável

dependente (Potência) é 98% explicada, em termos lineares, pela variável independente (Comprimento

de contacto). Dado que os pontos são correspondentes a quatro engenhos diferentes, este é um

resultado bastante satisfatório. Enquanto que, para o caso assinalado a azul, o coeficiente de

determinação é muito inferior (𝑅2 = 0,766), valor em tudo afetado pela introdução do ponto relativo ao

engenho número 2.

Chega-se, portanto, à conclusão de que o engenho 2 é o principal alvo de intervenção, no que aos

engenhos diz respeito e, caso seja realizada alguma mudança, esse deverá ser o ponto de referência.

Engenho 2

y = 261,24x - 782,89R² = 0,766

y = 279,49x - 5884R² = 0,9801

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250

Po

tên

cia

méd

ia [

kW]

Comprimento de contacto [m]

Incluindo engenho 2

Excluindo engenho 2

Linear (Incluindo engenho 2)

Linear (Excluindo engenho 2)

60

Será de grande interesse, no futuro, realizar medições aos engenhos 1 e 5, utilizando blocos FM no

processamento, de forma a saber concretamente qual o comportamento desses dois engenhos já que,

no âmbito desta dissertação não existiu a oportunidade de os auditar.

4.1.3. Polidoras

Nas instalações da empresa existem duas polidoras associadas à sua linha principal de produção.

Estas têm o objetivo de conferir um tratamento superficial às chapas serradas, na etapa produtiva

anterior, levada a cabo pelos engenhos. Como já referido, apesar de se designarem por polidoras,

estas têm a capacidade de processar a superfície, acrescentando tratamentos para além do polimento.

São capazes de polir, amaciar, abujardar e calibrar.

Apesar do princípio de funcionamento ser exatamente igual em ambos os equipamentos, a polidora 1

encontra-se dividida em duas estruturas, onde, na primeira parte, apresenta 6 cabeças de polimento e

na segunda parte 10. Os motores responsáveis pela rotação dessas cabeças de polimento têm uma

potência nominal de 15 kW. As ligações elétricas desta polidora encontram-se separadas, uma para

cada secção descrita acima, em dois quadros, pelo que a ligação do analisador de energia elétrica foi

realizada duas vezes. Como tal, as informações relativas a esta medição terão de ter esse aspeto em

consideração. A polidora número 2 tem apenas uma estrutura e possui 17 cabeças de polimento com

motores com uma potência de 18,5 kW para as primeiras três cabeças e 15 kW para as restantes, pelo

que foi possível executar a medição do equipamento como um todo, como se verá de seguida.

No dia 28 de junho de 2018 procedeu-se à primeira auditoria de ambas as polidoras. Foi utilizado um

período de medição de segundo a segundo de modo a perceber quais seriam as eventuais mudanças

no decorrer do processo. Apesar disso, estas medições não são suficientes para tirar conclusões. O

facto da primeira polidora se encontrar separada em dois quadros quase que impossibilita, utilizando

apenas um analisador, a medição do consumo dessa polidora ao processar certa quantidade de pedra.

Outro fator que influencia bastante as medições destes equipamentos é a quantidade de matéria prima

que se encontra no tapete rolante ao mesmo tempo. Apresentam-se, mesmo assim, os perfis de

potência absorvida por cada uma das polidoras, de modo a ser possível ter uma noção das gamas

dessa grandeza.

61

Figura 50 - Perfis de potência observados em ambas as partes da polidora 1

É possível perceber que a segunda parte da polidora que, possuindo um maior número de cabeças de

polimento, um tapete rolante e travessão maiores, tem um consumo superior à primeira parte.

Na Figura 51, é possível observar o perfil de potência para a polidora número 2, onde se destaca uma

potência absorvida superior à soma das observadas anteriormente. No entanto, à data das medições,

esta polidora encontrava-se com uma quantidade significativamente maior do que a polidora número

1, o que acaba por incrementar o consumo. Essa diferença torna-se impossível de comparar sem ter o

conhecimento exato da quantidade de pedra (em metros quadrados) que ambas processaram.

Figura 51 - Perfil de potência para a polidora 2

Por todas as razões já apresentadas, tomou-se a decisão de realizar a comparação destes

equipamentos a funcionarem em vazio, isto é, os movimentos das polidoras são exatamente os

0

5

10

15

20

25

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Polidora 1- primeira parte

05

101520253035404550

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Polidora 1- segunda parte

0

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Polidora 2

62

mesmos, mas não existe pedra nos seus tapetes. Esta decisão teve o cuidado de conseguir uma

comparação direta, que anteriormente não foi possível alcançar, não prejudicando a produtividade da

fábrica, uma vez que neste caso o tempo de ensaio não necessita de ser grande.

4.1.4. Comparação das Polidoras

Para a comparação direta das polidoras foram realizadas medições em vazio, como referido

anteriormente. Foram registadas as informações de cada uma, exatamente com o mesmo período de

medição e intervalo de aquisição de dados. No caso da polidora 1, que é composta por dois corpos

separados, foi realizada a conjugação dos dados de cada um, de forma a torná-la comparável com a

polidora 2.

Após análise desses dados, chegou-se à conclusão de que a polidora 1 é a que consome mais energia,

apresentado uma potência absorvida média de 35,14 kW contra 30,32 kW, no caso da polidora 2. Trata-

se de uma poupança de cerca de 13,7 % da polidora 1 para a segunda que, no ponto 4.2.1., será

estudada com maior detalhe. Os perfis de potência obtidos em vazio para cada uma das polidoras

encontram-se disponíveis no anexo A.

4.1.5. Máquinas de Corte CNC 1 e CNC 2

Depois de passarem pela etapa de polimento, algumas das chapas seguem para a estação de corte

por medida. Esta estação é constituída por duas máquinas de corte, CNC 1 e CNC 2, que utilizam

discos com segmentos diamantados como ferramenta. Estas máquinas têm possibilidade de se mover

ao longo de 4 graus de liberdade, sendo eles x, y, z e ainda têm a possibilidade de rodar o disco em

torno do eixo z (eixo vertical). Esta particularidade garante que, quando uma pedra é trazida para o

espaço de trabalho, através do tapete rolante da própria máquina, os cortes são todos desempenhados

sem haver a necessidade de novo posicionamento. Apresentam-se, de seguida, as fotografias de

ambos os equipamentos.

63

Figura 52 – Máquinas de corte CNC 1 (à esquerda) e CNC 2 (à direita)

Como pode ser observado, estas máquinas, assemelham-se muito à que foi utilizada para desenvolver

o estudo do capítulo 3 deste trabalho. A grande diferença prende-se com o grau de liberdade extra que

estas possuem, isto permite que possam executar cortes em todas as direções da chapa, enquanto

que a anteriormente utilizada apenas desempenhava cortes numa direção. É de notar que a área

disponível para processamento é significativamente superior nestes equipamentos.

Para obter uma comparação exata entre estes dois equipamentos, foram realizadas medições a cada

um deles, registando todos os dados relevantes que possibilitam essa comparação. Ambas

processaram chapas do mesmo material, provenientes do mesmo bloco e com a mesma espessura.

Uma vez que estes cortes são realizados num intervalo de tempo relativamente curto, tal como no ponto

3, foi utilizado um período de aquisição de dados de segundo a segundo. Desta forma, é possível

observar todas as variações no perfil de potência e detetar os momentos em que a máquina se encontra

em corte.

Apresentam-se de seguida as informações resultantes das medições a estas máquinas de corte.

Ambas foram alvo de medição no dia 21 de junho de 2018.

CNC 1:

A Tabela 24 apresenta de forma sucinta e resumida as principais características do processo que foi

analisado.

Tabela 24 - Dados relativos ao ensaio na CNC 1

Máquina de Corte

Pedra Espessura das chapas

[mm]


[m^2]

Consumo [kWh]

CNC 1 FM 30 0,05538 3,37133

64

Utilizando, assim como realizado na secção respetiva aos engenhos multi-lâmina, os valores do

consumo total de energia e, dividindo-o, pelo valor da área total processada, obtém-se um valor para o

consumo específico de 60,876 kWh/m^2. Uma vez que as chapas foram cortadas em toda a sua

espessura, o valor da área processada foi alcançado fazendo a multiplicação entre essa espessura e

o somatório dos perímetros das peças obtidas pelo corte desempenhado.

A Figura 53 apresenta o perfil de potência obtido no processamento da chapa de FM, realizado pela

CNC 1.

Figura 53 - Perfil de potência da máquina de corte CNC 1

Pela observação do perfil apresentado é possível verificar que estas máquinas, quando comparadas

aos engenhos ou às polidoras, apresentam potências absorvidas muito inferiores. Confirma-se que,

pelo facto de ter sido utilizado um período de segundo a segundo, é possível perceber quando a

ferramenta executa um corte, quando este começa e quando acaba.

CNC 2:

Os dados relevantes ao processo analisado para a máquina de corte CNC 2 encontram-se

apresentados na Tabela 25.

Tabela 25 - Dados relativos ao ensaio na CNC 2

Máquina de Corte

Pedra Espessura das chapas

[mm]


[m^2]

Consumo [kWh]

CNC 2 FM 30 0,06684 4,19476

0

2

4

6

8

10

12

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

CNC 1

65

De onde se obtém um consumo específico de 62,758 kWh/m^2. Este valor é ligeiramente superior ao

alcançado para a CNC 1.

De seguida apresenta-se o perfil de potência associado ao processamento executado pela máquina de

corte CNC 2.

Figura 54 - Perfil de potência da máquina de corte CNC 2

Tal como o sucedido na Figura 53, na figura acima é possível distinguir quando a ferramenta se

encontra em corte ou não. Em comparação com a CNC 1, esta apresenta maiores picos de potência

quando se encontra a desempenhar os cortes.

Para a comparação das duas máquinas de corte por medida existentes nas instalações da empresa

em questão são tidos em conta os respetivos consumos específicos. Estes valores, adquiridos quando

ambas as máquinas processavam chapas provenientes do mesmo bloco de mármore, com a mesma

espessura e, por isso, obtidos com grande controlo, são bastante fidedignos. A poupança entre

processar na CNC 1 ou na CNC 2, no que toca ao consumo específico, é cerca de 3,1%. Trata-se de

uma diferença pouco significativa, indicando que estes dois equipamentos apresentam um

comportamento bastante idêntico, quando se encontram a processar nas mesmas condições.

4.1.6. Mono-lâmina

Apesar de não pertencer à principal linha de produção da empresa, a mono-lâmina é encarregue por

satisfazer trabalhos especiais. Por exemplo, quando existe a necessidade de obter chapas com mais

de 50 milímetros de espessura este equipamento assume o trabalho. Não seria proveitoso encarregar

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

:55

:02

16

:56

:04

16

:57

:06

16

:58

:08

16

:59

:10

17

:00

:12

17

:01

:14

17

:02

:16

17

:03

:18

17

:04

:20

17

:05

:22

17

:06

:24

17

:07

:26

17

:08

:28

17

:09

:30

17

:10

:32

17

:11

:34

17

:12

:36

17

:13

:38

17

:14

:40

17

:15

:42

17

:16

:44

17

:17

:46

17

:18

:48

17

:19

:50

17

:20

:52

17

:21

:54

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

CNC 2

66

um engenho multi-lâmina nesses casos, porque iria prejudicar a linha principal da empresa.

Adicionalmente, a mono-lâmina pode ser requerida para acertar blocos que estejam consideravelmente

irregulares.

O motor principal da mono-lâmina em questão tem uma potência nominal de 22 kW. Nas instalações

da empresa não existe nenhum equipamento equiparável a este, no entanto, será realizada uma

comparação, posteriormente, com um equipamento mono-fio, com um motor principal com a potência

nominal de 7,5 kW. Este, utilizando um fio com segmentos diamantados como ferramenta, garante,

regra geral, uma maior produtividade e menor gasto energético [21]. Os cortes são conseguidos

aplicando uma pressão descendente sobre a pedra, através do fio que se encontra em movimento e,

entrando em contacto com a pedra, os seus segmentos removem material.

O equipamento que será alvo de análise para esta comparação encontra-se nas instalações da

empresa Frontwave. É relevante referir que a mono-lâmina, durante a sua auditoria, se encontrava a

processar um bloco de calcário, proveniente do norte do país, comercialmente denominado Santi Blue,

razão pela qual, durante a medição do equipamento mono-fio o material utilizado será exatamente

esse.

A medição da mono-lâmina foi levada a cabo no dia 27 de junho de 2018 e, quando foi iniciada, este já

se encontrava em funcionamento, não tendo parado durante todo o período medido. O trabalho a

realizar consistia em cortar o material referido acima em chapas com uma espessura de 60 milímetros

e, no início da medição, este estava a finalizar um corte. Um novo corte teve início por volta das 16

horas desse mesmo dia, estendendo-se até às 23 horas, observável pelo perfil de potência presente

na Figura 55. Os cortes neste equipamento foram realizados com uma velocidade de descida de 14

cm/h.

Figura 55 - Perfil de potência da mono-lâmina

0123456789

10

Po

tên

cia

[kW

]

Hora

Mono-lâmina

67

Por volta das 23:15h surgem variações que, por terem acontecido fora do horário normal de trabalho,

não é possível conhecer a sua natureza, voltando depois, pelas 05:05h da manhã do dia seguinte, a

potência absorvida ao normal.

Uma vez que o trabalho em questão implicava o processamento ao longo de uma frente de corte com

2,55 metros, apenas no ponto 4.1.7. será realizada a comparação acima mencionada. Esta decisão foi

tomada tendo em conta as dificuldades que surgiram no transporte de uma amostra com tais dimensões

até às instalações da Frontwave. Optou-se então por realizar novos ensaios, tanto na mono-lâmina

como no mono-fio, processando uma amostra desse material com dimensões de 0,915x0,24x0,07 em

metros.

4.1.7. Comparação da Mono-lâmina com o Mono-fio

A mono-lâmina, apesar de já ter sido alvo de estudo, é neste ponto sujeita a mais um ensaio que

permitirá a comparação direta com a tecnologia de fio diamantado. Para satisfazer os requisitos desta

comparação, recolheu-se uma amostra da pedra que se encontrava a ser processada pela mono-

lâmina à data da sua análise. O processamento desta amostra, com dimensões já especificadas,

colocará estes dois equipamentos em igualdade e permitirá retirar conclusões quanto aos consumos

de energia e produtividade dos mesmos.

Em primeiro lugar foi realizado o ensaio à mono-lâmina, onde se registaram os dados de três rasgos,

com três velocidades de descida diferentes. A amostra de pedra foi colocada de forma a que a frente

de corte coincidir com a dimensão de 915 milímetros e a profundidade de corte corresponder aos 70

milímetros. Este posicionamento foi importante para garantir que a pedra não era arrastada do seu

lugar pelo movimento da lâmina. A Tabela 26 contém todas as informações relevantes de forma

resumida.

Tabela 26 - Dados relativos ao ensaio na mono-lâmina

Velocidade de descida

[cm/h] Pedra

Área processada

[m^2]

Consumo [kWh]

Consumo específico [kWh/m^2]

35

Santi Blue 0,06405

2,4189 37,7664

46 1,7954 28,0304

60 1,4401 22,4843

Verifica-se que o corte mais eficiente, do ponto de vista energético, foi o corte desempenhado com a

velocidade de descida de 60 cm/h.

68

Para o caso do ensaio realizado com o mono-fio foram realizados também três rasgos no bloco de

amostra onde se utilizaram três velocidades de descida diferentes, o que se pode verificar na Tabela

27. É importante referir que neste equipamento a amostra foi cortada na profundidade de 240

milímetros, isto porque neste existe um suporte capaz de fixar a pedra, não havendo o risco de esta

deslizar durante o corte. Esta caraterística apenas influencia a área processada e, por conseguinte, o

tempo de processamento, não causando discrepâncias na comparação com a mono-lâmina.

Tabela 27 - Dados relativos ao ensaio no mono-fio

Velocidade de descida

[cm/h] Pedra

Área processada

[m^2]

Consumo [kWh]

Consumo específico [kWh/m^2]

50

Santi Blue 0,2196

2,9733 13,5398

75 2,2175 10,0977

98 1,5406 7,0153

É possível verificar, tal como aconteceu anteriormente, que a maior eficiência energética se encontra

no corte desempenhado à maior velocidade de descida (98 cm/h).

Ambos os equipamentos analisados apresentam uma tendência decrescente, bem definida, do

consumo em função do aumento da velocidade de descida, o que pode ser verificado nos gráficos

presentes no anexo B. No entanto, pela observação dos ensaios, considera-se que ambos os

equipamentos se encontravam com as respetivas ferramentas em esforço, o que influencia diretamente

o desgaste das mesmas. A comparação destas máquinas será realizada utilizando os valores com

maior eficiência energética, registados acima.

Resulta destes ensaios que a utilização do mono-fio frente à mono-lâmina permite uma poupança de

68,8%, quando comparados os respetivos consumos específicos de energia. Para além desta grande

diferença, o mono-fio permite ainda um aumento na produtividade em cerca de 63%.

Dados os resultados encontrados, é possível perceber que é vantajosa a utilização de um mono-fio em

relação a uma mono-lâmina. Quando observada a situação da empresa em estudo, que processa

maioritariamente mármores e tem já disponível uma mono-lâmina funcional, conclui-se que não será

proveitoso o investimento num equipamento mono-fio. A principal justificação para tal prende-se com o

facto das lâminas, ao processar mármores e materiais semelhantes, apresentarem custos bastante

inferiores aos dos fios diamantados.

69

4.2. Medidas e Resultados

Neste ponto serão analisadas as principais medidas alcançadas, fruto da auditoria realizada aos

equipamentos da fábrica da Mármores Galrão, bem como as poupanças provenientes de tais

mudanças, tanto na forma de energia primária como em euros.

Nota: Neste ponto, sempre que abordada a poupança económica alcançada, utilizar-se-á o valor de 0,1126 €/kWh,

obtido das faturas de eletricidade e que contempla também os custos associados à potência e os termos fixos.

Excetua-se o caso do ponto 4.2.2. onde é realizado o cálculo detalhado para obtenção da diferença de preço para

cada período do dia. No caso da energia primária utiliza-se o fator de conversão de 0,215 kgep/kWh.

4.2.1. Definição de uma Rota Ótima

Anteriormente, nos subtópicos do ponto 4.1., foram descritos e estudados os diferentes equipamentos

existentes na fábrica. Os equipamentos que se dedicavam ao mesmo processamento foram postos

frente a frente, de forma a obter uma comparação fiável e de possível análise. Nesta fase do trabalho

será realizada uma análise global a tais comparações, de forma a perceber qual a influência que uma

rota de produção bem definida pode ter. Para tal, são consideradas as informações, apresentadas

anteriormente, relativas aos equipamentos que constituem a principal linha produtiva da fábrica, os

engenhos multi-lâmina, as polidoras e as máquinas de corte CNC 1 e 2.

Como foi apresentado anteriormente, o consumo energético associado ao processo produtivo

representa cerca de 50% do consumo total da empresa. Para além desta ser uma medida que atua

diretamente nesse valor, tem também a vantagem de não estar dependente de nenhum investimento.

Engenhos multi-lâmina:

Para o caso dos engenhos multi-lâmina, a auditoria realizada permitiu estudar seis dos sete

equipamentos deste tipo, existentes na fábrica em questão. Foi concluído que, dos 6 engenhos

estudados, um deles – o engenho 2 - se encontra em condições de funcionamento irregulares, tendo

uma diferença máxima de cerca de 119%, em relação ao melhor engenho – o engenho 7-, no que ao

consumo específico diz respeito. Assim, considerando a seguinte distribuição de consumos pelos sete

engenhos, é possível prever qual a poupança obtida quando se deixa de processar no engenho 2 e se

passa a processar no engenho 7.

70

Figura 56 - Consumo relativo dos engenhos multi-lâmina

Lembra-se que, o consumo relativo aos processos produtivos corresponde a 50% do consumo total e,

desses, os engenhos são responsáveis por 59%, pelo que se obtém um consumo entregue aos

engenhos de 120,51 tep anuais. A poupança máxima anual alcança-se, como já explicado, quando se

passa do engenho 2 para o 7 e representa cerca de 14,46 tep. Utilizando o valor médio de 0,1126

€/kWh, como referido anteriormente, chega-se à poupança de 7573 €. Para ter uma ideia um pouco

mais realista, apresenta-se a poupança média, isto é, a poupança que se alcança ao deixar de

processar no engenho 2 e passar-se a processar na “média dos outros engenhos”. Obtém-se então um

valor de 12,29 tep de energia primária e cerca de 6438 €.

Polidoras:

No caso das polidoras, só existindo duas, advém muito menor liberdade que anteriormente, pelo que a

rota ótima fica definida pela que apresentar menor consumo, obtendo a poupança pela comparação

direta entre as duas. Através da desagregação do consumo presente nas Figura 9 e Figura 41, é

possível alcançar um consumo anual para estes equipamentos de 36,77 tep. Deste valor foi verificado

que a polidora 1 é responsável por 19,74 tep (54 %) e a polidora 2 por 17,02 tep (46 %). Mais uma vez,

contabilizando a poupança anual ao fabricar na polidora 2 em vez de utilizar a primeira, obtêm-se

valores de 2,72 tep e 1425 €.

Para o cálculo do consumo específico destes equipamentos foi tido em conta o consumo total de cada

uma das polidoras e o registo da produção anual destas, em metros quadrados. Essa análise permitiu

constatar que a polidora 1 apresenta um valor de 18,1680 kWh/m^2, ao passo que a segunda apresenta

um consumo específico de 15,6645 kWh/m^2.

13%

23%

13%15%

12%

13%

11%

Engenho 1

Engenho 2

Engenho 3

Engenho 4

Engenho 5

Engenho 6

Engenho 7

71

CNCs:

Aplica-se a esta estação de processamento o mesmo descrito anteriormente relativo à poupança

possível de alcançar. No ponto 4.1.5. observou-se que a diferença entre o consumo específico destes

equipamentos era de 3,1%, o que se trata de um valor quase irrelevante quando comparado com o que

acontece no caso dos engenhos. Como mencionado anteriormente, pelas percentagens de

desagregação dos consumos, alcança-se, para estas máquinas de corte, um consumo anual de energia

elétrica de 6,13 tep. Quanto à poupança anual, como seria de esperar é quase desprezável, atingindo

valores de 0,1 tep, no que à energia primária diz respeito, e 52 €, quando se opta por utilizar a máquina

de corte CNC 1 em vez da CNC 2.

Torna-se agora possível contabilizar qual seria a poupança anual ao deixar de processar nos

equipamentos que apresentam maiores consumos de energia e processar naqueles que apresentam

menor consumo. No caso dos engenhos é apresentada a opção que consiste em passar do engenho

2 para a média dos engenhos, como anteriormente explicado. Essa poupança traduz-se então na

diminuição do consumo de energia primária em 15,09 tep, o que corresponde a cerca de 7915 €.

Quando comparada a melhor rota de produção disponível que um produto que passa pelos processos

estudados pode tomar, com a pior rota possível, considerando os consumos específicos dos diferentes

equipamentos que as constituem, conclui-se que para a primeira o consumo específico é de 78,532

kWh/m^2 e para a segunda ter-se-á um valor de 85,284 kWh/m^2. De onde se obtêm os custos por

metro quadrado, no que diz respeito a energia elétrica, no melhor caso de 8,84 € e 9,60 € no pior,

originando uma poupança de energia para estes produtos de cerca de 8%.

4.2.2. Planeamento do Processamento dos Engenhos Multi-lâmina

Será agora analisado o planeamento da serragem de blocos no que às horas de processamento diz

respeito. Para isso, é importante referir que a energia elétrica é cobrada com base numa tarifa quarto-

horária (ponta, cheia, vazio normal e super vazio), sendo possível observar os intervalos

correspondentes a cada tarifa na Tabela C1, presente no anexo C. É também relevante informar que a

empresa dispõe de um trabalhador dedicado ao controlo destes equipamentos no horário noturno, pelo

que não será necessário ter em consideração contratações de trabalhadores para que esta medida

seja implementada.

Para o cálculo da hora ótima de início de processamento foi considerado que serrar um bloco nestes

engenhos toma, em média, 14 horas. O ajuste do processamento foi realizado de forma a aproveitar

todos os períodos de super vazio e vazio normal, evitando ao máximo os períodos de ponta, mas

sempre sem comprometer a produtividade da linha. Para além da energia elétrica ser mais cara no

período de ponta, existe ainda o acréscimo da potência utilizada nesse período ser cobrada à parte.

72

Como os horários correspondentes a cada tarifa, e mesmo as tarifas, variam do horário de verão para

o horário de inverno, obtiveram-se soluções diferentes para ambas as situações. O horário de verão é

composto pelos meses de março a outubro, sendo que os restantes meses pertencem ao horário de

inverno.

Para o horário de verão a solução ótima consiste em iniciar a serragem pelas 17 horas, conseguindo

assim evitar a tarifa de ponta, aproveitando completamente toda a gama de vazio normal e super vazio.

Ao ser implementada esta medida é possível alcançar uma poupança de 7054 €, apenas no período

de verão. No caso do horário de inverno não foi possível evitar completamente a tarifa de ponta uma

vez que, para tal, seria necessário realizar uma paragem no processo produtivo, o que não é

aconselhável. Iniciar o processo às 21 horas foi a melhor solução encontrada para este período, sendo

possível alcançar uma poupança de 3994 €.

Compatibilizando ambos os períodos mencionados acima, de forma a obter os resultados

correspondentes a um ano inteiro, resulta uma redução de 21% do custo total energético destes

equipamentos, o que corresponde a uma poupança económica de 11048 €. No caso desta medida não

faz sentido mencionar a poupança de energia primária, uma vez que esta é inexistente. A energia

entregue ao processamento dos engenhos é exatamente a mesma, no entanto é cobrada de forma

diferente, pelo que se obtém poupança económica, mas não de energia.

4.2.3. Otimização do Sistema de Controlo das Polidoras

Uma vez que a constante circulação de água neste processo é muito importante, as chapas de pedra,

à saída da etapa de polimento, são sujeitas a uma secagem e limpeza da sua superfície. Como referido

anteriormente, este processo final é levado a cabo por dois ventiladores, que projetam ar de forma a

que a água presente na superfície escoe, e por dois rolos que, encontrando-se em constante rotação,

limpam a superfície da pedra.

Ao longo da permanência na fábrica, foi possível verificar que muitas vezes estes equipamentos se

encontravam a trabalhar em vazio, isto é, sem processar nenhuma pedra, devido ao facto da distância

entre elas ser consideravelmente grande. Por vezes, foi mesmo observado que os rolos finais, estando

em movimento, não processavam as chapas quando passavam por estes. Por essas razões, no

momento da medição das polidoras, foi também levada a cabo uma medição confinada a essa parte

final das mesmas.

Obteve-se então uma potência média absorvida de aproximadamente 7 kW, por polidora, no que aos

ventiladores e rolos diz respeito. Verificou-se também que os arranques dos motores elétricos,

responsáveis pelo funcionamento dos equipamentos, eram compensados pelo funcionamento desses

em apenas 2,7 segundos, o que representa um valor reduzido, uma vez que normalmente o tapete da

73

polidora se move a uma velocidade média de 1,6 cm/s. Imediatamente à frente de uma das polidoras

encontra-se um equipamento capaz de registar as dimensões da pedra polida, bem como a hora a que

esta por ele passa. Utilizando essas informações, num período de cinco dias de produção normais, foi

possível concluir que, em média, estes equipamentos se encontram a trabalhar em vazio durante

73,85% do tempo. Foi então estudada a possibilidade de alterar o controlo destes equipamentos de

forma a que, quando não haja nenhuma chapa a passar na sua zona de atuação, estes se desliguem.

É importante referir que este controlo se torna possível, e sem nenhum investimento associado, devido

ao facto de já existirem sensores de posição implementados nas polidoras. Pelo que, considerando oito

horas de trabalho por dia (das 08:00h às 12:00h e das 13:00h às 17:00h) e 240 dias úteis num ano, é

possível alcançar com esta medida uma poupança de 4,3 tep, o que corresponde a cerca de 2265 €.

4.2.4. Extrapolação dos Ensaios de Desgaste da Ferramenta versus Energia

No terceiro capítulo da presente dissertação foi desenvolvida uma metodologia de ensaios que,

melhorando os diferentes parâmetros operativos do processo em questão, permitiria a obtenção de

uma poupança geral. Esta poupança foi conseguida fazendo uma comparação entre os gastos

energéticos e os gastos associados à ferramenta de processamento, de onde resultou um decréscimo

de 15% nesses custos. Como havia sido referido, trata-se de um estudo interessante, uma vez que é

possível realizar a extrapolação para quase toda esta indústria. Trata-se de uma extrapolação tão

abrangente, na medida em que este tipo de corte existe na maioria das fábricas que se dedicam ao

processamento de pedra natural.

Tendo a empresa, alvo do caso de estudo desta dissertação, uma larga capacidade produtiva, é natural

que nela existam diversos equipamentos aptos à aplicação desta metodologia. Para além das máquinas

CNC 1 e 2, anteriormente apresentadas, existem na linha de ladrilho duas outras máquinas de corte

que, apesar de não terem sido analisadas, é conhecido o seu consumo anual. Todas as máquinas de

corte acima mencionadas têm o mesmo princípio de processamento do equipamento utilizado para os

testes no capítulo 3, razão pela qual se torna plausível considerar uma poupança geral na ordem dos

15%. Claro que este valor terá de ser confirmado através da aplicação da metodologia de ensaio para

as quatro máquinas. Essa confirmação tornou-se impossível no âmbito desta dissertação, uma vez que

o período de estudo na fábrica foi de aproximadamente duas semanas e, para além disso, a aplicação

da metodologia implica paragens no normal funcionamento dos equipamentos em questão.

Considerando todos os eventuais percalços descritos anteriormente e sabendo que o consumo total

destes quatro equipamentos é cerca de 8,68 tep, obtém-se uma poupança anual de 1,3 tep, o que

corresponde a 682 €, aproximadamente.

75

5. Conclusões

Esta dissertação, desenvolvida no âmbito do programa Galp 21, teve como objetivo a análise e

implementação de medidas de racionalização de energia no sector da pedra natural. Para isso, numa

primeira fase, foi desenvolvida uma metodologia de ensaios capaz de trazer benefícios a toda a área

transformativa desse sector. Foi também realizado um caso de estudo, nas instalações de uma fábrica

com grande capacidade produtiva, com o objetivo não só de caracterizar o trânsito de energia, mas

também de possibilitar a identificação de possíveis cenários de poupança económica e ambiental.

O estudo realizado na primeira metade desta dissertação permite concluir que é possível alcançar

poupanças energéticas com o melhoramento dos parâmetros operativos do processo em questão. É

de salientar que o degaste na ferramenta é um parâmetro a ter em conta, garantindo que a poupança

de energia não é comprometida pelo aumento desse. Apesar de não ter sido alcançado o ponto ótimo

dos parâmetros operativos, devido à falta de recursos e tempo, alcançou-se uma poupança total no

processo de 15%. Este valor torna-se considerável, tendo em conta que é uma tecnologia utilizada pela

grande maioria das empresas dedicadas ao processamento de pedra natural.

Na segunda parte do trabalho foi levado a cabo um caso de estudo na empresa de processamento de

pedra natural Mármores Galrão. Esta representa uma empresa “tipo” dentro do sector analisado, pelo

que outros estudos desta natureza podem ser realizados. O estudo aqui desenvolvido foi direcionado

para os processos produtivos, sendo que, aqueles que constituem os maiores consumos de energia

elétrica foram analisados detalhadamente.

Durante a auditoria realizada foram analisados os equipamentos de processamento presentes na

fábrica da empresa. Este estudo permitiu a comparação dos diferentes equipamentos entregues ao

mesmo tipo de processo, de onde foi prontamente possível a definição de uma rota ótima de produção.

Para além desta, foram ainda encontradas outras três medidas de racionalização de energia elétrica,

sendo a primeira aplicada ao processamento dos blocos nos engenhos, a segunda diretamente

aplicada nas polidoras e a última direcionada para as máquinas de corte com estrutura em ponte. A

Tabela 28 apresenta de forma resumida as medidas encontradas, bem como as vantagens anuais que

delas provêm.

Por vezes existem problemas na implementação de medidas de racionalização de energia devido a

grandes paragens na produção ou até por estarem associadas a altos investimentos. No presente

trabalho procurou-se a identificação de medidas com investimento nulo, ou aproximadamente nulo,

para evitar tais situações.

76

Tabela 28 - Resumo das medidas de melhoria encontradas

Medida Investimento Poupança [€] % Poupança [tep] Diminuição das

emissões [tCO2]

Definição de rota ótima

- 7915 3,7 15,1 33

Planeamento do processamento nos

engenhos - 11048 5,2 - -

Otimização do sistema de controlo

das polidoras - 2265 1,1 4,3 9,4

Extrapolação dos ensaios de desgaste

versus energia - 682 0,3 1,3 2,8

Relembra-se que a medida relativa ao planeamento do processamento nos engenhos não tem

poupança de energia primária uma vez que, apenas se efetua um melhor aproveitamento do preço

variável da energia.

As medidas acima propostas conduzem a uma poupança de cerca de 20,7 tep, o que corresponde a

uma redução de 5,1% no consumo de energia primária, e uma poupança económica de cerca de 21910

€, que representa 10,3% de poupança na fatura da eletricidade da fábrica. Foi ainda alcançada uma

redução de cerca de 45 toneladas de dióxido de carbono.

5.1. Trabalho Futuro

Após a realização desta dissertação, para desenvolvimento futuro, existem alguns aspetos que

poderiam não só enriquecer os temas abordados neste trabalho, mas também, todo o setor da pedra

natural.

No que à primeira parte desta dissertação diz respeito, seria interessante obter um estudo mais robusto

para obter parâmetros de operação ótimos, uma vez que, devido à falta de recursos não foi exequível

aqui. Para isso, sugere-se a combinação dos vários parâmetros através de um estudo utilizando o

software Design Expert.

No que toca às instalações da empresa considerada no caso de estudo, poderia ser proveitoso abordar

os restantes equipamentos aí existentes, bem como a linha de ladrilho. Uma confirmação rigorosa da

medida abordada no ponto 4.2.4. que, apesar desta ser válida, traria maior certeza nos valores de

poupança obtidos. Aconselha-se ainda o desenvolvimento de um estudo energético mais convencional,

77

isto é, não tão focado nos processos produtivos. Estudo esse que pode ter em consideração aspetos

relacionados com o sistema de ar-comprimido, sistema de bombagem, iluminação, entre outros.

Sugere-se ainda a avaliação dos equipamentos responsáveis pelo processamento em classes

energéticas, o que conferia maior facilidade no momento de decisão de aquisição e permitiria classificar

também uma linha fabril quanto à sua classe energética.

78

6. Referências

[1] DGEG, “BALANÇO ENERGÉTICO 2016-Sintético,” 2016.

[2] EUROSTAT, “refreshTableAction @ ec.europa.eu.” [Online]. Available:

http://ec.europa.eu/eurostat/tgm/refreshTableAction.do?tab=table&plugin=1&pcode=tsdpc240&

language=en.

[3] APREN, “APREN - Produção.” [Online]. Available: http://www.apren.pt/pt/energias-

renovaveis/producao.

[4] H. S. Kim, “The effect of the Kyoto Protocol on international trade flows: evidence from G20

countries,” Appl. Econ. Lett., vol. 23, no. 13, pp. 973–977, 2016.

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I

ANEXOS

A. Perfis de Consumo das Polidoras em Vazio

Figura A1 - Perfil de potência para a parte 1 da polidora 1 em vazio

Figura A2 - Perfil de potência para a parte 2 da polidora 1 em vazio

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Po

tên

cia

[W]

Hora

Polidora 1 - parte 1

0

5000

10000

15000

20000

25000

Po

tên

cia

[W]

Hora

Polidora 1 - parte 2

II

Figura A3 - Perfil de potência da polidora 2 em vazio

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Po

tên

cia

[W]

Hora

Polidora 2

III

B. Estudo Mono-lâmina versus Mono-fio

Figura B1 - Perfil de potência obtido no ensaio à mono-lâmina

Figura B2 - Regressão linear do consumo em função da velocidade de descida para a mono-lâmina

0

2

4

6

8

10

12

14

16P

otê

nci

a [k

W]

Hora

Mono-lâmina

y = -0,0385x + 3,6961R² = 0,9497

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50 60 70

Co

nsu

mo

[kW

h]

Velocidade de descida [cm/h]

Regressão Linear Mono-lâmina

IV

Figura B3 - Perfil de potência obtido no ensaio ao mono-fio

Figura B4 - Regressão linear do consumo em função da velocidade de descida para o mono-fio

0

1

2

3

4

5

6P

otê

nci

a [k

W]

Hora

Mono-fio

y = -0,0299x + 4,463R² = 0,9999

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 20 40 60 80 100 120

Co

nsu

mo

[kW

]

Velocidade de descida [cm/h]

Regressão Linear Mono-fio

V

C. Faturação de Energia Elétrica

Tabela C1 - Ciclo semanal para o fornecimento de média tensão [42]

Tabela C2 - Tarifas de energia elétrica aplicadas às instalações estudadas

Preço (€/kWh)

Período de Inverno Período de Verão

Ponta 0,102183 0,10182

Cheia 0,091568 0,091604

Vazio normal 0,066866 0,067203

Super vazio 0,061243 0,061988

estudo energético de processos de fabrico na …...estudo energético de processos de fabrico na...

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