INTRODUÇÃO

Esse trabalho tem como objetivo explicar a importância da Lubrificação em Mancais de deslizamento

nos Ventiladores de processo da Samarco Mineração, visando explicar: onde estão instalados os ventiladores e

suas funções no processo, a importância, os cuidados, os procedimentos adotados e a comparação de dois

sistemas de lubrificação entre dois ventiladores.

O QUE É UM VENTILADOR

Um Ventilador é uma máquina que produz fluxo de gás com duas ou mais pás fixadas a um eixo rotativo.

Os ventiladores convertem a energia mecânica rotacional, aplicada aos seus eixos, em aumento de pressão

total do gás em movimento. Essa conversão é obtida através da alteração do momento do fluido.

Os códigos de teste de potencia da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME) limitam a

definição de ventilador a máquina que aumentam a densidade do gás em no máximo 7% à medida que

percorre o trajeto desde a aspiração até a descarga. Este é um aumento de aproximadamente 7620 Pa (762

milímetros de coluna d’água) com base no ar padrão. Para pressões superiores a 7620 Pa, o dispositivo de

movimentação do ar é um compressor ou soprador. Existem muitas outras definições, com limites de pressão

distintos, sendo que o Brasil não adota, oficialmente, nenhuma especificamente.

Ventiladores para aquecimento, ventilação e ar condicionado, inclusive em sistemas de alta velocidade

ou de alta pressão, raramente atingem mais que 2500 – 3000 Pa (250 a 300 mm de coluna de água).

O PROCESSO PRODUTIVO DA SAMARCO MINERAÇÃO S/A

Para que as pelotas formadas nos discos pelotizadores possam resistir às operações de manuseio e

transporte até o cliente, ou seja, estocagem no pátio, carregamento, transporte e descarrega do navio, e para

que suportem as pressões e aos choques térmicos dentro do forno do cliente, durante sua transformação em

ferro gusa (alto-forno) ou ferro esponja (redução direta), torna-se necessário submetê-las a um tratamento

térmico cuidadoso e bem balanceado, proporcionando às mesmas a resistência física e mecânica apropriada. A

este tratamento dá-se o nome de processo de endurecimento ou processo de queima, o qual é realizado no

forno de pelotização ou também chamado forno de endurecimento.

ETAPAS DO PROCESSO

Após o pelotamento e classificação nas mesas de rolos as pelotas cruas entre 18 e 8 mm de tamanho

passam pelas seguintes etapas:

- alimentação na grelha - secagem ascendente (I e II)

- secagem descendente - pré-queima

- queima - resfriamento (primário e secundário)

- descarga da grelha - peneiramento

Após as mesas de rolos da entrada do Forno, as pelotas passantes na mesa superior (abaixo de 18 mm

de diâmetro) e retida na mesa inferior (acima de 8 mm) são alimentadas na grelha.

Secagem Ascendente e Descendente

Nestas etapas, a água contida nas pelotas cruas alimentadas no forno é evaporada através do fluxo de

gases quentes que atravessa o leito de pelotas. A este processo de retirada da água da pelota, dá-se o nome

de secagem.

Pré-Queima

A etapa de pré-queima (ou de pré-aquecimento) é a fase intermediária às fases de secagem e queima,

onde as pelotas são expostas a um fluxo descendente de gases a temperaturas da ordem de 500 a 900o C.

Nestas condições as pelotas sofrem um aquecimento adequado antes de serem submetidas às rigorosas

temperaturas de endurecimento na zona de queima. A zona de pré-queima encontra-se esquematizada na

figura abaixo.

Queima

É a fase na qual as pelotas experimentam um fluxo gasoso também descendente, com os mais elevados

níveis de temperatura (da ordem de 1000 a 1380o C). Para tanto se utiliza óleo combustível que é injetado

lateralmente na coifa zona de queima através dos queimadores. A combustão do óleo produz o calor

necessário ao atingimento de tais temperaturas, como pode ser visto na figura abaixo.

Resfriamento

Ao saírem da zona de queima, pode-se observar que as pelotas estão incandescentes devido às elevadas

temperaturas resultantes da etapa anterior. Torna-se então necessário se efetuar o resfriamento a seco do

leito de pelotas até uma temperatura que seja possível o seu transporte via correias transportadoras até o

pátio de estocagem.

Este resfriamento se dá através de um fluxo ascendente intenso de ar atmosférico à temperatura

ambiente. Naturalmente, a maior eficiência de resfriamento é obtida nas pelotas localizadas na camada

inferior, já que o fluxo é ascendente.

Exemplo do fluxograma da Usina III de Pelotização da Samarco Mineração

MANCAIS DE DESLIZAMENTO

O QUE É

O movimento dos elementos ou peças de máquina exige superfícies de apoio, algumas das quais são fácil e completamente lubrificadas outras lubrificadas deficientemente e com dificuldade e, ainda outras, não recebem qualquer lubrificação. Em muitas situações, quando o movimento é pequeno e a carga leve, o projetista se contenta em prever um furo de óleo, ou outro dispositivo simples, e de fazer depender do operador da máquina a aplicação periódica do lubrificante. Entretanto, quando a carga ou à velocidade, ou ambas, são elevadas, como acontece comumente nas máquinas modernas, a lubrificação, seja por óleo, por ar ou outro fluido, deve ser projetada para atender as condições de operação e evitar dificuldades que, sem isso, adviriam. A lubrificação não é a apenas o lubrificante. Depende da carga, velocidade, folgas, comprimento e diâmetro do mancal e, talvez, do tipo de superfície.

CLASSIFICAÇÃO DOS MANCAIS Um mancal é constituído de duas partes principais: o munhão, que é a parte interna, cilíndrica,

usualmente com movimento de rotação ou oscilação, e o mancal propriamente dito ou superfície de apoio, que pode ser estacionário, como os mancais de uma arvore, ou pode ser imóvel, como no caso de um sistema biela-manivela.

Podem-se classificar os mancais de vários modos. Um deles encara o fato de ser o munhão inteiramente envolvido pela superfície de apoio ou mancal propriamente dito, caso em que o conjunto é chamado mancal completo ou de ser envolvido apenas parcial, caso em que o conjunto é chamado de mancal parcial. Um tipo simples de mancal parcial é usado quando a carga é aplicada na parte superior do munhão e este mergulhado em óleo na parte inferior.

Os mancais podem ser também classificados como mancais com folga ou sem folga. Nos mancais com folga o diâmetro da superfície de apoio é maior do que o do munhão. A diferença

entre esses diâmetros é chamada de folga c. A folga radial cr=c/2 é a diferença entre os raios das superfícies do mancal e do munhão. A relação entre a folga e o diâmetro do munhão c/D é chamada de taxa de folga. Um mancal sem folga é aquele em que ambas as superfícies, a do munhão e a de apoio do mancal, Têm os mesmos raios. È evidente que um mancal sem folga é, obrigatoriamente, um mancal parcial, enquanto os mancais com folga podem ser completos ou parciais.

Antes de podermos estudar os mancais hidrodinâmicos, temos que entender primeiro como os lubrificantes atuam. Como a viscosidade dos lubrificantes varia com a temperatura, temos que escolher um óleo ou graxa adequados para as condições de trabalho. O lubrificante escolhido também é determinado em função do acabamento das paredes do mancal. Este capítulo introduzirá os parâmetros usados para selecionar os lubrificantes, as qualificações de acabamento e o comportamento hidrodinâmico dos mancais de deslizamento O estudo de lubrificação, atrito e desgaste é chamado tribologia.

A exigência fundamental para duas superfícies serem lubrificadas é que as espessuras operacionais do lubrificante entre as superfícies devem ser maiores que a rugosidade das superfícies. As duas superfícies devem flutuar em um filme pressurizado de lubrificante.

Figura 2 - Relação entre a espessura do lubrificante e a rugosidade das superfícies do mancal A relação para a lubrificação hidrodinâmica é:

Onde h min normalmente excede 1 μm e onde W é a carga aplicada ao mancal. Pode-se ver o que acontece se h min for menor do que a altura da saliência da rugosidade. Contato

de metal com metade iria ocorrer, alto atrito e alta taxa de desgaste também acontecem. SUPERFÍCIES DOS MANCAIS Conclui-se da exposição acima, que superfícies lisas são vantajosas nos mancais. Se as irregularidades

forem pequenas, as superfícies poderão ficar mais próximas uma da outra e o lubrificante terá sua película mais fina, sem que sejam abandonadas as condições de atrito fluido. Em consequência, quanto mais lisas as superfícies, maior a margem de segurança. Quanto a possível ruptura da película de óleo, pois que um mancal projetado para trabalha em regime de atrito fluido virá, certamente, a falhar se operar por largo tempo nas condições de atrito combinado. O calor gerado pelo atrito excessivo romperá o filme de óleo.

Por esta razão as máquinas novas devem ser “amaciadas” sobre baixa carga, pois, deste modo, os pontos altos das superfícies em atrito serão, onde houver ruptura local do filme de óleo, alisados gradualmente e sem maiores danos. Quanto mais irregulares as superfícies, mais eficiente será este período de amaciamento.

Os mancais comerciais são acabados por alargador, ou ferramenta de brochear. Os munhões com superfícies apenas usinadas, sem retifica posterior são, comparativamente, ásperos.

LUBRIFICANTES Os óleos animais ou vegetais são lubrificantes, mas, é claro, os mais importantes dos óleos são os

derivados de petróleo. Os modernos óleos de petróleo contem, usualmente, um ou mais aditivos que objetivam a melhoria de alguma propriedade particular do óleo. Assim, são usados aditivos com os seguintes objetivos: para reduzir a taxa de e oxidação do óleo (antioxidantes); para limpar as superfícies das maquinas (detergentes); para reduzir a corrosão (anticorrosivos); para manter os produtos da decomposição em um estado coloidal (dispersantes); para prevenir o contato de metal com metal, como no caso dos dentes de engrenagem (agentes para extrema pressão); para reduzir ferrugem (antiferruginosos); para baixar o ponto de congelamento; para diminuir a variação do índice de viscosidade com a temperatura e para prevenir a formação de espuma.

Os lubrificantes sintéticos estão assumindo importância cada vez maior em situações especiais. Um polímero dimetilsilicone apresenta o alto índice de viscosidade ** de 150, resiste à oxidação até 350º F e pode ser fabricado com a viscosidade desejada.

A grafita tem sido usada como lubrificante de muitos modos: Um composto especial, lubrificante sólido, produz um filme com espessura de 0,004 mm (0,00015 pol.) a 0,0127 mm

169 (0,0005 pol.) de espessura e adere tenazmente às superfícies. Tem sido usadas em mancais, engrenagens, arvores caneluradas e outras aplicações e é extremamente preventivo de escoriações nas superfícies metálicas provocadas pelo atrito.

VISCOSIDADE A propriedade mais importante de um lubrificante, no caso de atrito fluido, é a viscosidade.

Consideremos um elemento de um fluido no qual ocorre movimento relativo das partículas. Se a velocidade da camada superficial superior é v2 e, da inferior, v1 , a variação da velocidade entre as duas camadas é v2 v1= dv, se admitirmos que as camadas superficiais estejam afastadas entre si de dh. A lei de

Newton para os fluidos viscosos estabelece que a tensão de cisalhamento F / A no fluido é proporcional ao gradiente de velocidade dv / dh:

onde A é a área do fluido e μ é a constante de proporcionalidade , chamada viscosidade absoluta, ou

simplesmente viscosidade, do fluido. Existem dois tipos de viscosidade que são comumente utilizadas. A primeira é a viscosidade absoluta

e é derivada da unidade básica de força e velocidade. A outra é chamada de viscosidade cinemática definida como a viscosidade absoluta dividida pela densidade.

Se o lubrificante não constar das tabelas, será, provavelmente, necessário à conversão a partir da

viscosidade Saybolt Universal (SU), que é obtida em leituras de viscosímetros comerciais. Esta conversão é feita com o uso de outra propriedade denominada

Viscosidade cinemática, que é a viscosidade absoluta do fluido dividida pela sua massa específica, ambas expressas no mesmo sistema de unidades. As dimensões básicas da viscosidade cinemática são L2 T-1. Como no sistema CGS de unidades, a massa especifica ρ é numericamente igual à densidade d, é fácil determinar a viscosidade cinemática VC a partir da absoluta Z em centipoise.

VC = Z / ρ = Z / d = 0,22t – (180/t) (centistokes) (6) onde t é a leitura no viscosímetro Saybolt

Universal em segundos sendo todas as propriedades consideradas à mesma temperatura. A densidade de um óleo derivado de petróleo a uma determinada temperatura θ é dada, aproximadamente, por:

dθ = d60 – 0,00035 (θ-60) (7) onde d60 é a densidade a 60°F (cerca de 0,89 a 0,93 para estes óleos). TIPOS DE LUBRIFICAÇÃO Existem dois tipos básicos de movimento relativo entre superfícies: Rolamento e escorregamento. O

movimento entre um eixo e a bucha de um mancal é escorregamento. Entre os dentes de uma engrenagem existem ambos os tipos de movimento.

a) Hidrodinâmica: As superfícies da árvore e do mancal são separadas por uma película relativamente

espessa de lubrificante, evitando o contato metal-metal. A película lubrificante é formada pelo movimento da árvore. Este tipo de lubrificação não requer injeção de óleo sobre pressão.

b) Hidrostática: A lubrificação é alcançada através da injeção do lubrificante sob pressão. Assim, as superfícies em movimento são separadas por uma película espessa de lubrificante.

c) Elasto-hidrodinâmica: É a lubrificação de superfícies em movimento de rolamento. d) Limite: As superfícies da árvore e do mancal são separadas por uma película extremamente fina de

lubrificante. A espessura da película lubrificante é de escala microscópica. A perda da camada espessa de lubrificante (lubrificação hidrodinâmica) pode ser causada por diversos fatores, tais como: Aumento da temperatura de serviço, queda da velocidade do eixo, aumento da força atuante, etc...

e) Sólida: Em aplicações onde a temperatura de serviço é muito alta, exige-se o uso de lubrificantes sólidos tais como grafite e bissulfeto de molibdênio.

Segue abaixo um comparativo entre dois Ventiladores da Usina II (85VT06) e Usina III (06VT002), onde

poderemos ver claramente como a lubrificação é importantíssima na vida útil, confiabilidade e disponibilidade do

equipamento para a empresa.

85VT06 – Informações Técnicas

O eixo pesa aproximadamente 8000 Kg e tem comprimento de 7 m, sendo montado a um

rotor com o diâmetro de 3600 mm e peso de 9000 Kg, o conjunto eixo rotor trabalha em uma

rotação de aproximadamente 800 RPM a uma temperatura variável de 300 a 400 º C. Sendo

apoiado sobre dois mancais de deslizamento, lubrificados a óleo e acionado por motor elétrico

de potencia aproximada de 5000 HP.

Óleo Utilizado: Tellus S68

Volume do Reservatório: 400 litros

Intervalo de Troca: 8760 horas

Caixa de Mancal: Deslizamento sobre casquilho

Lubrificação: Forçada

Fotos de Problemas do ventilador por falta de lubrificação:

Arrastamento de material patente por falta de lubrificação

Trinca no casquilho por falta da película de lubrificação

Ranhura no casquinho por falta de película de lubrificação

Arrastamento de metal patente por falta de lubrificação

Contaminação dos mancais

Foto ilustrativa do mancal do ventilador

06VT002 – Informações Técnicas

O eixo pesa aproximadamente 19674 Kg e tem comprimento de 8520 mm, sendo montado a

um rotor com o diâmetro de 5520 mm e peso de 19260 Kg, o conjunto eixo rotor trabalha em

uma rotação de aproximadamente 590 RPM a uma temperatura variável de 400 a 450 º C.

Sendo apoiado sobre dois mancais de deslizamento, lubrificados a óleo e acionado por motor

elétrico de potencia aproximada de 6800 HP.

Foto ilustrativa do Eixo e Mancal do Ventilador

Foto do Mancal do Ventilador

Foto do Casquilho do Ventilador

Unidade hidráulica do Ventilador