Fornos Elétricos - I

 Capítulo 1

Classificação dos aparelhos eletrotérmicos e considerações gerais

1.1 CLASSIFICAÇÃO

Admitindo que se designa com o nome de

— aparelho de aquecimento elétrico um aparelho que serve para se obter a temperatura desejada da carga por meio da energia térmica produzida pela energia elétrica (é a definição mais geral, que inclui tanto os fornos elétricos como os postos de aquecimento elétrico);

— forno elétrico um aparelho de aquecimento elétrico que com-preende uma câmara de aquecimento;

-- posto de aquecimento elétrico um aparelho de aquecimento elétrico que não possui a câmara de aquecimento; a classificação é aquela esquematizada na fig. 1.1.1.

O critério da classificação é baseado no método de produção e transmissão do calor.

Classificação dos aparelhos eletrotérmicos

1.2 CONSIDERAÇÕES GERAIS

Supondo-se que os fomos elétricos são utilizados em diversos setores, no que se refere ao aço, o forno elétrico a arco e o forno elétrico de indução são comparados (v. fig. 1.2.1) com os processos tradicionais da produção de aço, ou seja, os conversores Bessemer ou Thomas (que tratam no máximo de 30 a 35 t de gusa proveniente do alto-forno e uma pequena quantidade de resíduo de ferro; o tratamento consiste essencialmente em uma cementação obtida com a passagem de oxigênio que se combina com o C obtendo-se CO, que sai em forma de gás), o conversor Linz-Donawitz L. D. (que funciona como os anteriores, porém tem dimensões muito maiores, até 300 t, e pode tolerar quantidades maiores de resíduos, até 20 a 30%), o forno Martin-Siemens (que trata até 200 t, é aquecido normalmente a gás, podendo tolerar quantidades ainda maiores de resíduos, até 50%), o forno elétrico a arco (que trata até 300 t, todas de resíduos) e o forno elétrico de indução (que trata até 30 t, todas de resíduos de qualidade). Os produtos dos processos antes mencionados vão desde os lingotes de aço bruto de baixa liga (conversores e fornos Martin-Siemens) até aos lingotes de alta liga (fornos elétricos); por outro lado, os fornos Martin-Siemens e os fornos elétricos podem ser utilizados para a fusão dos jactos de aço (ao passo que os conversores não podem).

1.3 FORNOS ELÉTRICOS NO SETOR SIDERÚRGICO

A fig..1.3.1 mostra de forma esquemática os tipos de fornos elétricos utilizados em siderurgia. Os fornos a arco direto (arco entre os três elétrodos verticais e a carga de resíduos ou o banho fluido) são os mais empregados para a produção do aço; a temperatura do arco alcança os 3 000 °C e até mais.

Os fornos a arco indireto são pouco utilizados (arco que descarrega entre os dois elétrodos horizontais opostos, sobre o banho fundido) e são de pequena dimensão.

 

Os fornos a arco-resistência (ou a arco submerso) diferem dos fornos a arco pelo fato de os elétrodos ficarem sempre imersos na carga de matéria-prima, pelo que a corrente elétrica passa não apenas através dos arcos que descarregam entre as pontas dos elétrodos e do banho fundido, como também lateralmente aos elétrodo, através da resistência da carga de matéria-prima; estes fornos são utilizados principalmente para a produção de ligas de ferro (ferro-silício, silício metálico, ferro-cromo, ferro-manganês, silicato de cálcio etc.) e, em casos sempre mais raros, para a produção de carbureto de cálcio (esse produto é quase obsoleto, porque os seus derivados, o acetileno e a calciocianamida, ou são produzidos de modo mais econômico — o acetileno do metano -- ou então foram substituídos por produtos mais convenientes — como o acetileno do etileno e a calciocianamida dos adubos brancos, tais como sulfato e nitrato de amônio e, princi-palmente, a uréia).

 

Os fornos de indução a canal (ou a núcleo magnético) são, na prática, um transformador, cujo secundário é constituído de um canal cheio de metal fundido, ligado ao crisol; funcionam em baixa frequência. 

A temperatura dos canais não pode exceder os 1500 °C; por esse motivo servem apenas para a fusão dos metais de baixa temperatura de fusão (alumínio, cobre etc., ou, no máximo, gusa, nunca o aço). 

Os fornos a indução de crisol funcionam sempre pelo princípio do transformador, no qual o secundário é, porém, constituído de metal fundido dentro do crisol; funcionam a baixa e média freqüência. Alcançam a temperatura de 1700 °C, na qual se pode fundir aço (de qualidade). 

Os fornos a resistores são constituídos por resistências metálicas que irradiam calor para a carga: não alcançam temperaturas elevadas. 

Classificação dos aparelhos eletrotérmicos 

1.4 CONSIDERAÇÕES ECONÔMICAS 

 

A eletrotermia trata de todas as utilizações da energia elétrica para produzir calor. 

Do ponto de vista econômico, devemos ter em mente que 1 kg de nafta (ou de carvão) pode fornecer cerca de 10 000 calorias e que 1 kWh pode fornecer apenas 860 calorias, ao passo que o preço da nafta (ou do carvão) é apenas de 2 a 2,5 vezes o da energia elétrica, pelo que se pode dizer que o custo do calor produzido pela energia elétrica é de cerca de 4 a 5 vezes aquele dos combustíveis tradicionais. 

Isso depende do fato de que a energia elétrica produzida, em grande parte, termicamente, apresenta grandes perdas de energia (principalmente no ciclo térmico da central) devidas às transformações da energia química (combustão), a energia térmica (vapor), a energia mecânica (turbina), a energia elétrica (alternador) e a energia térmica (forno elétrico); por outro lado, é preciso levar em conta as perdas de transformação e de transporte. 

Apesar disso, os fornos elétricos são adotados em diversos processsos, por vários motivos: 

— em certos casos, somente com o forno elétrico (a arco) é possível obter a temperatura necessária ao processo, ao passo que nos fornos a combustível se alcançam apenas os 1500 °C, enquanto nos fornos a arco se atingem e ultrapassam os 2000 °C (é o caso, por exemplo, do carbeto de cálcio e do silício metálico); 

— um outro motivo é o de que o rendimento da central térmica de grandes dimensões é certamente melhor do que o de um forno pequeno a combustível, pelo que a relação de não-conveniência se reduz; 

— os fornos elétricos exigdm menor investimento inicial; 

— a regulagem da temperatura e da potência dos fornos elétricos é mais fácil e precisa; 

— os fornos elétricos podem com facilidade ser adaptados para funcionar em atmosfera controlada. 

Levando-se em conta as considerações gerais acima expostas, antes, de passar a qualquer projeto técnico de instalação de qualquer forno elétrico, é preciso que o projeto seja precedido de um estudo de caráter econômico e comercial do produto que é objeto da pesquisa. 

Por exemplo: se tencionamos produzir silício metálico. 

E necessário realizar, ou fazer realizar, uma minuciosa pesquisa de mercado que defina claramente os consumos de silício metálico no país e no exterior nos últimos cinco anos, procurando prever o andamento de tal consumo para os 5 anos futuros (sempre a título de exemplo), levando em conta, nesta previsão, o grau de consumo e de reserva dos produtos para os quais se destina o silício metálico, isto é, principalmente das ligas leves (o silício metálico entra na liga com o alumínio numa percentagem variável de 2 a 3% no Anticorodal e de 12 a 13% no Silumin) e dos silicones. 

Admitindo-se que tal pesquisa estimule a produção de silício metálico e indique o volume de comércio garantido (suponhamos 5500 t anuais), a pesquisa é completada levando em conta o preço de venda desse produto (preço previsto para o futuro, evidentemente) e do custo, tendo em conta todos os fatores, desde a matéria-prima (quartzo, carbono, energia elétrica) até à mão-de-obra, despesas gerais e amortização das despesas de instalação. 

O cálculo econômico de conveniência se efetua normalmente por meio de sistemas mais ou menos complexos, dos quais o mais empregado é o indicado nos livros americanos com a sigla D.C.F. (Discounted Cash Flow), que leva em conta a inevitável variabilidade do lucro durante a aplicação do investimento. Este método implica uma série de hipóteses de previsão para todos os elementos de custo e para os resultados úteis, baseados sobre considerações de caráter político, social, técnico e econômico.