Forno de fusão de cadinho a gás: Melhorias e economia com participação de fornecedores de energia, equipamentos e clientes

Forno de fusão de cadinho a gás: Melhorias e economia com participação de fornecedores de energia, equipamentos e clientes

Estudo de um caso na Eck Industries, em Manitowoc, Wisconsin (EUA), demonstra a economia de combustível obtida com a instalação de um queimador autorrecuperativo aos fornos de fusão de alumínio

Ao analisar formas de acelerar seu processo e adotar esforços para cortar custos e ganhar eficiência, às vezes compensa pedir ajuda. Quando a Eck Industries, de Manitowoc, Wisconsin, solicitou apoio, o resultado foi um projeto que economizou mais de 60% do combustível necessário para fundir e manter alumínio de alta qualidade.

A Eck Industries, inaugurada em 1948, é uma empresa sólida. Com o fim da Segunda Guerra Mundial e a utilização do alumínio como um componente metálico na fabricação de vários itens da vida cotidiana, a Eck se posicionou para tirar proveito da necessidade por peças de alumínio fundidas. Os primeiros investidores não só incluíam a família Eck, mas também parceiros industriais famosos, desde a Harley-Davidson e a Johnson Motors, até a West Bend Outboard e a Mercury Marine. Atualmente, eles produzem várias peças fundidas, com praticamente todos tipos de ligas de alumínio. Ao longo dos anos, a família Eck e sua equipe de gerenciamento mantiveram o controle da empresa, que atualmente produz mais de 3.600 toneladas de peças fundidas por ano. Em 2012, ela foi eleita o Fundidor de Metal do Ano por seus clientes e pela revista Modern Casting.

Em 2010, a Eck se interessou em explorar possibilidades de economia de energia. Ela tinha tomado conhecimento de informações apresentadas pela Eclipse em relação a um novo tipo de queimador que poderia ser utilizado em sua fábrica. Com esse interesse no novo queimador, a Eck entrou em contato com o Wisconsin Focus on Energy e seu segmento especializado nesse setor, a Cleantech Partners. O Focus on Energy é um programa sobre economia de energia e fontes renováveis do Estado do Wisconsin. Ele é financiado pelas concessionárias de energia do Estado, de propriedade de investidores. É oferecido um suporte por meio de uma rede de parceiros, como a Cleantech, para analisar, testar e, por fim, financiar a pesquisa e o aprimoramento de projetos de economia de energia. Protocolos do Ministério da Energia dos EUA geralmente são utilizados para realizar testes e fiscalizações.

A Eck utiliza fornos de cadinho a gás natural para fundir o alumínio como primeiro passo no processo de fundição do metal.

Lingotes de alumínio e sucata de metal de fundições anteriores são aquecidos e fundidos. O metal fundido é despejado em moldes de vários tipos e tamanhos para produzir as peças fundidas. O calor do queimador a gás injeta os gases de combustão diretamente para uma fornalha revestida de refratário que transfere o calor para o cadinho onde está contido o metal a ser fundido. Os primeiros modelos destes fornos são simplesmente um queimador alimentado a gás que injeta dentro da câmara os gases de combustão e saem por uma tiragem (chaminé) aberta. Estimou-se que a eficiência do combustível neste tipo de forno varia de 10 a 40%, dependendo de vários fatores, inclusive a taxa de fusão. As unidades adaptadas existentes consistiam de fornalhas a gás aberto e são exibidas na Fig.1.

Este projeto foi criado para demonstrar a economia de energia obtida por meio da implantação separada e combinada de duas medidas:

1. A instalação de queimadores recuperativos em fornos que foram adaptados com novo refratário (Fig.2);

2. A colocação de tampas nos fornos (Fig.3).

Foram organizados testes para identificar e quantificar individualmente a redução no uso de gás a cada medida implantada durante um processo de fusão comum, medindo o gás do processo de fusão. Os experimentos foram conduzidos em um único forno alimentado a gás, utilizando o mesmo operador para todos os testes. Um novo medidor de gás foi instalado nesse forno antes dos testes.

Trabalhando em conjunto com o cliente, a equipe do projeto coletou e comparou dados de um forno adaptado para determinar a diferença no uso de gás atribuída à adição de novos queimadores recuperativos e tampas aos fornos. Os testes foram realizados por uma variedade de processos de derretimento, da forma como tipicamente seriam programados durante as operações normais.

O uso do gás foi medido e registrado durante uma série de 16 rodadas de testes, algumas utilizando somente lingotes e outras utilizando lingotes e sucatas de fundições anteriores.

Queimador Autorrecuperativo Eclipse TJSR

Um queimador recuperativo utiliza os gases de escape quentes da fornalha para pré-aquecer o ar de combustão que entra. Em uma fornalha, esses gases de escape geralmente apresentam temperaturas de aproximadamente 2000°F (1093°C). O queimador utilizado nesta demonstração é um Queimador Autorrecuperativo ThermJet TJSR com 500.000BTU/hora, fornecido pela Eclipse Combustion Inc, de Rockford, Illinois. Ele é exibido na Fig.4.

Este queimador é único – em vez de contar com um queimador e um trocador de calor separados, ambos são combinados em uma única unidade. O modelo também combina o queimador e o tubo de exaustão na mesma unidade. Ele extrai os gases de exaustão e os puxa para o trocador de calor interno. Aproximadamente metade do calor normalmente perdido com os gases de escape é recuperada no ar de combustão. Em vez de começar com o ar de combustão a aproximadamente 80°F (26°C), agora os gases de escape pré-aquecem o ar que entra em até aproximadamente 1000°F (538°C). Isto economiza o combustível normalmente necessário para realizar o aquecimento do ar de combustão a esse nível.

No queimador TJSR da Eclipse, a proximidade da área de descarga do queimador e a entrada do tubo de exaustão forçam uma parte dos gases de escape a retornarem a combustão. Isso força uma queima extra de monóxido de carbono que se perderia no processo convencional. O queimador fornecido também reduz o uso de energia, com aprimoramento da transferência de calor entre os gases de combustão e a fornalha. Ele faz isso aumentando a temperatura média dos gases de combustão e prolongando sua permanência dentro do forno.

Apesar de um tempo maior de residência, a velocidade de descarga deste queimador é cinco vezes maior do que a de um queimador normal. Observou-se que o gás de combustão atinge velocidade acima de 122 metros por segundo. O resultado é que os gases com velocidades mais alta proporcionam uma melhor transferência de calor, reduzindo os tempos de fusão do material. Além disso, a vida útil da fornalha pode ser prolongada, devido à entrega mais uniforme de calor até a fornalha, o que reduz a tensão térmica.

No tipo de forno utilizado nesta demonstração, as quantidades de ar e de combustível normalmente são ajustadas manualmente. Isso dá margem a erros, por utilizar ar de combustão a mais ou menos. O projeto de adaptação do queimador inclui recuperação e automação do queimador, que automaticamente reproduz a mesma proporção de ar e gás para combustão. Este recurso reduz o erro no ajuste de excesso de ar que pode causar ineficiência.

Conclusões

O procedimento geral de testes envolveu quatro experimentos com quatro rodadas de teste durante cada experimento. A primeira série de experimentos foi realizada em um forno original para determinar um valor de referência para o uso de energia antes de qualquer alteração adotada. Após os dados medidos serem coletados durante um típico processo de fusão, uma tampa foi adicionada a esse forno e o teste foi repetido nas mesmas condições operacionais. A economia de energia causada pela adição da tampa foi identificada.

Este projeto foi criado para demonstrar a economia de energia obtida por meio da instalação de queimadores recuperativos e da colocação de tampas sobre os fornos.

Em seguida, o novo refratário e queimador recuperativo foram instalados e os testes foram iniciados com o forno adaptado. A série de testes foi repetida para quantificar a economia de energia causada pela adição do queimador recuperativo e as outras vantagens da colocação de uma tampa sobre o forno adaptado. Todos os testes foram iniciados com uma fornalha quente com 28 quilos de material e foram medidas fusões separadas de somente lingotes e lingotes mais sucata. A mesma fornalha foi utilizada para todos os testes e a mesma pessoa realizou todos os testes.

As leituras do medidor de vazão foram registradas em cinco intervalos durante o procedimento e registradas em metros cúbicos de gás convertidas para Therms.

Incluindo o custo de US$ 0,80 por Therm para o gás utilizado nos cálculos de solicitação de subsídio, o estudo concluiu que a Eck economizaria US$ 258.250/ano com a implantação dessas medidas em todos os seus 15 fornos.

Para mais informações: Contate Jim Roberts, Gerente Regional Central, Eclipse, 1665 Elmwood Road, Rockford, (IL) – EUA 61103; Tel: + 1 815-637-7217; e-mail: jroberts@ec lipsenet.com; web: www.eclipsenet.com. Links para o programa Focus on Energy podem ser encontrados aqui: focusonenergy.com.

Revisão de tradução gentilmente realizada pelo Diretor da Combustherm, Cesar Augusto Pedrazza, (11) 4596-9080, cesar@combustherm.com.br.

 

Jim Roberts
Jim Roberts
Gerente Regional Central, Eclipse, 1665 Elmwood Road, Rockford, (IL) - EUA 61103; Tel: + 1 815-637-7217; e-mail: jroberts@ec lipsenet.com; web: www.eclipsenet.com. Links para o programa Focus on Energy podem ser encontrados aqui: focusonenergy.com.

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