Melhoria no recozimento de bobinas de alumínio utilizando jato de fluxo de ar

Melhoria no recozimento de bobinas de alumínio utilizando jato de fluxo de ar

Tratamentos térmicos estão sempre procurando novas maneiras de reduzir custos. Para processos de alumínio, o aquecimento rápido da bobina, com a minimização de pontos quentes em sua superfície, resulta num ciclo de recozimento mais rápido, que reduz o consumo de energia e proporciona uma melhor qualidade do produto e uma temperatura uniforme

Este artigo aborda o processo do fluxo de ar, sob jato, patenteado pelo Grupo Seco/Warwick, que se chama Vortex® (Fig. 1). O projeto de rotação do ciclone e velocidade do fluxo realiza este objetivo. Estes fornos são atualmente usados ao longo do mundo em bobinas variando de 4 a 12t.

Transferência de Calor

A chave para o sistema é obter um coeficiente de transferência de calor alcançando alta velocidade do ar e interferindo nos dois lados da bobina. A intenção é transferir calor através das bordas, e não só através do exterior da bobina. Adotando esse método, a eficiência de transferência de calor pode aumentar de: 30%, em um projeto tradicional, para até 70%. O coeficiente de transferência de calor do processo foi calculado em 150W/m²K.

Sistema de Fornecimento de Calor

O sistema de fornecimento de calor consiste em três componentes. O primeiro, e um componente crítico, é o ventilador de circulação do ar. Um dos dois tipos dos recirculadores usados depende do tamanho da bobina a ser processada que requer o fluxo de ar necessário. O ventilador semiaxial é, especificamente, desenvolvido para usar no Forno Vortex (Fig. 2). Foi desenhado para otimização do fluxo padrão, o qual impulsa o fluxo axial, alcançando a alta pressão necessária ao fluxo de ar. Ele vai produzir uma pressão de 4”-5” WC. O segundo tipo de ventilador usado no processo de bobinas maiores proporciona ao fluxo estilo centrifugo. Processamento de bobinas de tamanhos grandes necessariamente requer mais ar e alta pressão. A centrifugação gera uma pressão de aproximadamente 7” – 8” WC (Water Column – Coluna de Água).

O segundo componente do sistema de fornecimento de aquecimento são os dutos de vazão ou distribuição (Fig. 3).

Tais dutos servem para direcionar o fluxo de ar para pontos específicos do forno enquanto mantêm a pressão desenvolvida pelo ventilador. Quando se utiliza um impulsor centrífugo, aletas difusoras calculadas tecnicamente são incorporadas nos dutos para compensar as características do escoamento direcionais inerentes da ventoinha. Os difusores patenteados estão localizados na extremidade de saída dos dutos. As câmaras de pressão constituídas de bico de jato inclinados dispostos de uma tal forma a criar uma multiplicidade de vórtices dirigidos para o lado da bobina, de modo que a velocidade do ar gerado através da câmara de pressão do ar produza a taxa de transferência de calor mais elevada associado com aquecimento do impacto, eliminando os pontos quentes tipicamente produzidos por bocais retos. Um bico reto em um local e o ar rebate acentuadamente fora da superfície. Este concentra o calor no ponto de impacto, enquanto a superfície adjacente permanece significativamente mais fria. O movimento de rotação do vórtice elimina qualquer recuperação acentuada primeiro porque o ar gira para fora a partir do ponto de contato ao longo da superfície. Os grupos de bicos-inclinados são projetados para produzir vórtices que sobrepõem.

Isso resulta em uma temperatura de superfície mais uniforme. A uniformidade da temperatura atingida no final é excelente.

A terceira parte é a fonte de calor. Quando usados elementos de resistência elétrica ou queimadores alimentados a combustível em tubos radiantes, a fonte de calor é colocada diretamente dentro dos dutos de fluxo para maximizar a transferência de calor para o ar circulante. O ar é entregue a partir do ventilador, passando sobre a fonte de calor sendo dirigido para fora do Plenum, incidindo sobre os lados da bobina e retornando verticalmente para o ventilador para a próxima passagem. Tempos de aquecimento para uma bobina de 30 toneladas são em média de 8 horas e 20 minutos.

Resfriamento

É bastante comum para os fornos de recozimento de bobina de alumínio a inclusão de um meio para resfriamento das bobinas sob atmosfera protetora no final. Resfriamento sob atmosfera protetora reduz as chances de coloração da bobina e impede a oxidação externa. Resfriamento também facilita o manuseio, reduzindo o risco do pessoal com as temperaturas elevadas. Tipicamente, as cargas serão resfriadas até que os termopares de controle indiquem temperatura menor que 176°C. Neste ponto, o ciclo está completo e a carga pode ser descarregada.
Para fornos de bobinas de alumínio e de folhas de alumínio um resfriador de by-pass pode ser utilizado. Ele consiste em um reservatório fabricado com aço estrutural, placas e um conjunto de colmeias de refrigeração, de baixa temperatura. Um conjunto de filtros e utilizados acima do exaustor de calor ar-água evita que a sujeira entupa as aletas de alumínio nas colmeias.  Um ventilador próximo da parte inferior do resfriamento succiona a atmosfera quente do forno e impulsiona a atmosfera, então resfriada, para o forno.

Na operação, o resfriamento é controlado na entrada e saída por meio de uma ligação mecânica com servo-motores controlados em conjunto pelo sistema de controle de temperatura. Quando os controladores chamarem por resfriamento, o damper interior começa a abrir, permitindo ao ventilador de refrigeração retirar atmosfera quente do forno. Ao mesmo tempo, o damper externo do resfriador abre e permite que a atmosfera resfriada passe do resfriador de volta ao forno para o duto de distribuição. O ar quente que é aspirado a partir do forno é misturado com uma atmosfera que vem através do desvio do sistema de resfriamento e é suficientemente resfriado, de forma a obter a temperatura aproximada do gás de 177°C, antes de sua nova passagem pelo filtro e colmeia do trocador de calor do sistema de resfriamento.

O by-pass possui capacidade própria de resfriamento com velocidade de resfriamento controlada, mas torna-se um método muito eficiente para o resfriamento quando combinado com a alta velocidade do ar produzido pelos bicos de jato. O conceito é o inverso do método de aquecimento. A incidência de gás resfriado sobre as bordas das bobinas sendo o calor nas bobinas transfere calor da bobina mais rápida que a taxa usual. Combinado com o ciclo do aquecimento rápido, essa taxa de resfriamento  mais rápido ajuda a reduzir todo o tempo de ciclo de 25-30%.

Simulação do Controle de Processo

O desafio no recozimento de bobinas consiste em otimizar o processo, a fim de diminuir o tempo de ciclo, mantendo as propriedades metalúrgicas desejadas em toda a carga. Um sistema de controle do processo de recozimento das bobinas também foi desenvolvido, empregando um simulador on-line para o processo de aquecimento.

Do ponto de vista metalúrgico, os parâmetros importantes do processo são a temperatura final e o tempo de patamar nesta temperatura. Estes parâmetros definem rigorosamente o processo de recozimento de recristalização e devem ser rigorosamente cumpridos.

Assim, os parâmetros do processo importantes são a temperatura final da carga e o tempo de encharque. Estes parâmetros definem rigorosamente o processo de recozimento de recristalização e devem ser rigorosamente cumpridos. Do ponto de vista econômico, o parâmetro mais importante é o tempo do processo total, o que afeta diretamente o consumo de energia. A tarefa do sistema de regulação e controle automático SeCoil é manter uma temperatura adequada do ar de trabalho (mestra) durante o maior tempo possível para minimizar o tempo de aquecimento.

Depois de atingir o ponto de ajuste de temperatura da carga, a temperatura mestra do processo é reduzida para evitar qualquer ultrapassagem do valor nominal da carga. Um tempo de processo menor pode ser conseguido evitando o risco de sobreaquecimento da carga.

O sistema de controle é um simulador on-line e faz isso pelos seguintes passos. Primeiro, é inserido no software uma receita de recozimento, a qual define os parâmetros básicos, tais como temperatura, a rampa de aquecimento e o tempo de patamar. Em seguida, parâmetros da carga, tais como diâmetro externo e interno da bobina, a espessura da folha de alumino são definidos. A receita é preparada e carregada no controlador e a opção para o processo a ser controlado pelo programa é selecionada. Neste ponto, os dados são automaticamente copiados para o programa. O programa pode então simular a curva da temperatura do lote em pontos definidos pelo usuário e o comparam com os dados obtidos em tempo real. Os dados recolhidos pedem finalmente ser usados para otimizar a receita e o processo.

Conclusão

O sistema Vortex® de recozimento de bobinas, combinado com o by-pass de resfriamento e o Software SeCoil de simulação de controle, oferece a laminadores de bobinas de alumínio a capacidade de reduzir significativamente o tempo de ciclo global do forno, o que resulta numa economia de energia, aumento da produtividade e melhoria na qualidade da superfície.

A redução do tempo de ciclo na faixa de 25-30% foi conseguida numa ampla gama de bobina em diversas larguras e diversos diâmetros. A ação dos bicos de jateamento ou bicos propulsores sobre a superfície das bobinas reduz, significativamente, a formação de partes quentes. A redução do tempo de ciclo, por sua vez, resulta num menor consumo de utilidades e energia e, portanto, maior produtividade ao aumento da capacidade anual instalada.

Para mais informações:

Keith Boeckenhauer, VP Aluminum Products, Seco/Warwick  Corp., 180 Mercer St., Meadville, PA  16335; tel: 814-332-8400; fax: 814-724-1407; e-mail: keith.boeckenhauer@secowarwick.com; web: www.secowarwick.com.
Tradução gentilmente cedida por Emerson J. dos Santos, equipe Seco/Warwick do Brasil. Telefone: (11) 3109-5900; e-mail: vendas@secowarwick.com; web: www.secowarwick.com/pt.

 

Keith Boeckenhauer
Keith Boeckenhauer
VP Aluminum Products, Seco/Warwick Corp., 180 Mercer St., Meadville, PA 16335; tel: 814-332-8400; fax: 814-724-1407; e-mail: keith.boeckenhauer@secowarwick.com; web: www.secowarwick.com.

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