ENQUALAB-2008 – Congresso da Qualidade em Metrologia
Rede Metrológica do Estado de São Paulo - REMESP
09 a 12 de junho de 2008, São Paulo, Brasil
FORNO ROTATIVO TUBULAR LABORATORIAL - ESTUDO DE PERFIL
TÉRMICO
Manuel Antonio Pires Castanho 1, Fabiano F. Chotoli 2, Rodrigo Garcia da Costa 3,
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT, Av. Prof. Almeida Prado, 532,
São Paulo-SP-Brasil-CEP 05508-901
1
CME/Laboratório de Metrologia Mecânica - Tel: (0xx11) 3767-4669 - [email protected]
2
CT-OBRAS/Laboratório de Materiais de Construção Civil - Tel: (0xx11) 3767-4143 - [email protected]
3
CME/Laboratório de Metrologia Mecânica - Tel: (0xx11) 3767-4669 - [email protected]
Resumo: Neste trabalho são apresentados os resultados da
avaliação do perfil térmico de um forno rotativo tubular de
laboratório com sistema de controle microprocessado, em
função de condições de calcinação pré-estabelecidas.
O forno é utilizado pelos Laboratórios de Materiais de
Construção Civil (LMCC) e Metalurgia e Materiais
Cerâmicos (LMMC) do IPT, para execução de calcinação de
materiais (minérios e matérias-primas para fabricação de
cimento, cal virgem e pozolanas) em regime contínuo de
produção.
Portanto, são apresentados resultados da influência de
condições de operação do forno no perfil de temperatura,
por meio de variação da rotação e inclinação do tubo, da
temperatura e do fluxo de gases, além de simular a
calcinação com um material inerte.
A avaliação do perfil térmico do forno, conduzida pelo
Laboratório de Metrologia Mecânica (LMM) do IPT,
consistiu na distribuição de vários sensores de temperatura,
do tipo S e B, ao longo da região em que os materiais
trafegam durante o processo no tubo rotativo.
Considera-se que os resultados das medições de temperatura
efetuadas foram satisfatórios para o tipo de forno tubular
rotativo avaliado, possibilitando inferir uma correlação
linear entre a temperatura de patamar e a indicação do
controlador. Observou-se que a inserção de carga e injeção
de ar em contra-fluxo alteram o perfil térmico do forno.
Palavras chave: temperatura, medição, forno rotativo
tubular, processo.
1. INFORMAÇÕES BÁSICAS
No IPT são executados esporadicamente calcinações de
minérios e matérias-primas industriais em regime contínuo
de produção.
Particularmente, o LMCC tem aplicado o forno rotativo
tubular para a produção de clínquer de cimento Portland, cal
virgem e calcinação de argilas, visando simular as condições
de produção industrial e obter material em quantidade
suficiente para executar ensaios de caracterização.
No caso da produção de clínquer de cimento Portland,
adotado como exemplo e prática para este trabalho, o
aquecimento dos fornos rotativos industriais (Fig. 1) é
realizado por meio de queimadores, utilizando-se
combustíveis sólidos e/ou líquidos. O combustível é
atomizado sob alta pressão no bico do queimador em
pequenas partículas e é injetado no forno junto com o ar
primário. Os gases quentes circulam em sentido inverso ao
avanço do material e o fluxo dos gases é forçado mediante
sistema de aspiração, que mantém todo o forno com pressão
inferior à atmosférica [1].
A
B
C
D
E
Fig.1. Exemplo do perfil térmico de forno rotativo industrial:
reações de fase do clínquer em sistema forno c/ pré-aquecedor [1]
O próprio processo termodinâmico permite que o material
seja transportado e aquecido a velocidades variáveis e
revoluções constantes, pelas várias zonas térmicas ao longo
de sua extensão, a saber:
• zona de calcinação, a qual depende da existência ou não de
pré-aquecedor e pré-calcinador no sistema (Fig. 1 – final de
A e B);
• zona de transição, na qual começa a se formar a fase
liquida (Fig. 1 – B);
• zona da fase líquida, na qual ocorre a nodulização e iniciase a formação da alita (C3S) (Fig. 1 – C);
• zona de queima, no interior da chama, na qual se
intensifica a formação e crescimento das partículas
individuais de alita (C3S) e sua sinterização (Fig. 1 – D), e;
• zona de resfriamento, na qual o material perde calor e se
aglomera devido à solidificação da fase líquida (Fig. 1 – E).
O forno rotativo laboratorial, apesar da escala ser diferente,
pode ser utilizado de forma semelhante, se aplicadas
modificações e as adaptações necessárias.
No processo de operação de fornos rotativos é importante
que se estabeleçam parâmetros operacionais e de controle.
Dentre os parâmetros operacionais destacam-se:
• comprimento do forno (L), em m;
capacidade de girar a uma rotação de até 5rpm. O corpo
principal do forno está apoiado sobre uma mesa, cuja
inclinação pode ser regulada até 10º (aproximadamente
17%, em relação ao eixo horizontal) por meio de um
elevador de rosca. A câmara de aquecimento promove a
elevação de temperatura na porção do tubo situada entre
20 cm e 120 cm, sendo a zona quente (trecho do tubo onde a
temperatura mínima corresponde pelo menos 90% da
temperatura máxima) programável para até 1650ºC e situada
entre 40 cm e 100 cm, dependendo da temperatura máxima.
• constante do formato do tubo (Θ), em graus (º);
• inclinação (p), em graus (º) ou %;
• diâmetro do tubo (d), em m;
• rotação (r), em rpm;
• Fator de estrangulamento do forno (F), adimensional.
A partir desses parâmetros é possível estimar tempo de
residência (t) do material dentro do forno, pela seguinte
equação [2]:
Fig.2. Forno tubular rotativo piloto
1,77 . L . Θ . F
t=
p.d .r
(1)
Quanto ao regime de temperatura, no caso do clínquer
Portland produzido em laboratório, procura-se calcinar o
material cru controlando os seguintes parâmetros:
• taxa de pré-aquecimento e/ou pré-calcinação (Vi) de
temperatura ambiente até 900ºC, em ºC/min;
• taxa de aquecimento (Va) de 900ºC até a temperatura
máxima (de patamar), em ºC/min;
A avaliação do perfil térmico do forno tubular rotativo foi
conduzida pelo LMM do IPT, monitorando a temperatura do
interior do tubo, por meio da distribuição de sete (07)
sensores de temperatura de 25 em 25 cm, sendo seis (06)
termopares tipo S e um (01) tipo B, ao longo do tubo
conforme a Figura 3.
Os sensores foram introduzidos no interior do tubo do forno
rotativo através de orifícios já existentes nas suas
extremidades.
• temperatura máxima ou de patamar (Tp), em ºC;
• tempo de patamar (tp), em min;
• taxa de primeiro resfriamento (VR 1), entre a temperatura
máxima e 1300ºC, em ºC;
Entrada
Saída
• taxa de segundo resfriamento (VR 2), entre 1300ºC e
ambiente, em ºC.
De acordo com resultados obtidos em estudos de produção
em forno estático [3] e forno piloto e, segundo medidas de
temperatura realizadas ao longo do comprimento do tubo,
constatou-se que ocorre variação do perfil térmico de acordo
com os parâmetros de processo adotados.
Portanto, para atender os objetivos propostos, estabeleceu-se
um plano experimental junto ao Laboratório de Metrologia
Mecânica (LMM) do IPT, que utilizou diversos sensores
dispostos dentro do tubo, capazes de suportar o movimento
e a inclinação do tubo, além da injeção de ar em contrafluxo aplicado durante o processo.
2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
O meio térmico avaliado refere-se a um forno tubular
rotativo (Fig. 2), constituído de um tubo de alumina com
7 cm de diâmetro, 150 cm de comprimento e com
0
25 50 75 100 125 150
Posição dos termopares (cm)
Fig. 3: Vistas lateral e superior do forno tubular, ilustrando a
disposição dos termopares (representados por pontos negros)
Os sensores foram interligados a um sistema de aquisição
que armazenou automaticamente todos os dados durante as
medições. O sistema de medição foi calibrado no LMM do
IPT, que é acreditado pela RBC. O controlador do forno foi
regulado para cada temperatura de ensaio. As medições
foram realizadas nas condições conforme a Tabela 1.
Condição
Temperatura
(ºC)
Rotação
(rpm)
Inclinação
(º)
Fluxo
de ar
(l/min)
1
1350
0,7
0
0
2
1400
0,7
0
0
3
1450
0,7
0
0
4
1450
0,7
0
12
5
1450
0,7
1º 34´
0
6
1450
5
0
0
7
1450
5
1º 34´
12
Excepcionalmente, a condição 7 foi executada alimentandose o forno tubular com alumina granulada, por meio de um
alimentador vibratório regulado para taxa de alimentação em
torno de 0,6 kg/h. Nessas condições, estima-se que: o
transporte do material no forno foi de 31 minutos, dado que
na equação (1) F = 1 (diâmetro constante), e, portanto, Θ =
40º [2]; a velocidade do material (adotando condição ideal
de não-aderência do material no interior do tubo) é de
4,9 cm/min.
gaussiana, o que era esperado devido à característica de
construção do forno (distância, posição, tipo, potência e
gradiente de dissipação térmica da resistência) além de
outras características correlatas a isolação térmica.
Para efeito prático da aplicação, tornou-se necessário:
• determinar o segmento do tubo que reflete uma condição
de "patamar isotérmico", estimando-se a temperatura de
patamar e sua incerteza pela média dos três pontos centrais
(50, 75 e 100) cm e a soma quadrática das suas incertezas;
• adotar tendência parabólica para os seguintes conjuntos de
pontos: (0, 25 e 50) cm; (50, 75 e 100) cm; (100, 125 e
150) cm.
A Figura 4 apresenta a comparação entre as temperaturas
indicadas pelo controlador e as respectivas temperaturas de
patamar, demonstrando a satisfatória correlação entre
ambas.
1500
Temperatura do patamar (ºC)
Tabela 1. Parâmetros e condições de ensaio
Neste experimento não foi possível utilizar materiais
convencionais de produção de clínquer, por danificarem os
termopares nas temperaturas adotadas.
1450
y = 0,99x - 30,667
R2 = 0,9992
1400
1350
1300
1250
1250
1300
1350
1400
1450
1500
Indicação do controlador (ºC)
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 2 apresenta os valores médios de temperaturas e
respectivas incertezas, obtidos nas medições do forno
tubular em períodos de aquisição de dados de 120 min (para
as condições de 1 a 6) e 60 min (para a condição 7),
adotando-se taxa de aquisição de 2 medições/min.
Tabela 2. Valores de temperatura e incerteza em função da posição
dos termopares e das condições de ensaio
Condição
Posição dos termopares (cm)
0
1
154
(4)
682
(7)
1295
(6)
1327
(4)
1294
(5)
790
(5)
140
(5)
2
163
(4)
732
(7)
1345
(5)
1377
(4)
1348
(4)
852
(5)
152
(5)
3
203
(10)
812
(18)
1393
(6)
1425
(5)
1394
(7)
889
(7)
161
(5)
338
(17)
879
(4)
1369
(10)
1412
(5)
1366
(4)
834
(7)
150
(5)
5
217
(13)
820
(19)
1390
(7)
1422
(5)
1386
(5)
906
(6)
163
(5)
6
201
(4)
814
(5)
1391
(5)
1424
(4)
1383
(4)
879
(4)
158
(4)
7
168
(9)
458
(35)
1354
(6)
1404
(4)
1394
(5)
963
(11)
166
(7)
4
25
50
75
100
125
Fig. 4. Correlação entre as temperaturas indicadas no controlador e
as respectivas temperaturas de patamar
Com isso tornou-se possível cruzar as curvas e limites dos
patamares para estimar, por meio das equações, os pontos do
tubo que estão a 900ºC (P900) durante o aquecimento, que
iniciam (Pe) e terminam (Ps) o "patamar isotérmico" e que
estão a 1300ºC (P1300) durante o resfriamento. As Tabelas 3
e 4 apresentam os resultados estimados.
150
Tabela 3. Posição geométrica no tubo, para cada condição de
ensaio
Temperatura
de patamar
(incerteza),
em ºC
Analisando os resultados das medições (Tabelas 2),
verificou-se que o perfil da temperatura no interior do tubo
possui comportamento bem diferente de uma distribuição
Condição
Temperatura (Incerteza), em °C
Posição geométrica, em cm
P900
Pe
Ps
P1300
Tp
Up
1
34,3
50,3
99,0
99,5
1305
11
2
32,0
51,0
100,0
102,8
1357
10
3
28,5
50,8
99,5
105,5
1404
11
4
26,0
50,0
99,0
103,5
1382
16
5
28,3
49,8
98,8
105,5
1399
12
6
28,5
49,0
98,3
104,8
1399
12
7
39,3
55,8
102,3
107,5
1384
11
Legenda: P900: posição a 900ºC; Pe: posição de início do
patamar; Ps: posição de término do patamar; P1300: posição a
1300ºC; Tp: temp. média do patamar; Up: incerteza da temp.
patamar.
Adotando o extremo de alimentação do forno como
comprimento de tubo igual à zero, constata-se por meio dos
dados da Tabela 3 que:
• condições 1, 2 e 3: o aumento da temperatura no forno
provoca um deslocamento negativo da região do tubo a
900ºC, a partir do qual o material começa sofrer a taxa de
aquecimento (Va) e um deslocamento positivo da região do
tubo a 1300ºC, ou seja, discreto aumento das taxas de précalcinação (Vi), de primeiro (VR 1) e segundo (VR 2)
resfriamento, com diminuição da taxa de aquecimento (Va)
(Figura 5).
• condições 3 e 5: a inclinação do tubo não influencia
significativamente o perfil térmico do forno, sendo a
discreta alteração dos pontos devido ao provável
deslocamento do tubo na direção da saída, pelo seu
escorregamento até a roldana de apoio. Outro fato que pode
ter influenciado é a possível alteração radial da posição dos
termopares (Figura 7).
1500
1000
____
1350ºC
---- 1400ºC
- - - 1450ºC
500
0
01
2
25
3
4
5
6
50
75
100
125
Posição geométrica
Posição no tubo (cm)
7
150
Perfis térmicos
1350º
C
1400º
C
1450º
C
0
25
50
75
100
125
Posição geométrica no tubo
150
C
Temperatura
Temperatura (ºC)
C
Temperatura
Temperatura (ºC)
1500
Esta ocorrência indica discreta diminuição das taxas de précalcinação (Vi), de aquecimento (Va) e de segundo (VR 2)
resfriamento, com discreto aumento da taxa de primeiro
(VR 1) resfriamento. Além disso, a injeção de ar provocou
um abaixamento significativo da temperatura de patamar
(Tp), devido ao provável resfriamento provocado pelo ar
injetado em contra-fluxo.
C
Temperatura
Temperatura (ºC)
3
4
5
6
7
50
75
100
125
150
Posição geométrica
Posição no tubo (cm)
Fig. 7. Perfis térmicos do tubo com e sem inclinação – controlador
em 1450ºC
____
sem ar
- - - com ar
500
0
1500
1000
____
01
25
2
50
75
100
125
150
3
4
5
6
7
Posição geométrica
Posição no tubo (cm)
Fig. 6. Perfis térmicos do tubo com e sem injeção de ar em contrafluxo – controlador em 1450ºC
baixa rotação
- - - alta rotação
500
0
01
1000
2
25
• condições 3 e 6: houve uma pequena variação no perfil
térmico do forno devido à rotação do tubo, contudo,
acredita-se não ser significativa. Essa avaliação foi
prejudicada devido à movimentação linear do tubo, causada
pela inclinação do forno.
C
Temperatura
Temperatura (ºC)
1500
____
sem inclinação
- - - com inclinação
500
0
01
Fig. 5. Perfis térmicos do tubo, em função da temperatura regulada
no controlador: distribuição em linha (superior) e cor (inferior)
• condições 3 e 4: a inserção de ar provocou variação
significativa do perfil térmico do forno, com deslocamento
negativo das regiões do tubo a 900ºC e 1300ºC (Figura 6).
1000
2
25
3
4
5
6
7
50
75
100
125
150
Posição
Posição geométrica no tubo (cm)
Fig. 8. Perfis térmicos do tubo com baixa e alta rotação –
controlador em 1450ºC
Apesar da alteração sofrida pelo perfil térmico nas
condições ensaiadas, observou-se que não ocorreu alteração
significativa do comprimento da zona de "patamar
isotérmico", e sim o seu deslocamento linear.
Para avaliar a Condição 7, que representa um processo de
calcinação, adotou-se a mesma velocidade de transporte de
material para todas as condições realizadas com o forno a
1450ºC.
Tabela 4. Parâmetros de controle do forno
Condição
Parâmetros de controle do forno tubular
Tc
Vi
Va
∆ tp
(ºC/
min)
(ºC/
min)
3
119
110
10
4
105
98
10
118
113
10
6
120
119
7
91
143
5
(ºC)
1450
Tp
(ºC)
VR 1
VR
(ºC/
min)
(ºC/
min)
1404
85
125
1382
89
121
1399
72
125
10
1399
74
123
10
1384
79
130
(min)
2
Legenda: Tc: temp. indicada no controlador; Vi: taxa de précalcinação; Va: taxa de aquecimento; ∆tp: tempo de patamar;
Tp: temp. média do patamar; VR 1: taxa de 1º resfriamento;
VR 2: taxa de 2º resfriamento.
Com isso constatou-se que a inserção de carga e a inserção
de ar causaram forte alteração do perfil térmico do forno
tubular (Tabela 4 e Figura 9). Neste caso, a inserção de
carga foi predominante e causou o deslocamento positivo
das regiões do tubo a 900ºC e 1300ºC, o que reflete na
diminuição da taxa de pré-calcinação (Vi) e aumento da taxa
de aquecimento (Va), além da diminuição da taxa de
primeiro (VR 1) resfriamento e aumento da taxa de segundo
(VR 2) resfriamento.
C
Temperatura
Temperatura (ºC)
1500
___
sem ar/sem material
- - - com ar/sem material
--- com ar/com material
0
01
25
2
50
75
100
125
3
4
5
6
Posição geométrica
no
tubo
(cm)
Posição
Perfis térmicos
Condição 5 – com inclinação
Com relação à indicação do controlador do forno
constatamos que se pode inferir uma correlação linear com a
temperatura de patamar, desde que a condição de operação
do forno seja previamente estabelecida. Dessa forma, tornase possível controlar a operação do forno, aplicando-se as
correções necessárias ao controlador, facilitando sua
operação.
Conclui-se que a inserção de material e injeção de ar em
contra-fluxo alteram o perfil térmico do forno, o que aponta
a necessidade de controlá-los criteriosamente durante o
processo. Por sua vez, a rotação e a inclinação afetam
indiretamente o transporte de material no forno e, portanto,
devem ser pré-definidos antes de adotar a taxa de
alimentação.
AGRADECIMENTOS
REFERÊNCIAS
Condição 6 – com alta rotação
Condição 7 – c/ ar, alta rotação, inclinação e material
50
75
100
125
Posição geométrica no tubo
Consideramos que os resultados das medições de
temperatura efetuadas foram satisfatórios para o tipo de
forno tubular rotativo avaliado, apesar das condições
adversas (do ponto de vista metrológico) em que foram
realizadas as medições, tais como rotação e inclinação do
tubo, bem como o carregamento com material.
Agradecemos ao IPT pela oportunidade e disponibilização
da infra-estrutura laboratorial necessária para a realização do
prcesente trabalho. Em especial ao Dr. Valdecir A.
Quarcioni, do LMCC/IPT, pela leitura crítica e sugestões.
Condição 4 – com ar
25
4. CONCLUSÕES
150
7
Condição 3 – referência
0
Cabe ressaltar que as utilizou-se curvas com ajustes de
quinto grau para representar as Figuras de 5 a 9, apenas para
facilitar a visualização e representação gráfica das curvas.
Finalmente, recomenda-se que se avalie o perfil térmico de
fornos tubulares rotativos antes de se fazer seu uso, para
que, quando associá-lo às componentes de processo tornar
possível seu controle e obter o produto calcinado com as
características desejadas. Além disso, esta prática possibilita
adequar o forno tubular rotativo às condições desejadas, por
meio de sua eventual adequação, tanto em nível de projeto
construtivo quanto de processo e controle.
1000
500
Da mesma forma que na condição 4, ocorreu um
abaixamento significativo da temperatura de patamar (Tp),
devido a injeção do ar em contra-fluxo.
150
Fig. 9. Perfis térmicos do tubo nas diversas condições de ensaio –
controlador em 1450ºC: distribuição em linha (superior) e cor
(inferior)
[1]
MARINGOLO, V. Clínquer co-processado: produto de
tecnologia integrada para sustentabilidade e competitividade
da indústria de cimento. 2001. 188f. Tese (Doutorado) –
Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, 2001.
[2]
DUDA, W. H. Cement-data book. 3.ed. Westbaden:
Bauverlag, 1985. v.1.
[3]
CHOTOLI, F.F. Obtenção de clínquer de cimento a partir de
escória de aciaria a oxigênio: estudo em escala laboratorial.
Dissertação (Mestre em Habitação: Planejamento e
Tecnologia) – IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas,
2006.
[4]
[5]
[6]
Castanho M.A.P., Ávila P.U., Lombardi Jr.A.B., et. al Calibração de sensores de temperatura com comprimento
reduzido em banho de leito fluidizado. In: ENQUALAB
2006 – CONGRESSO DE QUALIDADE EM
METROLOGIA. São Paulo. Anais. São Paulo: 2006.
Chotoli, F.F.; Aleixo, D.M.; Costa, R.G.; Castanho, M.A.P.
Avaliação do Perfil Térmico de banho-maria com agitação
tipo "Dubnoff". In: ENQUALAB 2007 – CONGRESSO DE
QUALIDADE EM METROLOGIA. São Paulo. Anais. São
Paulo: 2007.
CEMBUREAU. European Cement Association.
Best
available
techniques
for
the
cement
industry,
D/1999/5457/December
1999.
Disponível
em:<http://www.cembureau.be>. Acesso em: jun. 2000.