Projeto de silo de armazenamento de alumina industrial para uma fundição de alumínio

Requisitos de engenharia para a alimentação contínua do armazenamento de alumina em sistemas de fundição de alumínio e produção eletrolítica

Na produção de alumínio por eletrólise, o silo de armazenamento da fundição de alumínio é um elemento ativo do sistema que integra a alimentação contínua de alumina às células de eletrólise. A dinâmica do processo do sistema exige, normalmente, que a alimentação varie a uma média de ±1–2% acima do valor médio. Os projetos modernos do silo de armazenamento de alumina devem, por isso, permitir descargas de rotina de 20–60 ciclos por dia e evitar a instabilidade do fluxo. Uma configuração industrial típica pode adotar um sistema de silos montado com parafusos para facilitar a instalação rápida e a expansão escalável da capacidade nas instalações de fundição.

Indústria de fundição de metais não ferrosos

Nas aplicações dos sistemas de silos das fundições de alumínio, a alumina forma um pó fino e coeso com cerca de 50–150 μm em termos de granulometria. Isto torna a alumina fluida altamente sensível a variações no teor de humidade e na compactação. O processamento da alumina na presença de um teor de humidade de 0.5–1.0% pode conduzir a uma redução sustentada da eficiência de descarga de até 15–25% e afetar negativamente a eficiência das células de eletrólise.

Estabilidade do fluxo e conceção anti-aglomeração para sistemas de silos de pó de alumina em aplicações metalúrgicas

O design sofisticado dos sistemas de silos para pó de alumina permite a criação de configurações de fluxo que eliminam ativamente o fluxo estático e compactado. Num sistema de fluxo de pó a granel e coesivo, a capacidade de armazenamento da alumina é normalmente de 300–3 000 toneladas com uma taxa de descarga de 10–80 toneladas/hora. Os projetos modernos adotam frequentemente uma silo de aço de alta resistência configuração destinada a melhorar a resistência à abrasão e a estabilidade estrutural a longo prazo em condições abrasivas de alumina.

Um dos principais desafios enfrentados na conceção de um sistema de silos de alimentação contínua é a uniformidade do fluxo de material, uma vez que a alumina apresenta um problema de elevado atrito interno. O coeficiente de atrito interno da alumina varia entre 0,35 a 0,55 dependendo do estado da superfície e da humidade. Prevê-se que um silo mal concebido apresente um padrão de fluxo em funil de 40% ou mais do volume do silo, o que aumenta a probabilidade de formação de buracos.

Os princípios fundamentais do design são:

• Geometria do fluxo mássico: O ângulo da tremonha é concebido para se situar entre 65 e 75°, de modo a garantir que o silo seja totalmente esvaziado.
• Atrito com a parede: O revestimento interno da tremonha foi concebido para reduzir o coeficiente de atrito entre 20 e 35%.
• Conceção de caudal variável: No processo eletrolítico contínuo, é permitida uma variabilidade do caudal de ±3 a 51 TP6T.

Na conceção de um sistema de fundição, os materiais a granel secos armazenados em silos são projetados recorrendo à modelação de fluxos por dinâmica de fluidos computacional (CFD), com o objetivo de visualizar a estagnação do fluxo e conceber a estrutura de forma a evitar riscos operacionais, que podem atingir valores tão elevados quanto 30%.

Para a Engenharia de Desempenho de Armazenamento da Alumina

Outras restrições operacionais incluem:

• Controlo da sensibilidade à compactação: A densidade aparente estabiliza-se com uma variação normal de 800–1100 kg/m³
• Controlo da pressão de aeração: Os sistemas de arejamento de silos funcionam a pressões entre 0,02 e 0,06 MPa
• Estabilidade da temperatura: A variação térmica é mantida em ±10 °C para evitar o risco de condensação

Comportamento de fluxo do pó de alumina e mecanismo de risco de compactação em sistemas de armazenamento de fundições

Nos sistemas de silos de pó de alumina, a fluidez do pó de alumina está sujeita ao comportamento coesivo do pó. Neste caso, a humidade está presente em quantidades tão limitadas que as forças interpartículas prevalecem sobre as forças gravitacionais. Consequentemente, o pó fino de alumina (<75 μm) apresenta uma consistência pegajosa e pode reduzir a eficiência efetiva de descarga do silo em 10–30%.

Conceção de silos para armazenamento de pós metalúrgicos

Conceção técnica de um sistema de manuseamento de alumina a granel

Uma das principais dificuldades na conceção de sistemas de manuseamento de alumina a granel é o comportamento de compactação do pó fino, o que pode provocar um aumento da densidade aparente de 5–12% em condições de armazenamento estático com duração superior a 24–72 horas.

Os fatores que podem ser concebidos para influenciar o comportamento do fluxo incluem:

• Coeficiente de atrito na parede: Quanto maior for o atrito nas paredes, maior será a resistência ao cisalhamento e menor será a estabilidade da descarga
• Distribuição granulométrica: Uma distribuição mais restrita aumenta a probabilidade de formação de arcos em 15–25%
• Absorção de humidade: Um aumento de 0,31 TP6T na humidade pode provocar a formação de ligações coesivas

Controlo técnico da formação de arcos e buracos nos silos de armazenamento de alumina

Um dos mecanismos de falha mais importantes dos silos de armazenamento dos sistemas de fundição de alumínio é a formação de arcos e pontes, ao longo dos quais o material forma estruturas em abóbada estáveis que bloqueiam a descarga. Em sistemas mal concebidos, o bloqueio do fluxo pode ocorrer em mais de 20–35% dos casos.

Um mecanismo de falha relacionado é o «ratholing», em que o material flui apenas pelo centro da abóbada, enquanto o restante material permanece estagnado. Isto pode eliminar até 40–60% do volume efetivo de um canal de fluxo.

Para fazer face a estes problemas, os projetos atuais dos sistemas de silos das fundições de alumínio recorrem a:

• Geometria de controlo de caudal mássico vs. geometria de controlo de caudal em funil: Permite a descarga completa de uma secção transversal.
• Sistemas integrados de arejamento de silos: É injetado ar a uma pressão de 0,02–0,05 MPa para quebrar a coesão.
• Superfícies de parede com acabamento especial: As forças de adesão são reduzidas em 30–45%.

Os sistemas avançados podem utilizar simulações CFD para estimar a formação de arcos com mais de 85–90% precisão para otimizar os projetos antes da construção.

Sistemas de descarga fluidizada e de fluxo assistido por ar para a alimentação contínua de alumina

Os sistemas de fluidização desempenham um papel central na conceção de sistemas de alta eficiência para a alimentação contínua e estável de alumina. Os sistemas de descarga por almofada de ar utilizam ar a baixa pressão (0,02–0,06 MPa) para facilitar o fluxo de alumina e reduzir o atrito interno no cone do silo.

Em muitos casos, verificou-se que os sistemas de descarga com almofadas de ar reduzem a resistência efetiva à descarga em 25–40%, especialmente em condições de elevada humidade, em que a coesão dos pós aumenta.

Alguns dos fatores de conceção mais importantes são:

• Velocidade do ar de fluidização: É necessária uma velocidade de 0,3–0,8 m/s para uma elevação adequada.
• Ângulo da tremonha de descarga: São necessários 60–70° para a transição do fluxo.
• Estabilização do caudal de descarga: é alcançado em 3 a 5 segundos.

Sistemas de conceção desta natureza podem melhorar a estabilidade e o design das tremonhas de descarga, podendo reduzir o tempo de inatividade causado por bloqueios de sólidos a granel em até 70%.

Controlo da humidade e gestão do risco de explosão por poeira em sistemas de alumina

O controlo ambiental nos sistemas de armazenamento de alumina é fundamental devido à natureza altamente higroscópica da alumina. O teor de humidade da 0,8 a 2,01 TP6T pode ter um impacto significativo na aglomeração e reduzir as taxas de fluxo em até 30%.

Os sistemas de vedação de silos concebidos especificamente para o efeito minimizam a entrada de oxigénio e humidade nos silos, mantendo a humidade interna abaixo de 40–50% RH, mesmo nas áreas de armazenamento mais críticas.

Entre as características importantes em termos de segurança e engenharia, destacam-se:

• Conceção anti-higroscópica: Impede a absorção de humidade durante o armazenamento prolongado
• Controlo do risco de explosão de poeiras: Mantém a concentração de poeira abaixo dos 50 g/m³
• Sistema de equilíbrio de pressão: Mantém um equilíbrio inferior a 200–300 Pa para evitar tensões estruturais

No caso de sistemas de grande escala, o desempenho da vedação tem um impacto direto na fiabilidade do sistema, com as taxas de fuga mantidas abaixo de 0,51 TP6T por ciclo. 

Concepção de um sistema integrado de armazenamento e transporte pneumático para fundições de alumínio

Os sistemas de silos de armazenamento de alumina e os sistemas de transporte pneumático de alumina são mais eficazes quando concebidos para funcionar como um circuito contínuo interligado às células eletrolíticas. As pressões de transporte nos sistemas de fase densa variam, na maioria dos casos, entre 0,2–0,8 MPa, dependendo do comprimento da conduta e da altitude.

Fábrica de fundição de alumínio

Os sistemas concebidos para funcionar de acordo com os requisitos específicos de um sistema de silos de uma fundição de alumínio garantem que a pressão entre a descarga do silo e a conduta de transporte seja equilibrada, com uma tolerância de cerca de ±0,05–0,1 MPa.

Entre as medidas comuns de conceção de engenharia contam-se:

• Otimização do transporte em fase densa: 20–35%: consome-se menos energia
• Sistema de equilíbrio de pressão: Estabiliza a interface entre a descarga e o transporte
• Sistema de comutação de múltiplos silos: É possível efetuar uma alimentação contínua durante a manutenção de um silo

Os sistemas globais de manuseamento de alumina integram sistemas de silos concebidos para uma melhoria média da eficiência de 15–25% e uma redução do tempo de inatividade não planeado do sistema em até 30%.

Os layouts modernos de EPC incorporam frequentemente um sistema modular de silos de aço para garantir uma fabricação padronizada, reduzir o tempo de instalação no local e melhorar a flexibilidade de integração do sistema.

Modelação de um método de otimização para a estabilidade a longo prazo dos sistemas de armazenamento de alumina

Para a utilização a longo prazo de silos de armazenamento em sistemas de fundição de alumínio, é necessário monitorizar e controlar a estabilidade do fluxo, a humidade e o desgaste das chapas onduladas. Os silos de armazenamento industriais das instalações de fundição, em pleno funcionamento, têm normalmente uma duração média de trinta (30) anos, desde que seja efetuada a manutenção adequada.