Foram realizados cinco ensaios preliminares para determinação da configuração dos testes padrões: adição de 1000kg briquetes à mistura (P1), concentração de 1000kg de briquetes (P2), aumento da concentração para 2000kg de briquetes (P3) e aumento da concentração para 2500kg com a utilização do sistema de exaustão de gases (P4 e P5).
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 Si + SiO2 Fe 2 O3 + A l2 O3 r 2 = 0,94
1.18.1 Adição de briquetes à mistura referência (ensaio P1)
Neste ensaio, 1000kg de mistura referência briquetada foi adicionado à 4000kg de mistura de referência e então homoneizado novamente. Foi fornecido 3388kWh e a exaustão mecânica permaneceu desligada durante toda operação.
Foram produzidos 185,2kg de carbureto de silício cristalizado e 151,6kg de metalúrgico, contendo 97,8% e 95,9% SiC respectivamente. Logo, o consumo específico de energia foi 10,4kWh/kg. A composição química completa dos produtos é apresenta na
Tabela 0-7.
Com relação aos elementos remanescentes da reação de formação do SiC, o metalúrgico apresenta o dobro do teor de carbono que o cristal, porém os outros (Si + SiO2) não apresentam diferença. Já impurezas provenientes das matérias prima, o
óxido de ferro, de alumino e de cálcio encontraram mais facilidade para se estabilizar na camada do metalúrgico.
Tabela 0-7: Composição química dos produtos do ensaio P1 Composição em peso (%)
Produto SiC C Si SiO2 Fe2O
3
Al2O3 CaO MgO TiO
Cristal 97,8 1,30 0,14 0,66 0,01 0,02 0,01 0,02 0,06
Metalúrgico 95,8 2,51 0,17 0,69 0,45 0,11 0,05 0,02 0,07
Média ponderada 96,9 1,84 0,15 0,67 0,21 0,06 0,03 0,02 0,06 De acordo com a relação estequiométrica geral para formação de SiC, para cada 1kg SiC são necessários 0,9kg de carbono e 1,5kg de sílica. Considerando que as matérias primas possuem 2 e 8% de umidade e 99,8 e 85% de pureza na base seca, para produzir 336,8kg de carbureto de silício com 97% de teor de SiC, foram consumidos 903,8kg de mistura, sendo 180,8kg de mistura briquetada e 723kg de
mistura não briquetada. Ou seja, apenas 18% dos briquetes adicioandos à mistura foram utilizados na reação.
Então, como o objetivo é avaliar o real impacto da utilização dos briquetes, optou-se por mudar a configuração para o próximo ensaio (P2), colocando os briquetes concentrados ao redor da alma. Assim, espera-se que 100% dos briquetes sejam utilizados na formação do carbureto de silício.
A composição dos briquetes com a mistura apresentou permeabilidade equivalente à 178D, que é acima do limite superior (120D). Porém, ao contrário do que ocorreu com os testes industriais (1.10.2), onde a permeabilidade excessiva devido à utilização de grãos grossos diminuiu a quantidade de SiC produzida, neste caso não houve diminuição.
A diferença entre os dois casos (apresentada na Figura 0-11) foi a forma que a permeabilidade foi alterada: no primeiro a permeabilidade foi alterada devido ao tamanho dos grãos de areia utilizados - quanto maiores, maior será o espaço entre eles - e na segunda, devido à aglomeração dos grãos, deixando espaços vazios entre os briquetes, mas mantendo um bom contato entre os grãos dentro do briquete.
Portanto, o aumento de permeabilidade não afeta diretamente a produtividade do forno de SiC, depende da forma que este aumento foi feito.
cc
Figura 0-11: Formas de alteração da permeabilidade
Tamanho dos grãos
Grãos aglomerados
1.18.2 Concentração de 1000kg de briquetes (ensaio P2)
Com o objetivo de utilizar 100% dos aglomerados, neste ensaio 1000kg de briquetes foram colocados ao redor da condutor de grafite, e em ao redor destes, 4000kg de mistura referência completaram a zona de reação. Foi consumido 3345kWh de energia e foi utilizada apenas exaustão natural para remoção do CO produzido.
Foram produzidos 354kg de carbureto de silício. Neste ensaio optou-se por britar e homogenizar os dois produtos e analisar uma amostra do forno como um todo. Comparando com o teste P1, este ensaio obteve consumo específico de energia similar: 10,0kWh/kg versus 10,4kWh/kg. Porém, a qualidade do produto final foi inferior ao do ensaio P1 conforme expresso na Tabela 0-8: o teor de carbono foi mais de duas vezes superior. Por outro lado, o teor de sílica foi 35% inferior. As impurezas provenientes das matérias primas apresentaram características semelhantes, com exceção do óxido de ferro, que apresentou teor 45% superior no ensaio P2.
Tabela 0-8: Comparação da composição dos produtos dos ensaios P1 e P2
Produto Concentração em peso (%)
Cristal +
Metalúrgico SiC C Si SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO TiO
Média P1 96,9 1,84 0,15 0,67 0,21 0,06 0,03 0,02 0,06
Cristal +
metalúrgico P2 94,5 4,41 0,17 0,43 0,38 0,06 0,01 0,02 0,06
Realizando o balanço de massa, estima-se que 100% da mistura briquetada foi consumida na reação de formação do SiC. Além disto, 1000kg de mistura que estava ao redor dos briquetes também foi consumida. Então para utilizar apenas briquete na reção, optou-se dobrar a quantidade no próximo teste (P3).
A permeabilidade dos briquetes para este esquema de montagem também apresentou valores acima dos estabelecidos, ou seja, de 167D. E assim, como o ensaio P1, este não diminuiu a quantidade de SiC produzida.
1.18.3 Aumento da concentração briquetes para 2000kg (ensaio P3)
Neste ensaio a quantidade de briquetes ao redor do condutor de grafite foi dobrada em relação ao ensaio P2 (2000kg), com a intenção de fornecer o máximo de matéria prima briquetada para a reação. De qualquer forma, o restante da zona de reação foi preenchida com mistura referência sem briquetar (3000kg). Não foi utilizada exaustão mecânica, apenas a natural. Foi fornecido 4000kWh de energia. A diferença de energia não irá influenciar na avaliação dos resultados, visto que a produtividade está sendo comparada em termos de específicos (energia por massa). Foram produzidos 243kg de carbureto de silício cristalizado e 207kg de carbureto metalúrgico, atingindo consumo específico de energia igual a 9,3kWh/kg e 54% de percentual de cristal. O consumo específico de energia foi inferior aos dos outros dois ensaios preliminares anteriores (10,4 e 10,0kWh/kg, P1 e P2 respectivamente) e percentual de cristal se manteve similar. Entende-se então que a utilização de mais briquetes na zona de reação diminui o consumo específico de energia, mantendo o mesmo percentual de cristal.
A Tabela 0-9 expressa a composição química destes produtos do ensaio P3. Diferente dos ensaios P1 e P2, a concentração dos elementos remanescentes foi devida à sílica e não ao carbono, as impurezas presentes foram preponderantemente provenientes da areia, a saber: Fe2O3 e Al2O3, seguindo a
Tabela 0-9: Composição química dos produtos do ensaio P3 Composição em peso (%)
Produto SiC C Si SiO2 Fe2O
3
Al2O3 CaO MgO TiO
Cristal 97,7 0,31 0,60 0,91 0,37 0,09 0,01 0,02 0,06
Metalúrgico 93,8 1,70 0,68 1,51 1,97 0,28 0,08 0,02 0,10
Durante a desmontagem do forno foram coletados briquetes parcialmente reagidos, que se encontravam na região acima do carbureto de silício, conforme destacado na Figura 0-12. Estes briquetes, apesar de manterem a forma e as dimensões, perderam resistência mecânica, sendo possível quebrá-los manualmente. A análise química destes briquetes registrou a formação de 5,7% de SiC, contendo ainda 3,35% de voláteis, 56% SiO2 e 38,2% de C. Ou seja, pela
concentração de voláteis suponhe-se que a temperatura nesta região não ultrapassou 1000ºC, porém, mesmo assim, foi formado SiC nesta região. Presupõe que o SiC foi formado devido a passagem do gás SiO ainda quente nesta região, indicando uma boa ventilação na zona de reação – devido à utilização de briquetes.
1.18.4 Ensaios com aumento da concentração de briquetes e com exaustão mecânica (ensaios P4 e P5)
Com o objetivo de observar o impacto do uso simultâneo de dois fatores para aumento da ventilação da zona de reação (exaustão mecânica e briquetes), aumentou-se quantidade de briquetes para 2500kg e utilizou a exaustão mecânica: no ensaio P4 o sistema foi utilizado durante todo o tempo de operação, e no ensaio P5 a partir do meio da operação.
Pretendeu-se confirmar o efeito observado nos ensaios referência (aumento da retirada dos gases da zona de reação favoreceu a cristalização do carbureto de silício) ou comprovar que o excesso de fluxo de gás, previsto por Minemura (1973), irá diminuir a eficiência térmica devido à oxidação do carbono.
A energia fornecida também foi elevada (de 4000 para 6000kWh) com a intenção de produzir mais produto e facilitar a operação de separação, sem afetar na apuração e comparação dos resultados.
No ensaio P4 foram produzidos 212,8kg de cristal, com 98,6% de SiC e 167,2kg de metalúrgico, contendo 97,5% de SiC, obtendo portanto 56% de percentual de cristal e 16,1kWh/kg de consumo específico de energia.
O consumo específico de energia no ensaio P5 foi igual a 12,0kWh/kg e o percentual de cristal 54%, visto que foi produzido 275,4kg de cristal com 98,5% de SiC e 234,5kg de metalúrgico com 97,1% de SiC.
A Figura 0-13 compara o consumo específico obtidos nestes ensaios com os obtidos nos ensaios com mistura referência que também utilizaram a exaustão mecânica para retirada dos gases produzidos dentro do forno (R2 e R3). Observa-se que o consumo específico de energia nos ensaios P4 e P5 foi maior que nos ensaios de referência. Ou seja, a utilização simultânea de dois fatores para aumentar a
vazão dos gases (aumento da permeabilidade através da aglomeração e a exaustão mecânica) foi excessiva, prejudicando a eficiência térmica da operação.
Portanto, foi decido que para os ensaios subseqüentes a quantidade de briquetes deveria ser reduzida e a exaustão mecânica não deveria ser utilizada.
Figura 0-13: Comparação do consumo específico de energia entre os ensaios P4 e P5 e os ensaios com mistura referência utilizando exaustão mecânica.
A Figura 0-14 apresenta uma comparação dos teores médios e desvios padrões de SiC em relação ao ensaio referência R2 (que também operou com exaustão mecânica): os teores de SiC no cristal dos ensaios P4 e P5 foram similares ao ensaio referência R2, porém no metalúrgico os teores de SiC foram ligeiramente mais elevados do que no ensaio de referência.
referência R3 referência R2 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 2500kg de briquetes de mistura referência 2500kg de briquetes de mistura referência P4 P5 Co n su m o E sp e cí fi co d e e n e rg ia (k Wh/ kg Si C)
Figura 0-14: comparação do teor de SiC nos produtos dos ensaios P4 e P5 com o ensaio referência R2
Com este ensaio confirmou-se que a ventilação excessiva, gerada pela utilização simultânea de briquete e exasutão mecânica, diminuiu a eficiência energética da operação de produção de SiC, porém não interferiu a qualidade do cristal produzido.
1.19 Ensaios sistemáticos com redução do tamanho de partícula e