Foram realizados 3 ensaios com mistura referência que servirão de base comparativa para os ensaios subsequentes. Nestes foi utilizada a mistura referência com exaustão natural e mecânica.
1.17.1 Mistura referência com exaustão natural (ensaio R1)
No ensaio com mistura referência o forno operou com exaustão natural, ou seja, o exaustor não foi ligado. Foi fornecido 6000kWh de energia.
Foram produzidos 435,6kg de SiC cristal e 224,4kg de SiC metalúrgico, contendo 98,9 e 94,9% de SiC respectivamente. Sendo, portanto, o consumo específico igual a 9,3kWh/kg e o percentual de cristal igual a 66%. A Tabela 0-4 apresenta a composição química média dos produtos deste ensaio (R1), sendo o teor médio calculado baseado proporcionalmente ao percentual de cada produto.
Tabela 0-4: Composição química média dos produtos do ensaio R1 Composição em peso (%)
Produto SiC C Si SiO2 Fe2O
3
Al2O3 CaO MgO TiO
Cristal 98,9 0,40 0,19 0,40 0,01 0,03 0,01 0,02 0,05
Metalúrgico 94,9 2,53 0,18 1,11 0,63 0,21 0,31 0,02 0,07
Teor médio 97,5 1,12 0,19 0,64 0,22 0,09 0,11 0,02 0,06
Em termos de elementos remanescente da reação ou não reagidos (C, Si e SiO2), o produto metalúrgico apresentou teor de carbono 6 vezes maior que o cristal,
e SiO2 apenas 2,7 vezes e Si o mesmo valor. Isto significa que na formação do
metalúrgico sobrou maior quantidade de carbono do que no cristal e que proporcionalmente mais do que a quantidade de sílica e silício.
Com relação às elementos provenientes de impurezas das matérias primas, principalmente Fe2O3, Al2O3 e CaO concentram-se mais no metalúrgico do que no
cristal. Este fato se dá pelo efeito da purificação do SiC conforme descrito anteriormente: as impurezas migram da região mais quente para a região mais fria do forno de acordo com sua volatilidade em determinadas condições e a habilidade de dissolver na latência do SiC ou associar com outro e precipitar como fases separadas. Este mesmo efeito foi verificado em todos os ensaios realizados.
1.17.2 Mistura referência com exaustão mecânica (ensaios R2 e R3)
Com objetivo de verificar o impacto do aumento da ventilação na carga através da utilização da exaustão mecânica, os ensaios R2 e R3 foram montados de forma semelhante ao anterior (R1: apenas mistura referência), porém utilizando rotações diferentes para exaustor mecânico: no ensaio R2 utilizou rotação média de 677rpm e no ensaio R3 na rotação média de 110rpm.
No ensaio R2 foi fornecido 6000kWh de energia, porém o ensaio R3 foi interrompido com 5461kWh de energia devido problemas com o transformador. Esta diferença não irá influenciar na avaliação dos resultados, visto que a produtividade está sendo comparada em termos de específicos (energia por massa).
No ensaio R2, que operou com maior exaustão mecânca, foram produzidos 364,8kg de cristal, com 98,3% de SiC e 275,2kg de metalúrgico com 94,3% de SiC. Sendo o consumo específico de energia igual a 9,7kWh/kg e o percentual de cristal 57%. A Tabela 0-5 apresenta a composição química média dos produtos deste ensaio.
Já no ensaio R3, que operou com exaustão mecânica menor, foram produzidos 444,6kg de cristal e 126,4kg de metalúrgico, contendo 97,6 e 93,9% de SiC respectivamente. Sendo, portanto, o consumo específico igual a 9,9kWh/kg e o
percentual de cristal igual a 78%. A Tabela 0-6 apresenta a composição química média dos produtos deste ensaio.
Tabela 0-5: Composição química média dos produtos do ensaio R2 Composição em peso (%)
Produto SiC C Si SiO2 Fe2O
3
Al2O3 CaO MgO TiO
Cristal 98,3 0,31 0,48 0,63 0,12 0,05 0,01 0,02 0,06
Metalúrgico 94,3 3,94 0,29 0,92 0,20 0,22 0,01 0,02 0,08
Média ponderada 96,6 1,87 0,40 0,75 0,15 0,12 0,01 0,02 0,07 Tabela 0-6: Composição química média dos produtos do ensaio R3
Composição em peso (%)
Produto SiC C Si SiO2 Fe2O
3
Al2O3 CaO MgO TiO
Cristal 97,5 0,31 0,86 1,00 0,11 0,16 0,02 0,02 0,05
Metalúrgico 93,6 2,84 1,03 1,63 0,30 0,43 0,05 0,03 0,06
Média ponderada 96,6 0,86 0,90 1,14 0,15 0,22 0,03 0,02 0,05 Apesar das diferenças do percentual de cristal obtidos nos ensaios R2 e R3, o teor médio ponderado de SiC nos produtos foi semelhante e que por isso, conseqüentemente, o consumo específico de energia também foi semelhante. Portanto, a variação na velocidade de rotação da exaustão mecânica não impactou no aproveitamento térmico, apenas na distribuição do SiC entre os produtos. Por outro lado, quando os dois ensaios são comparados com o ensaio sem exaustão observa-se que houve alterações nos resultados, como será mostrado a seguir.
1.17.3 Comparação entre os ensaios com mistura referência
A Figura 0-7 apresenta o consumo específico para os três ensaios com a mistura referência. Os ensaios com exaustão mecânica (R2 e R3) obtiveram resultados semelhantes entre si e estes foram, em média, 5% maior que no ensaio sem exaustão mecânica (R1). Portanto, para os ensaios realizados, a exaustão mecânica prejudicou o resultado de consumo específico de energia.
Figura 0-7: Consumo específico de energia dos ensaios com mistura referência
O comparativo do percentual de cristal dos três ensaios (Figura 0-8) mostra que, o ensaio que utilizou a exaustão em rotação lenta obteve maior percentual de cristal do que as demais operações, com exaustão rápida ou até mesmo sem exaustão mecânica. Porém, a quantidade total de produto foi menor. Ou seja, a retirada moderada dos gases da zona de reação do forno favoreceu a cristalização do carbureto de silício, porém reduziu a quantidade total produzida.
Figura 0-8: Percentual de cristal dos ensaios com mistura referência
9,3 9,7 9,9 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0
Mistura regular Mistura regular_ com exaustão mecânica
Mistura regular_ com exaustão mecânica R1 R2 R3 Co n su m o e sp e cí fi co d e e n e rg ia (k Wh/ kg Si C) 66 57 78 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Mistura regular Mistura regular_ com exaustão mecânica
Mistura regular_ com exaustão mecânica R1 R2 R3 Per cen tua l de c rist a l (%)
A análise comparativa dos teores de SiC do cristal e do metalúrgico apresentados na Figura 0-9 permite afirmar que a utilização ou não da exaustão mecânica não influenciou na pureza dos produtos. A avaliação estatística (anexo) realizada também para as impurezas confirma esta afirmação.
Figura 0-9: Teor de SiC nos produtos dos ensaios com mistura referência
Observou-se que a concentração das impurezas (Al2O3 +Fe2O3) tende a
acompanhar a concentração de Si e SiO2, o que pode ser explicado pelo fato que
estas impurezas provem majoritariamente da sílica e não do coque. Esta correlação é apresentada na Figura 0-10. 98,9 98,3 97,6 94,8 94,4 93,9 86 88 90 92 94 96 98 100 R1 - mistura referência sem exaustão R2 - Mistura referência com exaustão mecânica
R3 - Mistura referência com exaustão mecânica
te or d e S iC (% ) cristal metalúrgico
Figura 0-10: Correlação entre os elementos remanescentes e as impurezas encontradas no cristal dos ensaios com mistura referência
Resumindo, nestes testes com mistura referência, a utilização da exaustão mecânica aumentou o consumo específico de energia e a percentagem de cristal, sem alterar a qualidade dos produtos. E ainda, observou-se a correlação entre as princiapais impurezas provenientes da areia (Al2O3 +Fe2O3) e a presença de Si e
SiO2 nos produtos finais.