Conceito geral
A Inspeção Termográfica é a técnica de inspeção não destrutiva realizada com a utilização de sistemas infravermelhos, para a medição de temperaturas ou observação de padrões diferenciais de distribuição de calor, com o objetivo de propiciar informações relativas à condição operacional de um componente, equipamento ou processo.
Esse conceito ganha importância no contexto dos programas de TPM e QS9000 que estão sendo levados a efeito pelas empresas.
Um Sistema de Inspeção Termográfica é formado pelo conjunto de recursos que permitam a realização de tarefas de análise preditiva nos campos de redes elétricas, equipamentos mecânicos, redes de vapor, fornos, reatores e processos. A base para tais sistemas é dada pelo equipamento empregado.
Termovisores e Radiômetros
Os sistemas infravermelhos têm por objetivo transformar a radiação infravermelha captada em informação térmica que, dependendo da finalidade a que se destina, pode ser qualitativa ou quantitativa.
Para se estabelecer uma clara distinção entre os dois tipos mais comuns de sistemas infravermelhos descrevemos abaixo os Termovisores e os Radiômetros.
Termovisores
São sistemas imageadores dotados de recursos para a análise e medição de distribuições térmicas. São produzidos, normalmente, com sensibilidade nas faixas espectrais de 3 a 5 microns (sistemas industriais) e de 8 a 12 microns (sistemas militares e de pesquisa).
Tal como nos equipamentos fotográficos os termovisores possuem objetivas intercambiáveis que possibilitam adequar o campo de visão do aparelho às necessidades específicas de cada observação. As imagens são geradas em branco e preto, podendo ser convertidas em imagens coloridas pela substituição da escala de cinza por uma escala de cores. Atualmente todo o registro das imagens térmicas geradas é digital, através de disquetes ou interfaces que permitem o acoplamento dos sistemas com microcomputadores para posterior processamento da informação.
* diretor da Icon Tecnologia
Os Termovisores mais recentes são inteiramente portáteis e seus preços variam entre US$ 30.000 e US$ 80.000 dependendo das características incorporadas.
Termo visor portátil digital
Radiômetros Avançados
São sistemas infravermelhos de construção mais simples e preço mais acessível, uma vez que não formam imagens térmicas. Medem a temperatura coletando a radiação infravermelha de uma área definida à frente do aparelho que é dirigida a um detector do tipo termo pilha ou piroelétrico, onde é transformada em sinal elétrico. O valor de temperatura calculado é apresentado em um display de cristal líquido.
Os parâmetros determinantes para a seleção de um radiômetro, em função de sua aplicação, são o Campo de Visão (FOV) e a faixa espectral de sensibilidade.
O Campo de Visão de um radiômetro (FOV) é descrito pela razão distância/diâmetro da área medida (D: S). Se considerarmos um instrumento com D: S de 60:1, a área sensoreada a 60 metros terá um diâmetro de 1 metro.
Os radiômetros produzidos para fins industriais operam nas faixas espectrais do infravermelho entre 0,8 microns e 14 microns.
Nos últimos anos os radiômetros passaram a incorporar miras infravermelhas, facilitando o posicionamento dos aparelhos e a rápida visualização da área que está sendo sensoreada.
Os modelos de uso geral apresentam campo de visão de 1:60 e são adequados para as tarefas básicas de inspeção preditiva, como a medição de temperaturas em quadros elétricos de média e baixa tensão, mancais de redutores, motores elétricos e fornos de menor porte.
Tais equipamentos possuem preços bem acessíveis (cerca de R$ 1.500,00 – Maio/99), e atualmente se constituem na espinha dorsal da medição de temperatura por infravermelho na indústria.
Radiômetro de uso geral
Há modelos mais robustos e capazes de medir objetos menores a uma distância mais longa (com campos de visão de 120:1 ou superiores). Esses modelos são adequados a complementar os termovisores em inspeções de subestações, linhas de distribuição e fornos de maior porte. O custo de um equipamento desse tipo está em torno de R$ 3.990,00 (Maio/99).
Radiômetro de alta resolução
Sistema Básico de Inspeção Termográfica
O Sistema Básico de Inspeção Termográfica confere aos radiômetros uma nova dimensão nos programas de manutenção preditiva. Ao invés de ser primordialmente equipamentos destinados à verificação de temperaturas, permitem que as mesmas passem a ter um significado diretamente relacionado com limites operacionais estabelecidos.
Sua concepção visa suprir as empresas com os meios necessários para as atividades de TPM e QS9000 a partir do próprio radiômetro, aliado à capacitação de operadores e aplicativos desenvolvidos para que os dados térmicos sejam empregados em análises preditivas.
A capacitação dos operadores é primordial para que os propósitos do sistema sejam alcançados. As boas práticas de medição, além do conhecimento das limitações dos equipamentos, permitem que as informações colhidas sejam confiáveis e possam orientar as ações da manutenção.
Os programas aplicativos que são utilizados em conjunto com os radiômetros são dedicados às seguintes aplicações:
a) Classificação de componentes elétricos aquecidos: as temperaturas máximas admissíveis para tipos diversos de componente podem ser bem diferentes, além da influência da carga e do vento (em instalações externas, como linhas de distribuição e subestações). Um aplicativo dedicado a essas correções permite a emissão de relatórios com a correta classificação dos componentes aquecidos em termos de criticidade e de risco ao sistema produtivo.
Exemplo da tela de um aplicativo dedicado à utilização de radiômetros e câmeras fotográficas digitais.
b) Cálculo de trocas térmicas: a monitorização dessa variável em fornos, caldeiras e linhas de vapor é da maior importância na tomada de decisão para reparos ou trocas de revestimentos.
c) Avaliação da espessura de revestimentos: essa aplicação está orientada a fornos, reatores e carros-torpedo, nos quais a espessura de revestimento define o tempo de vida útil do equipamento.
Custo de Implantação
O custo de implantação de um Sistema Básico de Inspeção Termográfica pode ser bastante baixo, em comparação com os termovisores. Os valores calculados com base nos preços atuais (Maio/99), considerando o treinamento e o software é de cerca de R$ 2.990,00.
O valor da aquisição de um equipamento (radiômetro) não está incluído, uma vez que:
a) muitas empresas já possuem seus radiômetros (que não estão sendo utilizados em todo seu potencial).
b) um mesmo sistema pode operar com vários radiômetros simultaneamente.
É importante notar que o Sistema Básico de Inspeção Termográfica não necessariamente substitui a contratação externa de serviços, mas se conjuga com as mesmas de maneira a cobrir melhor e por mais tempo as instalações produtivas da empresa, com o intuito de alcançar o principal objetivo da manutenção preditiva: evitar as paradas inesperadas na produção.
Retorno de Investimento
Um dos mais importantes parâmetros a serem considerados para a aplicação da Termografia em uma empresa, é o Retorno do Investimento possibilitado pela aplicação da mesma. Esse item é de especial interesse para gerentes e empresários que pretendam se utilizar dessa técnica.
Para uma freqüência de medições trimestral ou semestral, a contratação de serviços de inspeções termográficas apresenta a vantagem de um menor custo inicial e possibilita, em médio prazo, um melhor conhecimento dos resultados da técnica.
No entanto as exigências determinadas pelos programas de qualidade (TPM, ISO e QS9000) e pelo cumprimento de contratos de fornecimento exigem que a monitorização do sistema produtivo seja realizada em intervalos de tempo menores, ou em situações emergenciais, nas quais a chamada de um inspetor externo pode ser impraticável.
Normalmente, mesmo se considerando a utilização de Termovisores, o retorno de investimento (RDI) em inspeções termográficas está entre 10 e 100 vezes o valor aplicado nas inspeções.
A implantação de um Sistema Básico de Inspeções Termográficas certamente produzirá resultados similares com a garantia da pronta detecção de falhas que se reflitam em alterações térmicas de equipamentos produtivos.
6 de abr. de 2011
Tópicos Especiais em Tecnologia Orgânica Celulose & Papel
1. HISTÓRIA DO PAPEL
Desde os tempos mais remotos, e com a finalidade de representar objetos inanimados ou em movimento, o homem vem desenhando nas superfícies dos mais diferentes materiais. Nesta atividade intimamente ligada ao raciocínio, utilizou inicialmente as superfícies daquelas matérias que a natureza oferecia praticamente prontas para o seu uso, tais como: paredes rochosas, pedras, ossos, folhas de certas plantas, etc.
Acompanhando o desenvolvimento da inteligência humana, as representações gráficas foram tornando-se cada vez mais complexas, passando deste modo a significar idéias. Paralelamente, este desenvolvimento levou o homem a utilizar suportes mais adequados para as representações gráficas, onde a história registra o uso de tabletes de barro cozido, tecidos de fibras diversas, papiros, pergaminhos e, finalmente, o papel.
Papiro: teve origem no Egito. São tiras extraídas dos caules de uma planta muito abundante nas margens do Nilo. Tem origem por volta do ano 3.000 AC e foi usado até o início do século XX da Era Cristã.
Pergaminho: feito de peles de animais, cuja origem data do ano 2.000 AC. As formas melhor acabadas de pergaminhos (peles curtidas) apareceram por volta de 200 AC.
Papel: teve origem na China. É atribuída a Ts’ai Lum (105 DC) a primazia de ter feito papel por meio da polpação de redes de pesca e de trapos. Posteriormente utilizou fibras vegetais (de bambu), mediante um cozimento forte, seguido de maceramento das fibras (alguns autores indicam o uso de cal no processo de cozimento). Todavia, inexplicavelmente este processo de produção de polpa a partir de bambu caiu no esquecimento, permanecendo somente a produção a partir de trapos. A pasta obtida pela dispersão das fibras em água, era depurada, sendo a folha formada sobre uma peneira feita de juncos delgados unidos entre si por crinas de animais ou seda, fixada em uma armação de madeira. Formava-se a folha submergindo a peneira na tina contendo a dispersão de fibras. Secava-se a folha comprimindo-a sobre uma placa de material poroso ou então deixando-a pendurada ao ar. A técnica de produção de papel, que inicialmente foi monopólio chinês, foi apreendida pelos árabes e passou a ser fabricado em Bagdad por volta de 795 DC, difundido ao Ocidente por rotas bastante tortuosas. Os primeiros moinhos papeleiros localizados na Europa (Península Ibérica) datam de 1.094 (em Xativa) e 1.238 (em Capellades).
2. EVOLUÇÃO DA TÉCNICA DE PRODUÇÃO DE PASTA DE CELULOSE
A medida que grandes centros urbanos foram se formando em todo o mundo, foram evoluindo também as atividades burocráticas, comerciais, industriais, culturais, religiosas, etc., de suas populações.
Isto ocasionou um lento e gradual aumento da demanda de papel e, consequentemente, de trapos, única matéria-prima utilizada para a produção de papel.
O problema agravou-se mais ainda à medida que as técnicas de escrita e impressão foram sendo mecanizadas (sistema de impressão tipográfica desenvolvido por Gutemberg em 1450). Paralelamente a isso as técnicas de produção de papel foram sofrendo aperfeiçoamentos mecânicos, contribuindo com a redução de custos de produção, tornando o produto final cada vez mais barato e acessível.
Portanto, face às dificuldades crescentes de oferta de trapos para a produção de papel, a humanidade passou a pesquisar fontes alternativas de celulose, afim de suprir a demanda de papel.
Os principais acontecimentos que contribuíram para a evolução tecnológica de produção de celulose e papel foram:
- Holandesa: máquina inventada em 1860 pelos holandeses, aumentou a produção. Era uma máquina destinada a desintegrar trapos, e que chegou até nossos dias, após uma série de modificações, sem todavia alterar a idéia básica de construção.
- Reaumur: devido à extrema falta de matéria-prima, em 1719, sugere o uso de madeira como fonte de matéria-prima. Esta idéia foi reforçada por Schaffer em 1765.
- Koops: por volta de 1800, patenteia processo de produção de polpa de palha e de papel velho (início da indústria de reciclagem de papel usado).
- Cloro: descoberto no final do século XVIII dá início ao estudo de processos de branqueamento.
- Máquina de papel: a produção de papel sofre uma série de aperfeiçoamentos mecânicos a partir de 1821 – desenvolvimento da mesa formadora de papel pelos irmãos Fourdrinier (cujo nome é mantido até hoje nas máquinas de papel).
- Pasta mecânica: é desenvolvida por Keller em 1844, a partir de madeira (ainda um produto fraco e frágil). Em 1850, Heinrich Voeter utilizou uma mistura de 25% de pasta mecânica e 75% de pasta de trapos.
- Polpa sulfito: em 1857, nos EUA, Benjamim Tilgmann desenvolveu o processo de polpeamento de madeiras com sulfito, tornando a produção de papel independente de trapos.
- Polpa sulfato (Kraft): em 1884, na Alemanha, Dahl desenvolveu o processo de polpeamento de madeiras com soda e sulfeto de sódio.
3. ESPÉCIES VEGETAIS UTILIZADAS NA PRODUÇÃO DE PASTA CELULÓSICA
As matérias-primas vegetais utilizadas para a produção de pasta celulósica são bastante variadas, tais como (no Brasil):
- Plantas anuais e resíduos agrícolas: babaçu, bagaço de cana de açúcar, bambu, linter de algodão, estopa de linho e sisal.
- Madeiras: eucalipto, pinus, araucária, acácia e gmelina.
De todas as espécies vegetais, a maior fonte de matéria-prima são as fibras de madeiras provenientes de árvores ( 95% no Brasil), que são classificadas em dois tipos principais:
- Gymnospermas ou coníferas (madeiras macias/ “soft woods”) – exemplos: pinus e araucária.
- Angiospermas ou folhosas (madeiras duras/ “hard woods”) – exemplos: eucalipto, gmelina, acácia, bétula, etc.
As espécies de madeiras utilizadas no Brasil são:
FIBRAS CURTAS Eucalyptus Saligna
Originárias da Austrália e
Tasmânia
Eucalyptus Alba
Eucalyptus Teriticornis
Gmelina Arbórea Originária da Ásia
Acácia Mearnsii Originária da África do Sul
Bracatinga (Mimosa Scabrella) Espécie nativa
FIBRAS LONGAS Pinus Elliottii Originárias dos EUA e América Central (algumas originalmente provieram da Europa)
Pinus Taeda
Pinus Caribaea
Pinus Patula
Araucária Augustifolia Espécie nativa
Devido às condições climáticas favoráveis (clima tropical e semitropical), a produtividade das florestas brasileiras é bastante alta, a qual associada a desenvolvimentos biotecnológicos, atinge os maiores níveis mundiais.
Exemplos:
- Eucalipto: em algumas regiões a produtividade ultrapassa 75 m3/ha/ano;
- Pinus: 25 m3/ha/ano.
Na Escandinávia a produtividade é da ordem de 5 a 7 m3/ha/ano, enquanto que nos EUA é de 5 a 15 m3/ha/ano. Isto significa que a idade de corte entre espécies similares de árvores dá-se numa relação de aproximadamente 8/30 anos, entre Brasil e Escandinávia.
4. ESTUDO DA MADEIRA
4.1 - Composição do tronco
Conforme a Figura 1, no corte transversal de um tronco de árvore distingue-se:
- CASCA: tem a função de proteção mecânica e evitar uma dessecação demasiada do caule.
- FLOEMA: tem a função de conduzir a seiva com nutrientes.
- CÂMBIO: regula o crescimento do vegetal em espessura (desenvolve simultaneamente o floema e o xilema (*) ).
- ALBURNO: tem a função de condutor de água (suas células são ativas).
- CERNE: constituído de células inativas do xilema.
(*) Xilema: constitui o alburno (com células ativas) e o cerne (com células inativas).
Figura 1 – Seção de um tronco
4.2 - Composição química da madeira
As madeiras utilizadas na indústria de celulose possuem a seguinte composição média (Figura 3):
Celulose - 50%
Lignina – 15 a 35 %
Hemicelulose - 20%
Extrativos – 3 a 10%
Compostos minerais - 0,5%
Figura 3 – Composição química das madeiras.
Exemplos:
Bétula (folhosa) Pinho (conífera)
Celulose (%)
Lignina (%)
Hemicelulose (%)
Extrativos (%)
Compostos minerais (%) 41
20
35
4
0,5 39
27
30
4
0,5
a) Celulose
É um polissacarídeo linear, com um único tipo de unidade de açúcar (D-glicose). Seu peso molecular pode variar de 162.000 a 2.400.000.
b) Hemicelulose
Também são polissacarídeos, diferindo no entanto da celulose por conterem vários tipos de unidades de açúcar (D-xilose, D-manose, D-glicose, L-arabinose, etc.). São polímeros ramificados (amorfos) e de cadeias mais curtas.
c) Lignina
São polímeros amorfos, de composição complexa não totalmente caracterizada. Sua finalidade é conferir firmeza à estrutura (Figuras 4a e 4b). É o ligante que mantém as fibras unidas na estrutura da madeira. É resistente à hidrólise ácida e possui alta reatividade com agentes oxidantes.
Figura 4b – Modelo de lignina de coníferas
d) Extrativos
Ácidos livres: ácido acético, ácido fórmico.
- Ácidos voláteis
Ésteres
- Óleos voláteis (essenciais): hidrocarbonetos, álcoois, cetonas, lactonas, terpenos, terebintina e óleo de pinho (em coníferas).
- Ácidos resinosos: ácidos abiético e pimáricos.
- Ácidos graxos: ácidos oleico, linoleico, palmítico, esteárico, etc.
- Esteróides
- Taninos
d) Compostos inorgânicos ( 1%)
São constituídos principalmente de sulfatos, fosfatos, oxalatos, carbonatos e silicatos de Ca, K e Mg.
4.3 - Fatores que influem na análise da madeira
1. Espécie de madeira (+ importante);
2. Comportamento do crescimento (em regiões deformadas do tronco, a constituição da madeira é diferenciada);
3. Fatores hereditários da árvore;
4. Ponto de tomada da amostra
Exemplo: cerne ou camada externa, lenho juvenil ou adulto, idade, altura no tronco (na parte inferior o lenho é mais comprimido), tronco ou ramos, etc.
5. Condições e história do armazenamento da madeira antes da sua análise;
6. Método de preparação da amostra.
4.4 - Tipos de fibras
As moléculas de celulose que constituem as fibras vegetais estão agrupadas na forma de fibrilas, formando as microfibrilas e as macrofibrilas, de acordo com as Figuras 5 e 6, sendo que suas dimensões variam conforme o espécime vegetal analisado, ou seja:
Comprimento: 3 a 5 mm
Celulose de coníferas Diâmetro: 20 a 50 m
Espessura da parede primária: 3 a 5 m
- São fibras longas – tem maior valor de mercado e são mais escassas;
- Conferem maior resistência mecânica – são próprias para papeis de embalagens;
- Menor rendimento ( 48%).
Comprimento: 0,8 a 1,5 mm
Celulose de folhosas Diâmetro: 20 a 50 m
Espessura da parede primária: 3 a 5 m
- São fibras curtas;
- Maior rendimento ( 50%);
- Mais macias;
- Maior opacidade (filme mais fechado);
- Menor resistência mecânica – são próprias para papeis de impressão e escrita.
Figura 5 – Formação da fibra de celulose
Figura 6 – Esquema das paredes celulares de uma fibra
4.5 – Processo de refino das fibras de celulose As fibrilas que constituem as células (fibras) são compostas de cristalitos de celulose, e quando as fibras são imersas em água, uma quantidade de água é absorvida por todas as superfícies cristalinas expostas, provocando o seu inchamento e diminuição da atração entre as fibrilas. A ação mecânica de cizalhamento das fibras através de equipamentos denominados de refinadores, aceleram este inchamento, deixando expostas as superfícies anteriormente situadas no interior das fibras, ocasionando desta forma um aumento da superfície externa. O aumento da superfície exposta promove um maior número de contatos e ligações entre as fibras, resultando com isso um papel mais resistente. Com isso, a operação de refino das fibras de celulose, que é um processo bastante complexo, é de fundamental importância na fabricação de papel. A Figura 7 mostra alguns efeitos ocasionados sobre as fibras na operação de refino.
Figura 7 – Efeitos da refinação sobre as fibras
5. MATÉRIAS-PRIMAS DE ORIGEM NÃO-MADEIRA
Exemplos:
a) Celulose de fibras têxteis (linter de algodão, linho e sisal)
- São fibras extra-longas e extra-largas;
- São próprias para papeis especiais (papel moeda, filtros, etc.).
b) Celulose de palhas de cereais
- São fibras curtas e grossas – conferem maior fechamento da folha de papel;
- Conferem maior opacidade e lisura ao papel;
- Confere menor porosidade (fabricação de papel vegetal ou manteiga).
c) Celulose de bambu
Bambu é um termo genérico de certos vegetais classificados pela botânica como gramíneas e conhecido no Brasil como “taquara”. Suas fibras são de médio comprimento (predominância entre 2,2 e 2,6 mm) e largura média de 14 m.
6. PROCESSOS DE POLPEAMENTO
São vários os processos utilizados para produção de polpas de celulose, dentre eles:
Processo soda
Processos alcalinos Processo Kraft
Processo sulfito alcalino
- Processos químicos Processo sulfito neutro
Processos ácidos: Processo sulfito ácido
Processo mecânico
- Processos de alto rendimento Processo termomecânico
Processo químico-mecânico
Processo químico-termomecânico
- Processos de rendimento variável: processos semi-químicos
6.1 - Preparação da madeira para o polpeamento
Antes de comentarmos os principais processos de polpeamento utilizados industrialmente, vamos analisar as etapas de beneficiamento que previamente deve passar a madeira.
6.1.1 - Descascamento
A madeira extraída da floresta sob a forma de toras, antes de ser utilizada na produção de celulose deverá ser descascada, devido a:
1. A casca contém pouca quantidade de fibras;
2. Causaria maior consumo de reagentes químicos nas etapas de polpeamento químico e de branqueamento;
3. Ocuparia espaço útil nos digestores (diminuindo a produtividade);
4. Dificultaria a lavagem e depuração da polpa;
5. Diminuiria as propriedades físicas do produto final;
6. Prejudicaria o aspecto visual da pasta (aumento de sujeira).
Existem vários modelos de equipamentos utilizados para o descascamento da madeira na forma de toras, tais como:
- Descascador de tambor,
- Descascador de bolsa,
- Descascador de anel,
- Descascador de corte,
- Descascador hidráulico,
- Descascador de faca.
Dentre todos, os mais utilizados industrialmente são os de tambor e de anel.
a) Descascador de tambor
Neste equipamento, de acordo com a Figura 8, a madeira é alimentada continuamente, por meio de uma correia transportadora, em um cilindro rotativo de aço possuindo fendas longitudinais que permitem a saída das cascas. Estes cilindros são inclinados e giram à baixas velocidades, o que ocasiona o impacto das toras entre si e as paredes do tambor (providas de saliências longitudinais).
Estes impactos ocasionam o rompimento das cascas das toras, as quais são desprendidas e arrastadas para fora (pelas fendas) mediante jatos d’água (chuveiros) situados no interior do tambor.
O dimensionamento dos tambores depende de inúmeras variáveis, tais como, taxa de alimentação, comprimento das toras, diâmetro médio das toras, tipo de madeira (tipo de casca), etc. O diâmetro pode variar de 2,5 a 5,5 m e o comprimento de 7,0 a 25,5 m.
Por exemplo, o diâmetro dos tambores é geralmente de 1,6 a 1,8 vezes o comprimento das toras, por isso as toras antes de entrarem no descascador são bitoladas em mesas alinhadoras munidas de serras circulares, de modo a uniformizar seu comprimento. Devido ao custo destes equipamentos, ele é restringido à indústrias de produção contínua e de porte razoável. Além disso, estes equipamentos são montados no perímetro da instalação industrial, onde será acumulada a casca gerada.
b) Descascador de anel
Neste equipamento, de acordo com a Figura 9, a madeira é alimentada axialmente no centro de um anel rotativo, em cuja periferia estão dispostas, equiespaçadamente, facas e raspadeiras. Ambas, em ação conjunta, removem a casca.
Figura 8 – Descascador de tambor
Os descascadores de anel podem ser construídos estacionários ou móveis. Quando móvel, ele é acoplado em tratores ou caminhões, permitindo seu deslocamento e operação na área florestal.
Figura 9 – Descascador de anel
A produtividade destes equipamentos é influenciada por diversos fatores, tais como: diâmetro e uniformidade da tora, espécie de madeira (e da casca), velocidade e tipo de alimentação.
Com relação à casca gerada nos processos de descascamento, se a madeira é descascada na floresta ela servirá como formadora de “húmus” no solo. No entanto, se for descascada na indústria, a casca causará problemas de disposição, uma vez que ela representa um volume de 10 a 20% do volume total da madeira utilizada. Transportar a casca para aterro florestal seria muito dispendioso, face à sua baixa densidade aparente. A alternativa lógica de eliminação das cascas é a sua queima em fornalhas apropriadas para a geração de vapor (fornalha de biomassa), uma vez que o seu poder calorífico é da ordem de 4.000 kcal/kg, base seca.
6.1.2 - Picagem da madeira
Quando se pretende realizar um polpeamento químico de uma madeira, esta deverá ser reduzida a fragmentos (cavacos), de modo a facilitar a penetração do licor de cozimento.
As dimensões dos cavacos deverão obedecer uma distribuição tão estreita quanto possível, de modo a promover um cozimento bastante uniforme e gerar uma polpa bem homogênea, evitando desta forma um supercozimento dos menores e um subcozimento dos maiores (dentro dos limites operacionais fixados).
A melhor distribuição de tamanho recomendada situa-se na faixa de 5/8 a 3/4 polegadas, de modo a serem retidos em uma peneira com furos de 1,58 cm de diâmetro.
Os fatores mais importantes que afetam a qualidade dos cavacos são:
- direção e velocidade da tora que entra no picador;
- ângulo de corte das facas;
- velocidade de corte (alta velocidade gera alta produção e grande quantidade de finos);
- troca constante das facas (sempre afiadas).
Antes da alimentação no picador, as toras devem ser lavadas afim de retirar areia ou terra nelas contidas, visando diminuir o desgaste das facas do picador. Além disso, a madeira úmida é mais facilmente cortada, diminuindo desta forma o consumo energético e o risco de quebra das facas. Normalmente a madeira entra no picador logo após sair do descascador (quando for de tambor), vindo portanto lavada e úmida. Quanto aos equipamentos utilizados, existem basicamente dois tipos de picadores:
- de disco com múltiplas facas;
- de tambor.
a) Picador de disco (mais utilizado)
Este equipamento é o mais utilizado industrialmente, o qual, de acordo com as Figuras 10 e 11, consiste de um disco rotativo de aço, munido de facas (lâminas de corte) distribuídas na área de uma de suas faces.
Figura 10 – Picador de disco de múltiplas facas
Figura 11 – Detalhes de um picador de disco
O disco tem um diâmetro que varia de 70 a 450 cm e pode ser equipado com 4, 8, 10, 12 ou mais facas. O disco recebe a madeira através de um bocal que forma um ângulo de 35 a 45o em relação à face de corte. O ajuste das facas permite regular o tamanho dos cavacos, os quais são obtidos pelo impacto da tora com as facas, deixando o picador através de fendas existentes no disco. A velocidade de rotação do disco será regulada em função do diâmetro do disco e do número de facas. Por exemplo, para um disco com 214 cm de diâmetro, com 12 facas, a velocidade recomendada é de 450 rpm.
b) Picador de tambor
Este equipamento, de acordo com a Figura 12, consiste basicamente de um tambor de aço com cerca de 1,8 m de diâmetro e de 1,0 a 2,5 m de comprimento. A madeira é alimentada e prensada contra o tambor, cuja superfície é provida de facas, girando a uma velocidade de 30 rpm. As toras são mantidas deitadas na câmara de alimentação, com orientação paralela ao eixo rotacional do tambor.
Figura 12 – Picador de tambor
6.1.3 - Classificação e estocagem dos cavacos
Os cavacos que saem do picador são estocados no pátio e, posteriormente, passam por um sistema classificatório constituído de peneiras vibratórias.
Os cavacos graúdos retidos na primeira peneira, de malha mais aberta, são desviados para sofrerem nova divisão em um outro picador de menor tamanho, denominado de repicador. Os cavacos que saem do repicador reingressam no sistema classificatório. Os cavacos que passaram através da primeira peneira, caem em outra de malha mais fechada. Aqueles que ficaram retidos nesta última, constituem o material aceito para o processo de polpeamento e, os demais que passaram pela peneira constituem os finos. O material constituído de finos poderá ser polpeado separadamente (produto de mais baixa qualidade) ou então queimado em caldeiras (mais comum).
Quando o processo de cozimento é contínuo, o material aceito é conduzido diretamente ao processo de cozimento por meio de esteiras transportadoras ou transporte pneumático. Quando o processo de cozimento é descontínuo (em bateladas), o cavaco aceito é normalmente estocado no pátio sob a forma de pilhas antes de ser conduzido ao processo.
6.2 - Polpeamento químico
6.2.1- Mecanismo de impregnação
Sabe-se que a finalidade do polpeamento é separar as fibras ou os traqueídeos da organização compacta do sistema madeira. Esta separação é conseguida pela dissolução da lamela média, composta em sua maior parte de lignina e de material péctico, a qual mantém as fibras unidas entre si.
Para produzir pastas uniformes, deverá ser feito um tratamento químico e térmico em todos os pontos do sistema madeira. Isto somente será possível se os reagentes químicos forem transportados para o interior dos cavacos até o local da reação, ou seja, até a lamela média, onde a lignina está altamente concentrada.
O transporte para o interior dos cavacos ocorre segundo dois mecanismos:
1. Penetração do licor na madeira devido a um gradiente de pressão hidrostática;
2. Difusão de íons ou outros solutos através da água sob a influência de um gradiente de concentração.
Convém observar que a estrutura da madeira apresenta variações entre as espécies, dentro da mesma espécie e até na própria árvore. Em geral a madeira apresenta de 50 a 75% de espaços vazios, preenchidos com ar e/ou água. Normalmente, calculando-se com base no peso úmido, os cavacos contém cerca de 25% de umidade no ponto de saturação da fibra e cerca de 67% quando completamente cheios de licor.
Um teor de umidade de 50% indica que os lúmens das fibras estão cheios até a metade, aproximadamente, sendo o restante do espaço ocupado por ar.
6.2.2 - Processos alcalinos
No Brasil, cerca de 81% da produção de polpa química é feita pelo processo kraft, aproximadamente 12% pelo processo soda e os 7% restantes por outros processos.
Os dois principais processos alcalinos na produção de pastas químicas são: processo soda e processo kraft (ou sulfato). Os dois processos são similares, diferindo na aplicação do sulfato de sódio no processo kraft ou sulfato, ao invés de carbonato de sódio no processo soda, para cobrir as perdas do ciclo de recuperação dos reagentes do cozimento.
Durante o ciclo de recuperação do processo kraft, o sulfato de sódio é reduzido a sulfeto de sódio, o qual, juntamente com hidróxido de sódio, constituem os reagentes utilizados no processo kraft. Portanto é errado denominar-se de processo sulfato, pois o mesmo não atua como reagente de polpeamento, sendo o hidróxido de sódio e o sulfeto de sódio os responsáveis.
No processo kraft a presença de sulfetos no álcali acelera a deslignificação, produzindo uma pasta de melhor qualidade e com menor teor de lignina para um determinado rendimento. Em meio alcalino e temperaturas altas, as ligações carbono-oxigênio na lignina podem ser rompidas, formando fragmentos menores, mais solúveis e mais estáveis à recombinação (condensação).
Já ficou provada a combinação do enxofre com a lignina, porém a exata natureza desta reação e a causa do aumento da velocidade de deslignificação ainda não foram completamente esclarecidas. É atribuído aos íons HS- (formados pela reação do Na2S com H2O) no licor kraft uma espécie de ação catalisadora. Em uma seqüência cíclica, que começa com sua adição à molécula de lignina, é seguida pelo rompimento destas ligações pelo álcali, regenerando desta forma os íons HS-, deixando-os novamente disponíveis para novas reações e, produzindo lignina kraft contendo pequenas quantidades de enxofre.
As vantagens do processo kraft sobre os demais são:
- flexibilidade a todas as espécies de madeiras;
- tempos mais curtos de cozimento;
- a pasta pode ser branqueada a altos níveis de alvura (maior custo em relação às pastas sulfito);
- não há problemas com resinas (coníferas);
- produção de pastas de alta resistência;
- produção de subprodutos valiosos (tall-oil e terebintina);
- recuperação relativamente fácil dos reagentes utilizados.
Todavia, o processo kraft também apresenta certas desvantagens, tais como:
- alto custo de investimento na montagem da fábrica;
- problema de mau cheiro dos gases produzidos (H2S e mercaptanos).
Os cavacos de madeira, juntamente com o licor de cozimento (licor branco), sofre um aquecimento, sob pressão, em equipamentos denominados de digestores, cuja operação pode ser descontínua (Figuras 13 e 14) ou contínua (Figura 15). A temperatura aumenta gradualmente durante 50 a 90 minutos até a temperatura atingir cerca de 170 oC, a qual é mantida por um certo tempo até garantir a deslignificação da madeira e liberação das fibras.
No processo descontínuo, após o período de cozimento, uma válvula situada no fundo do digestor é aberta e a pressão empurra os cavacos cozidos para um tanque, onde a força de alívio na descarga (descompressão brusca) faz com que os cavacos desdobrem-se em fibras individuais, constituindo a pasta. Nos gases de alívio encontram-se mercaptanos e H2S, bem como terebintina (no caso de coníferas) e metanol. A terebintina e o metanol podem ser recuperados por condensação.
A pasta sofre uma diluição com licor negro fraco e segue para um sistema de separação de cavacos não cozidos e nós (depuração inicial). A seguir ela vai para um sistema de lavagem em filtros rotativos a vácuo (com dois ou três estágios de lavagem) gerando o licor negro fraco. Após lavada segue para outro sistema de depuração (constituído de peneiras vibratórias ou hidrociclones) e a seguir para um espessador para aumentar sua consistência. A massa espessada, ou segue diretamente para a produção de papel, ou então para processos intermediários de branqueamento.
O licor negro fraco (com 16-18% de teor de sólidos) será convertido em licor negro forte mediante um sistema de concentração de múltiplos estágios, o qual, após atingir uma concentração de 60-65% de teor de sólidos (modernamente concentra-se até 80%), segue para uma fornalha de recuperação onde é queimado. Da queima deste licor negro forte resultam sais fundidos (smelt) que se depositam no fundo da fornalha na forma líquida.
Estes sais, constituídos principalmente de Na2CO3 e Na2S, são conduzidos por escoamento ao interior de tanques contendo licor branco fraco, resultando em uma solução denominada de licor verde, pois possui tonalidade esverdeada devido à presença de sais de ferro.
Figura 13 – Digestor descontínuo com
aquecimento indireto
Figura 14 – Digestor descontínuo com
aquecimento direto
Figura 15 - Fluxograma de um digestor contínuo (Kamyr)
O licor verde é convertido em licor branco mediante a adição de Ca(OH)2, em uma operação denominada de caustificação, segundo a reação:
Ca(OH)2 + Na2CO3 CaCO3 + NaOH
A taxa de conversão na caustificação é da ordem de 85-90%, pois a reação é reversível.
Inicialmente o hidróxido de cálcio é obtido pela reação de hidratação (apagamento) do óxido de cálcio, segundo a reação:
CaO + H2O Ca(OH)2
O licor branco usado no processo kraft contém NaOH e Na2S numa proporção típica de 5:2 com um pH de 13,5 a 14. Usualmente as perdas de enxofre e soda no processo são supridas mediante adição de sulfato de sódio à fornalha de recuperação (junto com o licor negro forte), de modo que na zona de redução da fornalha ocorra a seguinte reação:
Na2SO4 + 2C Na2S + 2CO2
Portanto, a unidade de recuperação de uma indústria de celulose com processo kraft consiste de três setores básicos:
1. Fornalha de recuperação - equipamento onde é queimado o licor negro concentrado (60-65% de teor de sólidos), resultando os sais fundidos (Na2CO3 + Na2S) que são dissolvidos em um tanque, originando o licor verde;
2. Setor de caustificação - local onde ocorre a reação da cal apagada [Ca(OH)2] com o licor verde, regenerando o NaOH e precipitando CaCO3, o qual, sob a forma de lama é lavado e concentrado em um filtro rotativo a vácuo, resultando no licor branco fraco e numa lama com aproximadamente 75% de sólidos.
3. Setor de calcinação - o CaCO3 parcialmente seco é calcinado, normalmente em um forno rotativo onde ocorre sua decomposição em CaO e CO2 (entre 950 e 1200 oC). O CaO gerado retorna ao setor de caustificação.
6.2.3 – Definições e cálculo da composição de um licor branco para cozimento kraft
Definições segundo a TAPPI (Technical Association of Pulp and Paper Industry):
- Reagente Total: são todos os sais de sódio presentes no licor;
- Álcali Total: NaOH + Na2CO3 + 1/2Na2SO3 (*)
(*) - a presença de Na2CO3 é devida à caustificação incompleta, enquanto que a do Na2SO3 é devida à redução incompleta do Na2SO4 na fornalha.
- Álcali Ativo: NaOH + Na2S
- Álcali Efetivo: NaOH + 1/2Na2S
- Atividade: é a % obtida pela razão
- Causticidade: é a % obtida pela razão
- Eficiência de caustificação: é a % obtida pela razão
- Sulfidez: é a % obtida pela razão
Observação: todas as quantidades dos produtos estão expressas em Na2O.
Exemplo:
Calcular a composição e a concentração de um licor de cozimento kraft para 1.500 g de cavacos de madeira com 55% de umidade (em peso).
Considerar:
- Alcalinidade ativa: 16% (sobre a madeira seca);
- Sulfidez: 20% (sobre a alcalinidade ativa).
Portanto, deverá ser determinado:
a) Quantidade de NaOH necessária (em base NaOH);
b) Quantidade de Na2S (ou de enxofre) necessária (em base NaOH);
c) Concentração (quantidade de água).
Cálculos
1) Determinação do peso de cavaco seco:
1.500 g de cavacos com 55% de umidade representam:
- 675 g de madeira base seca,
- 825 g de água.
2) Cálculo da alcalinidade ativa (AA) - expressa em Na2O;
Estabelecendo-se em 16%, sobre a madeira seca, a alcalinidade ativa (dados experimentais), temos:
AA = Na2S + NaOH = 0,16 x 675 = 108 g (como Na2O)
3) Cálculo da sulfidez
Estabelecendo-se uma sulfidez de 20% sobre a Alcalinidade Ativa (AA), temos:
Na2S = AA x 0,20 = 108 x 0,20 = 21,6 g (como Na2O)
4) Conversão da base de referência (Na2O NaOH):
a) Quantidade de soda:
AA = Na2S + NaOH NaOH = AA – Na2S
NaOH = 108 – 21,6 = 86,4 g (como Na2O)
ou: NaOH = 86,4 x
Pois: Na2O + H2O = 2 NaOH
Logo: NaOH = 86,4 x = 111,48 g (como NaOH)
b) Quantidade de sulfeto de sódio:
Na2S = 21,6 x = 21,6 x 78/62 = 27,17 g (como Na2S)
5) Adição de enxofre para gerar sulfidez:
Admitindo-se que, ao invés da adição direta de sulfeto de sódio ao processo, adicione-se enxofre elementar e hidróxido de sódio, de modo que ao reagirem entre si dentro do reator formem sulfeto de sódio na quantidade exigida para o cozimento, segundo a reação:
4 S + 6 NaOH 2 Na2S + Na2S2O3 + 3 H2O
(128) (240) (156)
a) Cálculo da quantidade de enxofre:
Enxofre = 27,17 x 128/156 = 22,29 g
b) Cálculo da quantidade adicional de NaOH:
NaOHadicional = 27,17 x 240/156 = 41,8 g
6) Quantidade de água necessária ao cozimento:
Considerando-se que a concentração do licor de cozimento deve ser da ordem de 50 g/L, referido à AA e expressa em base NaOH, temos:
AA = NaOH + Na2S = 111,48 + 27,17 = 138,65 g
Água necessária = 138,65 x 1.000/50 = 2.773 mL
Descontando-se a umidade do cavaco, teremos:
Quantidade de água a ser adicionada = 2.773 – 825 = 1.948 ml (2,0 L)
7) Resumo:
Para polpear 1.500 g de cavacos com 55% de umidade, pelo processo kraft, precisamos de um licor constituído de:
a) Com adição direta de soda e sulfeto de sódio:
NaOH – 111,48 g
Na2S – 27,17 g
Água – 1.948 g (2,0 litros)
b) Com adição de soda e enxofre (com formação de sulfeto in situ):
NaOH – 153,28 g
Enxofre – 22,29 g
Água - 2,0 litros (ignorando-se a pequena quantidade de água formada na reação)
6.2.4 - Fator H
Este parâmetro, estabelecido por Vroom e denominado de Fator H, é uma função do tempo e da temperatura utilizada no cozimento ótimo de determinada madeira pelo processo kraft, ou seja:
H = f (t,T)
A sua determinação está baseada na equação de Arrhenius:
ln K = B – A/T
onde:
T = temperatura absoluta,
K = velocidade relativa da reação,
B, A = constantes para uma determinada reação.
Segundo Naass: A = 16.113
Fixando-se arbitrariamente K = 1 a 100 oC, tem-se:
0 = B – 16113/373 (pois ln 1 = 0)
logo: B = 43,2
Portanto, a expressão de Arrhenius fica na forma:
K =
Logo, conhecendo-se a curva de variação da temperatura em função do tempo de um cozimento e, empregando-se os valores das velocidades relativas (Ki) determinados pela expressão acima ou através de valores tabelados (Tabela 1) pode ser traçada a curva da variação da velocidade em função do tempo (em horas) para este cozimento, de acordo com a Figura 16. O cálculo da área sob esta curva resulta no Fator H, o qual pode ser determinado mediante integração gráfica (regra de Simpson).
Método simplificado: H = =
Para uma ótima deslignificação:
- madeiras de eucalipto: H 700
- madeiras de coníferas: H = 1.500 a 2.000
Figura 16 – Variação da temperatura e velocidade relativa
de reação em função do tempo de cozimento
Tabela 1 – Variação da velocidade relativa com a temperatura
Exemplo de cálculo do Fator H e do tempo ótimo de cozimento (método simplificado)
Neste exemplo (Tabela 2) verifica-se a variação do tempo necessário de cozimento de determinada madeira para atingir o mesmo valor do Fator H, quando ocorre variação da temperatura de cozimento.
Tabela 2 – Cálculo do Fator H e do tempo total de cozimento
Deve ser observado que é possível alcançar maior precisão no resultado se as temperaturas forem tomadas em intervalos menores de tempo de cozimento na fase de elevação da temperatura.
Normalmente, na produção industrial, as condições de aquecimento do equipamento são conhecidas e controladas automaticamente (tanto elevação como manutenção da temperatura). Portanto, neste caso, basta determinar-se previamente em laboratório qual o Fator H correspondente a um bom cozimento e após fixar-se o tempo total da operação de cozimento (desde o início).
6.2.5 - Processo sulfito
Este método, desenvolvido em 1867 pelo químico americano Benjamim Tilghmann, dominou absoluto por cerca de 100 anos o processo produtivo de pastas químicas de celulose de madeiras. O processo sulfito base cálcio foi o método dominante e, devido aos preços extremamente baixos do calcário e do enxofre (muito abundantes) não havia motivos econômicos para recuperação destes reagentes químicos do licor residual do cozimento. Consequentemente, isto vinha ocasionando um enorme impacto ambiental.
Em 1955 começaram a aparecer alguns resultados de pesquisas (notadamente nos países escandinavos) visando substituir o cálcio por outras bases (Na, NH4 e Mg), de modo a possibilitar a recuperação simultânea de energia e reagentes químicos dos processos. Isto porque o produto resultante da queima do licor residual, base cálcio, é o CaSO4, que é impróprio para conversão em sulfito de cálcio.
Por volta de 1960, iniciou-se a imposição de proteção do meio ambiente, obrigando as industrias a queimarem ou então tratarem seus efluentes, sob pena de terem de parar sua produção. Isto ocasionou o fechamento de muitas unidades pequenas, face ao alto investimento necessário para resolver o problema. Desde então, toda a expansão da capacidade de produção de pastas químicas voltou-se ao processo kraft, apesar deste necessitar de um sistema complexo de recuperação dos produtos químicos envolvidos no processo.
Todavia, modernamente, estão se desenvolvendo processos semi-químicos de polpeamento (pastas de alto rendimento) que envolvem o uso de sulfito, tais como: quimomecânico e quimotermomecânico. Isto se deve ao fato de que, sendo o processo sulfito bastante versátil, pode propiciar rendimentos de polpeamento que variam de 35 a 90%, dependendo da concentração do licor de cozimento e das condições operacionais. As pastas de alto rendimento, como será visto adiante, substituem as pastas químicas com vantagens econômicas em inúmeras aplicações.
O processo de produção de polpa sulfito começa com a preparação do licor de cozimento, denominado de “ácido”.
Inicialmente é feita a queima de enxofre (ou pirita) em queimadores e fornos apropriados, em condições tais que se obtém o SO2 da forma mais econômica possível.
S + O2 SO2
A quantidade de ar utilizada, bem como o rápido resfriamento do SO2 gerado, devem ser bem controlados, afim de evitar a formação de SO3, o que provocaria maior corrosão do equipamento, além de comprometer a qualidade do ácido (licor) devido à formação de sulfato.
SO2 + 1/2 O2 SO3
A preparação do licor de cozimento consiste em fazer reagir o SO2 (resfriado à cerca de 40 oC) em contracorrente com soluções ou suspensões de NaOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2 ou NH4OH, em uma torre de absorção. A solução aquosa contém de 4 a 8% de SO2 livre e de 2 a 3% de SO2 combinado. A quantidade de SO2 livre na solução final estabelece o seu pH, pois um excesso de SO2 conduz a um licor neutro ou ácido, com formação de bissulfito [ex. NaHSO3 ou Ca(HSO3)2 ].
A maior vantagem dos processos sulfito ácido e neutro, está no fato de que a pasta que sai do digestor tem alvura entre 50 e 60%, podendo ser utilizada na fabricação de vários tipos de papeis, mesmo na forma não branqueada. No entanto, as desvantagens em relação ao processo kraft são várias, dentre elas:
- sistema de recuperação dos reagentes (ou tratamento dos efluentes) bastante onerosa e complexa;
- alto custo dos equipamentos envolvidos e de manutenção (corrosão).
6.2.6 - Processos de alto rendimento
Face à demanda crescente de celulose (crescimento médio de 3% ao ano), à estratificação da maioria das reservas florestais no mundo e o aumento gradual do custo da energia, despertou um interesse acentuado nos países produtores de celulose por processos de polpeamento de alto rendimento, ou seja, aqueles que apresentam rendimentos superiores a 60% na transformação da madeira em pasta.
Estas pastas, que apresentam constituintes não celulósicos da madeira (com teores variáveis) são aplicadas na produção de determinados papéis, cartões ou papelões, cuja resistência às condições ambientais e demais propriedades físicas e mecânicas não sejam muito exigentes, comparativamente aos produtos feitos com pastas químicas. Isto vem de encontro a uma relação custo/benefício bastante favorável, uma vez que as pastas de alto rendimento tem um custo produtivo bem inferior às pastas químicas.
Exemplificando, podemos considerar papéis absorventes, do tipo higiênico (tissues). Estes papéis, desde que tenham cumprido sua finalidade de uso, são jogados fora ou destruídos. Portanto tem vida curta e não são recicláveis e, além disso, um número reduzido de especificações. Isso justifica sua produção com pastas de menor custo.
6.2.6.1 - Tipos de processos de alto rendimento.
Os principais tipos de pastas de alto rendimento produzidas comercialmente, são:
1) Pasta mecânica de mó (Stone groundwood pulp – SGWP):
É obtida por desfibramento de madeira roliça em mó, à pressão atmosférica. Seu rendimento é da ordem de 95-97%.
2) Pasta mecânica de mó pressurizada (Pressurized stone groundwood – PSGWP):
É obtida por desfibramento de madeira roliça em mó, sob pressão (equipamento fechado e pressurizado). Seu rendimento é superior a 90%.
3) Pasta mecânica de desfibrador despressurizado (Refiner mechanical pulp – RMP):
É obtida por desfibramento de madeira ou de seus resíduos sob a forma de cavacos ou serragem, em desfibrador de disco sob pressão atmosférica. Rendimento em torno de 95%.
4) Pasta termomecânica (Thermomecanical pulp – TMP):
Desfibramento em desfibrador de disco, sob pressão, de cavacos, serragem de madeira ou então de resíduos agrícolas (palhas de cereais), previamente aquecidos com vapor saturado. Rendimento da ordem de 92-94%.
5) Pasta quimomecânica de mó (Chemimechanical pulp – CMP):
Desfibramento em mó, sob pressão atmosférica, de madeira roliça, prévia e levemente tratada com reagentes químicos. Rendimento em torno de 90%.
6) Pasta quimomecânica de desfibrador de disco (Chemimecanical pulp – CMP):
Desfibramento em desfibrador de disco, sob pressão atmosférica, de cavacos, serragem de madeira ou então de resíduos agrícolas (palhas de cereais), prévia e levemente tratados com reagentes químicos. Rendimento em torno de 90%.
7) Pasta quimo-termomecânica (Chemi-thermomechanical pulp – CTMP):
Desfibramento em desfibrador de disco, sob pressão, de cavacos, serragem de madeira ou resíduos agrícolas, prévia e levemente tratados com reagentes químicos. Rendimento em torno de 90%.
8) Pasta mecano-química:
Pastas mecânicas, obtidas por qualquer processo e que sofrem um tratamento químico posterior ao desfibramento. Processo ainda em estudos.
9) Pasta semiquímica com soda a frio (Cold soda pulp ou chemimechanical pulp):
Desfibramento com desfibrador de disco, sob pressão atmosférica, de cavacos tratados com solução de hidróxido de sódio. Cozimento sob condições mais suaves e tempos mais curtos em relação aos processos químicos convencionais. A concentração dos reagentes também é menor. O rendimento pode variar de 80 a 90%.
10) Pasta semiquímica ao sulfito neutro (Neutral sulfite semichemical pulp – NSSC):
Os cavacos são aquecidos com vapor e a seguir impregnados com solução de sulfito e carbonato de sódio com um pH entre 8 e 9. Posteriormente são cozidos com vapor em temperaturas entre 160 e 180 oC por 15 a 60 minutos. O rendimento pode variar de 75 a 85%.
11) Pasta semimecânica com soda à quente (Hot soda semichemical pulp):
Este processo é mais utilizado para resíduos agrícolas, os quais são inicialmente aquecidos com vapor à pressão atmosférica, impregnados com solução de hidróxido de sódio a 8-10% e após cozidos com vapor à temperaturas de 160 a 180 oC por 15 minutos ou mais.
6.2.6.2 - Produção de pasta mecânica de mó
O processo inicia com o recebimento da madeira, a qual será descascada e cortada em pequenas toras de dimensões apropriadas que seguem para o desfibramento.
O desfibramento da madeira, feito no desfibrador de mó (ou rebolo), é efetuado pressionando-se a tora transversalmente contra a superfície da mó em rotação. Durante a operação, chuveiros aspergem água quente sobre a superfície da mó, estando sua parte inferior parcialmente submersa na suspensão de fibras.
A suspensão de fibras (com consistência entre 1 e 3%) é depurada em peneiras vibratórias, primeiro em uma peneira para remoção de material grosseiro e após, em outra peneira, para a remoção dos finos. O rejeito destas peneiras é constituído de lascas de madeiras (final das toras), feixes de fibras e palitos e normalmente é jogado fora ou queimado, podendo, todavia, serem desfibrados em desfibradores de disco e reincorporados à massa da pasta depurada. Esta pasta passa ainda por depuradores centrífugos (hidrociclones) afim de eliminar sujeiras e rejeitos residuais. A seguir a pasta passa por equipamentos engrossadores, com a finalidade de aumentar sua consistência e, depois, segue para os diferentes pontos do processo (prensa desaguadora, secagem, enfardamento, etc.).
O equipamento mais importante do processo é o desfibrador de mó, de acordo com a Figura 17. Sua alimentação pode ser manual ou automática. As toras são colocadas no armazém (magazine) do equipamento e um pistão hidráulico pressiona-as sobre a superfície da mó. A mó é acionada por um motor síncrono ou por turbina hidráulica. A pressão exercida pela madeira sobre a mó (pressão específica) é controlada automaticamente, e depende das propriedades finais da pasta, geometria e velocidade de rotação, características da grana e sulcos da pedra.
Conforme pode ser visto na Figura 18, a mó é constantemente molhada, por meio de chuveiros, com água branca quente (água branca é aquela que sai dos engrossadores ou então das máquinas de papel resultante do desaguamento da polpa). A função desta água é resfriar a superfície da pedra e mantê-la limpa.
A velocidade periférica da pedra está na faixa de 18 a 25 m/s (pode chegar a 30 m/s), cuja rotação varia de 200 a 250 rpm. Normalmente a pedra fica assentada sobre uma cuba de concreto que recebe a massa de fibras separadas da madeira junto com a água dos chuveiros, formando uma suspensão (pasta de madeira). Sua consistência varia de 1 a 6%, dependendo da produção de fibras e da vazão da água dos chuveiros. Na cuba a pasta é mantida em determinado nível, de modo a submergir parcialmente a mó, o qual é controlado por uma comporta regulável. Sua finalidade principal é resfriar a pedra.
Depois de um certo período de trabalho, a mó necessita ter sua superfície escariada (sulcada). Para isso é usada uma ferramenta especial chamada de carretilha, que pode ser vista na Figura 19, a qual consiste em um cilindro de aço revestido com material de alta dureza (vídia, por exemplo) formando ranhuras retas ou helicoidais quando pressionada contra a pedra por meio de um torno, de acordo com a Figura 20.
Figura 17 – Esquema de um desfibrador Figura 18 – Posição dos chuveiros sobre a mó
de mó
Mediante uma rotação controlada da pedra e um avanço também controlado do torno, acasiona a impressão na superfície da pedra, conforme a Figura 21.
Figura19 – Tipos de carretilhas Figura 20 – Torno de afiação da mó
Figura 21 – Sulcamento da superfície da mó
O intervalo de tempo de afiação da pedra depende de várias condições:
- Tipo da pedra: se artificial (carbeto de silício) ou natural (granito);
- Tipo de madeira desfibrada;
- Condições operacionais: eficiência de resfriamento, velocidade de operação, pressão específica exercida pela madeira sobre a pedra, etc.
No processo de desfibramento da madeira com mó, a madeira é submetida não só aos atritos combinados de rolamento e de fricção, ocasionados pelo roçamento entre esta e as pontas da superfície da pedra, conforme a Figura 22, mas também aos ciclos de compressão e descompressão.
Como pode ser visto na Figura 23, estes ciclos ocorrem devido à passagem alternada de pontas e cavidades da superfície da pedra sobre determinado ponto da madeira. A energia cedida
pelo processo à madeira ocasiona elevação da temperatura em sua superfície amolecendo a lignina, facilitando o processo de desfibramento.
A energia absorvida pela madeira é transferida em cerca de 50% para a pedra (50%) e o restante para a pasta que está sendo produzida. A transferência de calor à pedra se dá através do filme líquido presente na zona de desfibramento. Por isso é muito importante a qualidade e a quantidade da água utilizada no resfriamento.
Figura 22 – Pontos de atrito da mó Figura 23 – Pulsos de compressão e sobre a madeira descompressão sobre a madeira
Existem vários modelos comerciais de desfibradores de mó, sendo que a madeira a ser desfibrada na mó também pode ser alimentada por 2 ou 3 pontos, conhecidos como bolsas ou magazines, conforme pode ser visto nas Figuras 24, 25 e 26.
Figura 24 – Desfibrador com duas Figura 25 – Desfibrador com três bolsas
bolsas (Voith)
Figura 26 – Desfibrador com alimentador gigante
A pasta mecânica de mó é utilizada em inúmeros tipos de papéis e papelões, tanto isolada como combinada com outros tipos de pastas. O maior consumidor de pasta mecânica é o papel de imprensa, cuja composição média é:
- pasta mecânica de mó..........................71 a 82%
- pasta química.......................................18 a 25%
- cargas e aditivos....................................0 a 4%
Outros usos para pasta mecânica:
- papéis higiênicos (toilet), toalhas e lenços (tissues) e embrulho;
- papéis e papelões para a construção civil: construção, isolamento de fios, papel de parede e papelão prensado para isolamento acústico e térmico;
- papéis para embalagens: sacos, papelão ondulado e cartões flexíveis;
- papéis de impressão (revestidos): livros e revistas.
7. BRANQUEAMENTO DE PASTAS DE CELULOSE
7.1 - Generalidades
O polpeamento químico promove uma deslignificação da madeira, mas, como já comentado anteriormente, devido às condições severas a que a madeira é exposta, pode ocorrer também degradação da celulose e hemicelulose. No intuito de protegê-las, o processo nunca deve ser conduzido até o ponto de remoção total da lignina. Neste caso, resta na polpa final um pequeno percentual de lignina residual, a qual, quando necessário, será removida por processos de branqueamento, que não são tão agressivos.
Portanto, a cor das pastas de celulose é devida principalmente aos derivados de lignina que foram formados durante o polpeamento e nela permaneceram. A intensidade da cor também pode aumentar posteriormente mediante reações de degradação com o oxigênio do ar e também devido à radiação ultravioleta da luz solar. Também contribuem para a coloração, a presença de íons metálicos, resinas ou outras impurezas. A coloração, de acordo com o processo de produção, varia desde marrom escuro (processo kraft) até amarelo claro (processos de alto rendimento).
Seja qual for a finalidade do papel produzido, a alvura representa um fator importante em
sua comercialização, já que, além do consumidor preferir um produto mais branco ou mais claro,
permite impressões mais definidas quando necessárias.
Os reagentes utilizados no branqueamento de pastas químicas são, em sua maioria, compostos oxidantes, os quais conferem à pasta alvura mais estável. Também há processos que utilizam compostos químicos redutores, apenas alterando quimicamente os compostos coloridos (cromóforos) da pasta, não afetando o rendimento e modificando seu aspecto visual. Estes são empregados principalmente em pastas de alto rendimento, uma vez que o teor de lignina sendo elevado, não seria incoerente sua remoção mediante agentes de branqueamento.
Para a produção de papel de qualidade superior e alvura elevada, torna-se necessário a remoção da lignina e de outras impurezas das polpas químicas. Neste caso o branqueamento torna-se um processo de purificação, afetando mais diretamente outras propriedades da pasta (viscosidade, teor de hemicelulose e propriedades físicas e mecânicas).
No caso de pastas químicas e semiquímicas (rendimento menor do que 60%), o teor de lignina residual na pasta pode ser estimado mediante a determinação do Número Kappa, o qual permite uma avaliação do grau de deslignificação atingido pelo processo e posterior facilidade (ou dificuldade) de beneficiamento da pasta obtida. Este ensaio consiste na determinação da quantidade de permanganato de potássio gasto para remover a lignina residual de uma determinada amostra de celulose, segundo método padronizado, a qual, mediante correções estabelecidas pelo método, resultará no Número Kappa (vide anexo).
A estabilidade da alvura é outra característica importante, pois com o tempo a cor pode sofrer alterações, tornando o material amarelado ou escurecido. A reversão é acelerada pela luz, calor e umidade elevada, dependendo ainda do tipo de pasta e do processo de branqueamento utilizado. A alvura será menos estável quando for empregado um agente redutor no processo de branqueamento, pois a longo prazo o oxigênio do ar oxida novamente as formas reduzidas dos compostos coloridos derivados da lignina.
7.2 - Principais agentes de branqueamento
Os reagentes utilizados enquadram-se em dois tipos:
Bissulfito de sódio (NaHSO3)
Ditionitos de zinco e sódio (ZnS2O4 e Na2S2O4) –(antigamente
- Reagentes redutores conhecidos por hidrossulfitos)
Borohidreto de sódio (NaBH4) – (também conhecido por tetrahidroborato de sódio)
Peróxido de hidrogênio (H2O2)
Cloro
- Reagentes oxidantes Dióxido de cloro (ClO2)
Hipoclorito de sódio (NaClO)
Oxigênio
Ozônio (O3)
Os tipos mais utilizados para pastas químicas são os oxidantes, face aos custos e estabilidade da alvura.
Considerando-se que o objetivo do branqueamento das pastas é a obtenção do grau de alvura desejado e estável, com um custo mínimo de reagentes e equipamentos, sem prejuízo das características físico-mecânicas do produto, este objetivo será mais facilmente atingido se for utilizada uma combinação de vários reagentes em vários estágios, alternando-se, por exemplo, estágios de oxidação com estágios de lavagens simples ou alcalinas.
Os reagentes utilizados nos processos de branqueamento são representados por símbolos, de modo que um processo combinado pode ser representado por uma sigla.
Exemplos:
Cloro – C (cloração),
NaOH – E (extração alcalina), E0 (extração alcalina com oxigênio),
NaClO – H (hipocloração),
ClO2 – D (dioxidação),
H2O2 – P (peroxidação),
O2 – O (oxigênio),
O3 – Z (ozonização),
Portanto, a sigla CEHD, representa um processo combinado de: cloração – extração alcalina – hipocloração – dioxidação, com lavagem da pasta entre os estágios. Quando houver uma barra entre dois estágios de uma sigla, significa que não há lavagem entre estes dois estágios. Por exemplo (o mesmo): CEH/D. Neste caso não há lavagem da pasta entre os estágios de hipocloração e dioxidação.
Há muito tempo que se sabe que os processos de branqueamento com cloro geram produtos muito tóxicos nos efluentes (principalmente clorofenóis) e, mediante estudos realizados a cerca de 15 anos atrás, constatou-se a presença de dioxinas nestes efluentes.
A presença destas dioxinas, extremamente tóxicas, nos efluentes torna difícil ou impossível um tratamento eficaz com técnicas convencionais. Isto tem gerado uma polêmica internacional, ocasionando a proibição de alguns países em importar ou comercializar celulose branqueada com cloro. Como conseqüência, os países produtores e exportadores de celulose (inclusive o Brasil) estão modificando seus processos de branqueamento, eliminando gradualmente o uso de cloro elementar e seus derivados, buscando alternativas mediante o uso de oxigênio, peróxido de hidrogênio e ozônio.
Com isso, as polpas produzidas estão sendo classificadas como ECF (Elementary Chlorine Free) ou TCF (Total Chlorine Free). Todavia, existem muitas controvérsias técnicas, exigindo estudos mais profundos destes processos, pois ainda são considerados não tão eficazes quanto àqueles que empregam cloro ou seus derivados, inclusive prejudicando as qualidades finais da polpa.
Desde os tempos mais remotos, e com a finalidade de representar objetos inanimados ou em movimento, o homem vem desenhando nas superfícies dos mais diferentes materiais. Nesta atividade intimamente ligada ao raciocínio, utilizou inicialmente as superfícies daquelas matérias que a natureza oferecia praticamente prontas para o seu uso, tais como: paredes rochosas, pedras, ossos, folhas de certas plantas, etc.
Acompanhando o desenvolvimento da inteligência humana, as representações gráficas foram tornando-se cada vez mais complexas, passando deste modo a significar idéias. Paralelamente, este desenvolvimento levou o homem a utilizar suportes mais adequados para as representações gráficas, onde a história registra o uso de tabletes de barro cozido, tecidos de fibras diversas, papiros, pergaminhos e, finalmente, o papel.
Papiro: teve origem no Egito. São tiras extraídas dos caules de uma planta muito abundante nas margens do Nilo. Tem origem por volta do ano 3.000 AC e foi usado até o início do século XX da Era Cristã.
Pergaminho: feito de peles de animais, cuja origem data do ano 2.000 AC. As formas melhor acabadas de pergaminhos (peles curtidas) apareceram por volta de 200 AC.
Papel: teve origem na China. É atribuída a Ts’ai Lum (105 DC) a primazia de ter feito papel por meio da polpação de redes de pesca e de trapos. Posteriormente utilizou fibras vegetais (de bambu), mediante um cozimento forte, seguido de maceramento das fibras (alguns autores indicam o uso de cal no processo de cozimento). Todavia, inexplicavelmente este processo de produção de polpa a partir de bambu caiu no esquecimento, permanecendo somente a produção a partir de trapos. A pasta obtida pela dispersão das fibras em água, era depurada, sendo a folha formada sobre uma peneira feita de juncos delgados unidos entre si por crinas de animais ou seda, fixada em uma armação de madeira. Formava-se a folha submergindo a peneira na tina contendo a dispersão de fibras. Secava-se a folha comprimindo-a sobre uma placa de material poroso ou então deixando-a pendurada ao ar. A técnica de produção de papel, que inicialmente foi monopólio chinês, foi apreendida pelos árabes e passou a ser fabricado em Bagdad por volta de 795 DC, difundido ao Ocidente por rotas bastante tortuosas. Os primeiros moinhos papeleiros localizados na Europa (Península Ibérica) datam de 1.094 (em Xativa) e 1.238 (em Capellades).
2. EVOLUÇÃO DA TÉCNICA DE PRODUÇÃO DE PASTA DE CELULOSE
A medida que grandes centros urbanos foram se formando em todo o mundo, foram evoluindo também as atividades burocráticas, comerciais, industriais, culturais, religiosas, etc., de suas populações.
Isto ocasionou um lento e gradual aumento da demanda de papel e, consequentemente, de trapos, única matéria-prima utilizada para a produção de papel.
O problema agravou-se mais ainda à medida que as técnicas de escrita e impressão foram sendo mecanizadas (sistema de impressão tipográfica desenvolvido por Gutemberg em 1450). Paralelamente a isso as técnicas de produção de papel foram sofrendo aperfeiçoamentos mecânicos, contribuindo com a redução de custos de produção, tornando o produto final cada vez mais barato e acessível.
Portanto, face às dificuldades crescentes de oferta de trapos para a produção de papel, a humanidade passou a pesquisar fontes alternativas de celulose, afim de suprir a demanda de papel.
Os principais acontecimentos que contribuíram para a evolução tecnológica de produção de celulose e papel foram:
- Holandesa: máquina inventada em 1860 pelos holandeses, aumentou a produção. Era uma máquina destinada a desintegrar trapos, e que chegou até nossos dias, após uma série de modificações, sem todavia alterar a idéia básica de construção.
- Reaumur: devido à extrema falta de matéria-prima, em 1719, sugere o uso de madeira como fonte de matéria-prima. Esta idéia foi reforçada por Schaffer em 1765.
- Koops: por volta de 1800, patenteia processo de produção de polpa de palha e de papel velho (início da indústria de reciclagem de papel usado).
- Cloro: descoberto no final do século XVIII dá início ao estudo de processos de branqueamento.
- Máquina de papel: a produção de papel sofre uma série de aperfeiçoamentos mecânicos a partir de 1821 – desenvolvimento da mesa formadora de papel pelos irmãos Fourdrinier (cujo nome é mantido até hoje nas máquinas de papel).
- Pasta mecânica: é desenvolvida por Keller em 1844, a partir de madeira (ainda um produto fraco e frágil). Em 1850, Heinrich Voeter utilizou uma mistura de 25% de pasta mecânica e 75% de pasta de trapos.
- Polpa sulfito: em 1857, nos EUA, Benjamim Tilgmann desenvolveu o processo de polpeamento de madeiras com sulfito, tornando a produção de papel independente de trapos.
- Polpa sulfato (Kraft): em 1884, na Alemanha, Dahl desenvolveu o processo de polpeamento de madeiras com soda e sulfeto de sódio.
3. ESPÉCIES VEGETAIS UTILIZADAS NA PRODUÇÃO DE PASTA CELULÓSICA
As matérias-primas vegetais utilizadas para a produção de pasta celulósica são bastante variadas, tais como (no Brasil):
- Plantas anuais e resíduos agrícolas: babaçu, bagaço de cana de açúcar, bambu, linter de algodão, estopa de linho e sisal.
- Madeiras: eucalipto, pinus, araucária, acácia e gmelina.
De todas as espécies vegetais, a maior fonte de matéria-prima são as fibras de madeiras provenientes de árvores ( 95% no Brasil), que são classificadas em dois tipos principais:
- Gymnospermas ou coníferas (madeiras macias/ “soft woods”) – exemplos: pinus e araucária.
- Angiospermas ou folhosas (madeiras duras/ “hard woods”) – exemplos: eucalipto, gmelina, acácia, bétula, etc.
As espécies de madeiras utilizadas no Brasil são:
FIBRAS CURTAS Eucalyptus Saligna
Originárias da Austrália e
Tasmânia
Eucalyptus Alba
Eucalyptus Teriticornis
Gmelina Arbórea Originária da Ásia
Acácia Mearnsii Originária da África do Sul
Bracatinga (Mimosa Scabrella) Espécie nativa
FIBRAS LONGAS Pinus Elliottii Originárias dos EUA e América Central (algumas originalmente provieram da Europa)
Pinus Taeda
Pinus Caribaea
Pinus Patula
Araucária Augustifolia Espécie nativa
Devido às condições climáticas favoráveis (clima tropical e semitropical), a produtividade das florestas brasileiras é bastante alta, a qual associada a desenvolvimentos biotecnológicos, atinge os maiores níveis mundiais.
Exemplos:
- Eucalipto: em algumas regiões a produtividade ultrapassa 75 m3/ha/ano;
- Pinus: 25 m3/ha/ano.
Na Escandinávia a produtividade é da ordem de 5 a 7 m3/ha/ano, enquanto que nos EUA é de 5 a 15 m3/ha/ano. Isto significa que a idade de corte entre espécies similares de árvores dá-se numa relação de aproximadamente 8/30 anos, entre Brasil e Escandinávia.
4. ESTUDO DA MADEIRA
4.1 - Composição do tronco
Conforme a Figura 1, no corte transversal de um tronco de árvore distingue-se:
- CASCA: tem a função de proteção mecânica e evitar uma dessecação demasiada do caule.
- FLOEMA: tem a função de conduzir a seiva com nutrientes.
- CÂMBIO: regula o crescimento do vegetal em espessura (desenvolve simultaneamente o floema e o xilema (*) ).
- ALBURNO: tem a função de condutor de água (suas células são ativas).
- CERNE: constituído de células inativas do xilema.
(*) Xilema: constitui o alburno (com células ativas) e o cerne (com células inativas).
Figura 1 – Seção de um tronco
4.2 - Composição química da madeira
As madeiras utilizadas na indústria de celulose possuem a seguinte composição média (Figura 3):
Celulose - 50%
Lignina – 15 a 35 %
Hemicelulose - 20%
Extrativos – 3 a 10%
Compostos minerais - 0,5%
Figura 3 – Composição química das madeiras.
Exemplos:
Bétula (folhosa) Pinho (conífera)
Celulose (%)
Lignina (%)
Hemicelulose (%)
Extrativos (%)
Compostos minerais (%) 41
20
35
4
0,5 39
27
30
4
0,5
a) Celulose
É um polissacarídeo linear, com um único tipo de unidade de açúcar (D-glicose). Seu peso molecular pode variar de 162.000 a 2.400.000.
b) Hemicelulose
Também são polissacarídeos, diferindo no entanto da celulose por conterem vários tipos de unidades de açúcar (D-xilose, D-manose, D-glicose, L-arabinose, etc.). São polímeros ramificados (amorfos) e de cadeias mais curtas.
c) Lignina
São polímeros amorfos, de composição complexa não totalmente caracterizada. Sua finalidade é conferir firmeza à estrutura (Figuras 4a e 4b). É o ligante que mantém as fibras unidas na estrutura da madeira. É resistente à hidrólise ácida e possui alta reatividade com agentes oxidantes.
Figura 4b – Modelo de lignina de coníferas
d) Extrativos
Ácidos livres: ácido acético, ácido fórmico.
- Ácidos voláteis
Ésteres
- Óleos voláteis (essenciais): hidrocarbonetos, álcoois, cetonas, lactonas, terpenos, terebintina e óleo de pinho (em coníferas).
- Ácidos resinosos: ácidos abiético e pimáricos.
- Ácidos graxos: ácidos oleico, linoleico, palmítico, esteárico, etc.
- Esteróides
- Taninos
d) Compostos inorgânicos ( 1%)
São constituídos principalmente de sulfatos, fosfatos, oxalatos, carbonatos e silicatos de Ca, K e Mg.
4.3 - Fatores que influem na análise da madeira
1. Espécie de madeira (+ importante);
2. Comportamento do crescimento (em regiões deformadas do tronco, a constituição da madeira é diferenciada);
3. Fatores hereditários da árvore;
4. Ponto de tomada da amostra
Exemplo: cerne ou camada externa, lenho juvenil ou adulto, idade, altura no tronco (na parte inferior o lenho é mais comprimido), tronco ou ramos, etc.
5. Condições e história do armazenamento da madeira antes da sua análise;
6. Método de preparação da amostra.
4.4 - Tipos de fibras
As moléculas de celulose que constituem as fibras vegetais estão agrupadas na forma de fibrilas, formando as microfibrilas e as macrofibrilas, de acordo com as Figuras 5 e 6, sendo que suas dimensões variam conforme o espécime vegetal analisado, ou seja:
Comprimento: 3 a 5 mm
Celulose de coníferas Diâmetro: 20 a 50 m
Espessura da parede primária: 3 a 5 m
- São fibras longas – tem maior valor de mercado e são mais escassas;
- Conferem maior resistência mecânica – são próprias para papeis de embalagens;
- Menor rendimento ( 48%).
Comprimento: 0,8 a 1,5 mm
Celulose de folhosas Diâmetro: 20 a 50 m
Espessura da parede primária: 3 a 5 m
- São fibras curtas;
- Maior rendimento ( 50%);
- Mais macias;
- Maior opacidade (filme mais fechado);
- Menor resistência mecânica – são próprias para papeis de impressão e escrita.
Figura 5 – Formação da fibra de celulose
Figura 6 – Esquema das paredes celulares de uma fibra
4.5 – Processo de refino das fibras de celulose As fibrilas que constituem as células (fibras) são compostas de cristalitos de celulose, e quando as fibras são imersas em água, uma quantidade de água é absorvida por todas as superfícies cristalinas expostas, provocando o seu inchamento e diminuição da atração entre as fibrilas. A ação mecânica de cizalhamento das fibras através de equipamentos denominados de refinadores, aceleram este inchamento, deixando expostas as superfícies anteriormente situadas no interior das fibras, ocasionando desta forma um aumento da superfície externa. O aumento da superfície exposta promove um maior número de contatos e ligações entre as fibras, resultando com isso um papel mais resistente. Com isso, a operação de refino das fibras de celulose, que é um processo bastante complexo, é de fundamental importância na fabricação de papel. A Figura 7 mostra alguns efeitos ocasionados sobre as fibras na operação de refino.
Figura 7 – Efeitos da refinação sobre as fibras
5. MATÉRIAS-PRIMAS DE ORIGEM NÃO-MADEIRA
Exemplos:
a) Celulose de fibras têxteis (linter de algodão, linho e sisal)
- São fibras extra-longas e extra-largas;
- São próprias para papeis especiais (papel moeda, filtros, etc.).
b) Celulose de palhas de cereais
- São fibras curtas e grossas – conferem maior fechamento da folha de papel;
- Conferem maior opacidade e lisura ao papel;
- Confere menor porosidade (fabricação de papel vegetal ou manteiga).
c) Celulose de bambu
Bambu é um termo genérico de certos vegetais classificados pela botânica como gramíneas e conhecido no Brasil como “taquara”. Suas fibras são de médio comprimento (predominância entre 2,2 e 2,6 mm) e largura média de 14 m.
6. PROCESSOS DE POLPEAMENTO
São vários os processos utilizados para produção de polpas de celulose, dentre eles:
Processo soda
Processos alcalinos Processo Kraft
Processo sulfito alcalino
- Processos químicos Processo sulfito neutro
Processos ácidos: Processo sulfito ácido
Processo mecânico
- Processos de alto rendimento Processo termomecânico
Processo químico-mecânico
Processo químico-termomecânico
- Processos de rendimento variável: processos semi-químicos
6.1 - Preparação da madeira para o polpeamento
Antes de comentarmos os principais processos de polpeamento utilizados industrialmente, vamos analisar as etapas de beneficiamento que previamente deve passar a madeira.
6.1.1 - Descascamento
A madeira extraída da floresta sob a forma de toras, antes de ser utilizada na produção de celulose deverá ser descascada, devido a:
1. A casca contém pouca quantidade de fibras;
2. Causaria maior consumo de reagentes químicos nas etapas de polpeamento químico e de branqueamento;
3. Ocuparia espaço útil nos digestores (diminuindo a produtividade);
4. Dificultaria a lavagem e depuração da polpa;
5. Diminuiria as propriedades físicas do produto final;
6. Prejudicaria o aspecto visual da pasta (aumento de sujeira).
Existem vários modelos de equipamentos utilizados para o descascamento da madeira na forma de toras, tais como:
- Descascador de tambor,
- Descascador de bolsa,
- Descascador de anel,
- Descascador de corte,
- Descascador hidráulico,
- Descascador de faca.
Dentre todos, os mais utilizados industrialmente são os de tambor e de anel.
a) Descascador de tambor
Neste equipamento, de acordo com a Figura 8, a madeira é alimentada continuamente, por meio de uma correia transportadora, em um cilindro rotativo de aço possuindo fendas longitudinais que permitem a saída das cascas. Estes cilindros são inclinados e giram à baixas velocidades, o que ocasiona o impacto das toras entre si e as paredes do tambor (providas de saliências longitudinais).
Estes impactos ocasionam o rompimento das cascas das toras, as quais são desprendidas e arrastadas para fora (pelas fendas) mediante jatos d’água (chuveiros) situados no interior do tambor.
O dimensionamento dos tambores depende de inúmeras variáveis, tais como, taxa de alimentação, comprimento das toras, diâmetro médio das toras, tipo de madeira (tipo de casca), etc. O diâmetro pode variar de 2,5 a 5,5 m e o comprimento de 7,0 a 25,5 m.
Por exemplo, o diâmetro dos tambores é geralmente de 1,6 a 1,8 vezes o comprimento das toras, por isso as toras antes de entrarem no descascador são bitoladas em mesas alinhadoras munidas de serras circulares, de modo a uniformizar seu comprimento. Devido ao custo destes equipamentos, ele é restringido à indústrias de produção contínua e de porte razoável. Além disso, estes equipamentos são montados no perímetro da instalação industrial, onde será acumulada a casca gerada.
b) Descascador de anel
Neste equipamento, de acordo com a Figura 9, a madeira é alimentada axialmente no centro de um anel rotativo, em cuja periferia estão dispostas, equiespaçadamente, facas e raspadeiras. Ambas, em ação conjunta, removem a casca.
Figura 8 – Descascador de tambor
Os descascadores de anel podem ser construídos estacionários ou móveis. Quando móvel, ele é acoplado em tratores ou caminhões, permitindo seu deslocamento e operação na área florestal.
Figura 9 – Descascador de anel
A produtividade destes equipamentos é influenciada por diversos fatores, tais como: diâmetro e uniformidade da tora, espécie de madeira (e da casca), velocidade e tipo de alimentação.
Com relação à casca gerada nos processos de descascamento, se a madeira é descascada na floresta ela servirá como formadora de “húmus” no solo. No entanto, se for descascada na indústria, a casca causará problemas de disposição, uma vez que ela representa um volume de 10 a 20% do volume total da madeira utilizada. Transportar a casca para aterro florestal seria muito dispendioso, face à sua baixa densidade aparente. A alternativa lógica de eliminação das cascas é a sua queima em fornalhas apropriadas para a geração de vapor (fornalha de biomassa), uma vez que o seu poder calorífico é da ordem de 4.000 kcal/kg, base seca.
6.1.2 - Picagem da madeira
Quando se pretende realizar um polpeamento químico de uma madeira, esta deverá ser reduzida a fragmentos (cavacos), de modo a facilitar a penetração do licor de cozimento.
As dimensões dos cavacos deverão obedecer uma distribuição tão estreita quanto possível, de modo a promover um cozimento bastante uniforme e gerar uma polpa bem homogênea, evitando desta forma um supercozimento dos menores e um subcozimento dos maiores (dentro dos limites operacionais fixados).
A melhor distribuição de tamanho recomendada situa-se na faixa de 5/8 a 3/4 polegadas, de modo a serem retidos em uma peneira com furos de 1,58 cm de diâmetro.
Os fatores mais importantes que afetam a qualidade dos cavacos são:
- direção e velocidade da tora que entra no picador;
- ângulo de corte das facas;
- velocidade de corte (alta velocidade gera alta produção e grande quantidade de finos);
- troca constante das facas (sempre afiadas).
Antes da alimentação no picador, as toras devem ser lavadas afim de retirar areia ou terra nelas contidas, visando diminuir o desgaste das facas do picador. Além disso, a madeira úmida é mais facilmente cortada, diminuindo desta forma o consumo energético e o risco de quebra das facas. Normalmente a madeira entra no picador logo após sair do descascador (quando for de tambor), vindo portanto lavada e úmida. Quanto aos equipamentos utilizados, existem basicamente dois tipos de picadores:
- de disco com múltiplas facas;
- de tambor.
a) Picador de disco (mais utilizado)
Este equipamento é o mais utilizado industrialmente, o qual, de acordo com as Figuras 10 e 11, consiste de um disco rotativo de aço, munido de facas (lâminas de corte) distribuídas na área de uma de suas faces.
Figura 10 – Picador de disco de múltiplas facas
Figura 11 – Detalhes de um picador de disco
O disco tem um diâmetro que varia de 70 a 450 cm e pode ser equipado com 4, 8, 10, 12 ou mais facas. O disco recebe a madeira através de um bocal que forma um ângulo de 35 a 45o em relação à face de corte. O ajuste das facas permite regular o tamanho dos cavacos, os quais são obtidos pelo impacto da tora com as facas, deixando o picador através de fendas existentes no disco. A velocidade de rotação do disco será regulada em função do diâmetro do disco e do número de facas. Por exemplo, para um disco com 214 cm de diâmetro, com 12 facas, a velocidade recomendada é de 450 rpm.
b) Picador de tambor
Este equipamento, de acordo com a Figura 12, consiste basicamente de um tambor de aço com cerca de 1,8 m de diâmetro e de 1,0 a 2,5 m de comprimento. A madeira é alimentada e prensada contra o tambor, cuja superfície é provida de facas, girando a uma velocidade de 30 rpm. As toras são mantidas deitadas na câmara de alimentação, com orientação paralela ao eixo rotacional do tambor.
Figura 12 – Picador de tambor
6.1.3 - Classificação e estocagem dos cavacos
Os cavacos que saem do picador são estocados no pátio e, posteriormente, passam por um sistema classificatório constituído de peneiras vibratórias.
Os cavacos graúdos retidos na primeira peneira, de malha mais aberta, são desviados para sofrerem nova divisão em um outro picador de menor tamanho, denominado de repicador. Os cavacos que saem do repicador reingressam no sistema classificatório. Os cavacos que passaram através da primeira peneira, caem em outra de malha mais fechada. Aqueles que ficaram retidos nesta última, constituem o material aceito para o processo de polpeamento e, os demais que passaram pela peneira constituem os finos. O material constituído de finos poderá ser polpeado separadamente (produto de mais baixa qualidade) ou então queimado em caldeiras (mais comum).
Quando o processo de cozimento é contínuo, o material aceito é conduzido diretamente ao processo de cozimento por meio de esteiras transportadoras ou transporte pneumático. Quando o processo de cozimento é descontínuo (em bateladas), o cavaco aceito é normalmente estocado no pátio sob a forma de pilhas antes de ser conduzido ao processo.
6.2 - Polpeamento químico
6.2.1- Mecanismo de impregnação
Sabe-se que a finalidade do polpeamento é separar as fibras ou os traqueídeos da organização compacta do sistema madeira. Esta separação é conseguida pela dissolução da lamela média, composta em sua maior parte de lignina e de material péctico, a qual mantém as fibras unidas entre si.
Para produzir pastas uniformes, deverá ser feito um tratamento químico e térmico em todos os pontos do sistema madeira. Isto somente será possível se os reagentes químicos forem transportados para o interior dos cavacos até o local da reação, ou seja, até a lamela média, onde a lignina está altamente concentrada.
O transporte para o interior dos cavacos ocorre segundo dois mecanismos:
1. Penetração do licor na madeira devido a um gradiente de pressão hidrostática;
2. Difusão de íons ou outros solutos através da água sob a influência de um gradiente de concentração.
Convém observar que a estrutura da madeira apresenta variações entre as espécies, dentro da mesma espécie e até na própria árvore. Em geral a madeira apresenta de 50 a 75% de espaços vazios, preenchidos com ar e/ou água. Normalmente, calculando-se com base no peso úmido, os cavacos contém cerca de 25% de umidade no ponto de saturação da fibra e cerca de 67% quando completamente cheios de licor.
Um teor de umidade de 50% indica que os lúmens das fibras estão cheios até a metade, aproximadamente, sendo o restante do espaço ocupado por ar.
6.2.2 - Processos alcalinos
No Brasil, cerca de 81% da produção de polpa química é feita pelo processo kraft, aproximadamente 12% pelo processo soda e os 7% restantes por outros processos.
Os dois principais processos alcalinos na produção de pastas químicas são: processo soda e processo kraft (ou sulfato). Os dois processos são similares, diferindo na aplicação do sulfato de sódio no processo kraft ou sulfato, ao invés de carbonato de sódio no processo soda, para cobrir as perdas do ciclo de recuperação dos reagentes do cozimento.
Durante o ciclo de recuperação do processo kraft, o sulfato de sódio é reduzido a sulfeto de sódio, o qual, juntamente com hidróxido de sódio, constituem os reagentes utilizados no processo kraft. Portanto é errado denominar-se de processo sulfato, pois o mesmo não atua como reagente de polpeamento, sendo o hidróxido de sódio e o sulfeto de sódio os responsáveis.
No processo kraft a presença de sulfetos no álcali acelera a deslignificação, produzindo uma pasta de melhor qualidade e com menor teor de lignina para um determinado rendimento. Em meio alcalino e temperaturas altas, as ligações carbono-oxigênio na lignina podem ser rompidas, formando fragmentos menores, mais solúveis e mais estáveis à recombinação (condensação).
Já ficou provada a combinação do enxofre com a lignina, porém a exata natureza desta reação e a causa do aumento da velocidade de deslignificação ainda não foram completamente esclarecidas. É atribuído aos íons HS- (formados pela reação do Na2S com H2O) no licor kraft uma espécie de ação catalisadora. Em uma seqüência cíclica, que começa com sua adição à molécula de lignina, é seguida pelo rompimento destas ligações pelo álcali, regenerando desta forma os íons HS-, deixando-os novamente disponíveis para novas reações e, produzindo lignina kraft contendo pequenas quantidades de enxofre.
As vantagens do processo kraft sobre os demais são:
- flexibilidade a todas as espécies de madeiras;
- tempos mais curtos de cozimento;
- a pasta pode ser branqueada a altos níveis de alvura (maior custo em relação às pastas sulfito);
- não há problemas com resinas (coníferas);
- produção de pastas de alta resistência;
- produção de subprodutos valiosos (tall-oil e terebintina);
- recuperação relativamente fácil dos reagentes utilizados.
Todavia, o processo kraft também apresenta certas desvantagens, tais como:
- alto custo de investimento na montagem da fábrica;
- problema de mau cheiro dos gases produzidos (H2S e mercaptanos).
Os cavacos de madeira, juntamente com o licor de cozimento (licor branco), sofre um aquecimento, sob pressão, em equipamentos denominados de digestores, cuja operação pode ser descontínua (Figuras 13 e 14) ou contínua (Figura 15). A temperatura aumenta gradualmente durante 50 a 90 minutos até a temperatura atingir cerca de 170 oC, a qual é mantida por um certo tempo até garantir a deslignificação da madeira e liberação das fibras.
No processo descontínuo, após o período de cozimento, uma válvula situada no fundo do digestor é aberta e a pressão empurra os cavacos cozidos para um tanque, onde a força de alívio na descarga (descompressão brusca) faz com que os cavacos desdobrem-se em fibras individuais, constituindo a pasta. Nos gases de alívio encontram-se mercaptanos e H2S, bem como terebintina (no caso de coníferas) e metanol. A terebintina e o metanol podem ser recuperados por condensação.
A pasta sofre uma diluição com licor negro fraco e segue para um sistema de separação de cavacos não cozidos e nós (depuração inicial). A seguir ela vai para um sistema de lavagem em filtros rotativos a vácuo (com dois ou três estágios de lavagem) gerando o licor negro fraco. Após lavada segue para outro sistema de depuração (constituído de peneiras vibratórias ou hidrociclones) e a seguir para um espessador para aumentar sua consistência. A massa espessada, ou segue diretamente para a produção de papel, ou então para processos intermediários de branqueamento.
O licor negro fraco (com 16-18% de teor de sólidos) será convertido em licor negro forte mediante um sistema de concentração de múltiplos estágios, o qual, após atingir uma concentração de 60-65% de teor de sólidos (modernamente concentra-se até 80%), segue para uma fornalha de recuperação onde é queimado. Da queima deste licor negro forte resultam sais fundidos (smelt) que se depositam no fundo da fornalha na forma líquida.
Estes sais, constituídos principalmente de Na2CO3 e Na2S, são conduzidos por escoamento ao interior de tanques contendo licor branco fraco, resultando em uma solução denominada de licor verde, pois possui tonalidade esverdeada devido à presença de sais de ferro.
Figura 13 – Digestor descontínuo com
aquecimento indireto
Figura 14 – Digestor descontínuo com
aquecimento direto
Figura 15 - Fluxograma de um digestor contínuo (Kamyr)
O licor verde é convertido em licor branco mediante a adição de Ca(OH)2, em uma operação denominada de caustificação, segundo a reação:
Ca(OH)2 + Na2CO3 CaCO3 + NaOH
A taxa de conversão na caustificação é da ordem de 85-90%, pois a reação é reversível.
Inicialmente o hidróxido de cálcio é obtido pela reação de hidratação (apagamento) do óxido de cálcio, segundo a reação:
CaO + H2O Ca(OH)2
O licor branco usado no processo kraft contém NaOH e Na2S numa proporção típica de 5:2 com um pH de 13,5 a 14. Usualmente as perdas de enxofre e soda no processo são supridas mediante adição de sulfato de sódio à fornalha de recuperação (junto com o licor negro forte), de modo que na zona de redução da fornalha ocorra a seguinte reação:
Na2SO4 + 2C Na2S + 2CO2
Portanto, a unidade de recuperação de uma indústria de celulose com processo kraft consiste de três setores básicos:
1. Fornalha de recuperação - equipamento onde é queimado o licor negro concentrado (60-65% de teor de sólidos), resultando os sais fundidos (Na2CO3 + Na2S) que são dissolvidos em um tanque, originando o licor verde;
2. Setor de caustificação - local onde ocorre a reação da cal apagada [Ca(OH)2] com o licor verde, regenerando o NaOH e precipitando CaCO3, o qual, sob a forma de lama é lavado e concentrado em um filtro rotativo a vácuo, resultando no licor branco fraco e numa lama com aproximadamente 75% de sólidos.
3. Setor de calcinação - o CaCO3 parcialmente seco é calcinado, normalmente em um forno rotativo onde ocorre sua decomposição em CaO e CO2 (entre 950 e 1200 oC). O CaO gerado retorna ao setor de caustificação.
6.2.3 – Definições e cálculo da composição de um licor branco para cozimento kraft
Definições segundo a TAPPI (Technical Association of Pulp and Paper Industry):
- Reagente Total: são todos os sais de sódio presentes no licor;
- Álcali Total: NaOH + Na2CO3 + 1/2Na2SO3 (*)
(*) - a presença de Na2CO3 é devida à caustificação incompleta, enquanto que a do Na2SO3 é devida à redução incompleta do Na2SO4 na fornalha.
- Álcali Ativo: NaOH + Na2S
- Álcali Efetivo: NaOH + 1/2Na2S
- Atividade: é a % obtida pela razão
- Causticidade: é a % obtida pela razão
- Eficiência de caustificação: é a % obtida pela razão
- Sulfidez: é a % obtida pela razão
Observação: todas as quantidades dos produtos estão expressas em Na2O.
Exemplo:
Calcular a composição e a concentração de um licor de cozimento kraft para 1.500 g de cavacos de madeira com 55% de umidade (em peso).
Considerar:
- Alcalinidade ativa: 16% (sobre a madeira seca);
- Sulfidez: 20% (sobre a alcalinidade ativa).
Portanto, deverá ser determinado:
a) Quantidade de NaOH necessária (em base NaOH);
b) Quantidade de Na2S (ou de enxofre) necessária (em base NaOH);
c) Concentração (quantidade de água).
Cálculos
1) Determinação do peso de cavaco seco:
1.500 g de cavacos com 55% de umidade representam:
- 675 g de madeira base seca,
- 825 g de água.
2) Cálculo da alcalinidade ativa (AA) - expressa em Na2O;
Estabelecendo-se em 16%, sobre a madeira seca, a alcalinidade ativa (dados experimentais), temos:
AA = Na2S + NaOH = 0,16 x 675 = 108 g (como Na2O)
3) Cálculo da sulfidez
Estabelecendo-se uma sulfidez de 20% sobre a Alcalinidade Ativa (AA), temos:
Na2S = AA x 0,20 = 108 x 0,20 = 21,6 g (como Na2O)
4) Conversão da base de referência (Na2O NaOH):
a) Quantidade de soda:
AA = Na2S + NaOH NaOH = AA – Na2S
NaOH = 108 – 21,6 = 86,4 g (como Na2O)
ou: NaOH = 86,4 x
Pois: Na2O + H2O = 2 NaOH
Logo: NaOH = 86,4 x = 111,48 g (como NaOH)
b) Quantidade de sulfeto de sódio:
Na2S = 21,6 x = 21,6 x 78/62 = 27,17 g (como Na2S)
5) Adição de enxofre para gerar sulfidez:
Admitindo-se que, ao invés da adição direta de sulfeto de sódio ao processo, adicione-se enxofre elementar e hidróxido de sódio, de modo que ao reagirem entre si dentro do reator formem sulfeto de sódio na quantidade exigida para o cozimento, segundo a reação:
4 S + 6 NaOH 2 Na2S + Na2S2O3 + 3 H2O
(128) (240) (156)
a) Cálculo da quantidade de enxofre:
Enxofre = 27,17 x 128/156 = 22,29 g
b) Cálculo da quantidade adicional de NaOH:
NaOHadicional = 27,17 x 240/156 = 41,8 g
6) Quantidade de água necessária ao cozimento:
Considerando-se que a concentração do licor de cozimento deve ser da ordem de 50 g/L, referido à AA e expressa em base NaOH, temos:
AA = NaOH + Na2S = 111,48 + 27,17 = 138,65 g
Água necessária = 138,65 x 1.000/50 = 2.773 mL
Descontando-se a umidade do cavaco, teremos:
Quantidade de água a ser adicionada = 2.773 – 825 = 1.948 ml (2,0 L)
7) Resumo:
Para polpear 1.500 g de cavacos com 55% de umidade, pelo processo kraft, precisamos de um licor constituído de:
a) Com adição direta de soda e sulfeto de sódio:
NaOH – 111,48 g
Na2S – 27,17 g
Água – 1.948 g (2,0 litros)
b) Com adição de soda e enxofre (com formação de sulfeto in situ):
NaOH – 153,28 g
Enxofre – 22,29 g
Água - 2,0 litros (ignorando-se a pequena quantidade de água formada na reação)
6.2.4 - Fator H
Este parâmetro, estabelecido por Vroom e denominado de Fator H, é uma função do tempo e da temperatura utilizada no cozimento ótimo de determinada madeira pelo processo kraft, ou seja:
H = f (t,T)
A sua determinação está baseada na equação de Arrhenius:
ln K = B – A/T
onde:
T = temperatura absoluta,
K = velocidade relativa da reação,
B, A = constantes para uma determinada reação.
Segundo Naass: A = 16.113
Fixando-se arbitrariamente K = 1 a 100 oC, tem-se:
0 = B – 16113/373 (pois ln 1 = 0)
logo: B = 43,2
Portanto, a expressão de Arrhenius fica na forma:
K =
Logo, conhecendo-se a curva de variação da temperatura em função do tempo de um cozimento e, empregando-se os valores das velocidades relativas (Ki) determinados pela expressão acima ou através de valores tabelados (Tabela 1) pode ser traçada a curva da variação da velocidade em função do tempo (em horas) para este cozimento, de acordo com a Figura 16. O cálculo da área sob esta curva resulta no Fator H, o qual pode ser determinado mediante integração gráfica (regra de Simpson).
Método simplificado: H = =
Para uma ótima deslignificação:
- madeiras de eucalipto: H 700
- madeiras de coníferas: H = 1.500 a 2.000
Figura 16 – Variação da temperatura e velocidade relativa
de reação em função do tempo de cozimento
Tabela 1 – Variação da velocidade relativa com a temperatura
Exemplo de cálculo do Fator H e do tempo ótimo de cozimento (método simplificado)
Neste exemplo (Tabela 2) verifica-se a variação do tempo necessário de cozimento de determinada madeira para atingir o mesmo valor do Fator H, quando ocorre variação da temperatura de cozimento.
Tabela 2 – Cálculo do Fator H e do tempo total de cozimento
Deve ser observado que é possível alcançar maior precisão no resultado se as temperaturas forem tomadas em intervalos menores de tempo de cozimento na fase de elevação da temperatura.
Normalmente, na produção industrial, as condições de aquecimento do equipamento são conhecidas e controladas automaticamente (tanto elevação como manutenção da temperatura). Portanto, neste caso, basta determinar-se previamente em laboratório qual o Fator H correspondente a um bom cozimento e após fixar-se o tempo total da operação de cozimento (desde o início).
6.2.5 - Processo sulfito
Este método, desenvolvido em 1867 pelo químico americano Benjamim Tilghmann, dominou absoluto por cerca de 100 anos o processo produtivo de pastas químicas de celulose de madeiras. O processo sulfito base cálcio foi o método dominante e, devido aos preços extremamente baixos do calcário e do enxofre (muito abundantes) não havia motivos econômicos para recuperação destes reagentes químicos do licor residual do cozimento. Consequentemente, isto vinha ocasionando um enorme impacto ambiental.
Em 1955 começaram a aparecer alguns resultados de pesquisas (notadamente nos países escandinavos) visando substituir o cálcio por outras bases (Na, NH4 e Mg), de modo a possibilitar a recuperação simultânea de energia e reagentes químicos dos processos. Isto porque o produto resultante da queima do licor residual, base cálcio, é o CaSO4, que é impróprio para conversão em sulfito de cálcio.
Por volta de 1960, iniciou-se a imposição de proteção do meio ambiente, obrigando as industrias a queimarem ou então tratarem seus efluentes, sob pena de terem de parar sua produção. Isto ocasionou o fechamento de muitas unidades pequenas, face ao alto investimento necessário para resolver o problema. Desde então, toda a expansão da capacidade de produção de pastas químicas voltou-se ao processo kraft, apesar deste necessitar de um sistema complexo de recuperação dos produtos químicos envolvidos no processo.
Todavia, modernamente, estão se desenvolvendo processos semi-químicos de polpeamento (pastas de alto rendimento) que envolvem o uso de sulfito, tais como: quimomecânico e quimotermomecânico. Isto se deve ao fato de que, sendo o processo sulfito bastante versátil, pode propiciar rendimentos de polpeamento que variam de 35 a 90%, dependendo da concentração do licor de cozimento e das condições operacionais. As pastas de alto rendimento, como será visto adiante, substituem as pastas químicas com vantagens econômicas em inúmeras aplicações.
O processo de produção de polpa sulfito começa com a preparação do licor de cozimento, denominado de “ácido”.
Inicialmente é feita a queima de enxofre (ou pirita) em queimadores e fornos apropriados, em condições tais que se obtém o SO2 da forma mais econômica possível.
S + O2 SO2
A quantidade de ar utilizada, bem como o rápido resfriamento do SO2 gerado, devem ser bem controlados, afim de evitar a formação de SO3, o que provocaria maior corrosão do equipamento, além de comprometer a qualidade do ácido (licor) devido à formação de sulfato.
SO2 + 1/2 O2 SO3
A preparação do licor de cozimento consiste em fazer reagir o SO2 (resfriado à cerca de 40 oC) em contracorrente com soluções ou suspensões de NaOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2 ou NH4OH, em uma torre de absorção. A solução aquosa contém de 4 a 8% de SO2 livre e de 2 a 3% de SO2 combinado. A quantidade de SO2 livre na solução final estabelece o seu pH, pois um excesso de SO2 conduz a um licor neutro ou ácido, com formação de bissulfito [ex. NaHSO3 ou Ca(HSO3)2 ].
A maior vantagem dos processos sulfito ácido e neutro, está no fato de que a pasta que sai do digestor tem alvura entre 50 e 60%, podendo ser utilizada na fabricação de vários tipos de papeis, mesmo na forma não branqueada. No entanto, as desvantagens em relação ao processo kraft são várias, dentre elas:
- sistema de recuperação dos reagentes (ou tratamento dos efluentes) bastante onerosa e complexa;
- alto custo dos equipamentos envolvidos e de manutenção (corrosão).
6.2.6 - Processos de alto rendimento
Face à demanda crescente de celulose (crescimento médio de 3% ao ano), à estratificação da maioria das reservas florestais no mundo e o aumento gradual do custo da energia, despertou um interesse acentuado nos países produtores de celulose por processos de polpeamento de alto rendimento, ou seja, aqueles que apresentam rendimentos superiores a 60% na transformação da madeira em pasta.
Estas pastas, que apresentam constituintes não celulósicos da madeira (com teores variáveis) são aplicadas na produção de determinados papéis, cartões ou papelões, cuja resistência às condições ambientais e demais propriedades físicas e mecânicas não sejam muito exigentes, comparativamente aos produtos feitos com pastas químicas. Isto vem de encontro a uma relação custo/benefício bastante favorável, uma vez que as pastas de alto rendimento tem um custo produtivo bem inferior às pastas químicas.
Exemplificando, podemos considerar papéis absorventes, do tipo higiênico (tissues). Estes papéis, desde que tenham cumprido sua finalidade de uso, são jogados fora ou destruídos. Portanto tem vida curta e não são recicláveis e, além disso, um número reduzido de especificações. Isso justifica sua produção com pastas de menor custo.
6.2.6.1 - Tipos de processos de alto rendimento.
Os principais tipos de pastas de alto rendimento produzidas comercialmente, são:
1) Pasta mecânica de mó (Stone groundwood pulp – SGWP):
É obtida por desfibramento de madeira roliça em mó, à pressão atmosférica. Seu rendimento é da ordem de 95-97%.
2) Pasta mecânica de mó pressurizada (Pressurized stone groundwood – PSGWP):
É obtida por desfibramento de madeira roliça em mó, sob pressão (equipamento fechado e pressurizado). Seu rendimento é superior a 90%.
3) Pasta mecânica de desfibrador despressurizado (Refiner mechanical pulp – RMP):
É obtida por desfibramento de madeira ou de seus resíduos sob a forma de cavacos ou serragem, em desfibrador de disco sob pressão atmosférica. Rendimento em torno de 95%.
4) Pasta termomecânica (Thermomecanical pulp – TMP):
Desfibramento em desfibrador de disco, sob pressão, de cavacos, serragem de madeira ou então de resíduos agrícolas (palhas de cereais), previamente aquecidos com vapor saturado. Rendimento da ordem de 92-94%.
5) Pasta quimomecânica de mó (Chemimechanical pulp – CMP):
Desfibramento em mó, sob pressão atmosférica, de madeira roliça, prévia e levemente tratada com reagentes químicos. Rendimento em torno de 90%.
6) Pasta quimomecânica de desfibrador de disco (Chemimecanical pulp – CMP):
Desfibramento em desfibrador de disco, sob pressão atmosférica, de cavacos, serragem de madeira ou então de resíduos agrícolas (palhas de cereais), prévia e levemente tratados com reagentes químicos. Rendimento em torno de 90%.
7) Pasta quimo-termomecânica (Chemi-thermomechanical pulp – CTMP):
Desfibramento em desfibrador de disco, sob pressão, de cavacos, serragem de madeira ou resíduos agrícolas, prévia e levemente tratados com reagentes químicos. Rendimento em torno de 90%.
8) Pasta mecano-química:
Pastas mecânicas, obtidas por qualquer processo e que sofrem um tratamento químico posterior ao desfibramento. Processo ainda em estudos.
9) Pasta semiquímica com soda a frio (Cold soda pulp ou chemimechanical pulp):
Desfibramento com desfibrador de disco, sob pressão atmosférica, de cavacos tratados com solução de hidróxido de sódio. Cozimento sob condições mais suaves e tempos mais curtos em relação aos processos químicos convencionais. A concentração dos reagentes também é menor. O rendimento pode variar de 80 a 90%.
10) Pasta semiquímica ao sulfito neutro (Neutral sulfite semichemical pulp – NSSC):
Os cavacos são aquecidos com vapor e a seguir impregnados com solução de sulfito e carbonato de sódio com um pH entre 8 e 9. Posteriormente são cozidos com vapor em temperaturas entre 160 e 180 oC por 15 a 60 minutos. O rendimento pode variar de 75 a 85%.
11) Pasta semimecânica com soda à quente (Hot soda semichemical pulp):
Este processo é mais utilizado para resíduos agrícolas, os quais são inicialmente aquecidos com vapor à pressão atmosférica, impregnados com solução de hidróxido de sódio a 8-10% e após cozidos com vapor à temperaturas de 160 a 180 oC por 15 minutos ou mais.
6.2.6.2 - Produção de pasta mecânica de mó
O processo inicia com o recebimento da madeira, a qual será descascada e cortada em pequenas toras de dimensões apropriadas que seguem para o desfibramento.
O desfibramento da madeira, feito no desfibrador de mó (ou rebolo), é efetuado pressionando-se a tora transversalmente contra a superfície da mó em rotação. Durante a operação, chuveiros aspergem água quente sobre a superfície da mó, estando sua parte inferior parcialmente submersa na suspensão de fibras.
A suspensão de fibras (com consistência entre 1 e 3%) é depurada em peneiras vibratórias, primeiro em uma peneira para remoção de material grosseiro e após, em outra peneira, para a remoção dos finos. O rejeito destas peneiras é constituído de lascas de madeiras (final das toras), feixes de fibras e palitos e normalmente é jogado fora ou queimado, podendo, todavia, serem desfibrados em desfibradores de disco e reincorporados à massa da pasta depurada. Esta pasta passa ainda por depuradores centrífugos (hidrociclones) afim de eliminar sujeiras e rejeitos residuais. A seguir a pasta passa por equipamentos engrossadores, com a finalidade de aumentar sua consistência e, depois, segue para os diferentes pontos do processo (prensa desaguadora, secagem, enfardamento, etc.).
O equipamento mais importante do processo é o desfibrador de mó, de acordo com a Figura 17. Sua alimentação pode ser manual ou automática. As toras são colocadas no armazém (magazine) do equipamento e um pistão hidráulico pressiona-as sobre a superfície da mó. A mó é acionada por um motor síncrono ou por turbina hidráulica. A pressão exercida pela madeira sobre a mó (pressão específica) é controlada automaticamente, e depende das propriedades finais da pasta, geometria e velocidade de rotação, características da grana e sulcos da pedra.
Conforme pode ser visto na Figura 18, a mó é constantemente molhada, por meio de chuveiros, com água branca quente (água branca é aquela que sai dos engrossadores ou então das máquinas de papel resultante do desaguamento da polpa). A função desta água é resfriar a superfície da pedra e mantê-la limpa.
A velocidade periférica da pedra está na faixa de 18 a 25 m/s (pode chegar a 30 m/s), cuja rotação varia de 200 a 250 rpm. Normalmente a pedra fica assentada sobre uma cuba de concreto que recebe a massa de fibras separadas da madeira junto com a água dos chuveiros, formando uma suspensão (pasta de madeira). Sua consistência varia de 1 a 6%, dependendo da produção de fibras e da vazão da água dos chuveiros. Na cuba a pasta é mantida em determinado nível, de modo a submergir parcialmente a mó, o qual é controlado por uma comporta regulável. Sua finalidade principal é resfriar a pedra.
Depois de um certo período de trabalho, a mó necessita ter sua superfície escariada (sulcada). Para isso é usada uma ferramenta especial chamada de carretilha, que pode ser vista na Figura 19, a qual consiste em um cilindro de aço revestido com material de alta dureza (vídia, por exemplo) formando ranhuras retas ou helicoidais quando pressionada contra a pedra por meio de um torno, de acordo com a Figura 20.
Figura 17 – Esquema de um desfibrador Figura 18 – Posição dos chuveiros sobre a mó
de mó
Mediante uma rotação controlada da pedra e um avanço também controlado do torno, acasiona a impressão na superfície da pedra, conforme a Figura 21.
Figura19 – Tipos de carretilhas Figura 20 – Torno de afiação da mó
Figura 21 – Sulcamento da superfície da mó
O intervalo de tempo de afiação da pedra depende de várias condições:
- Tipo da pedra: se artificial (carbeto de silício) ou natural (granito);
- Tipo de madeira desfibrada;
- Condições operacionais: eficiência de resfriamento, velocidade de operação, pressão específica exercida pela madeira sobre a pedra, etc.
No processo de desfibramento da madeira com mó, a madeira é submetida não só aos atritos combinados de rolamento e de fricção, ocasionados pelo roçamento entre esta e as pontas da superfície da pedra, conforme a Figura 22, mas também aos ciclos de compressão e descompressão.
Como pode ser visto na Figura 23, estes ciclos ocorrem devido à passagem alternada de pontas e cavidades da superfície da pedra sobre determinado ponto da madeira. A energia cedida
pelo processo à madeira ocasiona elevação da temperatura em sua superfície amolecendo a lignina, facilitando o processo de desfibramento.
A energia absorvida pela madeira é transferida em cerca de 50% para a pedra (50%) e o restante para a pasta que está sendo produzida. A transferência de calor à pedra se dá através do filme líquido presente na zona de desfibramento. Por isso é muito importante a qualidade e a quantidade da água utilizada no resfriamento.
Figura 22 – Pontos de atrito da mó Figura 23 – Pulsos de compressão e sobre a madeira descompressão sobre a madeira
Existem vários modelos comerciais de desfibradores de mó, sendo que a madeira a ser desfibrada na mó também pode ser alimentada por 2 ou 3 pontos, conhecidos como bolsas ou magazines, conforme pode ser visto nas Figuras 24, 25 e 26.
Figura 24 – Desfibrador com duas Figura 25 – Desfibrador com três bolsas
bolsas (Voith)
Figura 26 – Desfibrador com alimentador gigante
A pasta mecânica de mó é utilizada em inúmeros tipos de papéis e papelões, tanto isolada como combinada com outros tipos de pastas. O maior consumidor de pasta mecânica é o papel de imprensa, cuja composição média é:
- pasta mecânica de mó..........................71 a 82%
- pasta química.......................................18 a 25%
- cargas e aditivos....................................0 a 4%
Outros usos para pasta mecânica:
- papéis higiênicos (toilet), toalhas e lenços (tissues) e embrulho;
- papéis e papelões para a construção civil: construção, isolamento de fios, papel de parede e papelão prensado para isolamento acústico e térmico;
- papéis para embalagens: sacos, papelão ondulado e cartões flexíveis;
- papéis de impressão (revestidos): livros e revistas.
7. BRANQUEAMENTO DE PASTAS DE CELULOSE
7.1 - Generalidades
O polpeamento químico promove uma deslignificação da madeira, mas, como já comentado anteriormente, devido às condições severas a que a madeira é exposta, pode ocorrer também degradação da celulose e hemicelulose. No intuito de protegê-las, o processo nunca deve ser conduzido até o ponto de remoção total da lignina. Neste caso, resta na polpa final um pequeno percentual de lignina residual, a qual, quando necessário, será removida por processos de branqueamento, que não são tão agressivos.
Portanto, a cor das pastas de celulose é devida principalmente aos derivados de lignina que foram formados durante o polpeamento e nela permaneceram. A intensidade da cor também pode aumentar posteriormente mediante reações de degradação com o oxigênio do ar e também devido à radiação ultravioleta da luz solar. Também contribuem para a coloração, a presença de íons metálicos, resinas ou outras impurezas. A coloração, de acordo com o processo de produção, varia desde marrom escuro (processo kraft) até amarelo claro (processos de alto rendimento).
Seja qual for a finalidade do papel produzido, a alvura representa um fator importante em
sua comercialização, já que, além do consumidor preferir um produto mais branco ou mais claro,
permite impressões mais definidas quando necessárias.
Os reagentes utilizados no branqueamento de pastas químicas são, em sua maioria, compostos oxidantes, os quais conferem à pasta alvura mais estável. Também há processos que utilizam compostos químicos redutores, apenas alterando quimicamente os compostos coloridos (cromóforos) da pasta, não afetando o rendimento e modificando seu aspecto visual. Estes são empregados principalmente em pastas de alto rendimento, uma vez que o teor de lignina sendo elevado, não seria incoerente sua remoção mediante agentes de branqueamento.
Para a produção de papel de qualidade superior e alvura elevada, torna-se necessário a remoção da lignina e de outras impurezas das polpas químicas. Neste caso o branqueamento torna-se um processo de purificação, afetando mais diretamente outras propriedades da pasta (viscosidade, teor de hemicelulose e propriedades físicas e mecânicas).
No caso de pastas químicas e semiquímicas (rendimento menor do que 60%), o teor de lignina residual na pasta pode ser estimado mediante a determinação do Número Kappa, o qual permite uma avaliação do grau de deslignificação atingido pelo processo e posterior facilidade (ou dificuldade) de beneficiamento da pasta obtida. Este ensaio consiste na determinação da quantidade de permanganato de potássio gasto para remover a lignina residual de uma determinada amostra de celulose, segundo método padronizado, a qual, mediante correções estabelecidas pelo método, resultará no Número Kappa (vide anexo).
A estabilidade da alvura é outra característica importante, pois com o tempo a cor pode sofrer alterações, tornando o material amarelado ou escurecido. A reversão é acelerada pela luz, calor e umidade elevada, dependendo ainda do tipo de pasta e do processo de branqueamento utilizado. A alvura será menos estável quando for empregado um agente redutor no processo de branqueamento, pois a longo prazo o oxigênio do ar oxida novamente as formas reduzidas dos compostos coloridos derivados da lignina.
7.2 - Principais agentes de branqueamento
Os reagentes utilizados enquadram-se em dois tipos:
Bissulfito de sódio (NaHSO3)
Ditionitos de zinco e sódio (ZnS2O4 e Na2S2O4) –(antigamente
- Reagentes redutores conhecidos por hidrossulfitos)
Borohidreto de sódio (NaBH4) – (também conhecido por tetrahidroborato de sódio)
Peróxido de hidrogênio (H2O2)
Cloro
- Reagentes oxidantes Dióxido de cloro (ClO2)
Hipoclorito de sódio (NaClO)
Oxigênio
Ozônio (O3)
Os tipos mais utilizados para pastas químicas são os oxidantes, face aos custos e estabilidade da alvura.
Considerando-se que o objetivo do branqueamento das pastas é a obtenção do grau de alvura desejado e estável, com um custo mínimo de reagentes e equipamentos, sem prejuízo das características físico-mecânicas do produto, este objetivo será mais facilmente atingido se for utilizada uma combinação de vários reagentes em vários estágios, alternando-se, por exemplo, estágios de oxidação com estágios de lavagens simples ou alcalinas.
Os reagentes utilizados nos processos de branqueamento são representados por símbolos, de modo que um processo combinado pode ser representado por uma sigla.
Exemplos:
Cloro – C (cloração),
NaOH – E (extração alcalina), E0 (extração alcalina com oxigênio),
NaClO – H (hipocloração),
ClO2 – D (dioxidação),
H2O2 – P (peroxidação),
O2 – O (oxigênio),
O3 – Z (ozonização),
Portanto, a sigla CEHD, representa um processo combinado de: cloração – extração alcalina – hipocloração – dioxidação, com lavagem da pasta entre os estágios. Quando houver uma barra entre dois estágios de uma sigla, significa que não há lavagem entre estes dois estágios. Por exemplo (o mesmo): CEH/D. Neste caso não há lavagem da pasta entre os estágios de hipocloração e dioxidação.
Há muito tempo que se sabe que os processos de branqueamento com cloro geram produtos muito tóxicos nos efluentes (principalmente clorofenóis) e, mediante estudos realizados a cerca de 15 anos atrás, constatou-se a presença de dioxinas nestes efluentes.
A presença destas dioxinas, extremamente tóxicas, nos efluentes torna difícil ou impossível um tratamento eficaz com técnicas convencionais. Isto tem gerado uma polêmica internacional, ocasionando a proibição de alguns países em importar ou comercializar celulose branqueada com cloro. Como conseqüência, os países produtores e exportadores de celulose (inclusive o Brasil) estão modificando seus processos de branqueamento, eliminando gradualmente o uso de cloro elementar e seus derivados, buscando alternativas mediante o uso de oxigênio, peróxido de hidrogênio e ozônio.
Com isso, as polpas produzidas estão sendo classificadas como ECF (Elementary Chlorine Free) ou TCF (Total Chlorine Free). Todavia, existem muitas controvérsias técnicas, exigindo estudos mais profundos destes processos, pois ainda são considerados não tão eficazes quanto àqueles que empregam cloro ou seus derivados, inclusive prejudicando as qualidades finais da polpa.
ANÁLISE DE VIBRAÇÃO
Através de perguntas e respostas e da apresentação de exemplos reais de aplicação, este capítulo revisa o conteúdo dos capítulos anteriores, com o objetivo de fixar os conhecimentos básicos necessários para capacitar o analista de vibração iniciante a realizar registros de vibração de forma adequada e confiável e, aplicando algumas regras de observação, extrair desses registros as informações necessárias para detectar e distinguir problemas de funcionamento nos equipamentos de sua empresa, gerando assim economias de milhares de reais a cada mês.
INTRODUÇÃO À VIBRAÇÃO
O que é vibração ?
• O movimento de oscilação de um corpo ao redor de uma posição de referência,
• Por exemplo, o movimento de um eixo ao redor da linha de centro dos mancais.
O que é período ?
• O tempo necessário para completar um ciclo desse movimento.
O que é freqüência ?
• A taxa de repetição do movimento vibratório.
• Freqüência (ciclos pr segundo) = 1 / Período (segundos)
Quais são as unidades de medida de freqüência ?
• Hz = ciclos por segundo
• cpm = ciclos por minuto
• ordens = freqüência / freqüência de rotação
• Frequência (cpm) = 60 X Frequência (Hz)
Quais são as grandezas usadas para medir a intensidade da vibração ?
• Deslocamento = distância total percorrida no movimento vibratório
(relacionada com a tensão)
• Velocidade = taxa de variação do deslocamento
(relacionada com a energia)
• Aceleração = taxa de variação da velocidade
(relacionada com a energia)
Quais são as unidades de amplitude mais usadas para medir essas grandezas?
Métricas Inglesas
Deslocamento
• m p-p = Microns Pico a Pico mil p-p = Mils Pico a Pico
• 1 Micron = 0,001 mm 1 Mil = 0,001 in (polegada)
1 Mil = 25,4 m
Velocidade
• mm/s RMS = milimetros por segundo RMS in/sec p = polegadas por segundo Pico
1 in/sec p = 25,4 mm/s p = 25,4 2 mm/s rms
Aceleração
Métricas = Inglesas
• g p = aceleração da gravidade 9,8 m/s2 Pico 385,827 in/sec2
O que é uma forma de onda ?
• Um gráfico que representa a variação de uma grandeza de medida da vibração (deslocamento, velocidade ou aceleração) em função do tempo.
O que é um espectro ?
• Um gráfico que representa as amplitude das diversas componentes da vibração em função da sua freqüência.
O que causa vibração ?
• Uma força de excitação alternada gerada por um defeito ou imperfeição
O que é análise de vibração ?
• Caminho sistemático para definir a força de excitação ou defeito que causa a vibração.
Cite os defeitos mais comuns que causam vibração em equipamentos rotativos :
• Desbalanceamento
• Desalinhamento
• Folgas em componentes rotativos
• Falhas em rolamentos
• Folgas em estruturas
• Defeitos em engrenagens
• Defeitos em mancais
• Correias ruins
• Eixo empenado
• Problemas de fluxo
• Turbulência
• Cavitação
• Ressonância
• Problemas elétricos
O que é fase?
• A relação temporal (de sincronia) entre duas oscilações de mesma frequência.
• Os mesmos eventos (p.ex: máximos e mínimos) ocorrem ao mesmo tempo >>> Em fase.
• Os mesmos eventos ocorrem em tempos diferentes >>> Fora de fase.
Porque usar análise de fase como uma ferramenta de diagnóstico ?
• A análise de fase pode confirmar diagnósticos de problemas.
• Problemas que geram vibrações com espectros e formas de onda semelhantes, podem ter características de fase bem distintas.
Quais são os três principais tipos de componentes espectrais ?
• Subsíncronas - suas frequências são menores do que a de rotação do eixo.
• Síncronas - suas frequências são múltiplas inteiras da velocidade de rotação, 1x, 2x, 3x, etc.
• Não síncronas - suas frequências não são múltiplas inteiras da velocidade de rotação
DESBALANCEAMENTO
O que é desbalanceamento?
• Não coincidência do centro de massa com o centro de rotação.
Quais são as causas mais comuns de desbalanceamento?
• Incrustação de material em pás/rotores (causa número um)
• Desgaste das partes - como em pás de rotores
• Partes quebradas ou perdidas
• Montagem imprópria
Nomeie quatro (04) características de desbalanceamento:
• Forma de onda quase senoidal, 1 ciclo por revolução do eixo
• O pico em 1xRPM é dominante no espectro: harmônicos com amplitude de muito baixa
• Vibração axial muito pequena (com exceção de máquinas em balanço)
• A amplitude aumenta com a velocidade
Qual o significado de harmônicos da velocidade de rotação com amplitude elevada ?
• Outras falhas diferentes de desbalanceamento, como: desalinhamento, folgas, etc.
O que fazer neste caso ?
• Corrigir os outros problemas antes de balancear o rotor
Se o único defeito é desbalanceamento, em que direção a vibração é normalmente mais forte?
• Na direção horizontal
Por que a amplitude de vibração seria maior na direção horizontal ?
• Porque normalmente a maioria das máquinas é mais rígida na direção vertical
Qual a relação de fase das vibrações radiais dos mancais de uma máquina desbalanceada?
• Em fase, ou com uma diferença de fase muito pequena (de alguns graus)
Espectro e Forma de Onda de Desbalaceamento Puro
Note a predominância da componente na frequência de rotação,
resultando um sinal quase senoidal
DESALINHAMENTO
Quais são os quatro tipos possíveis de desalinhamento ?
• Paralelo (off set)
• Angular
• De mancais
• Combinação de um ou mais tipos anteriores
Quais são as características do desalinhamento ?
• Níveis altos de vibração axial
• Níveis altos de vibração a 1x RPM e/ou 2x RPM
• Diferença de fase de 180º na direção axial ou radial ao longo do acoplamento
• Forma de onda periódica, com um ou dois picos por revolução e um óbvio padrão M ou W
Qual é a característica de desalinhamento angular ?
• Um nível alto de amplitude de vibração a 1x RPM na direção axial
Qual é a característica comum entre o desalinhamento angular e o desbalanceamento ?
• Um nível alto de amplitude de vibração a 1x RPM na direção radial
Como diferenciar os dois ?
• O desalinhamento angular gera também 1x RPM na direção axial
• O desbalanceamento não gera vibração axial elevada (com exceção de rotores em balanço)
• No desalinhamento angular há uma inversão de fase (180º) ao longo do acoplamento
• No desbalanceamento não há inversão de fase ao longo do acoplamento.
Qual é a característica do desalinhamento paralelo ?
• Níveis altos de vibração a 2x RPM na direção radial, horizontal ou vertical
Quais é a característica de desalinhamento entre os mancais de uma máquina ?
• Vibração axial alta a 1x RPM e a 2x RPM,
• Vibrações normais na máquina acoplada
Quais é a conseqüência de mancais desalinhados em uma máquina ?
• Flexão da pontas de eixo, o que gera elevadas cargas axiais nos mancais, conduzindo-os a uma falha acelerada.
Qual é a regra prática para distinguir desalinhamento em um espectro de vibração?
• Se a amplitude em 2 x RPM é igual a 50% ou mais da amplitude em 1x RPM, é uma boa possibilidade de que o problema seja desalinhamento
Espectro de uma Máquina Desalinhada
Note a amplitude elevada da componente a 2 X RPM
Forma de Onda de uma Máquina Desalinhada
Note o padrão M / W na forma de onda
FOLGAS
Quais são as duas categorias de folgas mecânicas ?
• Folgas estruturais
• Folgas em elemento giratório (folgas de componente)
Cite quatro exemplos de folgas estruturais ?
• Bases de montagem
• Chumbadores
• Folgas na montagem de mancais
• Trincas em carcaças
Cite quatro exemplos de folgas de elemento giratório ?
• Rotores
• Rolamentos
• Lâminas de ventiladores
• Acoplamentos
Quais são as características de folgas ?
• Grande quantidade de harmônicos da velocidade de rotação
• Direcional em natureza – amplitudes horizontais e verticais podem diferir significativamente
• Em certos casos podem surgir sub-harmônicos, como 1/3 e 1/2 da velocidade de rotação
• O padrão de forma de onda é randômico, não periódico e não repetitivo
Dicas para localizar folgas em uma máquina:
• Uma caminhada ao redor para inspecionar é um dos melhores modos para identificar folgas
• Água com sabão aplicada nas juntas é um bom método de detecção, pois as folgas criarão pequenas bolhas
• Confira as folgas quando a máquina estiver em temperatura operacional, pois elas podem não aparecer em baixa temperatura
• Luz estroboscópica é uma boa ferramenta para ver folgas. Algumas coisas para procurar são:
- Porcas ou parafusos soltos ou faltantes
- Polias ou catracas
- Cubos de rotores
- Rolamentos
- Acoplamentos
• Meça as vibrações e as fases acima e abaixo das várias superfícies de separação das partes da máquina. Havendo folgas as vibrações e fases mudarào bruscamente.
Espectro de motor com um pé solto
Note os harmônicos da velocidade de rotação até 10x RPM.
Forma de onda típica de uma máquina com folgas
Note o padrão não repetitivo de amplitudes.
ROLAMENTOS
Quais são os estágios da progressão de falha em rolamentos ?
Estágio 1
• No primeiro estágio de defeitos ocorre um aumento das amplitudes de vibração em altas freqüências, normalmente em harmônicos altos das freqüências de falha fundamentais do rolamento. As freqüências fundamentais normalmente não aparecem nesta fase.
• Os harmônicos das freqüências de falha calculadas podem não corresponder exatamente aos picos observados, porque a geometria atual do rolamento pode divergir do modelo originalmente cadastrado no banco de dados.
Estágio 2
• Vários harmônicos (4 ou mais) das freqüências de falha são visíveis neste estágio.
• Podem aparecer também bandas laterais com espaçamento igual à velocidade de rotação em um ou em ambos os lados dos harmônicos das freqüências de falha.
Estágio 3
• As freqüências de falha fundamentais do rolamento geralmente aparecem claramente neste estágio.
• Ao redor das freqüências de passagem de esferas pelas pistas externa (BPFO) e/ou interna (BPFI) podem aparecer também bandas laterais espaçadas por outras freqüências de falha como a freqüência de gaiola (FTF) e/ou a freqüência de giro de esfera (BSF).
Estágio 4
• Desgastes internos começam a aumentar (mais folgas aparecem)
• Ocorre mais impacto. O aumento dos impactos causa um alargamento das bandas ao redor das freqüências de falha.
• Neste estágio a falha ou travamento do rolamento é eminente e a sua substituição passa a ser mandatória para evitar a destruição do equipamento ou danos muito extensos, cujos reparos seriam mais difíceis e muito mais caros do que a simples substituição do rolamento.
O que são bandas laterais?
• Bandas laterais são resultado de uma modulação de amplitude ou de freqüência.
• São componentes igualmente espaçadas, muito perto uma da outra, e dispostas no espectro ao redor de uma freqüência central.
Como se pode usar bandas laterais para análise de rolamentos?
• O número de bandas laterais e as suas amplitudes podem ser um indicador de quão severo é o problema com o rolamento.
• A passagem do 2º para o 3º estágio de falha de rolamento é caracterizada por um aumento na quantidade e na amplitude das bandas laterais.
Que tipo de componentes espectrais são gerados por falhas de rolamento ?
• Falhas em rolamentos geram componentes não síncronos, isto é, cujas frequências não são múltiplos inteiros da velocidade de rotação.
• Entretanto, devido à sua geometria, certos tipos muito comuns de rolamentos (como 62xx) podem gerar frequências de defeito próximas de múltiplos inteiros da velocidade de rotação.
Como uma falha de lubrificação de rolamento apareceria no espectro ?
• Um aumento de energia na banda de 800 a 1600 Hz é um sintoma de falta de lubrificação.
Qual é a regra geral para calcular Fmáx para detectar defeito de rolamentos ?
• O espectro deve incluir pelo menos 5 harmônicos da frequência de falha de pista interna.
Qual é um bom parâmetro básico para acompanhamento do estado de rolamentos ?
• Fmáx a 65x RPM com 800 linhas de resolução
Por que se deve ter muito mais cuidado com problemas na pista interna ?
• Sinais gerados por defeitos na pista interna tem amplitudes mais baixas do que os gerados por defeitos na pista externa, devido ao caminho de transmissão mais longo.
• Falha da pista interna gera danos mais extensos na máquina. Podendo afetar mais seriamente componentes como eixos e rotores, acarreta mais riscos à segurança e, geralmente, reparos mais caros e demorados.
A forma de onda é importante para analisar um problema de rolamento ?
• Sim! Pode-se afirmar sem exagero que a forma de onda contém a metade dos dados necessários para um diagnóstico completo e seguro de falhas em rolamentos. Os impactos característicos, que permitem distinguir esse defeito de outros que poderiam ocorrer na mesma frequência, só são visíveis na forma de onda.
Quais são as características que você esperaria ver na forma de onda no tempo de um rolamento com defeitos ?
• Um padrão repetitivo, possivelmente como um “cardume de peixes”.
• Aparecimento de impactos repetitivos.
• Altos valores de aceleração, de 2 a 10 g pico a pico, ou até mais.
Qual é uma regra prática para monitorar a forma de onda de aceleração visando detectar problemas de rolamentos ?
• Em máquinas de 900 a 3600 rpm, um valor pico a pico de 2 g ou mais é indício de defeito no rolamento.
Como se deve armazenar a forma de onda - em que grandeza e por que ?
• Em aceleração.
• A aceleração mostrará os impactos melhor do que a velocidade ou o deslocamento
• Em analisadores CSI, o modo de integração digital automaticamente armazena a forma de onda em aceleração, quando o sensor selecionado for um acelerômetro.
Quais são as causas raiz de falhas de rolamento e sua porcentagem de ocorrência ?
• 43%--- lubrificação imprópria (muita ou pouca)
• 27%--- montagem imprópria (martelo ou solda)
• 21%--- outras fontes (por exemplo, seleção imprópria, defeitos de fabricação, vibração excessiva antes e/ou depois da instalação).
• 9%--- expectativa normal de vida útil
Como avaliar o estágio de progressão de falha em um rolamento, de modo a decidir quando efetuar a sua substituição ?
1. A menos que o rolamento estivesse defeituoso quando instalado, geralmente os defeitos ocorrem na seguinte ordem: pistas, esferas ou rolos, e gaiola.
2. Geralmente falhas em estado inicial geram freqüências de defeito de apenas uma das pistas.
3. Lembre sempre que defeitos de pista interna geram vibrações com amplitude muitos mais baixa do que defeitos na pista externa, por causa do caminho de transmissão.
4. O aparecimento de freqüências geradas por outros componentes indica dano em progresso. A gaiola normalmente é o último componente a falhar e pode resultar em alterações de freqüência e/ou ruídos audíveis logo antes da falha.
5. As amplitudes de defeitos de pista são moduladas pela velocidade de eixo, o que resulta no aparecimento de bandas laterais. O número de de bandas laterais aumenta com a propagação do dano no rolamento.
6. Bandas laterais espaçadas na frequência da gaiola indicam defeitos localizados em uma região.
7. Lubrificação inadequada pode resultar em uma falha muito rápida e deve ser corrigida imediatamente.
Espectro típico de uma máquina com problemas de rolamento
Note a grande quantidade de picos não síncronos.
Forma de onda de uma máquina com problemas de rolamento
Note o padrão de impactos gerados quando
a esfera ou rolo passa sobre um defeito da pista.
ENGRENAGENS
Como se calcula a freqüência de engrenamento ?
• GMF = (número de dentes) X (velocidade de rotação da engrenagem)
Que tipo de componentes espectrais são gerados por defeitos de engrenagens ?
• Defeitos de engrenagens geram componentes síncronas, cujas frequências são múltiplos inteiros da velocidade de rotação.
Uma componente na freqüência de engrenamento dominando o espectro, é indício seguro de defeito nas engrenagens ?
• Não! A componente na freqüência de engrenamento sempre apresenta amplitudes relativamente elevadas, mesmo em engrenagens não defeituosas.
Como a amplitude da componente na freqüência de engrenamento varia com a carga e como isso afeta a estratégia de monitoração de caixas de engrenagens ?
• A amplitude da componente na freqüência de engrenamento é muito dependente da carga.
• Por essa razão o monitoração de caixas de engrenagens deve ser feita sempre na mesma condição de carga.
Quais os sintomas de defeitos nas engrenagens ?
• Um aumento da amplitude da frequência de engrenamento na mesma condição de carga.
• Níveis elevados das bandas laterais ao redor da frequência de engrenamento.
Como saber qual a engrenagem defeituosa ?
• As bandas laterais serão espaçadas na velocidade de rotação da engrenagem defeituosa.
Que outros fatores além de defeitos nos dentes podem causar um aumento da amplitude da componente na freqüência de engrenamento ?
• Uma condição de carga muito baixa libera a folga de “back-lash”, causando impactos entre os dentes e gerando altos níveis de vibração na frequência de engrenamento.
• O ajuste inadequado de folga entre as engrenagens também pode causar amplitude elevada na frequência de engrenamento sem que haja defeito nos dentes.
• Desalinhamento das engrenagens também causa vibração na frequência de engrenamento.
• Excentricidade de uma das engrenagens pode causar níveis elevados das bandas laterais. O espaçamento entre as bandas é igual à velocidade da engrenagem excêntrica.
• Se esses problemas forem corrigidos a tempo, defeitos nos dentes podem ser evitados.
Como o desalinhamento das engrenagens aparece no espectro ?
• Um pico em 2 x GMF
Qual o valor mais adequado de Fmáx para analisar problemas de engrenagem?
• Se possível 3,5 x GMF (o 0,5 extra permitirá ver as bandas laterais ao redor 3 x GMF)
• Note que o acelerômetro e método de montagem padrão podem não atingir essa frequência. Por essa razão, pode se necessário utilizar um acelerômetro especial rigidamente montado à carcaça para coletar dados em caixas de engrenagem de alta rotação.
Quantas a resolução necessária para analisar problemas de engrenagem?
• 1600 linhas de resolução se o Fmáx é menor do que 2,000 Hz
• 3200 linhas de resolução se o Fmáx é maior do que 2,000 Hz
Quais são as duas regras básicas na remoção e remontagem de engrenagens?
• Marque as engrenagens, para reinstala-las na mesma posição relativa de engrenamento.
• Sempre substitua as engrenagens aos pares.
Qual é a outra tecnologia de manutenção preditiva que deve ser aplicada a engrenagens ?
• Análise de óleo
Exemplos de Calculo da Velocidade de Saída em Caixas de Engrenagens
Redução Simples:
• 25 dentes na engrenagem de entrada
• 17 dentes na engrenagem de saída
• Velocidade do eixo de entrada = 1.750 rpm ou 29,2 Hz
Qual é a GMF ? Qual é a relação de velocidades ? Qual é a velocidade do eixo de saída ?
GMF = o número de dentes X velocidade de rotação do eixo de entrada
GMF = 25 dentes x (1750 cpm ou 29.2 Hz)
GMF = 43.750 cpm ou 729,2 Hz
Relação de velocidades = número de dentes da engrenagem no eixo de entrada = 25 = 1,47
número de dentes da engrenagem no eixo de saída 17
Velocidade de saída é 1,47 x (1.750 rpm ou 29,2 Hz)
Velocidade de saída = 2.572,5 rpm ou 42,9
Espectro de um redutor com um problema no pinhão
Note as bandas laterais são espaçadas igualmente na velocidade do pinhão
Forma de onda do mesmo redutor
Note o aumento dos impactos a cada volta do pinhão
Exercício: Responda as perguntas abaixo, interpretando as Figuras 1, 2 e 3.
Figura 1
Figura 2
Figura 3
CORREIAS
Nomeie quatro (4) concepções erradas sobre máquinas acionadas por correias?
• Não é necessário se preocupar sobre alinhamento, pois as correias o acomodarão.
• Não importa se nós usamos correias trincadas.
• Tensão de correias não é crítica.
• Não importa como são instaladas as correias, uma ou uns parafusos guias farão o trabalho muito bem.
• Polia irregular ou desbalanceada não importa, os correias se ajustarão a isso.
Como se calcula a freqüência da correia ?
Freq. de Correia = 3.14 x (velocidade da polia) x (diâmetro da polia)
(comprimento de correia)
Qual a precisão necessária para se medir a distância entre polias?
• Dentro de 5 mm.
O número de correias faz alguma diferença quando calculando freqüências de correia ?
• Não .
O que indica vibração axial alta a 1x RPM em máquinas acionadas por correias ?
• Desalinhamento das polias.
O que indica vibração radial alta a 2x a freqüência da correia?
• Um defeito na correia, em um sistema de duas polias.
Por que 2x a freqüência da correia ?
• Porque o defeito golpeia cada uma das polias a cada revolução.
Que tipo de componente espectral é a freqüência da correia? Por que ?
• Sub-síncrona, porque a velocidade da correia é sempre menor do que a velocidade de rotação.
Qual a resolução adequada para detectar problemas de correias ?
• Pelo menos 1600 linhas de resolução
Espectro de uma máquina com desalinhamento de polias
Forma de onda de uma máquina com desalinhamento de polias
FALHAS ELÉTRICAS EM MOTORES DE INDUÇÃO
Quais os 4 fatores que mais contribuem para problemas elétricos em motores de indução ?
• Partidas/paradas muito freqüentes
• Sobrecarga excessiva
• Excessivo calor gerado
• Acúmulo de sujeira encima do motor
Nota: há motores projetados para operar nessas condições.
Quais os 3 problemas a considerar se a vibração aumenta depois do motor rodar por um período de tempo e tem uma tendência para aumentar a temperatura normal de operação?
• Gaiola do rotor defeituosa
• Desalinhamento
• Desbalanceamento de corrente entre as fases.
Qual a resolução adequada para coleta de dados de tendência em motores de indução ?
• Pelo menos 800 linhas de resolução
Qual a resolução necessária para diagnosticar um problema elétrico em motores de indução ?
• 1600 a 3200 linhas de resolução.
Qual é a razão e as consequências de sobrecargas nas barras do rotor em motores de gaiola ?
• As barras do rotor são projetadas para conduzir uma certa corrente induzida. Quando há ruptura de uma ou mais barras, as barras adjacentes conduzem mais corrente, aquecendo e se deformando, gerando um desbalanceamento, visto como uma vibração em 1x RPM.
Como é calculada a freqüência de escorregamento?
Freq. de escorregamento (Hz) = freq. do campo magnético – freq. de rotação (Hz)
Freq. de escorregamento (Hz) = (freq. da rede X n.º pólos) / 2 – freq. de rotação (Hz)
Freq. de escorregamento (cpm) = velocidade síncrona – velocidade de rotação
N.º de
Pólos Freq. do Campo
Magnético (Hz) Velocidade
Síncrona (rpm)
2 60 3600
4 30 1800
6 20 1200
8 15 900
Para Frede = 60 Hz
Como é calculada a freqüência de barras do rotor ?
• Freqüência de barras do rotor = (n.º de barras do rotor) X freqüência de rotação
Como é calculada a freqüência de ranhuras do estator ?
• Freqüência de Freqüência de = (n.º de ranhuras do estator) X freqüência de rotação
Como é calculado o n.º de pólos de um motor ?
• N.º de pólos do motor = 2 X freq. da rede (Hz) / freq. do campo magnético (Hz)
• N.º de pólos do motor = 120 X freq. da rede (Hz) / velocidade síncrona (cpm)
Se o problema for elétrico, como a vibração reagirá quando se cortar a energia do motor ?
• Se o problema for elétrico a amplitude cairá imediatamente quando a energia for cortada.
• Se problema não for elétrico a amplitude cairá lentamente até a parada do motor.
Como barras de rotor quebradas contribuem para falhas mecânicas?
• O calor gerado pode provocar empenamento do rotor, criando um excesso de carga axial que pode provocar a falha dos rolamentos.
Progressão de Falha de Motor de Indução por Defeito na Gaiola
• Uma trinca em uma barras é causada por fadiga.
• Pontos quentes ocorrem devido a trinca, podendo provocar empenamento do rotor, que pode ser confundido com desbalanceamento, provocando um diagnóstico errôneo.
• A barra quebra e acontece formação de arco que causa mais aquecimento e empenamento do rotor. As barras adjacentes carregam mais corrente, o que provoca tensões térmicas e mecânicas ainda mais elevadas.
• Mesmo com o rotor rebalanceado, pode ocorrer roçamento com o estator, provocando dano nas lâminas do rotor ou nos enrolamentos do estator, o que conduzirá o motor à pane elétrica total.
Espectro de um motor de indução com problemas elétricos
Note que o pico dominante é de 120 Hz. Num motor de 2 polos, se o espectro não tiver resolução suficiente, um pico de 120 Hz pode ser facilmente confundido com 2x RPM.
Quando a energia foi cortada o pico de 120 de Hz desapareceu instantaneamente.
Forma de onda de um motor de indução com problemas elétricos
Em motores de 2 polos o padrão de forma de onda é semelhante ao de desalinhamento.
MANCAIS DE DESLIZAMENTO
Cite 4 fatores que contribuem para a falha ou altos níveis de vibração em mancais de deslizamento?
• Folga excessiva
• Carga imprópria no mancal
• Lubrificação imprópria
• Tipo errado de mancal
Como folgas excessivas entre munhão e casquilho aparecerão no espectro?
• Um pico a 1 x RPM, podendo ser confundido com desbalanceamento.
Como folgas de montagem do casquilho na caixa aparecerão no espectro?
• Harmônicos da velocidade de rotação 2 x, 3 x, 4 x, 5 x RPM, etc...
• Às vezes, a sequência de harmônicos pode chegar a ordens tão altas como 15 ou 20 x RPM
• Podem ocorrer interharmônicos (1/2 , 1/3 ou 1/4 x RPM e múltiplos)
Em que direção deve-se coletar os dados em mancais de deslizamento?
• Nas direções radiais e axiais
• Leituras radiais normalmente provêem a melhor informação sobre mancais de deslizamento.
• Uma leitura axial pode fornecer informação sobre o mancal de escora.
O que é turbilhonamento de óleo e quando ocorre ?
• Acontece em máquinas com mancais de deslizamento, quando o filme de óleo sob pressão se desestabiliza e exerce uma força que empurra o eixo em torno do mancal.
O que causa o turbilhonamento de óleo?
• Diminuição da carga radial
• Baixa viscosidade do óleo
• Óleo impróprio
• Mancal impróprio
Com que freqüência ocorre o movimento do eixo causado por turbilhonamento de óleo?
• Por causa da fricção do filme de óleo a velocidade será entre 42% e 47% da rotação do eixo.
• É portanto um movimento subsíncrono.
Que ações podem ser tomadas para corrigir o turbilhonamento de óleo?
• Carga adequada no mancal
• Mudança no modelo do mancal
• Mudança na viscosidade do óleo
• Mudança na pressão do óleo ou ponto de injeção.
Que modelos de mancais de deslizamento minimizam os efeitos de turbilhonamento de óleo?
• Mancais de casquilhos pivotados (”tilting-pad”)
• Mancais com ressaltos
• Mancais com ranhuras axiais
Quais são as folgas comuns entre o eixo e o casquilho em mancais de deslizamento?
• 0,050 a 0,200 mm (diametral)
Qual é o valor adequado de Fmáx para análise de mancais de deslizamento?
• 10 a 15 ordens da velocidade de rotação devem ser suficientes para ver qualquer problema em mancais de deslizamento.
• Pode ser necessário empregar um valor mais alto para analisar problemas em outras partes da máquina, como palhetas de turbinas ou engrenagens.
Qual a resolução adequada para coleta de dados de mancais de deslizamento?
• 400 linhas de resolução por coletar dados de tendência
• 800 linhas de resolução se você suspeita de um problema
Qual o tipo de média adequado para avaliar o turbilhonamento de óleo ?
• “Peak-hold” é melhor modo para capturar os picos causados por turbilhonamento de óleo
Como avaliar a amplitude a 0,4 x RPM devido ao turbilhonamento de óleo ?
• Amplitudes até 25 % da amplitude na frequência de rotação são perfeitamente toleráveis.
• Se o pico a 0,4XRPM for igual ou maior do que o pico na frequência de rotação há risco de falha do mancal.
• Picos com amplitude intermediária entre 25 e 100 % do pico na frequência de rotação são toleráveis apenas por períodos curtos e devem ser monitorados continuamente.
Espectro de uma máquina com turbilhonamento de óleo.
Forma de onda de uma máquina com turbilhonamento de óleo.
RESSONÂNCIA
Por que ressonância está se tornando um problema mais freqüente nos últimos anos?
• Equipamentos estão sendo construídos mais próximos da ressonância que no passado.
• Equipamentos estão sendo construídos mais leves e menos rígidos.
• Máquinas estão operando a velocidades mais altas, sem considerar a freqüência ressonante natural do equipamento.
Qual a relação recomendada entre a velocidade de rotação e as freqüências naturais ?
• A velocidade de rotação deve se situar pelo menos 20% acima ou abaixo da freqüência natural mais próxima.
Por que é mais provável encontrar uma ressonância em máquinas de velocidade variável ?
• Porque rodando a velocidades diferentes, o equipamento pode emparelhar mais facilmente com uma freqüência natural.
A velocidade de rotação é a única freqüência em que pode ocorrer uma ressonância ?
• Não! Harmônicos da velocidade de rotação e componentes geradas por outros elementos, como engrenagens e palhetas, também podem coincidir com uma freqüência natural da máquina e gerar uma ressonância.
Relacione os 3 modos possíveis para se eliminar ou controlar uma ressonância.
• Alterar a freqüência natural:
- Adicionar massa diminui a freqüência natural
- Aumentar a rigidez aumenta a freqüência natural
• Caso não seja possível alterar a freqüência natural pode-se introduzir amortecimento para absorver a energia de vibração e reduzir a amplitude na ressonância.
Qual o sintoma de ressonância envolvendo as medidas de vibração nas 3 direções ?
• Em máquinas de eixo horizontal, amplitudes axial ou vertical duas ou mais vezes maiores do que a horizontal são indício de ressonância.
Como se pode determinar a freqüência natural de uma máquina ou estrutura ?
• Através de um teste de impacto.
Que tipo de média você usaria para executar um teste de impacto em uma máquina rodando?
• Média linear negativa
Como você deveria ver a forma de onda quando executando um teste de impacto ?
• Aceleração mostra melhor o impacto
Que teste pode ser executado para detectar ressonâncias na partida ou parada de uma máquina ?
• Pico e fase
O que ocorre com a fase da vibração durante a passagem por uma ressonância ?
• Uma inversão de fase (alteração de 180º 30º ).
O que é uma velocidade crítica ?
• Uma ressonância causada pela coincidência entre a velocidade de rotação e uma frequência natural do sistema rotor-mancais.
INTRODUÇÃO À VIBRAÇÃO
O que é vibração ?
• O movimento de oscilação de um corpo ao redor de uma posição de referência,
• Por exemplo, o movimento de um eixo ao redor da linha de centro dos mancais.
O que é período ?
• O tempo necessário para completar um ciclo desse movimento.
O que é freqüência ?
• A taxa de repetição do movimento vibratório.
• Freqüência (ciclos pr segundo) = 1 / Período (segundos)
Quais são as unidades de medida de freqüência ?
• Hz = ciclos por segundo
• cpm = ciclos por minuto
• ordens = freqüência / freqüência de rotação
• Frequência (cpm) = 60 X Frequência (Hz)
Quais são as grandezas usadas para medir a intensidade da vibração ?
• Deslocamento = distância total percorrida no movimento vibratório
(relacionada com a tensão)
• Velocidade = taxa de variação do deslocamento
(relacionada com a energia)
• Aceleração = taxa de variação da velocidade
(relacionada com a energia)
Quais são as unidades de amplitude mais usadas para medir essas grandezas?
Métricas Inglesas
Deslocamento
• m p-p = Microns Pico a Pico mil p-p = Mils Pico a Pico
• 1 Micron = 0,001 mm 1 Mil = 0,001 in (polegada)
1 Mil = 25,4 m
Velocidade
• mm/s RMS = milimetros por segundo RMS in/sec p = polegadas por segundo Pico
1 in/sec p = 25,4 mm/s p = 25,4 2 mm/s rms
Aceleração
Métricas = Inglesas
• g p = aceleração da gravidade 9,8 m/s2 Pico 385,827 in/sec2
O que é uma forma de onda ?
• Um gráfico que representa a variação de uma grandeza de medida da vibração (deslocamento, velocidade ou aceleração) em função do tempo.
O que é um espectro ?
• Um gráfico que representa as amplitude das diversas componentes da vibração em função da sua freqüência.
O que causa vibração ?
• Uma força de excitação alternada gerada por um defeito ou imperfeição
O que é análise de vibração ?
• Caminho sistemático para definir a força de excitação ou defeito que causa a vibração.
Cite os defeitos mais comuns que causam vibração em equipamentos rotativos :
• Desbalanceamento
• Desalinhamento
• Folgas em componentes rotativos
• Falhas em rolamentos
• Folgas em estruturas
• Defeitos em engrenagens
• Defeitos em mancais
• Correias ruins
• Eixo empenado
• Problemas de fluxo
• Turbulência
• Cavitação
• Ressonância
• Problemas elétricos
O que é fase?
• A relação temporal (de sincronia) entre duas oscilações de mesma frequência.
• Os mesmos eventos (p.ex: máximos e mínimos) ocorrem ao mesmo tempo >>> Em fase.
• Os mesmos eventos ocorrem em tempos diferentes >>> Fora de fase.
Porque usar análise de fase como uma ferramenta de diagnóstico ?
• A análise de fase pode confirmar diagnósticos de problemas.
• Problemas que geram vibrações com espectros e formas de onda semelhantes, podem ter características de fase bem distintas.
Quais são os três principais tipos de componentes espectrais ?
• Subsíncronas - suas frequências são menores do que a de rotação do eixo.
• Síncronas - suas frequências são múltiplas inteiras da velocidade de rotação, 1x, 2x, 3x, etc.
• Não síncronas - suas frequências não são múltiplas inteiras da velocidade de rotação
DESBALANCEAMENTO
O que é desbalanceamento?
• Não coincidência do centro de massa com o centro de rotação.
Quais são as causas mais comuns de desbalanceamento?
• Incrustação de material em pás/rotores (causa número um)
• Desgaste das partes - como em pás de rotores
• Partes quebradas ou perdidas
• Montagem imprópria
Nomeie quatro (04) características de desbalanceamento:
• Forma de onda quase senoidal, 1 ciclo por revolução do eixo
• O pico em 1xRPM é dominante no espectro: harmônicos com amplitude de muito baixa
• Vibração axial muito pequena (com exceção de máquinas em balanço)
• A amplitude aumenta com a velocidade
Qual o significado de harmônicos da velocidade de rotação com amplitude elevada ?
• Outras falhas diferentes de desbalanceamento, como: desalinhamento, folgas, etc.
O que fazer neste caso ?
• Corrigir os outros problemas antes de balancear o rotor
Se o único defeito é desbalanceamento, em que direção a vibração é normalmente mais forte?
• Na direção horizontal
Por que a amplitude de vibração seria maior na direção horizontal ?
• Porque normalmente a maioria das máquinas é mais rígida na direção vertical
Qual a relação de fase das vibrações radiais dos mancais de uma máquina desbalanceada?
• Em fase, ou com uma diferença de fase muito pequena (de alguns graus)
Espectro e Forma de Onda de Desbalaceamento Puro
Note a predominância da componente na frequência de rotação,
resultando um sinal quase senoidal
DESALINHAMENTO
Quais são os quatro tipos possíveis de desalinhamento ?
• Paralelo (off set)
• Angular
• De mancais
• Combinação de um ou mais tipos anteriores
Quais são as características do desalinhamento ?
• Níveis altos de vibração axial
• Níveis altos de vibração a 1x RPM e/ou 2x RPM
• Diferença de fase de 180º na direção axial ou radial ao longo do acoplamento
• Forma de onda periódica, com um ou dois picos por revolução e um óbvio padrão M ou W
Qual é a característica de desalinhamento angular ?
• Um nível alto de amplitude de vibração a 1x RPM na direção axial
Qual é a característica comum entre o desalinhamento angular e o desbalanceamento ?
• Um nível alto de amplitude de vibração a 1x RPM na direção radial
Como diferenciar os dois ?
• O desalinhamento angular gera também 1x RPM na direção axial
• O desbalanceamento não gera vibração axial elevada (com exceção de rotores em balanço)
• No desalinhamento angular há uma inversão de fase (180º) ao longo do acoplamento
• No desbalanceamento não há inversão de fase ao longo do acoplamento.
Qual é a característica do desalinhamento paralelo ?
• Níveis altos de vibração a 2x RPM na direção radial, horizontal ou vertical
Quais é a característica de desalinhamento entre os mancais de uma máquina ?
• Vibração axial alta a 1x RPM e a 2x RPM,
• Vibrações normais na máquina acoplada
Quais é a conseqüência de mancais desalinhados em uma máquina ?
• Flexão da pontas de eixo, o que gera elevadas cargas axiais nos mancais, conduzindo-os a uma falha acelerada.
Qual é a regra prática para distinguir desalinhamento em um espectro de vibração?
• Se a amplitude em 2 x RPM é igual a 50% ou mais da amplitude em 1x RPM, é uma boa possibilidade de que o problema seja desalinhamento
Espectro de uma Máquina Desalinhada
Note a amplitude elevada da componente a 2 X RPM
Forma de Onda de uma Máquina Desalinhada
Note o padrão M / W na forma de onda
FOLGAS
Quais são as duas categorias de folgas mecânicas ?
• Folgas estruturais
• Folgas em elemento giratório (folgas de componente)
Cite quatro exemplos de folgas estruturais ?
• Bases de montagem
• Chumbadores
• Folgas na montagem de mancais
• Trincas em carcaças
Cite quatro exemplos de folgas de elemento giratório ?
• Rotores
• Rolamentos
• Lâminas de ventiladores
• Acoplamentos
Quais são as características de folgas ?
• Grande quantidade de harmônicos da velocidade de rotação
• Direcional em natureza – amplitudes horizontais e verticais podem diferir significativamente
• Em certos casos podem surgir sub-harmônicos, como 1/3 e 1/2 da velocidade de rotação
• O padrão de forma de onda é randômico, não periódico e não repetitivo
Dicas para localizar folgas em uma máquina:
• Uma caminhada ao redor para inspecionar é um dos melhores modos para identificar folgas
• Água com sabão aplicada nas juntas é um bom método de detecção, pois as folgas criarão pequenas bolhas
• Confira as folgas quando a máquina estiver em temperatura operacional, pois elas podem não aparecer em baixa temperatura
• Luz estroboscópica é uma boa ferramenta para ver folgas. Algumas coisas para procurar são:
- Porcas ou parafusos soltos ou faltantes
- Polias ou catracas
- Cubos de rotores
- Rolamentos
- Acoplamentos
• Meça as vibrações e as fases acima e abaixo das várias superfícies de separação das partes da máquina. Havendo folgas as vibrações e fases mudarào bruscamente.
Espectro de motor com um pé solto
Note os harmônicos da velocidade de rotação até 10x RPM.
Forma de onda típica de uma máquina com folgas
Note o padrão não repetitivo de amplitudes.
ROLAMENTOS
Quais são os estágios da progressão de falha em rolamentos ?
Estágio 1
• No primeiro estágio de defeitos ocorre um aumento das amplitudes de vibração em altas freqüências, normalmente em harmônicos altos das freqüências de falha fundamentais do rolamento. As freqüências fundamentais normalmente não aparecem nesta fase.
• Os harmônicos das freqüências de falha calculadas podem não corresponder exatamente aos picos observados, porque a geometria atual do rolamento pode divergir do modelo originalmente cadastrado no banco de dados.
Estágio 2
• Vários harmônicos (4 ou mais) das freqüências de falha são visíveis neste estágio.
• Podem aparecer também bandas laterais com espaçamento igual à velocidade de rotação em um ou em ambos os lados dos harmônicos das freqüências de falha.
Estágio 3
• As freqüências de falha fundamentais do rolamento geralmente aparecem claramente neste estágio.
• Ao redor das freqüências de passagem de esferas pelas pistas externa (BPFO) e/ou interna (BPFI) podem aparecer também bandas laterais espaçadas por outras freqüências de falha como a freqüência de gaiola (FTF) e/ou a freqüência de giro de esfera (BSF).
Estágio 4
• Desgastes internos começam a aumentar (mais folgas aparecem)
• Ocorre mais impacto. O aumento dos impactos causa um alargamento das bandas ao redor das freqüências de falha.
• Neste estágio a falha ou travamento do rolamento é eminente e a sua substituição passa a ser mandatória para evitar a destruição do equipamento ou danos muito extensos, cujos reparos seriam mais difíceis e muito mais caros do que a simples substituição do rolamento.
O que são bandas laterais?
• Bandas laterais são resultado de uma modulação de amplitude ou de freqüência.
• São componentes igualmente espaçadas, muito perto uma da outra, e dispostas no espectro ao redor de uma freqüência central.
Como se pode usar bandas laterais para análise de rolamentos?
• O número de bandas laterais e as suas amplitudes podem ser um indicador de quão severo é o problema com o rolamento.
• A passagem do 2º para o 3º estágio de falha de rolamento é caracterizada por um aumento na quantidade e na amplitude das bandas laterais.
Que tipo de componentes espectrais são gerados por falhas de rolamento ?
• Falhas em rolamentos geram componentes não síncronos, isto é, cujas frequências não são múltiplos inteiros da velocidade de rotação.
• Entretanto, devido à sua geometria, certos tipos muito comuns de rolamentos (como 62xx) podem gerar frequências de defeito próximas de múltiplos inteiros da velocidade de rotação.
Como uma falha de lubrificação de rolamento apareceria no espectro ?
• Um aumento de energia na banda de 800 a 1600 Hz é um sintoma de falta de lubrificação.
Qual é a regra geral para calcular Fmáx para detectar defeito de rolamentos ?
• O espectro deve incluir pelo menos 5 harmônicos da frequência de falha de pista interna.
Qual é um bom parâmetro básico para acompanhamento do estado de rolamentos ?
• Fmáx a 65x RPM com 800 linhas de resolução
Por que se deve ter muito mais cuidado com problemas na pista interna ?
• Sinais gerados por defeitos na pista interna tem amplitudes mais baixas do que os gerados por defeitos na pista externa, devido ao caminho de transmissão mais longo.
• Falha da pista interna gera danos mais extensos na máquina. Podendo afetar mais seriamente componentes como eixos e rotores, acarreta mais riscos à segurança e, geralmente, reparos mais caros e demorados.
A forma de onda é importante para analisar um problema de rolamento ?
• Sim! Pode-se afirmar sem exagero que a forma de onda contém a metade dos dados necessários para um diagnóstico completo e seguro de falhas em rolamentos. Os impactos característicos, que permitem distinguir esse defeito de outros que poderiam ocorrer na mesma frequência, só são visíveis na forma de onda.
Quais são as características que você esperaria ver na forma de onda no tempo de um rolamento com defeitos ?
• Um padrão repetitivo, possivelmente como um “cardume de peixes”.
• Aparecimento de impactos repetitivos.
• Altos valores de aceleração, de 2 a 10 g pico a pico, ou até mais.
Qual é uma regra prática para monitorar a forma de onda de aceleração visando detectar problemas de rolamentos ?
• Em máquinas de 900 a 3600 rpm, um valor pico a pico de 2 g ou mais é indício de defeito no rolamento.
Como se deve armazenar a forma de onda - em que grandeza e por que ?
• Em aceleração.
• A aceleração mostrará os impactos melhor do que a velocidade ou o deslocamento
• Em analisadores CSI, o modo de integração digital automaticamente armazena a forma de onda em aceleração, quando o sensor selecionado for um acelerômetro.
Quais são as causas raiz de falhas de rolamento e sua porcentagem de ocorrência ?
• 43%--- lubrificação imprópria (muita ou pouca)
• 27%--- montagem imprópria (martelo ou solda)
• 21%--- outras fontes (por exemplo, seleção imprópria, defeitos de fabricação, vibração excessiva antes e/ou depois da instalação).
• 9%--- expectativa normal de vida útil
Como avaliar o estágio de progressão de falha em um rolamento, de modo a decidir quando efetuar a sua substituição ?
1. A menos que o rolamento estivesse defeituoso quando instalado, geralmente os defeitos ocorrem na seguinte ordem: pistas, esferas ou rolos, e gaiola.
2. Geralmente falhas em estado inicial geram freqüências de defeito de apenas uma das pistas.
3. Lembre sempre que defeitos de pista interna geram vibrações com amplitude muitos mais baixa do que defeitos na pista externa, por causa do caminho de transmissão.
4. O aparecimento de freqüências geradas por outros componentes indica dano em progresso. A gaiola normalmente é o último componente a falhar e pode resultar em alterações de freqüência e/ou ruídos audíveis logo antes da falha.
5. As amplitudes de defeitos de pista são moduladas pela velocidade de eixo, o que resulta no aparecimento de bandas laterais. O número de de bandas laterais aumenta com a propagação do dano no rolamento.
6. Bandas laterais espaçadas na frequência da gaiola indicam defeitos localizados em uma região.
7. Lubrificação inadequada pode resultar em uma falha muito rápida e deve ser corrigida imediatamente.
Espectro típico de uma máquina com problemas de rolamento
Note a grande quantidade de picos não síncronos.
Forma de onda de uma máquina com problemas de rolamento
Note o padrão de impactos gerados quando
a esfera ou rolo passa sobre um defeito da pista.
ENGRENAGENS
Como se calcula a freqüência de engrenamento ?
• GMF = (número de dentes) X (velocidade de rotação da engrenagem)
Que tipo de componentes espectrais são gerados por defeitos de engrenagens ?
• Defeitos de engrenagens geram componentes síncronas, cujas frequências são múltiplos inteiros da velocidade de rotação.
Uma componente na freqüência de engrenamento dominando o espectro, é indício seguro de defeito nas engrenagens ?
• Não! A componente na freqüência de engrenamento sempre apresenta amplitudes relativamente elevadas, mesmo em engrenagens não defeituosas.
Como a amplitude da componente na freqüência de engrenamento varia com a carga e como isso afeta a estratégia de monitoração de caixas de engrenagens ?
• A amplitude da componente na freqüência de engrenamento é muito dependente da carga.
• Por essa razão o monitoração de caixas de engrenagens deve ser feita sempre na mesma condição de carga.
Quais os sintomas de defeitos nas engrenagens ?
• Um aumento da amplitude da frequência de engrenamento na mesma condição de carga.
• Níveis elevados das bandas laterais ao redor da frequência de engrenamento.
Como saber qual a engrenagem defeituosa ?
• As bandas laterais serão espaçadas na velocidade de rotação da engrenagem defeituosa.
Que outros fatores além de defeitos nos dentes podem causar um aumento da amplitude da componente na freqüência de engrenamento ?
• Uma condição de carga muito baixa libera a folga de “back-lash”, causando impactos entre os dentes e gerando altos níveis de vibração na frequência de engrenamento.
• O ajuste inadequado de folga entre as engrenagens também pode causar amplitude elevada na frequência de engrenamento sem que haja defeito nos dentes.
• Desalinhamento das engrenagens também causa vibração na frequência de engrenamento.
• Excentricidade de uma das engrenagens pode causar níveis elevados das bandas laterais. O espaçamento entre as bandas é igual à velocidade da engrenagem excêntrica.
• Se esses problemas forem corrigidos a tempo, defeitos nos dentes podem ser evitados.
Como o desalinhamento das engrenagens aparece no espectro ?
• Um pico em 2 x GMF
Qual o valor mais adequado de Fmáx para analisar problemas de engrenagem?
• Se possível 3,5 x GMF (o 0,5 extra permitirá ver as bandas laterais ao redor 3 x GMF)
• Note que o acelerômetro e método de montagem padrão podem não atingir essa frequência. Por essa razão, pode se necessário utilizar um acelerômetro especial rigidamente montado à carcaça para coletar dados em caixas de engrenagem de alta rotação.
Quantas a resolução necessária para analisar problemas de engrenagem?
• 1600 linhas de resolução se o Fmáx é menor do que 2,000 Hz
• 3200 linhas de resolução se o Fmáx é maior do que 2,000 Hz
Quais são as duas regras básicas na remoção e remontagem de engrenagens?
• Marque as engrenagens, para reinstala-las na mesma posição relativa de engrenamento.
• Sempre substitua as engrenagens aos pares.
Qual é a outra tecnologia de manutenção preditiva que deve ser aplicada a engrenagens ?
• Análise de óleo
Exemplos de Calculo da Velocidade de Saída em Caixas de Engrenagens
Redução Simples:
• 25 dentes na engrenagem de entrada
• 17 dentes na engrenagem de saída
• Velocidade do eixo de entrada = 1.750 rpm ou 29,2 Hz
Qual é a GMF ? Qual é a relação de velocidades ? Qual é a velocidade do eixo de saída ?
GMF = o número de dentes X velocidade de rotação do eixo de entrada
GMF = 25 dentes x (1750 cpm ou 29.2 Hz)
GMF = 43.750 cpm ou 729,2 Hz
Relação de velocidades = número de dentes da engrenagem no eixo de entrada = 25 = 1,47
número de dentes da engrenagem no eixo de saída 17
Velocidade de saída é 1,47 x (1.750 rpm ou 29,2 Hz)
Velocidade de saída = 2.572,5 rpm ou 42,9
Espectro de um redutor com um problema no pinhão
Note as bandas laterais são espaçadas igualmente na velocidade do pinhão
Forma de onda do mesmo redutor
Note o aumento dos impactos a cada volta do pinhão
Exercício: Responda as perguntas abaixo, interpretando as Figuras 1, 2 e 3.
Figura 1
Figura 2
Figura 3
CORREIAS
Nomeie quatro (4) concepções erradas sobre máquinas acionadas por correias?
• Não é necessário se preocupar sobre alinhamento, pois as correias o acomodarão.
• Não importa se nós usamos correias trincadas.
• Tensão de correias não é crítica.
• Não importa como são instaladas as correias, uma ou uns parafusos guias farão o trabalho muito bem.
• Polia irregular ou desbalanceada não importa, os correias se ajustarão a isso.
Como se calcula a freqüência da correia ?
Freq. de Correia = 3.14 x (velocidade da polia) x (diâmetro da polia)
(comprimento de correia)
Qual a precisão necessária para se medir a distância entre polias?
• Dentro de 5 mm.
O número de correias faz alguma diferença quando calculando freqüências de correia ?
• Não .
O que indica vibração axial alta a 1x RPM em máquinas acionadas por correias ?
• Desalinhamento das polias.
O que indica vibração radial alta a 2x a freqüência da correia?
• Um defeito na correia, em um sistema de duas polias.
Por que 2x a freqüência da correia ?
• Porque o defeito golpeia cada uma das polias a cada revolução.
Que tipo de componente espectral é a freqüência da correia? Por que ?
• Sub-síncrona, porque a velocidade da correia é sempre menor do que a velocidade de rotação.
Qual a resolução adequada para detectar problemas de correias ?
• Pelo menos 1600 linhas de resolução
Espectro de uma máquina com desalinhamento de polias
Forma de onda de uma máquina com desalinhamento de polias
FALHAS ELÉTRICAS EM MOTORES DE INDUÇÃO
Quais os 4 fatores que mais contribuem para problemas elétricos em motores de indução ?
• Partidas/paradas muito freqüentes
• Sobrecarga excessiva
• Excessivo calor gerado
• Acúmulo de sujeira encima do motor
Nota: há motores projetados para operar nessas condições.
Quais os 3 problemas a considerar se a vibração aumenta depois do motor rodar por um período de tempo e tem uma tendência para aumentar a temperatura normal de operação?
• Gaiola do rotor defeituosa
• Desalinhamento
• Desbalanceamento de corrente entre as fases.
Qual a resolução adequada para coleta de dados de tendência em motores de indução ?
• Pelo menos 800 linhas de resolução
Qual a resolução necessária para diagnosticar um problema elétrico em motores de indução ?
• 1600 a 3200 linhas de resolução.
Qual é a razão e as consequências de sobrecargas nas barras do rotor em motores de gaiola ?
• As barras do rotor são projetadas para conduzir uma certa corrente induzida. Quando há ruptura de uma ou mais barras, as barras adjacentes conduzem mais corrente, aquecendo e se deformando, gerando um desbalanceamento, visto como uma vibração em 1x RPM.
Como é calculada a freqüência de escorregamento?
Freq. de escorregamento (Hz) = freq. do campo magnético – freq. de rotação (Hz)
Freq. de escorregamento (Hz) = (freq. da rede X n.º pólos) / 2 – freq. de rotação (Hz)
Freq. de escorregamento (cpm) = velocidade síncrona – velocidade de rotação
N.º de
Pólos Freq. do Campo
Magnético (Hz) Velocidade
Síncrona (rpm)
2 60 3600
4 30 1800
6 20 1200
8 15 900
Para Frede = 60 Hz
Como é calculada a freqüência de barras do rotor ?
• Freqüência de barras do rotor = (n.º de barras do rotor) X freqüência de rotação
Como é calculada a freqüência de ranhuras do estator ?
• Freqüência de Freqüência de = (n.º de ranhuras do estator) X freqüência de rotação
Como é calculado o n.º de pólos de um motor ?
• N.º de pólos do motor = 2 X freq. da rede (Hz) / freq. do campo magnético (Hz)
• N.º de pólos do motor = 120 X freq. da rede (Hz) / velocidade síncrona (cpm)
Se o problema for elétrico, como a vibração reagirá quando se cortar a energia do motor ?
• Se o problema for elétrico a amplitude cairá imediatamente quando a energia for cortada.
• Se problema não for elétrico a amplitude cairá lentamente até a parada do motor.
Como barras de rotor quebradas contribuem para falhas mecânicas?
• O calor gerado pode provocar empenamento do rotor, criando um excesso de carga axial que pode provocar a falha dos rolamentos.
Progressão de Falha de Motor de Indução por Defeito na Gaiola
• Uma trinca em uma barras é causada por fadiga.
• Pontos quentes ocorrem devido a trinca, podendo provocar empenamento do rotor, que pode ser confundido com desbalanceamento, provocando um diagnóstico errôneo.
• A barra quebra e acontece formação de arco que causa mais aquecimento e empenamento do rotor. As barras adjacentes carregam mais corrente, o que provoca tensões térmicas e mecânicas ainda mais elevadas.
• Mesmo com o rotor rebalanceado, pode ocorrer roçamento com o estator, provocando dano nas lâminas do rotor ou nos enrolamentos do estator, o que conduzirá o motor à pane elétrica total.
Espectro de um motor de indução com problemas elétricos
Note que o pico dominante é de 120 Hz. Num motor de 2 polos, se o espectro não tiver resolução suficiente, um pico de 120 Hz pode ser facilmente confundido com 2x RPM.
Quando a energia foi cortada o pico de 120 de Hz desapareceu instantaneamente.
Forma de onda de um motor de indução com problemas elétricos
Em motores de 2 polos o padrão de forma de onda é semelhante ao de desalinhamento.
MANCAIS DE DESLIZAMENTO
Cite 4 fatores que contribuem para a falha ou altos níveis de vibração em mancais de deslizamento?
• Folga excessiva
• Carga imprópria no mancal
• Lubrificação imprópria
• Tipo errado de mancal
Como folgas excessivas entre munhão e casquilho aparecerão no espectro?
• Um pico a 1 x RPM, podendo ser confundido com desbalanceamento.
Como folgas de montagem do casquilho na caixa aparecerão no espectro?
• Harmônicos da velocidade de rotação 2 x, 3 x, 4 x, 5 x RPM, etc...
• Às vezes, a sequência de harmônicos pode chegar a ordens tão altas como 15 ou 20 x RPM
• Podem ocorrer interharmônicos (1/2 , 1/3 ou 1/4 x RPM e múltiplos)
Em que direção deve-se coletar os dados em mancais de deslizamento?
• Nas direções radiais e axiais
• Leituras radiais normalmente provêem a melhor informação sobre mancais de deslizamento.
• Uma leitura axial pode fornecer informação sobre o mancal de escora.
O que é turbilhonamento de óleo e quando ocorre ?
• Acontece em máquinas com mancais de deslizamento, quando o filme de óleo sob pressão se desestabiliza e exerce uma força que empurra o eixo em torno do mancal.
O que causa o turbilhonamento de óleo?
• Diminuição da carga radial
• Baixa viscosidade do óleo
• Óleo impróprio
• Mancal impróprio
Com que freqüência ocorre o movimento do eixo causado por turbilhonamento de óleo?
• Por causa da fricção do filme de óleo a velocidade será entre 42% e 47% da rotação do eixo.
• É portanto um movimento subsíncrono.
Que ações podem ser tomadas para corrigir o turbilhonamento de óleo?
• Carga adequada no mancal
• Mudança no modelo do mancal
• Mudança na viscosidade do óleo
• Mudança na pressão do óleo ou ponto de injeção.
Que modelos de mancais de deslizamento minimizam os efeitos de turbilhonamento de óleo?
• Mancais de casquilhos pivotados (”tilting-pad”)
• Mancais com ressaltos
• Mancais com ranhuras axiais
Quais são as folgas comuns entre o eixo e o casquilho em mancais de deslizamento?
• 0,050 a 0,200 mm (diametral)
Qual é o valor adequado de Fmáx para análise de mancais de deslizamento?
• 10 a 15 ordens da velocidade de rotação devem ser suficientes para ver qualquer problema em mancais de deslizamento.
• Pode ser necessário empregar um valor mais alto para analisar problemas em outras partes da máquina, como palhetas de turbinas ou engrenagens.
Qual a resolução adequada para coleta de dados de mancais de deslizamento?
• 400 linhas de resolução por coletar dados de tendência
• 800 linhas de resolução se você suspeita de um problema
Qual o tipo de média adequado para avaliar o turbilhonamento de óleo ?
• “Peak-hold” é melhor modo para capturar os picos causados por turbilhonamento de óleo
Como avaliar a amplitude a 0,4 x RPM devido ao turbilhonamento de óleo ?
• Amplitudes até 25 % da amplitude na frequência de rotação são perfeitamente toleráveis.
• Se o pico a 0,4XRPM for igual ou maior do que o pico na frequência de rotação há risco de falha do mancal.
• Picos com amplitude intermediária entre 25 e 100 % do pico na frequência de rotação são toleráveis apenas por períodos curtos e devem ser monitorados continuamente.
Espectro de uma máquina com turbilhonamento de óleo.
Forma de onda de uma máquina com turbilhonamento de óleo.
RESSONÂNCIA
Por que ressonância está se tornando um problema mais freqüente nos últimos anos?
• Equipamentos estão sendo construídos mais próximos da ressonância que no passado.
• Equipamentos estão sendo construídos mais leves e menos rígidos.
• Máquinas estão operando a velocidades mais altas, sem considerar a freqüência ressonante natural do equipamento.
Qual a relação recomendada entre a velocidade de rotação e as freqüências naturais ?
• A velocidade de rotação deve se situar pelo menos 20% acima ou abaixo da freqüência natural mais próxima.
Por que é mais provável encontrar uma ressonância em máquinas de velocidade variável ?
• Porque rodando a velocidades diferentes, o equipamento pode emparelhar mais facilmente com uma freqüência natural.
A velocidade de rotação é a única freqüência em que pode ocorrer uma ressonância ?
• Não! Harmônicos da velocidade de rotação e componentes geradas por outros elementos, como engrenagens e palhetas, também podem coincidir com uma freqüência natural da máquina e gerar uma ressonância.
Relacione os 3 modos possíveis para se eliminar ou controlar uma ressonância.
• Alterar a freqüência natural:
- Adicionar massa diminui a freqüência natural
- Aumentar a rigidez aumenta a freqüência natural
• Caso não seja possível alterar a freqüência natural pode-se introduzir amortecimento para absorver a energia de vibração e reduzir a amplitude na ressonância.
Qual o sintoma de ressonância envolvendo as medidas de vibração nas 3 direções ?
• Em máquinas de eixo horizontal, amplitudes axial ou vertical duas ou mais vezes maiores do que a horizontal são indício de ressonância.
Como se pode determinar a freqüência natural de uma máquina ou estrutura ?
• Através de um teste de impacto.
Que tipo de média você usaria para executar um teste de impacto em uma máquina rodando?
• Média linear negativa
Como você deveria ver a forma de onda quando executando um teste de impacto ?
• Aceleração mostra melhor o impacto
Que teste pode ser executado para detectar ressonâncias na partida ou parada de uma máquina ?
• Pico e fase
O que ocorre com a fase da vibração durante a passagem por uma ressonância ?
• Uma inversão de fase (alteração de 180º 30º ).
O que é uma velocidade crítica ?
• Uma ressonância causada pela coincidência entre a velocidade de rotação e uma frequência natural do sistema rotor-mancais.
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