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MODELAGEM EM ELEMENTOS FINITOS DO ACOPLAMENTO HASTE-ANODO NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DO ALUMÍNIO

A.G. Batista, F. Cunha, M. Sena

Departamento de Engenha Mecânica , Universidade Federal do Pará

Palavras-chaves: Anodo , Elementos Finitos , Redução

RESUMO

A ALBRAS é uma indústria eletro - intensiva, que consume regularmente 615MW de energia elétrica, estando entre os maiores consumidores do país. Dentro deste contexto, qualquer redução no consumo de energia está associada a cifras consideráveis no balanço financeiro da empresa.

No processo de produção do alumínio, a fase que mais demanda energia elétrica é a redução, que é realizada através de cubas eletrolíticas. O anodo desta cubas é fabricado em série pela ALBRAS. Entram em sua composição o coque e piche, que é usado como aglomerante.

Para que sejam imersos e emersos da cuba eletrolítica, estes anodos precisam ser fixados a pinos de sustentação e transporte. Esta fixação é realizada através de chumbamento, ou seja, o pino é inserido no orifício apropriado no anodo e em seguida é vazado ferro fundido para preencher os espaços vazios. A forma do orifício do anodo ditará as características de transmissão de corrente elétrica e de resistência mecânica do acoplamento.

O objetivo deste trabalho é propor soluções alternativas ao tipo de acoplamento utilizado hoje pela empresa. È procurada uma geometria que permita o transporte para a cuba eletrolítica de dois anodos ao invés de apenas um.

As ferramentas utilizadas nesta análise serão o cálculo numérico através do método de elementos finitos deste acoplamento. Serão determinados os tipos de elemento a serem utilizados, bem como a densidade da malha que leva a uma solução precisa, com boa relação com o tempo de computação.

O método de elementos finitos será então utilizado para a modelagem do acoplamento haste-anodo. Nos primeiros momentos do desenvolvimento, a maior parte do tempo será utilizada para a realização da malhagem. Devem ser executadas diversas simulações para que se conheça a forma do campo de tensões local e adaptar a densidade da malha ao mesmo.

Neste momento, está sendo feito um trabalho de medição das propriedades mecânicas dos materiais da haste, do anodo e do acoplamento.

Neste trabalho, discute-se os resultados da simulação em duas dimensões de um problema que ilustra duas estruturas, feitas com dois materiais diferentes sujeitas aos efeitos do campo gravitacional terrestre. Esta simulação foi realizada para que fosse desenvolvida habilidade na construção de um modelo de elementos finitos, assim como fossem verificadas as influências de parâmetros como tipos de elementos usados e densidade da malha.

Em uma etapa posterior, um modelo tridimensional será desenvolvido e acoplado a rotinas de otimização de forma usando como função objetiva as tensões mecânicas verificadas.

Primeiramente foi gerada a geometria e definidos as propriedades dos materiais da haste e do anodo, nesta etapa também foi definido o tipo de elemento utilizado (elemento de elasticidade 2D usando funções de interpolação quadráticas). As condições de contorno utilizadas foram de engaste na extremidade da haste do anodo e o carregamento considerado foi o peso próprio das estruturas. A figura 1 ilustra o modelo.

A partir dos dados de entrada o sistema de equações foi montado e então resolvido. No que se refere ao pós-processamento, as figuras 2 e 3 mostram as distribuições de tensão, bem como os contornos da malha usada. Nota-se que existe concentração de tensão nas regiões de mudança de seção transversal do eixo da haste. Logo, esta região tem que ser especialmente considerada durante o projeto da nova configuração do acoplamento anodo-haste.

Como o carregamento verificado neste tipo de estrutura durante o transporte dos anodos é do tipo dinâmico, as concentrações de tensão são fatores críticos de projeto.

Os resultados mostrados neste trabalho são preliminares, pois nem mesmo a geometria real foi considerada (na realidade, existem ranhuras em forma helicoidal ao longo do acoplamento). Entretanto, estes cálculos serviram para conhecer a utilização do método de elementos finitos e permitirão que o cálculo tridimensional seja realizado com um bom conhecimento do funcionamento do método e do programa usado.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

Bathe, K.J. - Finite element procedures , New Jersey: Prentice-Hall, 1996
Cook, R.D., et al - Concepts and Applications of Finite Element Analysis, third edition, New York : John Wiley and Sons , 1989
Mangonon, P.L.- The Principles of Materials Selection for Engineering Design, London: rentice-Hall, 1999