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REFRATÁRIOS PARA ALTOS FORNOS A CARVÃO VEGETAL (1)
Edson Maia de Assis (2)
RESUMO
São descritos os principais mecanismos de desgastes dos materiais refratários em Altos
Fornos.
Mostramos os perfis típicos e as características dos revestimentos refratários utilizados nos
Altos Fornos de grande, médio e pequeno porte.
(1) Contribuição Técnica ao Semana de Estudos de Engenharia da EMUFOP realizado
em novembro /10.
(2) Engenheiro Metalúrgico – Assistente Técnico – IBAR Ltda.
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1 – INTRODUÇÃO
O Brasil pretende produzir no futuro próximo cerca de 42 milhões de toneladas de aço
bruto. Dentro do atual contexto e das futuras perspectivas tecnológicas, a fabricação de
gusa continuará sendo realizada em Altos Fornos. Os processos de redução direta com
fusão, que visam substituir este equipamento, e que estão em desenvolvimento na
Europa e Japão, ainda não se mostram economicamente viáveis.
Portanto é de real importância a necessidade de aprimorar o desenvolvimento dos Altos
Fornos, principalmente no que se refere ao prolongamento das campanhas.
Um dos componentes mais importantes do Alto Forno é o revestimento refratário que
depende do sistema de refrigeração, uma vez que a campanha é limitada pela sua vida
útil.
Conhecendo os agentes de desgaste que afetam o desempenho na campanha temos que
procurar novas tecnologias de revestimentos refratários.
As preocupações com o desenvolvimento do projeto, manuseio no assentamento,
conforme a especificação, nos dará a condição relevante para que os Altos Fornos
tenham uma excelente campanha.
Este trabalho apresenta, de maneira sucinta as características físicas e químicas dos
materiais de revestimento, com ênfase aos produtos Sílico-Aluminoso, Aluminoso e
Alumina Carbeto de Silício, Carbono nacionais que vem sendo usados nestas reformas,
bem como as principais solicitações as quais estes materiais estão sujeitos no uso.
2 – MECANISMOS DE DESGASTE
Os materiais refratários no Alto Forno estão submetidos a diversos tipos de
solicitações, o assunto tem dado origem a inúmeros estudos e trabalhos publicados, que
descrevem o mecanismo de desgaste a partir da análise “post–mortem” de amostras
colhidas por meio de ensaios de laboratório que simulam as condições operacionais.
Podemos dividir os mecanismos de desgaste em dois grupos de fatores:
Termoquímicos
Mecânicos
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O primeiro depende basicamente de dois parâmetros.
A reatividade química dos agentes corrosivos com o material do revestimento;
O grau de impregnação do refratário por estes agentes, e nos dois casos a cinética
destas reações dependem da variação da temperatura.
No segundo caso a destruição do refratário por fatores, mecânicos, é provocada por:
Esforços mecânicos e estáticos da carga contra o revestimento;
Choques mecânicos;
Abrasão da carga;
Erosão dos fluídos;
Tensões termomecânicas.
Dos dois fatores, o termoquímico é o que limita a vida do alto forno, já que, fatores
mecânicos acabam agindo sobre o material com maior rigor, quando este foi
transformado pelos efeitos termoquímicos de erosão e impregnação.
Na rampa, ventre e cuba inferior os fatores termoquímicos se evidenciam. Os diferentes
estudos sobre refratários de altos fornos mostram que não existe um único mecanismo
de desgaste agindo isoladamente, mas uma interação mútua de diversos fatores que
tornam difícil uma interpretação exata dos fenômenos que ali ocorrem.
Além disso, os fatores operacionais de cada alto forno, tais como:
Tipo de gusa produzido;
Tipo de marcha;
Permeabilidade da carga, etc.
Estes fatores tornam cada alto forno, como único, e diferente do outro que possui
volume, perfil e tamanho equivalente. Em função destes aspectos, os mecanismos de
desgaste podem agir de forma mais agressiva no mesmo material a altos fornos
similares ou até mesmo em campanhas distintas do mesmo equipamento.
Na figura 1 temos os principais agentes termoquímicos agindo nas diversas regiões do
alto forno.
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2.1 – GUSA LÍQUIDO
As elevadas pressões ferrostáticas existentes nestas regiões (6 atm) podem provocar
infiltrações até em poros de um mili-microns, originando tensões que podem fraturar o
material, facilitam a sua erosão.
2.2 – ESCÓRIA
A escória líquida, sendo um silicato complexo de Alumina, Cálcio, Magnésia e Oxido
de Ferro dilui a fase quente do refratário. Conseqüentemente os materiais com base
alumina. Carbeto de Silício Carbono apresentam melhor performance nestas condições,
no entanto, o revestimento que contém Carbono pode ser oxidado pelo FeO presente na
escória ou atacado pelos álcalis.
2.3 – ÁLCALIS
Os compostos alcalinos entram na carga dos altos fornos sob a forma de silicatos
complexo, oriundo das reações do minério e do carvão vegetal.
O ataque dos refratários pela recirculação de álcalis no alto forno é conhecido há
bastante tempo como o mais importante mecanismo de desgaste.
O teste feito consiste em imergir o refratário em uma mistura de K2CO3 e coque
pulverizado, à temperatura de 900 ºC e 1400 ºC.
A corrosão é avaliada medindo a variação de peso, da dimensão e da resistência
mecânica.
Os compostos alcalinos reagem no estado gasoso, principalmente com os óxidos de
alumínio e silício do refratário formando alumino-silicatos cristalizados como
Kaliofilita, Leucita e alumina ß que apresentam aumento de volume da ordem de 6 a
20%.
2.4 – ZINCO
O mecanismo de ataque pelo Zinco é similar ao dos álcalis, mas os efeitos quantitativos
são menores.
O zinco metálico, bem como o potássio, podem reduzir o monóxido de carbono, e
provocar a deposição do carbono no interior de tijolos. O ZnO pode reagir com a
Alumina e Sílica formando compostos cristalinos com aumento teórico de volume.
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2.5 – GASES OXIDANTES
Os gases oxidantes em corrente ascendente no interior do alto forno estão formados
por:
Oxigênio;
Vapor d’agua;
Dióxido do Carbono (CO2);
Monóxido do Carbono (CO).
Estes gases reagem com os refratários que não são formados por óxidos com:
Carbeto de Silício (SiC);
Nitreto de Silício (SiN4).
Provocando a gaseificação do carbono e transformando o silício do carbeto e nitreto em
cristobalita.
O gás redutor CO sob efeito catalítico do ferro ou seus óxidos dissocia-se em C e CO2,
depositando carbono no refratário. Esta dissociação ocorre à temperatura entre 380
e 650 ºC.
As pressões desenvolvidas na precipitação do carbono são estimadas em 2.000Kgt/cm2,
e estas são suficientes para fraturar qualquer refratário.
Quando atingimos temperaturas superiores a 815 ºC e pressões maiores que uma
atmosfera, o carbono reduz os óxidos alcalinos e de zinco, provocando sua imediata
vaporização e dando ao processo a Recirculação.
2.6 – CONSEQUÊNCIAS
Em função do mecanismo, como os refratários são destruídos, poderemos adotar o
perfil dos materiais refratários para altos fornos:
Uma que procura “Soluções Térmicas” cujo principal objetivo e prolongar a vida
da campanha, diminuindo a temperatura da face quente, por meio dos refratários
de alta condutividade térmica combinada com eficientes sistemas de
refrigeração;
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Uma outra que segue “Soluções Refratárias” utilizando materiais menos
condutores, mas com uma boa resistência ao desgaste dos diversos agentes
descritos anteriormente;
A escolha entre as duas alternativas leva em consideração fatores técnico-econômico e
os valores das perdas térmicas.
3 – TIPOS DE REFRATÁRIOS PARA CADA ALTO FORNO
O Brasil possui uma capacidade instalada de produção de ferro primário da ordem de
28 milhões de toneladas por ano.
A maior parcela deste total corresponde a Usinas integradas, que utilizam o Coque com
produções de até 10.000 toneladas por dia.
Os produtores independentes de gusa possuem altos fornos que utilizam o carvão
vegetal, com baixo investimento com produções que variam de 45 a 500 toneladas por
dia.
Em função da diversidade das características de um número superior a 150 altos fornos
operando no Brasil, e considerando tanto os diversos mecanismos de desgaste como as
próprias condições operacionais de cada um, seria provavelmente necessário escrever
diversos livros sobre refratários para altos fornos, que abrangeria todos os casos com os
detalhes necessários.
Decidimos, portanto, atendendo as características equivalentes como carvão utilizado e
tamanho, reuni-lo em três grandes grupos.
3.1 – ALTO FORNO DE GRANDE PORTE
Como este grupo de altos fornos compreende equipamentos de tamanhos muito
diferentes, estão subdivididos em grandes e médios altos fornos, considerando como
grandes aqueles que possuem volume interno maior que 2000 m3, e como médios os de
menor volume.
Como as previsões de campanha estão relacionadas com o tipo de perfil do
revestimento utilizado, foram escolhidos altos fornos típicos dentro desta subdivisão
para mostrar os efeitos da refrigeração e no perfil de refratários.
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Nas figuras 2 e 3 são mostrados dois altos fornos com volumes superiores a 600 m3 e
com previsão de campanha de 6 a 20 anos.
Na figura 2 temos um alto forno que utiliza o Steve-Cooler como parte do
revestimento, aumentando assim a sua vida útil.
Na figura 3 temos um alto forno que utiliza placas de cobre para a refrigeração,
diminuindo um pouco a sua vida útil.
Nos dois altos fornos temos a utilização de tijolos sílico-aluminoso ligado
cerâmicamente, carbeto de silício ligado a nitreto, carbeto de silício de liga direta, e
tijolos aluminosos a base de Mulita em contato com a refrigeração.
No cadinho utilizam-se blocos de carbono com microporos, protegidos com uma
camada de sílico aluminoso comum. Em função do tipo de refrigeração da sola foi
possível alterar o formato do cadinho.
Um perfil típico de um forno de 600 m3 de volume interno é previsão de campanha para mais de 6 (seis) anos é mostrado na figura 3.
Os refratários utilizados na rampa, ventre e cuba inferior de Carbeto de Silício ligado a
nitreto, e como a camada de sacrifício destas regiões, mais a cuba média / superior
temos material de Mulita eletrofundida ligada a Mulita.
As variações mostradas para os dois altos fornos a coque, em função dos perfis do
desgaste de cada campanha, condições operacionais, tipos e características do sistema
de refrigeração etc, refletem a realidade atual.
Poderíamos afirmar que as tendências no futuro estão voltadas para o tipo de revestimento na figura 2 com algumas variações particulares, como o cadinho da figura 3.
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3.2 – ALTOS FORNOS DE MÉDIO PORTE À CARVÃO VEGETAL COM
VAZAMENTO INTERMITENTE
O alto forno escolhido para mostrar o perfil típico de revestimento é mostrado na figura
4, para um equipamento de 150 m3 de volume interno, que utiliza na cuba média e
superior material sílico-aluminoso ligado cerâmicamente, de qualidade intermediária.
Sola, cadinho, rampa, ventre e cuba inferior foram revestidos também com refratários
sílico-aluminosos, mas de qualidade superior, Já a região das ventaneiras utiliza
refratários do concreto baixo teor de cimento.
3.3 – ALTOS FORNOS DE MÉDIO PORTE A CARVÃO VEGETAL COM
VAZAMENTO CONTÍNUO
O forno escolhido para mostrar esta variação é mostrado na figura 5.
Neste temos um equipamento para 180 m3 de volume interno, cujo perfil dos refratários
são similares no da figura 4, modificando no cadinho e parte da sola onde colocamos
um produto a base de Al2O3, SiC, C e impregnado com piche.
Este equipamento tem um vazo comunicante com um poço externo, e no canal que
fazem esta união utilizamos um concreto de baixo teor de cimento.
3.4 – ALTOS FORNOS DE PEQUENO PORTE
Corresponde aos altos fornos dos produtores independentes, utilizando revestimentos
refratários sílico-aluminosos de qualidade intermediária. Nos conjuntos de ventaneiras
vem sendo utilizados concretos aluminosos com baixo teor de cimento.
Os altos fornos com vazamento contínuo são revestidos no cadinho com massa de
antracito.
A figura 5 mostra o perfil típico de 73 m3 de volume interno.
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4 – COMENTÁRIOS
Os materiais refratários utilizados em revestimentos de médio e grande porte no Brasil
até aproximadamente 1975, eram quase em sua totalidade importados, com
participação dos fornecedores nacionais em regiões de baixa solicitação, com pequenos
volumes. Desde essa época, o volume de material nacional que participa em reformas
dos altos fornos tem aumentado consideravelmente, até para as regiões mais críticas e
de maior solicitação, crescendo também, o número de fabricantes de refratários
nacionais com materiais de qualidade apropriados para estas aplicações.
Para os altos fornos a carvão vegetal, não há importação de refratários.
5 – CONCLUSÕES
Os conhecimentos acumulados durante os últimos anos, sobre mecanismos de desgaste
e influências dos fatores operacionais no alto forno, têm permitido aprimorar os perfis
do revestimento, em função de um melhor conhecimento de cada Alto Forno.
A evolução das campanhas tem sido conseguida com o aprimoramento constante dos
projetos de perfil, materiais utilizados no revestimento e nível de qualidade exigida dos
refratários, tanto de suas características físico-químicas como tolerâncias dimensionais
e as próprias condições de montagem.
A realização de projetos de perfil por equipes de engenheiros brasileiros tem
contribuído também, de forma significativa para os bons resultados conseguidos.
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BIBLIOGRAFIA
Jon, M. “Comportamento dos Refratários de Alto Forno à corrosão pelas fases
gasosa, ensaios simulados de laboratório”, XXIV – Congresso Brasileiro de
Cerâmica – ABC, março de 1980 – SP.
Estatística IBS Produção de Ferro – Gusa.
Jon, M, “Refratários de Altos Fornos”, Refratários para Equipamentos
Siderúrgicos.
Revestimento Refratários e Metodologia de Montagem para a 1ª Reforma do
Alto Forno nº 1 da Açominas – VI Seminário Interno de Redução. 1993.
Corrida do Gusa – Metalurgia e Materiais – Dezembro/2001.