PROLONGAMENTO DA CAMPANHA DO REVESTIMENTO REFRATÁRIO DOS CARROS TORPEDO DA CSN

PROLONGAMENTO DA CAMPANHA DO REVESTIMENTO REFRATÁRIO DOS CARROS TORPEDO DA CSN

Silva, S. N.(1), Vernilli, F.(2), Justus, S. M.(3), Longo, E.(4), Saito, E.(2), Nascimento, V. F.(2)

Cx Postal 116 – CEP 12.602-810 – Lorena – SP

fernando.vernilli@demar.eel.usp.br

(1) Companhia Siderúrgica Nacional – CSN (2) Escola de Engenharia de Lorena – EEL/USP

(3) Saint Gobain Ceramics and Plastics

(4) Centro Multidisciplinar de Desenv. de Materiais Cerâmicos - CMDMC/UNESP

RESUMO

A partir de estudos “post mortem” e identificação dos mecanismos de desgaste foram desenvolvidos e implantados novos materiais à base de alumina-carbeto de silício-carbono-espinélio de alumínio e magnésio, mais resistentes às solicitações operacionais particulares do fluxo operacional da CSN. Paralelamente, foi implementada uma série de ações operacionais, focadas principalmente no sentido de maximizar a tonelagem de gusa transportada, e ações de manutenção refratária, com a finalidade de melhorar a qualidade de inspeção e subsidiar o balanceamento (otimização) do projeto de revestimento. Adicionalmente, foram implantadas novas tecnologias, tais como, aquecimento convectivo, aplicação de “coating” cerâmico e termografia em tempo real para monitoramento do perfil de desgaste do revestimento. Como resultado final, a campanha do revestimento dos Carros Torpedos aumentou de 360.000 para 500.000 toneladas de gusa transportadas.

1.INTRODUÇÃO

Com a introdução dos tratamentos de pré-refino do gusa (dessiliciação, dessulfuração e desfosforação), os Carros Torpedo deixaram de ser simplesmente equipamentos de transporte e transferência de metal e passaram a atuar, também, como vasos de reação. Isso trouxe solicitações adicionais, muito mais severas, ao revestimento refratário exigindo soluções de engenharia customizadas, ações operacionais e novas ferramentas gerenciais.

No caso particular da CSN, com uma frota de apenas 26 Carros, com capacidade de 350 toneladas, e produção de gusa da ordem de 5,35 milhões de toneladas/ano, esse desafio tornou-se ainda mais crítico. Por outro lado, por restrições de “lay-out” da Aciaria, cerca de 98% da produção de gusa da CSN é dessulfurada no Carro Torpedo. Isso exigiu a introdução de processos mecanizados de limpeza dos cascões aderidos na região da boca do Carro (“splashing”) e de escumagem de escória. Esses novos processos intensificaram ainda mais os mecanismos de corrosão e as solicitações mecânicas, acelerando a taxa de desgaste do revestimento.

As Tabelas I e II apresentam de forma sumarizada as condições operacionais dos Carros Torpedo da CSN e a Figura 1 ilustra a evolução da produção de gusa nos últimos anos.

2.OBJETIVO

De acordo com o cenário exposto anteriormente, o presente trabalho teve como principal objetivo aumentar a campanha do revestimento refratário dos Carros Torpedos da CSN de 360.000 para 500.000 toneladas de gusa transportados com segurança, qualidade e baixo custo, no sentido de garantir a disponibilidade mínima de 21 Carros Torpedos para o ciclo operacional, visando a assegurar o escoamento da produção dos Altos Fornos (5,35Mt/ano) e o abastecimento da Aciaria.

3.MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Identificação dos Mecanismos de Desgaste e Seleção de Materiais Durante a década de 70 e início dos anos 80, os Carros Torpedos da CSN eram revestidos com tijolos aluminosos impregnados com piche e a sua campanha atingia cerca de 250.000 toneladas de gusa transportados. No final dos anos 80 e

início da década de 90, os Carros passaram a ser revestidos com tijolos de alumina - carbeto de silício – carbono, permitindo a elevação da campanha para um novo patamar da ordem de 360.000 toneladas de gusa transportados. Todavia, a produção crescente de gusa demandava campanhas cada vez mais elevadas [1].

Como ponto de partida na busca de um novo patamar de campanha – 500.000 toneladas de gusa transportados, realizou-se um estudo “post mortem” do revestimento refratário, com o objetivo final de identificar os mecanismos de desgaste e selecionar materiais mais resistentes às solicitações do processo operacional.

Tabela I – Condições Operacionais dos Carros Torpedos da CSN.

Valor Especificado Parâmetro Operacional

(Item de Controle) Meta Média 2005

Produção total de gusa 5,35 Mt/ano

Frota de Carros Torpedo 26 Carros

Capacidade do Carro Torpedo 350 toneladas

Disponibilidade de Carro Torpedo (No _CT)

Ciclo Operacional

Reforma Geral Eletromecânica (Serviço Externo) Manutenção Refratária (CSN) Manutenção Eletromecânica (CSN) 21 1 2 2 Altura do gusa no CT (mm)

(medida pelo curso da lança de dessulfuração) 415 – 470 445 Gusa transportado / viagem (toneladas) 270 - 280 276 Qualidade do Gusa

Temperatura (ºC)

Teor de Enxofre Inicial (%) Teor de Enxofre Final (%)

1480 – 1500 0,032 0,012 1509 ± 21,9 0,033 0,013 Qualidade da Escória Basicidade binária 1,26 –1,30 1,23 ± 0,07

Tabela II – Condições Operacionais dos Carros Torpedos da CSN.

Valor Especificado Parâmetro Operacional

(Item de Controle) Meta Média 2005

98 92 250 – 500 1,8 – 4,9 Processo de Dessulfuração Índice de Dessulfuração (%) Vazão de Nitrogênio (Nm3/h) Pressão de Nitrogênio (kgf/cm2)

Inclinação da Lança (Graus) 90

Agente Dessulfurante Composição Química (%) CaC2 CaO CaCO3 Alº CaF2

Tempo de dessulfuração (minutos) Quantidade Injetada / Imersão (kg)

49,0 30,0 10,5 1,56 2,50 20 – 25 100 – 2500 Limpeza de Cascão Índice de Cambamento (%) 65 71

Índice de Limpeza de Cascão de Boca (%) 70 85 Corte de Cascão c/ Vara de Oxigênio (No CT/dia) 2

3.2 Processos de Limpeza

Com o objetivo de minimizar a presença de cascões aderidos ao revestimento e, consequentemente, maximizar a tonelagem de gusa transportada por viagem, foram implantados novos processos mecanizados de limpeza, remoção de cascões e escumagem de escória.

0 1 2 3 4 5 6 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 ANO Mt

Figura 1 – Evolução da Produção de Gusa da CSN (Período: 1994- 2005). 3.3 Inspeção e Monitoramento do Perfil de Desgaste

Em função da sua geometria, a inspeção visual do desgaste do revestimento refratário dos Carros Torpedos é precária, limitando-se apenas às regiões próximas à boca – região central do equipamento. Isso implica em sérios riscos à segurança operacional. A ocorrência de vazamentos de gusa de Carros Torpedos na área dos Altos Fornos e Aciaria podem ser catastróficos.

Nesse contexto, a melhoria de qualidade dos procedimentos de inspeção do revestimento durante as paradas para reparos – inspeção a frio, e de monitoramento do perfil de desgaste durante o ciclo operacional – inspeção a quente, tornaram-se cruciais. O acompanhamento do perfil de desgaste, além da sua função primordial de garantir a segurança operacional, é a ferramenta gerencial que permite a otimização contínua do desenho do projeto de revestimento, ajustando-o às solicitações particulares de cada processo, com a finalidade de maximizar a sua campanha e reduzir os custos de manutenção.

3.4 Novas Tecnologias

Para atingir campanhas de revestimento da ordem de 500.000 toneladas de gusa transportados, com segurança, qualidade e baixo custo, também foram introduzidas novas tecnologias: a) Aquecimento convectivo; b) Coating cerâmico e c) Termografia “on line”.

4.RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Mecanismo de Desgaste e Seleção de Materiais

De acordo com os resultados do estudo “post mortem” do revestimento [2], a matriz, constituída essencialmente de mulita, é corroída a partir de reações com a escória, Reações (1), (2) e (3), formando fases de baixos pontos de fusão e baixas densidades, à base de alumino-silicatos de cálcio:

) ( 2 ) ( 2 ) (s SiO s CaOSiO s CaO + → (pseudowolastonita) (1) ) ( 2 3 2 ) ( 2 ) ( 2 3 2 ) ( 2) 3 .2 3( . 2 ) . (

3 CaOSiO _s + Al O SiO _s +SiO _s → CaOAl O SiO _s (anortita) (2)

) ( 2 3 2 ) ( 2 ) ( 2 3 2 ) ( 3 .2 3( . )

3CaO_s + Al O SiO _s +SiO _s → CaOAl O SiO _s (guelenita) (3)

Observou-se também a presença de Na2O próximo à face quente do

revestimento. Esse componente alcalino tem sua origem nas impurezas das matérias primas que compõem a carga do Alto Forno e, também, na composição química do agente dessulfurante, que utiliza a borra de alumínio como fonte de alumínio metálico – desoxidante. Alem da formação de β-Al2O3, o carbeto de silício

e o carbono também são consumidos a partir de reações de oxidação, que ocorrem na face quente e interior do revestimento, de acordo com as Reações (4), (5) e (6):

3 2 2 ) ( 2 3 2 .11 11Al O +Na O_g →Na O Al O (β-Al2O3) (4) ) ( 2 ) ( ) ( 2 ) (s Na Og COg Na g C + → + (5) ) ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) (s 3Na Og SiO s COg 3Na g SiC + → + + (6)

Análises dilatométricas mostraram a ocorrência de uma expansão acentuada do material na faixa de temperatura entre 850 e 900ºC. De acordo com a literatura [3], à temperatura de 873ºC ocorre a reação de transformação reconstrutiva do quartzo em tridimita, com uma expansão volumétrica da ordem de

17%. No interior do revestimento ocorre preferencialmente a oxidação do SiC, levando à precipitação de sílica, altamente reativa, responsável pela expansão citada anteriormente.

A partir dos mecanismos de desgaste identificados anteriormente foram especificados e selecionados novos materiais, mais resistentes, à base de alumina-carbeto de silício-carbono-espinélio de alumínio e magnésio, e isentos de sílica livre. A fase espinélio, finamente dispersa na matriz, é mais resistente à ação da escória de processo, rica em CaO.

Análises de DRX de refratários de alumina-carbeto de silício-carbono-espinélio de alumínio e magnésio sinalizaram o deslocamento dos picos da fase MgAl2O4. Esse efeito é observado com mais intensidade na face de trabalho (face

quente) do material, tornando-se menos pronunciado à medida que se avança em direção à face fria. Esse deslocamento é decorrente da reação da fase espinélio com o Na2O presente na escória, tendo como produto de reação à fase

NaMg2Al15O25.

A substituição da fase mulita pela fase espinélio, de elevada refratariedade e caráter anfótero, resultou em maior resistência à corrosão. Além de eliminar a rota de desgaste da matriz pela formação de alumino-silicatos de cálcio, de baixos pontos de fusão, permitiu a criação de mecanismo concorrente de incorporação de álcalis, minimizando assim as reações de formação de β-alumina e de oxidação do SiC. Isso resultou em maior proteção do grafite disperso na microestrutura, reduzindo-se as taxas de desgaste do material e permitindo o prolongamento da campanha do revestimento.

4.2 Processos de Limpeza 4.2.1 Escumagem de Escória

Após o processo de dessulfuração, a escória é removida do Carro Torpedo com auxílio de um escumador adaptado a uma máquina Gradal. O objetivo dessa operação é minimizar o tempo de escumagem na Aciaria, visando a aumentar a produtividade dos Conversores LD.

4.2.2 Cambamento

Após a transferência do gusa na Aciaria, o Carro retorna ao Alto Forno para mais uma viagem. Nesse trajeto de retorno, o Carro é cambado no Kish Pit para

remoção do gusa e escória residuais. Essa operação tem por finalidade minimizar a solidificação e nucleação de cascões no interior do Carro.

4.2.3 Limpeza da Boca

Com o Carro ainda vazio promove-se a remoção de cascões aderidos à boca com auxílio de uma máquina Fiat, dotada com um martelo hidráulico. A Figura 2 ilustra os diversos processos de limpeza do Carro Torpedo e as Figuras 3 e 4 apresentam a evolução da tonelagem de gusa transportado e do índice de cambamento nos últimos anos, respectivamente.

Escumagem da Escória

Limpeza da Boca

Figura 2 – Processos de Limpeza do Carro Torpedo Implantados na CSN.

201

234

286

₂₆₇

0

50

100

150

200

250

300

Gu

sa

2002

2003

2004

2005

Ano

Figura 3 – Evolução da Tonelagem de Gusa Transportado (Ref. 2002 – 2005).

57

63

78

₇₃

0

20

40

60

80

Índi

ce

(%

)

2002

2003

2004

2005

Ano

4.3 Perfil de Desgaste

Toda vez que o Carro é retirado do ciclo operacional para reparo, o perfil de desgaste do revestimento é levantado minuciosamente. A partir da análise do perfil de desgaste - identificação das regiões mais solicitadas e das taxas de desgaste localizadas (mm/1.000 toneladas de gusa), foi possível introduzir diversas revisões no projeto de revestimento (balanceamento), com o objetivo de se alcançar campanhas da ordem de 500.000 toneladas de gusa transportados - Tabela III.

Tabela III – Balanceamento do Projeto de Revestimento. REVISÃO DO PROJETO

DE REVETIMENTO

ANTES APÓS

Revisão 1 (Dez/2002): - Alteração da qualidade do

material da região inferior da calota. - Tijolo de alumina-carbeto de silício-carbono (75TCN). - Tijolo de alumina-carbeto de silício-carbono-espinélio (75 TCE). Revisão 2 (Ago/2003): - Aumento da espessura do revestimento da zona de impacto, linha de escória da região do cilindro e boca.

- Alteração da qualidade do material da zona de impacto. 305mm - Tijolo de Al2O3/SiC/C (75 TCN) e tijolo de Al2O3/SiC/ C/MgAl2O4 - (75 TCE). 343mm - Totalmente em tijolo de Al2O3/SiC/C/MgAl2O4 (75 TCE). Revisão 3 (Nov/2003): - Aumento da espessura da região do cilindro próximo à zona de impacto. 250mm 305mm Revisão 4 (Ago/2004): - Aumento do revestimento da região da calota. 229mm 343mm

4.3 Plano de Campanha e Programa de Reparos

A Figura 5 ilustra o Plano de Campanha dos Carros Torpedos da CSN e a Tabela IV apresenta o Programa de Reparos.

Para preservar a região da boca das solicitações impostas pelos diversos processos de limpeza descritos anteriormente, foi implantado um Programa de Projeção conforme abaixo:

a) No de Carros projetados/dia: 4 - 5.

b) Consumo de material/mês: 150 – 190 toneladas.

Plano de Campanha

Figura 5 - Plano de Campanha dos Carros Torpedos da CSN, onde RL: Reparo Localizado, RP: Reparo parcial e RG reparo Geral.

Tabela IV – Programa de Reparos. TIPO DE REPARO DURAÇÃO (horário diurno) HOMENS-HORA (Hh) MATERIAL APLICADO (ton) Geral – RG 11 dias (3 demolição + 8 montagem) 1000 – 1100 110 – 120 Parcial – RP 6 dias (2 demolição + 4 montagem) 500 – 600 28 – 30 Localizado - RL 3 dias (1 demolição + 2 montagem) 170 –190 5 - 6

4.5 Novas Tecnologias

4.51 Aquecimento Convectivo e Coating Cerâmico

O sistema convectivo de secagem e aquecimento apresenta as seguintes vantagens em relação ao sistema convencional:

i) Homogeneidade de aquecimento, com remoção constante e uniforme da água – livre e combinada, e dos compostos ligantes.

ii) Distribuição uniforme de temperatura com taxas de aquecimento regulares. Isso reduz as tensões térmicas sobre o revestimento, minimizando os riscos de propagação de trincas.

iii) Penetração de calor uniforme, resultando em condições mais favoráveis às reações químicas no revestimento. Isso incrementa as propriedades do material e reduz o choque térmico durante o enchimento de gusa para a primeira viagem após reparo.

Como efeito colateral negativo da implantação desse novo sistema de aquecimento verificou-se a oxidação do revestimento refratário, em função do elevado potencial de oxigênio decorrente do excesso de ar de combustão (3.300%). O carbono dos materiais refratários é oxidado superficialmente, criando novos poros à infiltração de gusa e escória. Para solucionar esse problema foi desenvolvido um “coating” cerâmico à base de agalmatolito [3].

4.5.2 Termografia “On Line”

Com a finalidade principal de permitir a avaliação do perfil de desgaste do revestimento refratário dos Carros Torpedos, a partir dos microcomputadores da rede corporativa, e garantir a segurança operacional, foi implantado um sistema de termografia em tempo real, inédito na siderurgia nacional. Em adição, o sistema implantado é uma excelente ferramenta visando a subsidiar o balanceamento do projeto de revestimento. A Figura 6 apresenta a estação de termografia.

Antenas Scanners

Containers

Figura 6 – Estação de Termografia. 4.6 Evolução da Campanha do Revestimento Refratário

Como resultado final das diversas ações operacionais descritas anteriormente, houve um aumento da campanha do revestimento refratário dos Carros Torpedos de 360.000 para 500.000 toneladas de gusa transportados e uma redução do consumo específico de materiais de 0,286 para 0,252kg de refratários/tonelada de gusa – Figuras 7 e 8, respectivamente.

250 360 430 500 0 100 200 300 400 500 T one la d as gusa 2002 2003 2004 2005 Ano

Figura 7 – Evolução da Campanha do Revestimento Refratário em toneladas de gusa transportados por ano.

0,276 0,285 0,276 0,252

0,23

0,24

0,25

0,26

0,27

0,28

0,29

Figura 8 – Redução do Consumo Específico de Materiais Refratários.

5.CONCLUSÃO

Com o aumento da campanha do revestimento refratário de 360.000 para 500.000 toneladas de gusa transportados foi possível garantir a disponibilidade de 21 Carros Torpedos no ciclo operacional e assegurar o escoamento da produção dos Altos Fornos, da ordem de 5,35Mt/ano, e o abastecimento da Aciaria.

Referência Bibliográfica

[1] BARBOSA, G.S. et al., Evolução da campanha do revestimento refratário dos Carros Torpedos da CSN, Semana Tecnológica da GGAF – SETAF, Companhia Siderúrgica Nacional, 2004.

[2] NASCIMENTO SILVA, S. et al., Slag attack in high alumina refractories used in Torpedo Car, UNITECR 93 Congress, p. 871-877, São Paulo, Brazil, 1993.

[3] JUSTUS, S.M. et al., Post mortem study of Al2O3/SiC/C/MgAl2O4 refractory lining used on Torpedo Ladles at CSN, Ceramics International, vol. 31, p. 897-904, 2005. [4] NASCIMENTO SILVA, S. et al., Implantação de aquecimento convectivo nos Canais de Corrida dos Altos Fornos da CSN, XXXV Seminário de Redução de Minério de Ferro e Matérias Primas, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Companhia Siderúrgica Nacional e Saint Gobain Cerâmicas e Plásticos pelo apoio e colaboração na realização do trabalho.

CAMPAIGN INCREASE OF TORPEDO LADLE REFRACTORY LINING FROM CSN.

Abstract

From post mortem study and identification of the wear mechanisms were developed and implemented a new refractory lining for Torpedo Ladles based alumina-silicon carbide-carbon-spinel of aluminum and magnesium materials, more resistant to the particular operational requirements from CSN. Simultaneously, it was implemented several operation actions to maximize the tonnage of hot metal transported and refractory maintenance actions with the purpose of improving the inspection quality and subsidize the optimization of the refractory lining design. In addition, it was implemented new technologies such as convection heating system, ceramic coating and termography on line to monitorate the wear profile of the refractory lining. As final result, the campaign of Torpedo Ladles refractory lining have increased from 360.000 to 500.000 tons of hot metal transported.