AVALIAÇÃO DA ENERGIA DE FRATURA E DA EROSÃO DE UM CONCRETO REFRATÁRIO ANTIEROSIVO TRATADO A 110°C, 600°C. e 1000 ºC.
E. M. B. Santos (1), G. C. R. Garcia (1), W. S. Resende (2), S. Ribeiro (1)
(1) Universidade de São Paulo (USP) - Escola de Engenharia de Lorena (EEL)
Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR)
Estrada Santa Lucrecia s/n, Bairro Mondezir, CEP 12600-970, CP 116, Lorena SP
(2) Indústrias Brasileiras de Artigos Refratários – IBAR
Avenida IBAR, 2 , CEP 08559-470 – Poá - SP
esoly@ppgem.eel.usp.br
RESUMO
Concretos refratários são materiais de estrutura complexa, resistentes a altas temperaturas. Algumas propriedades desses concretos exigem maior atenção como: energia de fratura e resistência à erosão. Neste trabalho estas propriedades foram avaliadas em um concreto refratário aluminoso para aplicações petroquímicas, com tamanhos de agregados diferentes. Os corpos de prova foram moldados, curados, secos a 110° e tratados a 600°C e 1000°C. Os resultados mostraram que o concreto com agregados maiores é menos resistente à erosão e que com o aumento da temperatura de tratamento essa propriedade aumenta. A energia de fratura diminuiu entre 110°C e 600°C e aumentou entre 600°C e 1000°C. O concreto com agregados maiores apresentou energia de fratura superior. A energia de fratura é influenciada tanto pela temperatura de tratamento quanto a granulometria do agregado enquanto que a resistência a erosão aumenta com o aumento da temperatura, mas não varia significativamente com a granulometria do agregado.
INTRODUÇÃO
Refratários são materiais resistentes a altas temperaturas e usados predominantemente como revestimentos de fornos e equipamentos industriais para processamento de outros materiais em elevadas temperaturas, como ferro e aço, cimento, vidro e aplicações petroquímicas. (1-3). Nestes seguimentos os refratários são utilizados nos mais variados tipos de aplicação como: fornos rotativos, fornos de indução, alto forno, carro torpedo, panelas, forno de pelotização, forno de cozimento de anodos entre outros. Na indústria petroquímica os refratários são usualmente utilizados em: dutos, regeneradores, caldeiras, vasos separadores e ciclones.
Concretos refratários utilizados na indústria petroquímica, onde a velocidade das partículas chega a 30 m/s exige a utilização de materiais refratários resistentes à erosão, visando reduzir os custos de manutenção e o risco de paradas não planejadas da linha de produção (4)(5).
Segundo ASTM G 40-42, a erosão é a perda progressiva de material de uma superfície sólida devido à interação mecânica entre a superfície e um fluido, um fluido multicomponente ou partículas liquidas ou sólida impactantes (VICENZI, 2007). O fenômeno da erosão tem sido estudado desde o século XIX, mas o primeiro artigo técnico sobre este assunto foi publicado no século XX. Isto mostra que a erosão em materiais é constatada de longa data, porém, uma análise mais fundamentada ocorreu apenas mais tarde envolvendo análise de superfícies erodidas (6).
Um estudo sobre a erosão de um concreto utilizando jato de água mostrou que para uma dada resistência a compressão a taxa de erosão aumenta com o tamanho máximo do agregado. Um aumento no tamanho de agregado leva a uma diminuição na fragilidade e quanto maior a fragilidade menos material é removido (7).
Segundo um trabalho sobre os fundamentos da resistência erosão em concretos refratários mostrou que existem alguns concretos que apresentam uma melhora nos resultados quando queimados em temperatura mais elevadas, por outro lado existem concretos que a resistência à erosão permanece praticamente constante por todo intervalo de temperatura avaliado o que indica que a utilização de tais concretos possibilita uma economia de energia (5).
A energia de fratura (wof) que é outra propriedade importante para uma maior compreensão dos refratários, pode ser definida como o trabalho médio por unidade de área projetada de fratura para propagar uma trinca, representada pela soma de energias associadas a diferentes mecanismos de tenacificação. Esta prorpiedade pode ser determinada a partir da curva carga-deslocamento e da seguinte equação
(8)(9)(10).
ds
P
A
M wof
2
1
(A)em que A é a área projetada da superfície de fratura, PM é a carga vertical aplicada
pela máquina de ensaios e s é o deslocamento do atuador da máquina. O valor da integral
PMds é determinado pela área sob a curva carga-deslocamento. Em muitos trabalhos, os autores apresentam a energia de fratura na forma de taxa de liberação da energia elástica armazenada na amostra e na máquina de ensaios, chamando de GF, que também pode ser chamada de energia de fratura específica (10) (11-21).O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento da energia de fratura e a erosão de um concreto refratário antierosivo utilizado na indústria petroquímica.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para obtenção das amostras foi utilizado um concreto refratário convencional aluminoso antierosivo, com dois tamanhos de agregados diferentes PAA (agregado de menor tamanho) e PAA-G (agregado de maior tamanho), fornecido pela Indústria Brasileira de Artigos Refratários, IBAR. A mistura dos concretos com 5,5 %m/m de água foi realizada em uma argamassadeira de laboratório com capacidade nominal de 5 litros, aplicando-se as seguintes etapas: 1 minuto de homogeneização a seco a 60 rpm, 2 minutos após a adição rápida da água e 1 minuto de mistura final a 120 rpm. Foram preparados corpos de prova em molde de aço inoxidável, produzindo amostras de 100 x 100 x 75 mm3 para a avaliação da energia de fratura, medindo 114 x 114 x 25 mm3, para avaliação da resistência a erosão. A moldagem por socagem foi realizada manualmente. As amostras foram desmoldadas após as primeiras 24 horas e curadas por 48 horas a partir da moldagem. A cura ocorreu em
umidade relativa entre 30 e 60% e temperatura de 25oC. Após a cura os corpos de prova foram secos por 48 horas a 110oC e submetidos à queima a 600oC e 1000°C por 8 horas com taxa de aquecimento e resfriamento de 2oC/minuto.
Para os testes de propagação estável de trinca foi utilizada uma máquina de ensaios mecânicos, servo-hidráulica, da marca M.T.S., com célula de carga de 5 kN. Os testes foram controlados pelo deslocamento do atuador, com velocidade de 30 μm.min-1. Com os dados de deslocamento do atuador e da força instantâneos, foram elaboradas curvas P-s. A partir dessas curvas, foi determinado o trabalho de fratura, que dividido pela área de fratura projetada multiplicada por dois, de acordo com a equação (A), fornece
PMdS. A integral sob a curva foi feita até o ponto em que a carga caia ao valor de 10% da força máxima atingida no ensaio, Pmáx. Para cada
condição foram determinados, no mínimo, 5 valores de
wof em amostras distintas.
O ensaio de erosão foi realizado de acordo com a instrução de ensaios da IBAR (TF-049), que foi baseada na norma ASTM C-704 e é equivalente à norma Petrobrás n-2367/91.
Os corpos de prova foram secos até a massa constante a 110°C, foi determinada a massa com precisão de 0,01g e o volume por medição do comprimento largura e espessura, com precisão de 0,05 mm. Em seguida as amostras foram colocadas dentro da cabine do equipamento, a face 114 mm x114 mm no ângulo de 90° para o bocal de vidro. A face erodida deve ser a face que melhor represente às condições reais de operação, neste caso a superfície de socagem.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 1 mostra os resultados de volume erodido das amostras dos concretos tratados a 110°C, 600°C e 1000°C. e a Figura 2 mostra fotografias das amostras erodidas tratadas nas mesmas temperaturas dos dois concretos e amostras antes da erosão.
Como pode ser observado o concreto PAA_G apresentou um volume erodido maior que o PAA, aproximadamente 3% e com o aumento da temperatura de tratamento térmico ocorre uma diminuição do volume erodido cerca de 1% nas duas
granulometrias. De acordo com a literatura consultada (MOMBER, 2003), quanto maior o tamanho de agregado menor é a fragilidade e conseqüentemente mais material é removido, desta forma os resultados obtidos estão em conformidade com a literatura. Este efeito pode ser observado também nas fotografias da Figura 2. Como foi observado nos resultados apresentados houve uma diminuição do volume erodido com o aumento da temperatura de tratamento.
0 1 2 3 4 5 6 V o lu m e er o d id o ( cm 3 ) Temperatura de Tratamento °C PAA PAA-G 110 600 1000
Figura 1 Resultados da resistência à erosão do concreto aluminoso antierosivo tratados a 110°C, 600°C e 1000°C
(b) (c)
(d) (e)
(f) (g)
Figura 2 Fotografias da superfície de erosão dos concretos antes da erosão (a) PAA (b) PAA-G, tratados a 110°C (b) PAA e (c) PAA-G, tradados a 600°C (d) PAA e (e) PAA-G e tratados a 1000°C (f) PAA e (g) PAA-G
(PAA-110°C) (PAA-G 110°C)
(PAA-600°C) (PAA-G 600°C)
(PAA-1000°C) (PAA-G 1000°C)
Figura 3 Imagens obtidas por lupa estereoscópia da região erodida das amostras PAA e PAA-G tratadas a 110, 600 e 1000°C.
A Figura 3 mostra as imagens obtidas por lupa estereoscópia da região erodida das amostras. Como pode-ser observar as amostras tratadas a 110°C e a 600°C ocorre um desgaste preferencial da matriz em relação às partículas de agregado. As partículas do agregado aparecem mais destacadas. A 1000°C a matriz e o agregado apresentaram desgaste parecido, indicando que com o aumento da temperatura a resistência ao desgaste da matriz se aproxima ao do agregado contribuído para uma maior resistência no geral.
A Figura 4 mostra os resultados de energia de fratura obtidos.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 E n er g ia d e F ra tu ra ( J .m 2 ) Temperatura °C PAA PAA_G 110 600 1000
Figura 4 Resultados de energia de fratura das amostras de concreto aluminoso antierosivo tratadas a 110°C, 600°C e 1000°C
Pode-se observar que a energia de fratura sofre uma diminuição a 600°C e sobe na temperatura de 1000°C isso ocorre porque a 110°C as ligações de hidratação são responsáveis pela resistência do material, a 600°C ocorre a desidratação do material e como conseqüência a quebra das ligações diminuindo a resistência. e a 1000°C ocorre a formação das ligações cerâmicas que aumentam a resistência.
De acordo com o apresentado foi possível observar que a temperatura teve mais influencia na resistência a erosão que o tamanho de agregado. Já a energia a fratura sofreu influência dos dois efeitos. Além disso, ocorre uma diminuição na energia de fratura em 600°C, porém a resistência a erosão não sofreu diminuição. Indicando que os efeitos responsáveis pela diminuição da energia de fratura não tem
influencia direta na resistência a erosão do material.
CONCLUSÕES
Pode-se concluir que o tamanho de agregado tem maior influência na energia de fratura que na resistência a erosão. Que quanto maior a temperatura maior a resistência a erosão e que os efeitos fazem com que a energia de fratura diminui a 600°C e aumenta a 1000°C não influencia a resistência a erosão.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer ao apoio financeiro recebido da CAPES, FAPESP processo 07/55964-3, CNPq 302387/2007-2, 135921/2008-2, 140202/2009-9 e À IBAR pela doação do concreto refratário.
REFERÊNCIAS
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revestimentos do sistema NiCr-Cr3C2 obtidos por aspersão térmica. 2007,
Sul, Porto Alegre, 2007
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EVALUATION OF FRACTURE ENERGY AND EROSION OF ANTIEROSIVE CASTABLE TREATED 110°C, 600°C AND 1000 ºC.
ABSTRACT
Castable they are material of complex structure, resistant the high temperatures. Some properties of these castable ones demand greater attention as: fracture energy and erosion resistance. In this work these properties had been evaluated in a aluminous castable for petrochemical applications, with sizes of different aggregates. The samples had been molded, cured, dry 110°C, treated 600°C and 1000°C. The results shown that the castable with bigger aggregates is less resistant to the erosion and that with the increase of the temperature of treatment this property increases. The fracture energy decrease between 110°C and 600°C and increased between 600°C and 1000°C. The castable with bigger aggregates presented fracture energy bigger. The fracture energy is influenced by the temperature of treatment and the size of the aggregate whereas the erosion resistance increases with the increase of the temperature, but does not vary significantly with the size of the aggregate.
