XVII CONGRESSO NACIONAL DE
ENGENHARIA MECÂNIA E INDUSTRIAL
ESTUDO DA UTILIZAÇÃO DE REVESTIMENTO DE FIBRA CERÂMICA REFRATÁRIA EM FORNOS DE REAQUECIMENTO DE PLACAS
Diego Madrona Barbosa Dias (1) (diegomadrona@hotmail.com), Edmilson Ferreira da Silva(2)
(ed1000sonharebom@hotmail.com), Paulo Vinicius Eloi Ramos (3) (paulovinicioseloiramos@live.com), Ícaro Silas dos Santos Silva (4), (icarosilas@hotmail.com), Daniele Madrona Dias (5) (danielemadrona@hotmail.com)
(1) Centro Universitário do Leste de Minas Gerais (UNILESTE) – Departamento de Engenharia Mecânica (2) Centro Universitário do Leste de Minas Gerais (UNILESTE) – Departamento de Engenharia Mecânica (3) Centro Universitário do Leste de Minas Gerais (UNILESTE) – Departamento de Engenharia Mecânica (4) Centro Universitário do Leste de Minas Gerais (UNILESTE) – Departamento de Engenharia Mecânica
(5) Universidade Federal de São João Del Rei (UFSJ) – Departamento de Engenharia Mecânica
RESUMO: Pretende-se neste artigo estudar e comparar as características físico-químicas da atuação dos refratários densos e isolantes em fornos de reaquecimento de placas. Este trabalho tem como principal objetivo potencializar as condições de trabalho dos mesmos. Nos testes de termografia, aplicados em escala industrial e nas simulações de elementos finitos realizados com o auxílio de software para simulações térmicas, a fibra cerâmica alcançou temperaturas menores que as regiões com material refratário tradicional. Foi verificado e mostrado que a condutividade térmica na fibra cerâmica é relativamente menor que a do refratário convencional e o material proposto suportou as temperaturas de trabalho. Após os resultados apurados em experimentos e estudos, o revestimento de fibra cerâmica apresenta elevadas vantagens para o processo, pois apresenta menor custo de aquisição e tempo de aplicação, elimina a necessidade de segmento de curvas de aquecimento/resfriamento, maior eficiência energética, agilidade e facilidade de reparo e instalação. Atendendo assim, às principais exigências do mercado: aperfeiçoar a eficiência energética, reduzir a emissão de 𝐶𝑂2 e garantir a segurança e saúde ocupacional. Conclui-se que o
revestimento de fibras cerâmicas possui grande potencial para substituir o revestimento tradicional em fornos de reaquecimento de placas.
Palavras-chave: Refratários. Fibras Cerâmicas. Fornos.
STUDY OF THE USE OF REFRACTORY CERAMIC FIBER COATING IN PLATE REHEATING FURNACES
1. INTRODUÇÃO
Revestimentos refratários são muito utilizados nas indústrias siderúrgicas, de cimento, petroquímica, fundição, cerâmica e etc. segundo a empresa MAGNESITA (2016) são investidos cerca de US$ 25 bilhões/ano no mercado de refratários em todo o mundo, sendo que aproximadamente 70% do consumo deste material se concentra na siderurgia.
Quando equipamentos são submetidos a temperaturas superiores a aproximadamente 900°C é necessário que sejam revestidos por refratários, uma vez que esta temperatura afeta as propriedades mecânicas do material da carcaça do equipamento. A escolha do revestimento refratário correto é crucial para o bom desempenho e longevidade dos equipamentos, pois uma escolha malfeita pode acarretar em perda de desempenho do equipamento e sérios danos à carcaça do mesmo (IBAR, 2012). De acordo com (SILVA e VASCONCELOS, 2016, p.2), a escolha do revestimento refratário correto é importante por estar diretamente ligado aos três pilares básicos da atividade siderúrgica. Sendo o primeiro aspecto ligado ao cenário econômico, no qual é de estrema importância reduzir o consumo energético e otimizar a disponibilidade dos equipamentos para operação; já o segundo está diretamente relacionado à questões ambientais, no qual há uma preocupação mundial em reduzir cada vez mais a emissão de 𝐶𝑂2; o terceiro esta relacionados à segurança e saúde ocupacional, sempre buscando materiais que não trarão preocupações ocupacionais.
Neste estudo serão comparados os tipos de refratários mais comuns utilizados em fornos de reaquecimento de placas, equipamento foco deste trabalho. Dentre esses refratários, podemos distingui-los, usando sua massa especifica, entre densos e isolantes. Os densos são divididos em dois subgrupos, i) os monolíticos que são basicamente os concretos, argamassas e massas plásticas e os moldados que possibilitam a confecção de tijolos com geometrias variadas e características físico-químicas de acordo com a especificação e necessidade de trabalho do forno (COMBUSTOL, 2017). Já os isolantes, em detrimento da sua baixa condutividade térmica e densidade, são utilizados como isolantes térmicos em fornos de alta temperatura (UNIFRAX, 2017).
estas propriedades destacam-se: baixa condutividade térmica, baixa capacidade calorífica, alta resistência ao dano por choque térmico, baixa densidade, alta resiliência e flexibilidade. Estes atributos fazem com que estes materiais sejam utilizados não só como revestimento permanente, mas também como revestimento de trabalho. Por possuírem baixa condutividade térmica, a perda de energia (calor) através do revestimento refratário é minimizada e, consequentemente, a eficiência energética do equipamento é potencializada. Adicionalmente, avaliando-se em conjunto os três parâmetros, condutividade térmica, capacidade calorífica e densidade, estes estão diretamente relacionados ao controle da energia interna do equipamento. Como são necessários ajustes de temperatura no forno durante o tratamento de diferentes materiais (qualidade distinta de aços), os isolantes térmicos fibrosos respondem com uma menor inércia térmica quando comparados a outros refratários; desta forma, o consumo de energia é otimizado. Avaliando o aspecto de produtividade, por apresentarem alta resistência ao dano por choque térmico, esta propriedade permite o emprego de altas taxas de resfriamento e aquecimento nos fornos, após paradas de manutenção e/ou de operação, aumentando a disponibilidade do equipamento para o processo produtivo. Os outros dois fatores, alta resiliência e flexibilidade, são importantes durante o processo de instalação e montagem do revestimento. Estas características permitem a realização de intervenções de manutenção em tempos reduzidos, aumentando a disponibilidade do equipamento para a produção. (SILVA e VASCONCELOS, 2016, p. 2).
Segundo Godinho et al (1996, p.2), “o desempenho dos refratários durante sua utilização industrial, depende de suas propriedades frente às diferentes solicitações a que são expostos pelas condições operacionais”. Logo, os profundos conhecimentos das características dos processos e das propriedades dos materiais selecionados são de fundamental importância.
reparos, eliminação de improvisações durante a execução de reparos, garantir a execução das atividades com maior segurança e a eliminação da necessidade de se seguir curva de aquecimento e resfriamento dos fornos.
2. METODOLOGIA
2.1. Apresentação do problema
Fornos de reaquecimento são comumente utilizados na indústria siderúrgicos para aquecimento das placas de aço produzidas pelo processo de lingotamento. Essas placas devem ser reaquecidas, uniformemente, seguindo um perfil apropriado, de forma que elas tenham as propriedades mecânicas e metalúrgicas requeridas para sua laminação. Além disso, desejável um controle dinâmico de temperatura nos fornos de reaquecimento satisfatório para que se reduza o consumo de combustível, já que tal consumo é responsável pela parcela mais onerosa dos custos de operação do processo de laminação a quente (OTÁVIO, BRUNO SOARES TEIXEIRA, 2007; p. 1)
Os fornos de reaquecimento, equipamentos foco deste trabalho, são extremamente importantes para o processo siderúrgico, pois são responsáveis pelo reaquecimento das placas até o ponto ideal de laminação, sendo assim, paradas não programadas nestes, são um grande problema para operação. O revestimento refratário denso atualmente utilizado, tem gerado altos custos para manutenção, constante quebra do revestimento refratário das vigas e colunas dos fornos de reaquecimento de placas, conforme mostrado na Figura 1, perda de ancoragem das paredes refratárias pelo ataque ácido, conforme mostrado nas Figuras 2 e 3, choque térmico pelo ciclo operacional e alta temperatura da carcaça.
FIGURA 2. Cisalhamento e corrosão da ancoragem por ataque ácido Fonte: Siderúrgica Brasil S.A (2016)
FIGURA 3. Cisalhamento e corrosão da ancoragem por ataque ácido Fonte: Siderúrgica Brasil S.A (2017)
FIGURA 4. Equipamentos utilizados para realização das medições Fonte: Siderúrgica Brasil S.A (2017)
Foi gerado um modelo CAD de parte do teto da zona de encharque do forno de reaquecimento de placas, foi priorizado o estudo e a realização do cálculo de perda de calor do teto e das paredes do forno. Como o teto recebe maior quantidade de calor por convecção e pelo fato da âncora do bloco possuir um coeficiente de condutividade térmica maior que o bloco, tem-se maior perda de calor pelo teto, tornando-se assim, no ponto de maior criticidade do forno, conforme mostra a FIGURA 5. Já as paredes conduzem menos calor, porém, tem apresentado problemas por ataque químico das ancoragens, conforme mostrado nas Figuras 2 e 3. Software CAD utilizado: SolidEdge ST8.
FIGURA 5. Revestimento refratário atual do forno Fonte: os autores (2017)
FIGURA 6. Revestimento refratário proposto Fonte: os autores
Nota-se que o coeficiente de condutividade térmica “k” tanto do módulo de fibra cerâmica quanto a massa refratária, são menores que os do refratário convencional, conduzindo menor quantidade de calor para parte externa do forno, mantendo assim, maior quantidade de calor na parte interna do forno e consequentemente consumindo menos combustível.
Para confirmação dos resultados obtidos pelo fabricante, foram realizados ensaios laboratoriais de determinação da condutividade térmica e da emissividade do revestimento proposto e uma análise de elementos finitos das perdas térmicas pelas paredes e teto dos fornos com a aplicação do revestimento proposto.
2.2. Características/Propriedades de cada material
Este presente estudo leva em consideração o revestimento refratário das paredes e teto dos fornos de reaquecimento de placas. De acordo com as informações fornecidas pelos fabricantes dos materiais, começou-se então a análise das propriedades químicas e físicas de cada material. As propriedades do revestimento refratário denso estão representadas no Quadro 1.
QUADRO 1. Propriedades químicas e físicas do refratário denso Fonte: COMBUSTOL (2017)
Depois do posicionamento é aplicada uma massa injetável com maior resistência mecânica na superfície dos módulos para garantir maior eficiência a impactos e vibrações. Propriedades estas que estão demonstradas na Figura 7.
2.3. Eficiência energética
Segundo Goldbach, (2014), a eficiência da combustão e do reator são os fatores que determinam a eficiência energética total. É importante lembrar que quanto menor a perda de calor pelas paredes e teto, melhor será o desempenho energético do forno, menor será o custo com fluidos para o processo de combustão do forno e menor será a temperatura na carcaça externa. Por isso se faz tão necessário o estudo de novas tecnologias presentes no mercado, para garantir a eficiência e a otimização do processo. Para avaliar a eficiência energética dos materiais em estudo, foram realizados testes como condutividade térmica, termografia através de câmera termográfica e softwares de cálculo de elementos finitos.
Nos testes de condutividade térmica, pode-se observar que os valores de condutividade térmica estimados para manta e massa isolante, conforme Quadro 2, são consideravelmente menores que os valores obtidos no concreto refratário (muito utilizado em revestimentos do piso, paredes e teto dos fornos de reaquecimento de placas), apresentados no Quadro 3.
Materiais k(W.𝒎−𝟏. °𝑪−𝟏) Resultados do experimento
Massa isolante
T(média) = 1059°C 0,38
Manta T(média) =
610°C 0,15
Foram realizados testes termográficos nas paredes externas dos fornos. É de grande importância manter a temperatura da superfície externa dos fornos a mínima possível, para garantir maior eficiência energética dos fornos e maior segurança dos colaboradores quando se faz necessário à execução de atividades próximo a superfície externa do mesmo. Portanto, quanto menor a temperatura das paredes externas dos fornos, mais seguro se torna a área.
Foi realizado um teste em uma área de 37m² em uma das paredes interna do forno em estudo, os resultados termográficos do antes e depois da área de teste, pode ser observado na Figura 8. As paredes com revestimento de fibra cerâmica apontaram redução na temperatura da carcaça de aproximadamente 50°C.
FIGURA 8. Termograma e balanço energético Fonte: os autores
FIGURA 9. Composições usuais de revestimento refratários empregados em fornos industriais Fonte: Siderúrgica Brasil S.A (2016)
De acordo com os estudos de Silva e Vasconcelos (2016, p.13), “como o revestimento de lãs isolantes possuem baixa densidade, reparos e instalação são mais simples e ágeis. Após a montagem, foi possível diminuir o tempo de aquecimento e encharque, pelo fato destes revestimentos não necessitarem de secagem prévia e possuírem menor inércia térmica”.
2.4. Análise de elementos finitos
FIGURA 10. Simulação de transferência de calor pelo teto do forno com revestimento atual Fonte os autores (2017)
Nota-se que a maior perda de calor acontece na junção inferior e superior da âncora com o bloco. Além disto, o coeficiente de condutividade térmica (k) da âncora é 3,5 vezes maior do que o do bloco, conduzindo maior quantidade de calor para o ambiente externo, ou seja, perdendo calor interno e consequentemente reduzindo a eficiência térmica do mesmo.
FIGURA 11. Simulação de transferência de calor com revestimento proposto Fonte: os autores
2.5. Análise das Curvas de Aquecimento/resfriamento
Outro ponto importante a ser avaliado é referente às curvas de aquecimento/resfriamento de cada material, pois quanto mais rápido aquecer/resfriar o forno sem causar danos ou choque térmico no material refratário, maior será a disponibilidade e produtividade da planta.
Avaliando o forno 1 da empresa,(...), um incremento na temperatura da zona de aquecimento de 100 °C, ou seja, de 1180 para 1280 °C, foi alcançado em um período de 8 min. Outro ponto observado é que à medida que as placas de aço foram desenfornadas a aproximadamente 5 m de distância da zona de aquecimento, um decréscimo de 100 °C foi alcançado em um intervalo de 5 min. Esta baixa inércia térmica é bastante demandada nas indústrias, em especial nos fornos de austenitização e revenimento, uma vez que rápidas variações nas temperaturas das zonas destes equipamentos são solicitadas, principalmente quando se trabalha com produtos que demandam diferentes temperaturas de tratamento térmico. De acordo com os dados da curva de resfriamento da zona de encharque do forno 2 da empresa, foi observado que o resfriamento do equipamento de 1250 a 100 °C foi alcançado em aproximadamente 7 h, sendo que para a concepção antiga do revestimento em tijolos densos e isolantes esta atividade levava aproximadamente 48 h. Uma hora após o desligamento dos queimadores, a água de refrigeração das vigas e colunas fixas e móveis, skids, é drenada e 6 h após esta atividade as portas laterais para a manutenção são abertas. A possibilidade de um resfriamento e um aquecimento mais rápido, desde que não ocasione danos por choque térmico significativos no material refratário, aumenta a disponibilidade e consequentemente a produtividade de uma planta industrial. Esta característica torna as fibras isolantes efetivas para o cumprimento desta exigência (SILVA e VASCONCELOS, 2016, p.12)
GRAFICO 1. Relação temperatura x Tempo Fonte: UNIFRAXl S/A (2016)
A corporação N.S.C. (Nippon Steel Corporation) também reportou sobre a baixa inércia térmica do revestimento em fibra cerâmica do forno de reaquecimento de placas em Kimitsu Works 3. Foram comparadas duas modalidades construtivas, uma com revestimento refratário convencional (tijolos densos e isolantes) e outra em fibra cerâmica. O forno com a primeira configuração apresentou uma inércia térmica de 1 °C/min, contra 7 °C/min para o revestimento majoritário em fibra cerâmica. Estes dados foram levantados durante a etapa de resfriamento, partindo da temperatura inicial igual a 1270 °C e reduzindo para 1200 °C. Esta característica de baixa absorção térmica das fibras isolantes é observada devido a estas apresentarem baixo valor de densidade aparente quando comparadas a outros tipos de revestimentos Enquanto as fibras PCW, utilizadas em temperatura constante de 1500 °C possuem valor de densidade aparente próximo a 100 kg/m³, tijolos isolantes que podem ser expostos à mesma temperatura de trabalho, sem perda de suas propriedades, possuem valores próximos a 1000 kg/m³. Logo, estes tijolos isolantes possuem 10 vezes a mais de massa a ser aquecida, quando comparados às fibras refratárias isolantes. (SILVA e VASCONCELOS, 2016, p.13)
O revestimento de fibra cerâmica apresentou resultados satisfatórios em testes realizados em fornos de grandes empresas siderúrgicas. Com isso, foi possível garantir maior eficiência térmica do forno e com resfriamento/aquecimento mais rápido, é possível realizar paradas para manutenção menores e consequentemente, tem-se maior tempo de equipamento produzindo.
2.6. Custos
maneiras de encarar os concorrentes, que muitas vezes, não estão preparados. O que não pode acontecer é a organização ter como meta, reduzir custos, mas não ter planejamento adequado, ou um bom controle de informações e do sistema, para poder realizar isso de fato” (VIEIRA, 2014, p.1).
Atualmente é de extrema importância que as empresas consigam aperfeiçoar sua produção, diminuindo seu custo de processo, aumentando a eficiência dos equipamentos, para se tornar cada vez mais competitivo no mercado. Neste sentido, o estudo levou em consideração o custo dos materiais e demolição/m². Conforme demonstrado na Figura 12 o custo do módulo de Fibra Cerâmica no ano do estudo, custava em média R$2.967,00/m², enquanto o custo do revestimento Convencional em custava em média R$12.767,00/m².
FIGURA 13. Informações referentes à redução energética após aplicação do novo revestimento em 37 m² Fonte: Siderúrgica Brasil S.A (2016)
Como o forno em estudo possui uma meta de operação de aproximadamente 90.000 t mês⁄ e o custo do combustível de queima utilizado é de R$ 0,11, chega-se a seguinte relação:
Redução no Custo Energético
= Redução energética (Mcal T⁄ ) x Custo do combustível Mcal⁄ x Produção estimada mês⁄ Nota-se que aplicando essa relação pode-se estimar uma economia de R$ 7.623 mês⁄ , substituindo apenas em uma área de 37 m² de uma das paredes do forno. De acordo com (SILVA e VASCONCELOS, 2016, p.13), a empresa Sumitomo Metal Corporation realizou testes com três diferentes revestimentos em um forno de forja, em um período de avaliação de 5 anos (4.700 h), com temperatura de trabalho 1300°C com área igual à 212 m² e utilizando gás natural como combustivo de queima cujo custo é de 0,17€ m³⁄ .
3. METODOLOGIA DE APLICAÇÃO
É importante levar-se em consideração neste estudo à metodologia de aplicação dos dois materiais para melhor entendimento da diferença de aplicação dos mesmos. Na aplicação/instalação do refratário denso (convencional), realiza-se processo mais longo e criterioso, conforme Quadro 5, para garantir a qualidade de aplicação e operação do forno.
No revestimento de fibra cerâmica, a aplicação do revestimento é consideravelmente simples, devido à baixa densidade do revestimento o seu manuseio é mais fácil e prático, conforme demonstrado no Quadro 4.
Revestimento de Fibra Cerâmica Metodologia
Demolição e retirada do entulho do revestimento a ser substituido; Limpeza da carcaça;
Preparação das extremidades; Instalação dos módulos de fibra cerâmica;
Aplicação da massa de fibra cerâmica.
Revestimento Convêncional Metodologia
Demolição e retirada do entulho do revestimento a ser substituido;
Preparação do substrato (solda da âncora metálica - local de fixação da âncora cerâmica); Preparação do backup (montagem de manta e placa de fibra cerâmica);
Instalação da âncora cerâmica; Instalação das juntas de dilatação;
Se Concreto vibrado Se concreto pela técnica Shotecrete Montagem de forma; Mistura do concreto (equipamento próprio)
Mistura do concreto; Secagem do concreto;
Transporte do concreto para forma; Queima do concreto; Vertimento do concreto na forma; Projeção do concreto no
Secagem do concreto; Queima do concreto;
Retirada da forma.
QUADRO 5. Metodologia de aplicação do refratário denso (convencional) Fonte: Siderúrgica Brasil S.A (2017)
4. DISCUSSÃO
Percebeu-se que a utilização de revestimentos refratários na indústria é indispensável e por isso é muito importante que seja feito a escolha certa do tipo de revestimento para cada aplicação especifica. Neste presente trabalho, depois de muitos estudos e testes, constatou-se que para os fornos de reaquecimento de placas, o revestimento de fibra cerâmica apresentou resultados satisfatórios quando comparados ao revestimento de refratário denso e de acordo com os dados fornecidos pelos fabricantes e os dados relatados neste estudo, percebemos que o coeficiente de expansão térmica média (potencial formador de trincas) e a condutividade térmica do refratário denso são consideravelmente maiores do que os valores obtidos na fibra cerâmica, o que faz com que a fibra cerâmica conduza (perca) menos calor do que o refratário denso.
também levou em consideração o custo/m² dos dois revestimentos e o valor do m² do revestimento de fibra cerâmica chega a ser 4,3 vezes menor do que o revestimento refratário convencional. Com isto, Silva e Vasconcelos (2016, p. 22), falam que o revestimento de fibra cerâmica refratária apresenta grandes vantagens em relação ao revestimento refratário convencional, vantagens estas que estão diretamente ligadas à eficiência energética. Já no quesito econômico de disponibilidade de produção dos equipamentos, o revestimento de fibra cerâmica apresentou maiores vantagens, garantindo assim maior disponibilidade dos equipamentos para área produtiva.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
REFERÊNCIAS
Arquivo técnico Siderúrgica Brasil S.A.2017. Arquivo técnico UNIFRAX 2017.
Arquivo técnico IBAR 2012.
Arquivo técnico COMBUSTOL 2017.
BASTOS, S. C. L. P.; LEAL, J. F. C.; QUINTELA, M. A. Desenvolvimento de nova geração de tijolos refratários de Al2O3-SiC-C, Minas Gerais, Brasil, p. 1-3, 2010.
CARVALHO, M. D. Âbacos para o cálculo de refratários, São Paulo, Brasil, v. 24, p. 763- 765, 1968.
COTTA, L. S.; RODRIGUES, C. G. Avaliação de revestimento refratário no processo siderúrgico, Minas Gerais, Brasil, p. 1-4, 2014.
CRUZ, C. R. V. Comportamento de refratários no aquecimento, arrefecimento e reaquecimento de fornos, Minas Gerais, 1978.
GODINHO, M. A.; LAGE, I. J. LIMA, E. T. Caracterização de produtos através de ensaios em laboratório, Minas Gerais, Brasil, 1996.
MAGNESITA - Produtos e Serviços: Soluções refratarias. - Disponível em: http://magnesita.riweb.com.br/show.aspx?idCanal=oJqMuxJ9qGLCEnjfQbjgPA==>. acesso em:
20/06/2017.
RESENDE, J. B.; MAISUOKA, S. Assentamento de refratários na siderurgia, Minas Gerais, Brasil, p. 2-6, 1978. SILVA, E. O. Projeto de um forno para fusão alcalina de minérios (zirconita).
Monografia em Engenharia Química – Universidade de São Paulo, 216 p., 2012. INDUSTRIAL HEALTING BRASIL – Eficiencia Energetica de Fornos Industriais a
Disponível em: <http://revistaih.com.br/voce-sabia-eficiencia-energetica-de-fornos-industriais-a-gas/==>.acesso em: 07/10/2017.
