AVALIAÇÃO DO DESGASTE DE REFRATÁRIOS UTILIZADOS EM PANELA DE REFINO DE AÇO
S. R. Bragança, A. Zimmer, L. A. dos Santos, C. P. Bergmann
Av. Osvaldo Aranha, 99/705c. Porto Alegre - RS. cep.90035 -190 e-mail: saulorb@ufrgs.br
Laboratório de Cerâmicos da Universidade Federal do Rio Grande do Sul LACER/UFRGS
RESUMO
O desgaste de refratários em uma panela utilizada para refino do aço é um processo gradual que ocorre principalmente devido à corrosão química, fortemente influenciada pela composição das escórias metalúrgicas. Apesar de a corrosão química ser o processo mais importante, os fatores térmicos como gradientes de temperatura e termoclase podem ser agravantes. Fenômenos mecânicos também exercem forte influência, como a erosão e esforços de compressão, flexão e tração. Portanto, a estrutura e as propriedades físicas do tijolo refratário são fundamentais. Sendo o desgaste dos refratários mais concentrado na altura da linha de escória, procurou-se avaliar os refratários deste local. Então, neste estudo de caso, foram realizados os ensaios de caracterização dos refratários segundo as normas técnicas, procurando-se avaliar os dados obtidos, comparando-os com as especificações técnicas dos produtos e concluindo se os resultados são úteis no propósito deste estudo, ou seja, no aumento da vida útil dos refratários e na seleção de refratários mais adequados às condições de trabalho.
Palavras-chave: refratários, aciaria, corrosão.
1. INTRODUÇÃO
A busca contínua por melhoria na relação custo/benefício dos materiais refratários, através de mudanças nos processos industriais e adequação das propriedades às condições de serviço, são fatores presentes na indústria de
refratários. Os refratários normalmente estão submetidos a condições severas de uso, dentre os quais, destacam-se: alta temperatura, esforços mecânicos, vibrações, choque térmico (em conseqüência às oscilações térmicas), desgaste, corrosão química, entre outros.
Estas solicitações podem conter variantes que contribuem para agravar a severidade das condições de serviços, tais como: características físicas e químicas da carga do forno, composição dos gases e atmosfera no forno, susceptibilidade da carga à umidade e vapor, trajetória da carga no forno, tipo de carregamento, descarga, vibrações, entrada de energia por unidade de tempo, temperatura de trabalho, resíduos de combustão, aquecimento unilateral ou multilateral, gradiente de temperatura no revestimento. O desempenho de refratários da panela utilizado no refino de aço compreende um conjunto de fatores, desde o simples vazamento na panela a operações mais sofisticadas do forno panela, como desgaseificação por vácuo (VAD).
Portanto, o projeto e seleção adequados de um refratário, procurando maximizar a vida útil dos mesmos é tarefa de alta complexidade. As principais causas da degradação dos refratários decorrem de fatores mistos, onde os processos podem ser simultâneos e interdependentes. Assim, as propriedades químicas e físicas dos refratários devem ser bem compreendidas.
Na avaliação dos mecanismos de desgastes dos tijolos da linha de escória da panela de refino de aço, neste estudo de caso, constatou-se que ocorria principalmente elevado desgaste por corrosão química. Em princípio, isto se devia pelas próprias condições de processo da empresa, pela diversidade operacional, vários tipos de ligas produzidas, ou seja, oscilações térmicas, complexidade de controle do processo, etc. Fatores estes que a diferenciam de outras indústrias de processos mais simplificados. No entanto, três fatores apresentaram forte influência e que poderiam ser melhorados: otimização do teor de MgO na escória, otimização da atmosfera de queima no aquecimento da panela e minoração do trincamento dos refratrários.
Face a isto, foram realizados diversos ensaios, objetivando-se a perfeita caracterização dos parâmetros físicos e químicos por meio de análises normatizadas. Ao final desta etapa, dispunha-se de diversos parâmetros que ajudaram a conhecer melhor as características e propriedades técnicas dos
refratários. Este avanço no conhecimento destes materiais permitiu uma melhor compreensão para na determinação dos mecanismos de trincamento e desgaste.
De acordo com a análise em diagrama de equilíbrio ternário SiO2-Al2O3-MgO, poderia se aumentar o teor de MgO na escória, como alternativa de diminuir o desgastes dos tijolos refratários da linha de escória. A partir do pressuposto teórico e discussões com a equipe da empresa, foram planejados os testes industriais.
Revisão na Literatura
Na corrosão de refratários o primeiro fator a ser analisado é o estudo termodinâmico, mas quando não se pode realizar um estudo tão completo, utiliza-se, simplesmente, o Diagrama de Fases, na previsão/interpretação do desempenho dos refratários em serviço. A evolução de um sistema será naturalmente na direção a um estado de equilíbrio, que será tanto mais facilmente atingido quanto mais alta for a temperatura e mais abundante a fase líquida. Perante uma situação de corrosão de um refratário, interessa antes da análise de outro fator qualquer, saber o que acontece no equilíbrio, naquelas condições de serviço, e só depois analisar o efeito de outros fatores, que por sua vez, podem contrariar a tendência expressa pelo diagrama de fases. A estrutura física do refratário, por exemplo, em especial a sua homogeneidade e a porosidade, pode interferir extensamente na reação de corrosão e dirigi-la para resultados totalmente inesperados do ponto de vista do equilíbrio previsível pelo diagrama de fases (1, 2) .
Em geral, pode-se dizer que a taxa de corrosão depende: i) superfície ativa do refratário, a rugosidade e a porosidade; ii) a temperatura, influencia exponencialmente a velocidade de reação; iii) a viscosidade da escória; iv) a velocidade de escoamento da escória sobre o refratário, determina a espessura da camada limite; v) velocidade de difusão através da camada limite (zona de reação) que pode ser reduzida pela introdução de grupos volumosos de átomos (elevado volume molar), portanto, aumentando a passivação (1, 3, 4).
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Os refratários da linha de escória usados em panelas são os magnesianos impregnados de carbono. Estes podem ser descritos como tijolos magnesianos de 30% de grãos eletrofundidos, constituído por magnésia sinterizada e grãos eletrofundidos, 9-12% de carbono, agentes antioxidantes, ligado a piche e curado.
Os dados de caracterização dos refratários foram baseados nas normas técnicas. Assim, procederam-se os ensaios conforme as normas relacionados a seguir: tenacidade à fratura pela norma ASTM C 133 – 97; módulo de ruptura pela norma ASTM C 133 – 97; compressão pela norma ASTM C 133 – 97; porosidade aparente, densidade aparente e absorção de água pela norma ASTM C 20 – 92; permeabilidade a gases pela norma NBR 13590; choque térmico pela norma ASTM C 1171 – 96. Analisou-se a rugosidade por rugosímetro marca Mitutoyo Surftest – 211 e a microestrutura em microscópio eletrônico e em lupa estereoscópica.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Identificação dos fatores de desgaste
3.1.1 Trincamento
A avaliação dos refratários após a sua utilização demonstra que o ataque ocorre principalmente nas juntas. Além disso, muitas amostras apresentaram uma trinca no meio do tijolo, o que é bastante prejudicial, uma vez que aumenta a área de contado com a escória. A Figura 1 mostra que a profundidade da trinca excede ao que normalmente ocorre em revestimentos de fornos panela, agravando o desgaste do refratário.
Figura 1: Comparação entre um tijolo novo e outro com trinca e excessivo desgaste químico após a vida útil do refratário.
3.1.2 Análises da composição de escória
Uma escória típica utilizada em parte no refino de aço é referida na Tabela 1. Está análise mostrou que mesmo ao final do processo o teor de MgO ainda estava aquém do teor de saturação de MgO na escória, a fim de evitar o consumo de MgO do tijolo. Conforme análise no diagrama de equilíbrio a escória deveria estar com 14% de MgO.
Tabela 1 – Composição química da escória retirada ao final do processo.
Composto MgO Al2O3 CaO SiO2 Basicidade
(%) 9,8 14,1 46,0 26,0 1,8
3.1.3 Aquecimento da panela
A inspeção da panela logo após o aquecimento, que se realiza antes do início da operação, mostrou que ocorre perda de material durante este procedimento. Como pode ser visto na Figura 3, perde-se aproximadamente 6 mm do refratário o que pode representar uma redução da vida útil de cerca de 2 corridas na linha de escória. Além disso, a forte oxidação inicial dos refratários compromete outros aspectos, como perda de carbono, consumo de anti-oxidante e formação de óxidos nas juntas.
Descarbonetação ao redor de 6mm no primeiro aquecimento da panela.
3.2 Avaliação das Características Tecnológicas dos Refratários
Os testes de caracterização tecnológica tiveram como objetivo verificar se os tijolos atendiam às exigências das normas técnicas e especificamente em alguns testes, como tenacidade e resistência ao choque térmico, fornecer maior conhecimento da estrutura dos tijolos, já que os mesmos trincavam em serviço. Para o mesmo fim, foi realizada a análise da microestrutura. A Tabela 2 apresenta os dados de caracterização dos tijolos.
Tabela 2: Caracterização tecnológica
Parâmetros Absorção de água 0,82% Porosidade aparente 2,55% Densidade aparente 3,0 g/cm3 Permeabilidade a gases 5,21.10-16 m2 Rugosidade 3,8 Ra (µm)
Resistência à compressão 36 MPa
Resistência à flexão 11 MPa
Tenacidade à fratura 2,2 MPa m1/2 Resistência a flexão após 5 choques
térmicos*
1,2 MPa
* 5 ciclos de 15 minutos a 1200ºC e 15 minutos ao ar
De um modo geral, os ensaios mostraram que em todos os parâmetros analisados, os refratários atendiam aos padrões das especificações técnicas. Os dados de absorção de água, densidade aparente, porosidade aparente, permeabilidade a gases e rugosidade provam que o excessivo desgaste dos refratários não foi conseqüência de algum problema da estrutura física dos tijolos. Os baixos valores de absorção de água e permeabilidade a gases e elevada densidade encontrados significa uma baixa capacidade de penetração por escória.
As resistências à flexão e à compressão são adequadas, ao passo que a tenacidade mostrou ser elevada e a resistência ao choque térmico razoável, considerando-se às condições de serviço. Completando esta análise, foi realizada a microscopia das amostras, a fim de se caracterizar a microestrutura.
Figura 4: Micrografia em lupa mostrando boa distribuição de tamanhos de grão. 30x.
Figura 5: Micrografia em microscópio eletrônico mostrando detalhe de grão eletrofundido. 50x.
Na observação da microestrutura apresentadas nas Figuras 4 e 5, verificou-se que os grãos apresentaram elevada pureza. Do mesmo modo, notou-se a presença de grãos de elevado tamanho, que segundo a literatura especializada, grãos maiores aumentam a resistência ao desgaste. A microestrutura revelou também a otimização da distribuição granulométrica com grãos pequenos, médios e grandes e, portanto, elevada resistência ao choque térmico (5,6) .
A partir das constatações por meio da análise técnica e microestrutural, pode-se perguntar, por que a performance dos tijolos não foi melhor? E, principalmente, por que os tijolos trincavam?
Em princípio, pelas próprias condições operacionais da empresa, seja pela diversidade operacional, vários tipos de ligas produzidas, gradientes térmicos na troca de bateladas, complexidade de controle do processo, etc. Fatores estes que a diferenciam de outras indústrias de processos mais simplificados.
No entanto, dois fatores apresentaram forte influência e poderiam ser melhorados: otimização do teor de MgO na escória que será discutido no item 3.3 e otimização da atmosfera de queima no aquecimento da panela. Para este, bastaria regular os queimadores para combustão em atmosfera redutora, evitando a excessiva descarbonetação, mostrada anteriormente na Figura 3. A oxidação dos tijolos é mais crítica do que se poderia supor numa análise pouco criteriosa. Não se trata somente de desgaste e um pequeno desperdício do material. A oxidação leva a uma mudança na estrura do tijolo representada pela expansão permanente do tijolo, o que pode explicar em parte a formação de trinca, apesar da otimização da distribuição granulométrica, mostrada na análise da microestrutura. Além disso, como citado anteriormente, leva a perda de carbono e consumo de anti-oxidantes (tipicamente de Si ou Al).
3.3 Testes em Escala Industrial
De acordo com a análise em diagrama de equilíbrio, poderia se aumentar o teor de MgO na escória, como alternativa de diminuir o desgastes dos tijolos refratários da linha de escória. A partir do pressuposto teórico e discussões com a equipe técnica da empresa, foram planejados os testes experimentais.
A Figura 6 apresenta o resultados dos testes realizados em mais de 70 corridas em condições normais de produção.
Figura 6: Teor de MgO na escória em cada corrida antes do lingotamento.
Nas diversas corridas realizadas, foram observados os teores total de MgO na escória e analisados os desvios padrões (Figura 6). Verificou-se que em média houve um acréscimo muito pequeno do teor de MgO, e ainda aquém do aumento previsto pela meta dos testes (definida em 12%), portanto, não atingiu-se a escória objetivada. Cabe salientar que antes da realização dos testes a situação era de aproximadamente 9% de MgO, sendo que nos testes a média passou a aproximadamente 10% de MgO e desvido padrão de 2,2%. A compreensão do fenômeno de adicionar-se maior quantidade em quilogramas de MgO sem que haja um aumento do teor deste na escória, sugere que os níveis de saturação previamente obtidos tinham como causa um gradiente de desgaste do refratário pela a escória. A complementação dos testes (elevação do teor de MgO na escória) poderia permitir um avanço na redução de consumo de refratário bem como um conhecimento nos aspectos de viscosidade/inclusão.
Os dados analisados apontaram para uma melhora na performance dos materiais refratários, garantindo uma maior segurança e confiabilidade dos mesmos na operação. Por outro lado, este aumento na quantidade de MgO não comprometeu a qualidade do aço produzido, conforme dados da empresa.
Em números relativos, a média da espessura final dos tijolos aumentou. Verificou-se que anteriormente os tijolos terminavam sua vida útil com aproximadamente 30-40mm, ocorrendo um aumento da espessura nos testes para
retirada com 60-80mm. Para um refratário de tamanho inicial de 150mm, para situação anterior (espessura final de 30mm) ocorria um desgaste de 6mm/corrida, enquanto, para situação atual (espessura final 80mm), obtinha-se desgaste de 3,5mm/corrida. Isto significa que este refratário ainda resistiria mais 15 corridas em relação à condição anterior. É claro que se analisando os dois extremos da condição de desgaste, força-se uma diferença, porém, isto demonstra o que potencialmente pode ser realizado em termos de economia de refratários. Além disso, outro benefício é a maior segurança no processo na linha de escória. A Figura 7 apresenta um refratário selecionado após o término de sua vida útil, mostrando ausência de trinca, pouco ataque nas juntas e maior espessura final.
Figura 7: Refratários da linha escória após teste, mostrando menor desgaste final.
4. CONCLUSÕES
A espessura final de refratários de revestimento da linha de escória foi aumentada, a partir do incremento do teor de MgO na composição da escória. Isto foi obtido empregando-se o diagrama de fases SiO2-Al2O3-MgO para cálculo do equilíbrio das composições na temperatura de processo.
A caracterização tecnológica mostrou que os refratários possuem qualidades compatíveis e otimizadas perante as condições de operação que se destinam. A excessiva profundidade de trincas apresentadas após serviço era conseqüência da atmosfera muito oxidante durante o aquecimento e posterior desgaste químico.
REFERÊNCIAS
2. S. Kienow, Ceramics Monographs – A Handbook of Ceramics, Verlag Schmidt GmbH Freiburg i. Brg., (1979).
3. H. Wagner, HG. Stallmann, H. Naefe, Metallurgical plant and technology international 5, (1991).
4. G.H. Frischat, Ceramics Monographs – A Handbook of Ceramics, Verlag Schmidt GmbH Freiburg i. Brg., (1983).
5. V. C. Pandolfelli, M.T. Fadel, Cerâmica 35, 228 (1989). 6. G.A. Schneider, Ceramic International 17 (1991).
EVALUATION OF LADDLE REFRACTORY BRICKS WEARING USED IN STEEL CASTING
S. R. Bragança, A. Zimmer, L. A. dos Santos, C. P. Bergmann
Federal University of Rio Grande do Sul, DEMAT, Porto Alegre RS, Brazil Av. Osvaldo aranha, 99/705, Bairro Centro, 900135-190
ABSTRACT
The wearing of ladle refractory brick in steel casting is a gradual process which is a consequence manly of chemical corrosion, and this is strongly affected by metallurgical slag composition. Besides the chemical corrosion, others factors also contributed to refractory wearing like temperature variation and thermal chock. Also mechanical factors are deleterious such as erosion, compression and flexural stress. Therefore, the structure and physical properties of refractory brick must be carefully considered. It was analyzed the slag line, where the corrosion is more critical. In this study of case it was realized the technical characterization of the brick according to technical standards, evaluating the data and comparing them to the product technical specifications. Then, it was analyzed if these results were useful to improve the life of refractory bricks and to select more appropriate refractory bricks adapted to service conditions.
