PÓS GRADUAÇÃO EM PROCESSOS METALÚRGICOS DE FABRICAÇÃO

IMPACTOS NOS REFRATÁRIOS DO FORNO DE SOLEIRA ROTATIVA COM COMBUSTÃO POR ÓLEO BPF E POR GÁS

Alunos: Felipe A. de T. NovaisWillians F. Borsoi

Professor: Ulisses Soares do Prado

SÃO PAULO

2015

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................................... 3

2 TIPOS DE REFRATÁRIOS UTILIZADOS NO FORNO............................................................. 4

3 ANÁLISE DOS COMBUSTIVEIS NO REFRATÁRIO................................................................ 5

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS...................................................................................................... 7

1 INTRODUÇÃO

Forno de Reaquecimento

O forno de reaquecimento é um equipamento utilizado para elevar a temperatura dos blocos até que se tornem suficientemente plásticos para permitir a redução mecânica à secção desejada.

Neste forno temos 4 zonas de temperaturas, são elas:

1ª Zona – Zona de pré-aquecimento (1000°C até 1280°C)2ª Zona – Zona de aquecimento (1200°C até 1300°C)3ª Zona – Zona de aquecimento (1230°C até 1330°C)4ª Zona – Zona de encharque (1260°C até 1350°C)

O projeto original do forno é mantido só sendo trocado seus refratários e aplicados os cimentos refratários.

Geralmente está troca é feita de 5 em 5 anos nos pontos de maior desgaste.Os pontos de maior desgaste onde geralmente são reformados em todas as paradas são

onde se encontram os maçaricos, a chaminé e a soleira.Um teste interessante que foi realizado na penúltima reforma foi o aumento da camada de

concreto refratário na soleira do forno rotativo. Com este aumento da camada o desgaste da soleira foi muito menor, não necessitando ser reformada.

2 TIPOS DE REFRATÁRIOS UTILIZADOS NO FORNO

O forno rotativo é composto por muitos tipos de refratários e materiais refratários. As paredes são compostas por camadas de refratários

Refratários na soleira

Na soleira do forno rotativo, como já citado anteriormente, houve uma alteração que resultou em um menor desgaste da soleira.

Antigamente a soleira rotativa era composta por as seguintes camadas de refratários:

Refratário 1Refratário 2Refratário 3

Hoje a soleira rotativa é composta por:

Cimento cerâmicoRefratário 1Refratário 2Refratário 3

Geralmente está troca é feita de 5 em 5 anos nos pontos de maior desgaste.Os pontos de maior desgaste onde geralmente são reformados em todas as paradas são

onde se encontram os maçaricos, a chaminé e a soleira.Um teste interessante que foi realizado na penúltima reforma foi o aumento da camada de

concreto refratário na soleira do forno rotativo. Com este aumento da camada o desgaste da soleira foi muito menor, não necessitando ser reformada.

Em termos de tipo de produção, existem basicamente dois tipos de fornos:

1. Intermitentes: o material a ser aquecido (normalmente blocos ou lingotes) é carregado no forno e permanece estacionário sobre a soleira refratária até atingir a temperatura de homogeneização desejada para o processo de laminação ou forjamento.

2. Contínuos: aplicação para placas, tarugos ou blocos, em grandes quantidades repetitivas. Esses fornos possuem, em geral, várias zonas e o material é carregado em uma extremidade, sendo transportado através do forno por um sistema de empurrador ou de translação.

Em termos de tipo de transporte da carga sólida existem basicamente 5 tipos:

1. Empurrador (pusher): soleira refratária completa ou mescla de soleira com vigas refrigeradas e revestidas com refratário (skids). Arraste da carga diretamente na soleira e/ou nos skids.

2. Soleira caminhante (walking-hearth): sistema de transporte de carga por translação com soleiras refratárias móveis e fixas.

3. Viga caminhante (walking-beam): sistema de transporte de carga por translação com vigas móveis e fixas refrigeradas e revestidas com refratário (skids).

4. Soleira rotativa (rotary-hearth): soleira refratária completa, sendo a carga transportada da posição de enfornamento até de desenfornamento através de um sistema de rotação da soleira.

5. Mescla de soleira e viga caminhantes: sistema híbrido de transporte de carga por translação com soleiras e skids móveis e fixos.

 Refratários em Fornos de ReaquecimentoPor volta de 1.915, com o aparecimento das primeiras massas plásticas refratárias, os fornos de reaquecimento começaram uma era de revestimento refratário com materiais monolíticos, ou seja, materiais sem forma definida e cujo formato é dado após sua aplicação. Até aquele período, os fornos eram revestidos com refratários moldados, basicamente tijolos densos e isolantes.

A partir da década de 30, os fornos passaram a contar com novos refratários monolíticos: os primeiros concretos refratários convencionais, com pega hidráulica via CAC (cimento de

aluminato de cálcio). Desse período até os dias de hoje, a participação de refratários monolíticos aumentou consideravelmente, em função principalmente do advento dos concretos refratários baixo cimento, fluência livre, sem cimento, bombeáveis, bombeáveis e projetáveis (shotcrete), e os de elevada resistência mecânica e à corrosão (denominados materiais de elevado desempenho), principalmente no caso de fornos com soleira refratária (empurrador, soleira-caminhante e soleira-rotativa).

Materiais refratários pré-moldados também se fazem presente às vezes como revestimento em teto e paredes dos fornos, com refratários ligados a fosfato ou cimento, como também em soleiras de fornos empurradores e de soleira rotativa, com blocos eletrofundidos ou blocos pré-moldados (materiais de elevado desempenho).

 Técnicas de Aplicação de RefratáriosNormalmente, fornos de reaquecimento são equipamentos siderúrgicos que apresentam campanhas relativamente longas entre paradas para intervenção no equipamento. Existem fornos que passam por manutenções anuais (não necessariamente devido ao revestimento refratário, mas a algum aspecto operacional do equipamento) até mesmo manutenções a cada 3, 5 e até 7 anos.

Quanto ao revestimento a ser utilizado no forno, cada vez mais os itens de segurança operacional, qualidade, produtividade, eficiência energética, meio-ambiente, custo e disponibilidade estão sendo levados em consideração para definição dos itens indicados abaixo (quer em projeto de um novo equipamento, quer em uma reforma ou “revamp” de equipamento existente):

1. Tipo de material de revestimento,

2. Método de aplicação do material,

3. Tempo de aplicação do material,

4. Tempo de retomada em operação após aplicação e

5. Desempenho do material, em termos de isolamento, resistência mecânica, a abrasão, a choque térmico, a corrosão por carepa (óxido de ferro gerado no processo de aquecimento) etc.

Para todos os itens mencionados acima, deve-se considerar que para cada um existe um custo relacionado. Podem existir materiais de menor custo, que atendam à solicitação do equipamento, porém carecem de um tempo e recursos para aplicação que acabam onerando mais o projeto. Da mesma maneira, podem existir materiais que são aplicados através de equipamentos de última geração e que reduzem substancialmente o tempo de aplicação e retomada de operação, porém apresentam custos finais que podem não se justificar.

Os volumes de refratários em cada reforma ou durante a construção de um novo equipamento são bem distintos, mas como ordem de grandeza é razoável considerar valores médios de 150t (reforma) e de 800t até mais de 2.000t, em caso de novos equipamentos.

Dessa forma, dois pontos muito importantes são necessários e fundamentais a ponto de disponibilizar o forno de reaquecimento o tempo necessário para a produção, sem incorrer em paradas de emergência ou urgência, que afetariam diretamente o fluxo produtivo da usina, incorrendo em perdas financeiras não-previstas:

1. Medir, registrar, documentar todas as reformas de manutenção de refratários dos fornos, através de relatórios específicos, a fim de se conhecer os mecanismos de desgaste, os pontos de melhoria, o escopo e o tempo necessário para cada intervenção, as empresas parceiras, os produtos utilizados, as metodologias empregadas etc

2. Conhecer o custo-benefício de cada reforma e/ou “revamp”, a fim de que possíveis alterações de produtos ou metodologias de aplicação ou empresas parceiras sejam baseadas no histórico e em possibilidades de novos desenvolvimentos e ganhos reais. Isso é um diferencial quando se conhece o desempenho e o potencial dos refratários utilizados.

Vale lembrar que o forno de reaquecimento se trata de um dos últimos equipamentos da linha de produção de uma siderúrgica (principalmente de produtos longos) revestido com materiais refratários e, com isso, o desafio para disponibilizar o equipamento para produção o maior tempo possível é condição importante.

Via de regra, as aplicações de refratários nas regiões denominadas periféricos de um forno, ou seja, em chaminés, recuperadores e dutos de fumos (antes e depois de recuperador) são por meio de projeção convencional (mais comum) ou até mesmo por vertimento. Como revestimento de trabalho (aquele em contato com a atmosfera do equipamento ou “face quente”), são utilizados normalmente concretos refratários semi-isolantes ou isolantes e é usual também existir um revestimento isolante tipo placas (fibra cerâmica, silicato de cálcio, sílica diatomácea etc), por exemplo, junto à carcaça metálica. Para contribuir na fixação do concreto refratário e também do revestimento em placas, faz-se necessário o uso de um sistema de ancoragem metálico (normalmente da classe AISI 304 ou similar), cujo projeto pode variar desde barras redondas a chatas, com diferentes formatos.

Dependendo do projeto do forno, o teto pode ser subdividido em região sem queimadores e região com queimadores e normalmente ao longo do teto existem também regiões planas e inclinadas. Nessa área do forno, o revestimento de trabalho mais usualmente empregado até pouco tempo atrás era com peças pré-moldadas, sendo alternativo o uso de monolíticos (massas plásticas e concretos). Módulos de fibra cerâmica são uma opção normalmente mais empregada em fornos de tratamento térmico.

Uma prática que vem sendo adotada ultimamente em revestimentos de teto (trabalho e isolamento), tanto em novos equipamentos quanto em reformas e/ou “revamps”, é a aplicação de concretos refratários baixo cimento e isolantes, através de bombeamento e vertimento. Isso concilia as boas características do material (resistência mecânica, ao choque térmico e isolamento, obtendo também um menor número de juntas quando comparado com o revestimento de peças pré-moldadas) com a facilidade e agilidade na aplicação do material.

Nas paredes, que podem ser tanto laterais quanto frontais com ou sem queimadores, a forma mais utilizada para revestimento de trabalho é com monolíticos (concretos convencionais, baixo cimento e massas plásticas), sendo alternativo o uso de peças (pré-moldadas ou até mesmo tijolos). A massa plástica, apesar de ser de uma tecnologia mais antiga, atende à solicitação nessa região do forno e tem um custo bastante competitivo, principalmente quando se trata de novos equipamentos (de 150t a 250t de massa plástica em paredes), porém caso ocorram muitas variações operacionais, a possibilidade de aparecimento de fissuras ou trincas no revestimento é maior. Além disso, a aplicação da massa plástica é mais morosa e desconfortável (socagem e ruído).

Uma metodologia que vem sendo empregada em larga escala para revestimento de trabalho em paredes (laterais e frontais) é a de shotcrete, que consiste basicamente em uma projeção pneumática de uma mistura já úmida de concreto refratário baixo cimento bombeável e que faz uso também de um aditivo no bico de projeção para reduzir o índice de rebote (material que não fica na posição que necessita ser revestida) e acelerar o processo de consolidação do material.

Essa projeção a úmido desperta elevado interesse tecnológico, sobretudo para o recobrimento de grandes áreas e/ou reparos de superfícies danificadas, reduzindo substancialmente o tempo de aplicação, sem a necessidade de moldes.

Para uso dessa metodologia, faz-se necessário basicamente o uso de uma plataforma para posicionamento dos misturadores de concreto, um sistema de içamento de carga (ponte rolante, talha, guindaste etc), uma máquina de bombeamento de concreto e um bico de projeção especial, que permite a entrada de ar comprimido e de aditivo refratário.

Em fornos walking-beam e pusher com skids, os materiais normalmente utilizados são peças pré-moldadas ou concretos refratários baixo cimento de fluência livre, sendo que as peças têm uma participação ligeiramente maior que os concretos.

Finalmente, na região de soleira é que se encontra uma maior diversidade de tipos de materiais utilizados. Entretanto, vale considerar que as soleiras de fornos walking-beam tem função basicamente de isolamento e de contenção da carepa gerada no processo, sendo usual o seu revestimento com tijolos ou concretos (convencionais ou baixo cimento). Já as soleiras de fornos walking-hearth, pusher e soleira-rotativa tem função também estrutural e de definição de campanha do equipamento, uma vez que a carga sólida tem contato direto com a soleira refratária. Além do peso da carga no refratário (no caso de WH, pusher e SR), em fornos pusher o mecanismo de abrasão da mesma no refratário é determinante para a definição da campanha, uma vez que, conforme o nível de desgaste da soleira, não é

possível se operar a linha de laminação em um ritmo de produção normal, com possibilidades de engaiolamentos e dificuldade de retirada da carga de dentro do forno.

Via de regra, soleira é a região que apresenta a menor campanha (de 1 a 4 anos em média) quando comparada com a das outras regiões (paredes, teto etc – de 7 a 15 anos em média), fundamentalmente devido ao contato da carga metálica.

Os principais materiais utilizados em soleiras de fornos walking-hearth, pusher e soleira rotativa são blocos eletrofundidos (elevada resistência à abrasão, baixa porosidade e elevado módulo de ruptura a quente, porém com baixa resistência ao choque térmico, custo elevado e possibilidade de aderência de carepa), concretos refratários baixo cimento ou ultra-baixo cimento de elevado desempenho (boa resistência à abrasão, à corrosão por carepa e ao choque térmico, porém com maior tempo de secagem e maiores cuidados na aplicação – mistura, vibração etc) ou até mesmo blocos pré-moldados já secos fabricados a partir dos concretos de elevado desempenho.

Quando a área para construção (novo equipamento) ou reparação (reforma ou “revamp”) são relativamente grandes, justifica-se a aplicação dos concretos refratários por meio de bombeamento e vertimento. Os recursos necessários para essa aplicação são os mesmos da tecnologia de shotcrete, com exceção de que no bombeamento da soleira não se faz necessário o uso do bico de projeção especial.

Por fim, o maior desafio a que um forno de reaquecimento deve ser submetido é de nunca forçar a parada de um laminador de maneira inesperada, mas sim acompanhar as necessidades do mesmo tendo flexibilidade e condições para passar por intervenções (principalmente de refratários) somente em grandes paradas do laminador.

Compósitos são materiais de construção civil cuja utilização já ocorria desde o Antigo

Egito. Hoje a utilização de compósitos cresceu em diversidade, podendo ser

encontrados em várias aplicações na construção civil como telhas, painéis de vedação

vertical e estruturas de concreto como túneis e pavimentos, onde o concreto reforçado

com fibras vem progressivamente ampliando sua aplicação.

Como o próprio nome já diz, os compósitos são materiais compostos basicamente por

duas fases: a matriz e as fibras. As fibras podem atuar como um reforço da matriz em

função das propriedades desta e das próprias fibras.

Inicialmente empregaram-se fibras naturais, podendo-se mencionar a adição de palha

em tijolos cerâmicos e crina de cavalo em argamassas de alvenaria e gesso.

No início do século XX, surgiram às fibras minerais (amianto) que foram utilizadas na

construção civil e seu uso se expandiu por diversos países. Hoje seu emprego está muito

reduzido devido aos riscos de saúde que o amianto traz ao ser humano.

Nas décadas de 1920 e 1930 surgem várias patentes em concreto armado com fibras

metálicas (aço) e minerais (vidro). Porém a partir da década de sessenta ocorre o maior

desenvolvimento do concreto com fibras, aparecendo no mercado uma variedade de

fibras: metálicas (aço), minerais (vidro), naturais (sisal, juta, bambu e coco) e sintéticas

(polipropileno, náilon e poliéster).

Os primeiros estudos e patentes relativos à utilização de fibras em concreto tinham o

intuito de aumentar a sua resistência à compressão. Porém logo se verificou que a

resistência à compressão não aumenta significativamente com a utilização de fibras.

Hoje é sabido que a adição de fibras na matriz de concreto resulta num compósito de

maior resistência à tração, ao impacto, à fadiga e ductilidade.

As fibras atuam nas microfissuras durante o endurecimento da pasta de cimento,

impedindo sua propagação e retardando o aparecimento de macrofissuras. Atuam na

pasta endurecida limitando a abertura e comprimento das fissuras, aumentando assim a

sua durabilidade.

2 TIPOS DE FIBRAS E SUAS PROPRIEDADES

Existem vários tipos de fibra no mercado da construção civil para a utilização em

matrizes de cimento, devendo a escolha da fibra ser feita em função das características

que se quer obter no compósito. Por exemplo, querendo obter um compósito com

grande resistência ao impacto e tenacidade, a melhor opção são as fibras de

polipropileno e polietileno por serem capazes de absorverem grandes energias. Isto se

deve ao fato destas fibras possuem módulo de elasticidade menor e alongamento maior

em comparação com as matrizes de cimento.

As fibras podem ser caracterizadas como: fibras minerais, orgânicas (podendo se

naturais ou sintéticas) e as fibras metálicas.

As figuras abaixo apresentam as características de algumas matrizes de concreto e de

algmas fibras utilizadas na construção civil. É possível notar que o alongamento na

ruptura de todas as fibras é maior do que o da matriz.

Tabela 1- Algumas propriedades da matriz de cimento

Tabela 2 - Propriedades de algumas fibras

O foco deste trabalho esta voltado para aplicação das fibras metálicas como composto

aplicado nos materiais refratários, mais precisamente, em concretos que, basicamente

são utilizados em construções.

3 FIBRAS METÁLICAS

Este grupo é composto pelas fibras de aço. Por serem as mais eficazes, as fibras

metálicas são as mais utilizadas no concreto, principalmente as de aço. O intuito da

utilização deste tipo de fibra é aumentar a tenacidade, resistência à flexão, resistência ao

impacto e fadiga e o controle da fissuração do compósito.

As fibras de aço podem ser obtidas a partir de diferentes processos de produção,

havendo três tipos produzidos e comercializados no Brasil atualmente:

- Fibras de aço produzidas a partir da sobra da produção de lã de aço, cortadas com

comprimentos variando entre 25 e 60 mm (1" e 2 1⁄4"), sendo conformadas

longitudinalmente de modo a obter um perfil ondulado. Hoje, salvo encomendas

especiais para obras de grande porte, os fabricantes têm disponibilizado este tipo de

fibra somente com comprimento de 38 mm e diâmetro equivalente (diâmetro da

circunferência com área equivalente à seção transversal da fibra) de 1,05 mm. São as

fibras de aço de menor preço e desempenho, porém dependendo dos preços de mercado

das armaduras convencionais (telas soldadas e barras de aço) e dos outros tipos de

fibras, podem constituir uma solução de excelente relação custo-benefício, o que

viabiliza seu uso mesmo em dosagens bem maiores;

- Fibras de aço produzidas a partir do corte de chapas de aço (convencional ou inóx),

resultando em seção transversal retangular, tendo suas extremidades conformadas para

obtenção de ancoragem em gancho. Normalmente, apresentam preço e desempenho

maiores que as fibras onduladas, porém menores que as fibras de trefiladas;

- Fibras de aço de arame trefilado, produzidas a partir da trefilação (encruamento) do

fio-máquina até a obtenção de fios com diâmetros entre 0,55 a 1,05 mm e comprimentos

entre 30 e 66 mm (dimensões disponíveis no Brasil), com ganchos conformados nas

extremidades ou totalmente ondulados. Resultado da trefilação progressiva do arame

(redução do diâmetro inicial de aproximadamente 6 mm para menos de 1 mm), obtém

fios de elevada resistência (> 1.000 MPa). Este tipo de fibra pode ser produzido com

aço de alto teor de carbono o que resulta em fios com resistências ainda maiores (>

1.700 MPa), possibilitando seu emprego em concretos de elevada resistência. Existem

ainda, fibras especiais de arame trefilado produzidas com diâmetros inferiores a 0,16

mm e comprimentos da ordem de 10 a 15 mm, utilizadas para reforço de concreto de

elevadíssima resistência (> 100 MPa). Este último tipo de fibra não é fabricado

atualmente no Brasil. As fibras de aço de arame trefilado lideram as vendas no Brasil e

no mundo.

É possível observar alguns tipos de fibras metálicas e suas seções na Figura 1. Na figura

2, características de algumas fibras metálicas.

Figura 1 - Formas e seções de algumas fibras metálicas

Figura 2 - Características de algumas fibras metálicas

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A adição de fibras de aço (classificadas como fibras de alto módulo) ao concreto inibe e

dificulta a propagação das fissuras, devido ao seu alto módulo de deformação,

resultando em uma grande capacidade de redistribuição de esforços e controle de

fissuração do concreto, mesmo em dosagens baixas.

Com a incorporação de fibras, o concreto perde sua característica de material

marcadamente frágil. Isto ocorre pelo fato da fibra servir como ponte de transferência de

tensões pelas fissuras, minimizando a concentração de tensões nas extremidades das

mesmas. Disto decorre uma grande redução da velocidade de propagação das fissuras

no concreto que passa a ter um comportamento pseudo-dúctil, ou seja, apresenta certa

capacidade pós-fissuração.

As propriedades mecânicas do concreto reforçado com fibras de aço são influenciadas

por diversos parâmetros, incluindo o tipo e dosagem de fibras, fator de forma e o

comprimento da fibra, resistência da matriz e a dimensão máxima característica do

agregado. O fator de forma da fibra tem grande importância na alteração das

características do concreto, tanto no estado endurecido, onde normalmente quanto maior

o fator de forma maior o desempenho, como quanto no estado fresco, onde quanto

maior o fator de forma, maior será o impacto adverso na trabalhabilidade. A retração e a

fluência não são afetadas pela adição das fibras, porém constituem importante

instrumento de controle de fissuração, quando do aparecimento de tensões de tração

impostas pela retração restringida.