Este artigo descreve os métodos dos ensaios utilizados pela maioria dos produtores de alumínio para avaliar e aprovar refratários monolíticos para uso nas principais zonas de trabalho dos fornos de fusão de alumínio. Os resultados são avaliados e comparados e indicam onde algumas técnicas de ensaios não necessariamente representam as condições de operação atuais. Estas técnicas se modificaram à medida em que os produtores trabalharam para aumentar a produtividade por meio de, em particular, um aumento no calor de entrada do forno para fundir o metal mais rápido.

Conhecimento Prévio

Os monolíticos, como os fornecidos pela Morgan Thermal Ceramics, são utilizados para revestir as regiões de contato metálicas e não-metálicas em fornos revérberos de espera com queimadores a gás. Cada região é dividida em sub-regiões (Fig. 1) e cada uma tem um conjunto de condições/ambiente de operação para o revestimento refratário do forno. Por esta razão, é necessária uma variedade de refratários para um revestimento refratário completo do forno.

Os usuários finais estão fundindo e lidando com uma variedade de materiais, desta forma os produtos monolíticos precisam lidar com as composições químicas presentes no forno. Além disso, as diferentes práticas de operação em relação ao gerenciamento do forno (por exemplo, métodos e frequência de limpeza) significam que condições físicas diversas podem influenciar as diferentes partes do forno.

Desafios para a Fusão de Alumínio

A natureza diversa do ambiente do forno significa que os produtores de alumínio precisam manter um esquema de testes complexo e longo para os refratários do forno. Os testes expõem os materiais em potencial a uma faixa completa de condições, as quais representam as condições em serviço. Considerando que há uma vasta faixa de composições, não é prático ou economicamente viável testar os materiais para todos os tipos de condições. Por este motivo, os produtores de alumínio desenvolveram um conjunto prático de testes laboratoriais.

Os dois mecanismos principais de falha que limitam a vida em serviço são o ataque químico (crescimento do coríndon ou corrosão pela adição de fluxantes) e danos mecânicos (carregamento do lingote, práticas de limpeza ou choque térmico). Os produtores desenvolveram ensaios para simular estas condições como parte dos seus programas de aprovação.

A investigação dos ensaios neste artigo foca na região de contato metálico, considerando que ali é produzido o conjunto de condições mais agressivo e representa a parte do forno que sofre maior demanda em termos de desempenho do refratário. O crescimento do coríndon é a ameaça mais significativa nesta área e, portanto, recebe a maior atenção durante o projeto e testes dos materiais refratários do forno.

O coríndon se forma quando o alumínio líquido reage com a sílica livre nos refratários. Esta transformação provoca uma expansão em volume muito grande, causando distorção severa e trincamento do revestimento refratário.

4Al(l) + 3SiO2(s) –> 2Al2O3(s) + 3Si

O ensaio laboratorial predominante para a resistência ao crescimento do coríndon é o Cup Test de resistência ao alumínio. O objetivo desta investigação é entender como as diferentes condições de ensaio afetam o comportamento do material para revestimento refratário avaliando como os materiais refratários existentes se comportam quando submetidos ao método de ensaio do “copo”.

O Ensaio

Os ensaios padrões dos Cup Tests em contato com o metal de três grandes produtores de alumínio são esboçados abaixo. Estes procedimentos são frequentemente utilizados para avaliar a adequabilidade dos refratários monolíticos para uso em revestimentos para fornos de espera.

Método 1

Preparação da Amostra

Uma série de cubos de 100 mm é fundida com composições mistas e com uma adição padrão de água (os moldes e os cubos podem ser observados nas Figs. 2 e 4). Cada cubo tem 50 mm de profundidade e um furo ligeiramente cônico (55 mm no topo e 53 mm na base). As amostras são mantidas durante a noite e, então, desmoldadas, curadas e secas a 110°C por 18 horas. Metade das amostras (cadinho) produzidas são pré-queimadas a 1.200°C por 5 horas. São feitas tampas do mesmo material (com 25 mm de espessura) para minimizar a perda por volatilidade.

Procedimento do Ensaio

Tipicamente é utilizada uma liga 7075 para o ensaio, fornecida na forma de barra com 52 mm de diâmetro e cortada em comprimentos de 50 mm. A amostra cortada é inserida dentro do furo do cadinho e a tampa não-selada é colocada no topo. As amostras, como secas ou pré-queimadas, são ensaiadas ao mesmo tempo para comparação.

Os cadinhos montados são colocados em um forno, aquecido a 1.000°C a uma taxa de 150°C/hora e mantido a temperatura por 100 horas. Isto é seguido por um resfriamento natural dentro do forno. Após o resfriamento, as amostras são secionadas verticalmente, secas e avaliadas visualmente quanto ao grau de penetração do metal, o crescimento do coríndon e a facilidade de remoção do alumínio. Isto é documentado por meio de fotos.

Método 2

Preparação da Amostra

Seguindo as recomendações de mistura do fornecedor, um bloco de tamanho padrão (230 mm de altura x 114 mm de largura x 76 mm de profundidade) do material a ser ensaiado é fundido dentro de um molde que incorpora uma face curvada para se obter uma forma de copo com uma profundidade máxima de 32 mm e sustentar a liga (Fig. 3). Após o tempo recomendado de cura, a amostra é queimada de acordo com as recomendações do fornecedor a 815°C, mantida por 10 horas e deixada resfriar naturalmente no forno. É inserida uma rugosidade na seção curva do cadinho utilizando uma serra de diamante para expor o grão do refratário.

Procedimento do Ensaio

O cadinho é aquecido a 815°C em um forno, com uma taxa que não exceda 150°C/hora. Neste meio tempo, a liga 7075 é fundida em um cadinho de carbeto de silício, aquecida a 815°C e amostrada para análise. A liga fundida é, então, colocada dentro da cavidade do tijolo a 815°C até cerca de 3 mm abaixo do topo do tijolo e mantida a esta temperatura por 72 horas.

A liga é limpa a cada meia hora pelas primeiras três horas para remover a barreira de filme de óxido na interface metal/refratário. Após 72 horas, o óxido formado no topo da liga fundida é removido e uma amostra da liga que está no copo é retirada para análise.

Qualquer metal remanescente é vazado fora e a superfície do copo é limpa com um pedaço de lã. O cadinho é resfriado ao ar e secionado na região central (ao longo do eixo curto) para avaliar o grau de ataque metálico. As análises químicas inicial e final da liga são comparadas para se determinar a captação de silício e de ferro.

Método 3

Preparação da Amostra

As amostras são preparadas de acordo com as recomendações dos fornecedores e fundidas dentro dos mesmos moldes utilizados no Método 1. Seguindo a mesma sequência, processos de cura e secagem, metade dos cadinhos (amostras) é pré-queimada a 800°C por 5 horas e metade a 120°C.

Procedimento do Ensaio

Quatro peças a serem ensaiadas são aquecidas simultaneamente em um forno elétrico ao lado de uma quantidade de ligas de ensaio em um cadinho a 10°C/minuto a 1.472 ± 15°C. Uma quantidade (160 gramas) de alumínio puro (>99,8%) é vazada dentro do furo da amostra e os cadinhos são mantidos a 800°C por 72 horas. O líquido é mexido diariamente para quebrar o filme de óxido formado e, no final, é deixado resfriar naturalmente no forno. Ele é cortado diagonalmente e a face cortada é inspecionada quanto à penetração e reação com o metal. (Fig. 7).

Resultados

Três materiais monolíticos (Tabela 1) foram ensaiados utilizando os três métodos de Cup Tests para avaliar como as diferentes condições de ensaio utilizadas pelos produtores de alumínio afetam os resultados de saída dos ensaios.

Conforme mostrado na Fig. 5, nenhum dos materiais ensaiados utilizando o Método 1 apresentou qualquer crescimento significativo do coríndon, como esperado, já que os três materiais são utilizados rotineiramente nos fornos para alumínio. O material C, o qual foi pré-queimado a 1.200°C, apresenta uma fina camada de coríndon formada na interface com o metal, e isto sugere que a resistência ao coríndon começa a se degradar conforme a temperatura de queima aumenta. Este comportamento deveria ter implicações de desempenho em serviço quando os fornos operam de forma mais agressiva.

Os resultados do Método 2 (Fig. 6) mostram não haver crescimento do coríndon em nenhuma das amostras em temperaturas abaixo de 815°C, mesmo com a inserção de rugosidade na superfície de contato para tentar promover a reação. Entretanto, a análise das ligas revela que a captação de silício aumenta do material A para o B e para o C. A falha dos cadinhos de ensaio (Fig. 8) são normalmente acompanhadas por um aumento na concentração de silício e de ferro na liga após o ensaio. A tendência à captação de silício bate com a redução na relação alumina/sílica no material e é detectado mais silício na liga conforme aumenta o teor de sílica. Apesar da baixa temperatura de ensaio do Método 2, o material C foi o que mais se aproximou do limite para a falha para a máxima captação de silício disponível, de 0,5% (Tabela 3).

Da mesma forma que no Método 2, os resultados do Método 3 não mostram sinais visíveis de crescimento do coríndon em nenhuma das amostras. Os resultados indicam que os ensaios a 1.000°C aceleraram a reação do coríndon e que a pré-queima das amostras em temperaturas mais altas pode causar um não-molhamento do aditivo para a reação com os outros constituintes do material e perder sua efetividade.

Como todos os materiais estudados já estão em uso em muitos fornos, nossa expectativa era de que todos os materiais ensaiados passassem nestes Cup Tests. Para a maioria das condições de ensaio estudadas isto foi observado. Conforme a severidade das condições de ensaio aumentou, entretanto, foi observada uma maior interação metal/refratário, especificamente no material C.

Isso corresponde às observações operacionais gerais, nas quais foi observado que o material C começa a sofrer com o crescimento do coríndon nos fornos em corridas mais agressivas. De acordo com estes ensaios laboratoriais, o desempenho do contato com o metal parece começar a se deteriorar com o aumento da temperatura para 1.000°C.

No passado, tais ensaios em temperaturas altas não eram considerados realísticos porque as temperaturas de espera eram bem abaixo deste nível. Entretanto, em tempos mais recentes, conforme os fornos para alumínio continuam a ser mais solicitados, as temperaturas da câmara aumentaram e as condições se tornaram mais agressivas para os revestimentos refratários. Portanto, as condições de ensaio que aceleram as reações envolvidas, aumentando a temperatura acima da temperatura tradicional de espera do alumínio, agora são mais válidas.

Em particular, o crescimento do coríndon, em geral, se inicia nos pontos quentes do forno, nos quais podem ser medidas temperaturas acima de 1.000°C. Esta situação é exacerbada pelas reações exotérmicas de acúmulo de sal e de escória nos revestimentos refratários.

Conforme as necessidades da indústria mudaram, mudou-se também o ambiente do forno. Portanto, os métodos de ensaio dos materiais precisam evoluir para refletir isto.

À luz das práticas modernas de ensaio para o alumínio, as temperaturas dos ensaios dos Métodos 2 e 3 parecem ser muito baixas, já que não aceleram as reações de crescimento do coríndon adequadamente. Adicionalmente, a alta área superficial do fundido no Método 2 promove uma formação excessiva de escória e volatização. Os Métodos 1 e 3 utilizam amostras relativamente pequenas da liga, também sofrendo volatização. Isto pode ser controlado para melhorar a repetibilidade do ensaio recobrindo o cadinho (amostra) com uma tampa refratária do material sendo ensaiado.

Os resultados dos Cup Tests são mais complicados quando são introduzidos sais dentro do contato metal/cadinho no ensaio. Estes ensaios mostraram que a resistência ao crescimento do coríndon pode ser consideravelmente alterada na presença de sais. Estão sendo realizadas investigações adicionais neste assunto.

Conclusão

Os métodos dos Cup Tests em contato com o metal utilizado por três produtores de alumínio para a seleção do revestimento refratário dos fornos foram investigados utilizando materiais monolíticos atualmente em uso em vários fornos de espera de fundidos ao redor do mundo.

Os produtores de alumínio vêm trabalhando para aumentar a produtividade e manter a competitividade. Normalmente isto é feito aumentando o calor de entrada do forno, utilizando queimadores mais potentes para fundir o metal mais rápido. Isto leva a um aumento das perdas de metal como resultado da oxidação da superfície e dos grandes gradientes térmicos no metal, portanto, causando segregação de elementos de liga e redução na qualidade do metal.

Estes efeitos são superados pelo aumento da utilização de fluxantes para suprimir a oxidação da superfície e pelo aumento da agitação do metal para atingir a homogeneização. Dado o ambiente cada vez mais desafiador em que o revestimento refratário tem que trabalhar, os produtores de alumínio devem garantir que as condições de seus ensaios de avaliação de material também reflitam essas alterações. Caso contrário, os ensaios irão produzir resultados irreais e a seleção do material pode ser comprometida.

Os resultados desta investigação sugerem que os Cup Tests utilizando temperaturas mais baixas não são agressivos o suficiente para avaliar os materiais de revestimento para os ambientes de forno atuais. Tais condições de ensaio eram adequadas no passado, mas os métodos de ensaio não evoluíram de acordo com as condições do forno que estão tentando simular.

Texto gentilmente revisado pela empresa Morganite Brasil, representante da Morgan Advanced Materials. Para mais informações, contate: Reynaldo Pereira, Diretor Técnico – América do Sul; (21) 3305-7400; reynaldo.pereira@morganplc.com; www.morganadvancedmaterials.com.

Para mais informações, contate: Wendy Evans, Departamento de Comunicações e Marketing, Morgan Advanced Materials Thermal Ceramics, EUA; tel: +1 706-796-4200; marketing@morganplc.com; www.morganplc.com.

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Um requisito fundamental para a manutenção dos altos níveis de produtividade é a necessidade de minimizar a frequência e a duração do tempo de parada do forno. Os materiais refratários resistentes ao alumínio desenvolvidos no passado para estas aplicações agora estão sendo usados além das fronteiras previstas no projeto original já que atualmente as condições são mais agressivas para os revestimentos refratários. Como resultado, seu desempenho em serviço está sob ameaça, sendo necessárias manutenções cada vez mais frequentes nos refratários. A fim de minimizar o tempo de parada dos fornos, faz-se necessário o desenvolvimento de uma nova classe de revestimentos resistentes ao alumínio, especialmente projetada para atuar nos ambientes operacionais atuais.

Ao longo dos últimos 30 anos, um grupo de tecnologias para os refratários monolíticos emergiu e tem sido projetado especificamente para atuar no ambiente dos fornos de fusão e espera de alumínio. Estas classes de refratários resistentes ao alumínio, em geral, contem aditivos de “não-molhamento”, em particular nas áreas de contato com o metal, para minimizar a interação entre o refratário e o alumínio líquido, suprimindo assim os danos ao revestimento devidos ao “crescimento do coríndon”.[1]

A Morgan Thermal Ceramics (MTC) desenvolveu recentemente um material monolítico específico para melhorar o desempenho na zona da superestrutura – teto, paredes superiores e as áreas de combustão – que estão em contato com níveis excessivamente elevados de vapor alcalino e sujeitos ao choque térmico. Este artigo revisa as condições de operação encontradas nas áreas da superestrutura (Fig. 1) em um forno de fusão e espera típico e as implicações diretas no projeto e desempenho do material refratário monolítico. O melhor comportamento apresentado pelo novo material monolítico desenvolvido, em relação aos critérios de desempenho nestas regiões do forno, é demonstrado laboratorialmente por comparação com os materiais existentes, e atuais líderes de mercado, utilizando métodos de ensaios padronizados pela indústria.

Parâmetros Chave de Desempenho

Para entender as condições de funcionamento na região da superestrutura de um forno de espera de alumínio líquido, a MTC trabalhou com diversos produtores de alumínio líderes de mercado. Estudou as práticas de trabalho e as condições de operação dos fornos e analisou os refratários após o uso, a empresa identificou que os dois fatores principais que limitam a vida em serviço dos refratários são o vapor alcalino excessivo e os choques térmicos excessivos.

O aumento da utilização de pós fluxantes mais poderosos para propiciar uma maior produtividade e as composições de ligas mais exóticas, aliadas com as temperaturas mais elevadas na câmara (em particular nos fornos de fusão), está causando concentrações mais elevadas de vapor alcalino nas regiões superiores da câmara. No estado de vapor, estes álcalis podem facilmente entrar nos revestimentos refratários atravessando a estrutura porosa e reagindo quimicamente com os materiais básicos. Tais reações podem conduzir, com certa frequência, a efeitos de expansão, causando mudanças extremas no volume, as quais inicialmente provocarão rachaduras podendo chegar a falhas catastróficas no revestimento. A taxa de ataque químico é afetada pela temperatura, atmosfera e limpeza do forno, além da composição e da estrutura e do revestimento refratário.

A região da superestrutura também está sujeita a consideráveis tensões térmicas, conforme a temperatura da câmara aumenta e diminui rapidamente, durante a abertura e o fechamento das portas do forno e nas áreas em torno dos queimadores de gás. Isto causa rápidas contrações e expansões da superfície do revestimento refratário do forno, causando microtrincas na estrutura e, em última instância, resultando na falha do revestimento.

Outros fatores ambientais também podem ter uma contribuição secundária na limitação do tempo de vida do revestimento refratário da superestrutura, particularmente na região da parede superior. As paredes superiores estão sujeitas à abrasão mecânica durante as operações de limpeza, deste modo é necessária alguma resistência à abrasão no revestimento refratário para suportar as tensões mecânicas sofridas durante a limpeza. Além disso, embora não haja contato direto com o metal líquido, as paredes superiores podem estar sujeitas a contatos intermitentes com o metal devido aos respingos de metal oriundos das operações de agitação e limpeza. Consequentemente, é importante que o refratário nesta região tenha também algum grau de capacidade de “não-molhamento” para assegurar que não ocorra a nucleação e crescimento de coríndon nestes pontos de respingo.

Testando os Materiais

Três materiais monolíticos existentes e utilizados por vários produtores de alumínio na região da superestrutura dos fornos de fusão e espera foram selecionados como materiais comparativos para o estudo. O desempenho destes materiais em serviço está bem estabelecido, de modo que, quaisquer resultados dos testes podem servir como pontos de referência úteis para comparação com os novos desenvolvimentos.

Uma investigação analítica e detalhada dos materiais comparativos foi realizada com o objetivo de identificar os principais aspectos da tecnologia destes materiais, os quais foram considerados para tanto promover como restringir o desempenho em termos da resistência aos álcalis e ao choque térmico, e foram então considerados como controle para os mecanismos de falha. Este conhecimento dos pontos fortes e fracos das tecnologias dos materiais já existentes foi então utilizado como a base para uma série de reformulações.

O objetivo era encontrar um balanço ótimo entre a ligação e os agregados químicos e a granulometria, a qual produzisse a máxima melhoria nos desempenhos em meio alcalino e choque térmico sem afetar negativamente as outras propriedades importantes. A comparação dos resultados de desempenho e propriedades medidas do produto final já com a composição otimizada desenvolvida em relação aos produtos comparativos são apresentados abaixo. Todos os materiais em estudo foram testados em relação aos quatro parâmetros principais de desempenho, utilizando-se os métodos de ensaio já padronizados na indústria.

Parâmetros Primários de Desempenho

1. Ensaio de resistência ao choque térmico (ASTM C1100-88 {1998} – teste da fita): Amostras pré-aquecidas (230 x 115 x 64 mm) são submetidas a cinco ciclos alternados de aquecimento e resfriamento em uma face, utilizando-se um queimador de fita. O módulo de elasticidade (E) das amostras é medido de forma não destrutiva por ultrassom, antes e depois do ensaio. A porcentagem de manutenção do módulo de elasticidade é utilizada como uma medida da resistência mantida.

2. Ensaio do “copo” de resistência ao álcali: Nove amostras de “copo” (5 cm cúbicos, cada um com 2,2 cm de diâmetro e 2,5 cm de profundidade) são preparados para cada composição de ensaio (Fig. 2) juntamente com uma tampa (5 centímetros quadrados, 0,6 cm de espessura) para cada cubo. As amostras “descansam” durante a noite e são então desmoldadas, curadas e secas a 110°C durante 18 horas. Três dos copos de amostras secas são preenchidos com 8 gramas de carbonato de potássio, três com 8 gramas de carbonato de sódio e três com uma mistura 50:50 de 8 gramas de carbonato de potássio e carbonato de sódio. As amostras contendo cada uma das misturas alcalinas são aquecidas a 900°C, 1000°C e 1100°C, por cinco horas. São feitos cortes verticais nas amostras para inspeções visuais quanto às trincas, saliências, profundidade de penetração e mudanças de cor.

Parâmetros Secundários de Desempenho

1. Ensaio de resistência à abrasão (ASTM C704): As amostras são pré-aquecidas a 815°C e jateadas com carbeto de silício de granulometria especificada e por um tempo determinado. As amostras ensaidas são cortadas transversalmente, e a quantidade de material desgastado em toda a seção é medida e relatada em centímetros cúbicos.

2. Ensaio do “copo” para resistência ao alumínio: A preparação da amostra é semelhante à preparação para o ensaio de resistência ao álcali, exceto por não ser utilizada nenhuma tampa durante o ensaio. No lugar do álcali, as amostras são preenchidas com a liga de alumínio 7075. As amostras são aquecidas a 1000°C por 100 horas. Após o resfriamento, as amostras são cortadas verticalmente e avaliadas visualmente para verificar o grau de penetração do metal e o crescimento do coríndon. Os detalhes do método de ensaio são descritos na literatura. [2]

Desempenho nos Parâmetros Primários

Os resultados do ensaio de resistência ao choque térmico dos diversos materiais estudados são apresentados na Fig. 3. Após cinco ciclos de ensaio, o material Standard 1 teve uma perda de 50% do seu módulo de elasticidade e o material Standard 2 havia perdido 95%, enquanto o novo material otimizado teve uma perda de apenas 40%. Estes resultados sugerem que o novo material é capaz de proporcionar uma melhoria de 20% na resistência ao choque térmico se comparado ao Standard 1 e de 12 vezes em relação ao Standard 2.

Como os materiais de referência são utilizados rotineiramente nos fornos de espera para alumínio líquido, esperava-se que todos possuíriam algum grau de resistência ao ataque alcalino. No entanto, os ensaios de resistência ao álcali apresentaram alguns comportamentos extremos. Os materiais Standard 1 e Standard 3 apresentaram uma resistência ao ataque alcalino muito baixa, com as amostras sendo severamente atacadas causando grandes trincas e erosão por toda parte (Figs. 4-6).

Este comportamento contrastou com os resultados do material Standard 2, o qual apresentou uma excelente resistência aos ensaios alcalinos (Figs. 7-9). A nova composição otimizada, a qual se baseou nos mecanismos de desempenho do Standard 2, passou em todos os ensaios de contato alcalino com carbonato de potássio e carbonato de sódio e apresentou uma excelente classificação (Figs. 10-12).

Desempenho nos Parâmetros Secundários

Os resultados dos ensaios de resistência à abrasão dos materiais – um parâmetro importante de desempenho para os materiais das paredes superiores para resistir à ação abrasiva das operações de limpeza – estão apresentados na Fig. 13. Os materiais Standard 1 e 3 apresentaram resistência à abrasão relativamente baixas em relação ao Standard 2. A resistência à abrasão objetivada nesta região deve ser maior do que 10 cm3, e os materiais Standard 1 e 3 não alcançaram esta resistência. O material recentemente desenvolvido incorpora as tecnologias utilizadas no Standard 2 para alcançar uma excelente resistência à abrasão.

Para garantir que o novo material esteja protegido contra os respingos de metal na região da parede superior, de forma que o crescimento do coríndon não seja um problema, ele foi pré-aquecido a 1200°C e testado contra o contato com o metal líquido, utilizando a liga de alumínio 7075 a 1000°C por 100 horas. Este é um ensaio mais agressivo do que a maioria dos produtores de alumínio utilizam nos procedimentos para aprovação do material refratário.[2] O Standard 1 apresentou um resultado ruim. Todos os outros materiais alcançaram uma classificação boa no ensaio, com uma interação mínima com a liga de ensaio (Fig. 14).

Os resultados dos ensaios, que podem ser visualizados na Tabela 3, mostram que para os ensaios de desempenho primário alguns dos materiais de referência apresentaram um comportamento bom para um dos parâmetros, no entanto, apresentaram desempenho ruim para o outro. Em resumo, pode-se dizer que o novo material combina todas as melhores características de desempenho dos materiais de referência, mas sem qualquer uma das fraquezas. Portanto, ele apresenta uma mistura ideal das características de desempenho necessárias para o serviço na superestrutura dos fornos de espera para alumínio líquido. Para facilitar sua instalação, o novo material monolítico foi projetado como uma série vibrocast, a qual requer a adição de somente uma quantidade mínima de água para atingir um bom fluxo, e atualmente está em teste na área da superestrutura dos fornos de espera de alumínio líquido em diveros produtores de alumínio ao redor do mundo

Conclusão

Os produtores de alumínio continuam aumentando a produtividade em seus fornos de espera para manter a sua competitividade e, portanto, a utilização de queimadores mais potentes para aumentar a entrada de calor no forno está se tornando uma prática cada vez mais comum. Mas a fusão mais rápida causa aumento nas perdas de metal pela oxidação da superfície e pela segregação causada pelos grandes gradientes térmicos. Estes efeitos podem ser minimizados aumentando o uso de pós fluxantes e com maior agitação. Considerando este ambiente cada vez mais complexo dentro do qual o revestimento refratário terá que trabalhar, as soluções tradicionais para os revestimentos já não podem mais fornecer a vida em serviço que antes eram alcançadas. Consequentemente, uma nova geração de materiais para revestimento refratário é necessária para suprir as exigências dos fornos para alumínio atuais.

Os resultados dos ensaios da Morgan Thermal Ceramics sugerem que o novo material deva ter um bom desempenho frente ao atual conjunto de condições em serviço na região da superestrutura dos fornos de espera do alumínio líquido, apresentando um comportamento melhor do que os dos materiais utilizados atualmente na indústria e, assim, apresentará maior vida em serviço. O prolongamento da vida em serviço na área da superestrutura tende a proporcionar uma redução da frequência de paradas do forno, permitindo assim que os produtores de alumínio executem campanhas de produção mais longas, e, por consequência, aumentando a produtividade e minimizando a necessidade de reparos caros.

Para mais informações, contate: Alicia Puputti, executiva de contas, McNeil, Gray & Rice Strategic Communications, Boston, MA, EUA; tel: +1 617-367-0100, ramal: 155; e-mail: alicia.puputti@mgr1.com; web: www.mgr1.com.

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O objetivo deste trabalho é de quantificar as diferenças de desempenho que podem ser alcançadas através do estudo de uma ampla gama de TIRs atualmente disponível no mercado. Isto é conseguido através de medições em laboratório das perdas de energia de um regime padrão de um forno construído com uma variedade de tijolos de teste. Já que diferentes fornecedores fabricam TIRs por diferentes técnicas (fundição, extrusão, compactação por impacto, a partir de espuma, prensagem), as microestruturas produzidas nos tijolos podem ser muito diferentes. Isto leva a uma grande variedade de condutividade térmica no mercado dentro de uma mesma classe de produto, o que, por sua vez, leva a uma grande variedade na capacidade de controle de perda de energia do forno para os diferentes tipos de TIRs.

Este trabalho demonstra que os TIRs podem exibir até 37% de diferença na economia de energia possível, dependendo do seu método de fabricação. O artigo também apresenta outras conseqüências do método de fabricação no desempenho em termos de aquecimento e das taxas de resfriamento e redução de emissões de CO2.

Base

Métodos de fabricação dos TIRs

A Tabela 1 lista as propriedades físicas de quatro TIRs classe-23 disponíveis comercialmente, representando os principais processos de fabricação utilizados pelos fabricantes. O processo de “fundição” utiliza gesso como um meio rápido de moldagem para uma mistura de argila com alto conteúdo de água com alguns aditivos adicionais para queima. O processo de compactação por impacto é uma forma de extrusão de baixa pressão de uma mistura de argila úmida contendo altos níveis de aditivos de queima com uma etapa adicional de processamento onde o material semi-extrudados fica “pendurado” em uma correia contínua para gerar porosidade adicional antes da secagem e queima. O processo de “Extrusão” força a mistura de argila úmida com aditivos de queima através de um bico de extrusão, onde o extrudado é posteriormente cortado em tijolos, seco e queimado. O processo de “cimento” é uma forma de fundição usando cimento em vez de gesso, o que leva a uma moldagem muito mais lenta. Mais detalhes a respeito destes processos de fabricação estão disponíveis na literatura [1].

Os dados de densidade apresentados na Tabela 1 são a média das medidas registradas em seis tijolos selecionados aleatoriamente de um lote maior de produtos. O restante dos dados de propriedades físicas são geralmente uma média de três medições, enquanto os dados de condutividade térmica mostrados na figura são medidos em uma amostra selecionada aleatoriamente do lote.

Condutividade térmica do TIR

Os diferentes métodos de fabricação dos TIRs produzem materiais com diferentes estruturas e químicas, que, por sua vez, oferecem propriedades de desempenho diferentes. [2] O parâmetro primário de desempenho para os TIRs é a sua capacidade de isolar, o que, em termos de propriedades mensuráveis, é avaliada pela condutividade térmica do produto. A densidade é por vezes utilizada como uma regra indicadora da capacidade de isolamento de um TIR, mas ela pode ser enganadora.

A diferença de condutividade térmica entre os diferentes tipos de TIRs é mostrada na figura 1. Pode ser visto a partir destes dados que a condutividade térmica dos TIRs estudados não está diretamente ligada à densidade. Por exemplo, o produto com mais alta densidade (compactado por impacto) tem valores intermediários de condutividade térmica, enquanto o TIR com a mais alta condutividade térmica (cimento) na verdade tem uma das menores densidades entre os produtos estudados. Assim, para maximizar a capacidade isolante do TIRs, a seleção de produto não deve ser feita pelos valores de densidade.

Os dados de condutividade térmica publicados comercialmente variam em qualidade e precisão, com algumas folhas de dados omitindo o método de ensaio, o que torna os dados enganosos, quando comparando e selecionando produtos. Os dados de condutividade térmica citados neste trabalho foram medidos de forma independente sob a ASTM C-182, mas o que não é normalmente publicado é como os dados de condutividade térmica se traduzem em condições reais em serviço. Se um TIR tem menor condutividade térmica do que outro, como é que se traduz em perda de calor em aplicações reais em termos de custos de energia? Este trabalho serve para responder a esta pergunta, medindo o consumo de energia real sob condições controladas utilizando diferentes TIRs.

Experimental

Encomendamos a um construtor de fornos que fabricasse dois fornos mufla de laboratório com aquecimento elétrico de projetos e potências idênticos (Fig. 2). Um deles foi revestido com TIRs fundidos como caracterizado na Tabela 1, e o outro foi forrado com TIRs de cimento. Nós selecionamos esses dois TIRs para o estudo uma vez que representam os TIRs com a menor e maior condutividade térmica.

Para cada forno, medidores de energia foram montados entre a fonte de energia e o forno, a fim de medir o consumo de energia durante as queimas teste controladas. Duas queimas de teste foram realizadas. O teste 1 foi uma rampa de 3°C / minuto a partir da temperatura ambiente até 800°C, manutenção por 15 horas e resfriamento natural à temperatura ambiente. O teste 2 foi uma rampa de 3°C / minuto da temperatura ambiente até 1000°C, manutenção por 15 horas e resfriamento natural à temperatura ambiente.

Resultados

Os resultados do uso de energia são mostrados nas Tabelas 1 e 2.

Através do monitoramento dos fornos durante os testes usando uma câmera de infravermelho (VarioCam, detector FPA de 320×240 pixels, 25 mm FOV de 32°x25°), as temperaturas da superfície do forno puderam ser medidas. A Figura 3 ilustra o quanto de calor é desperdiçado através do corpo do forno revestido com o TIR com a maior condutividade térmica e como a superfície do forno torna-se superaquecida. Esse comportamento tem o efeito combinado de desperdiçar custos de energia e de apresentar problemas de saúde e segurança em termos de temperaturas de trabalho perigosas.

Discussão

Os resultados do teste monitorado de queimas demonstraram que pode haver diferenças consideráveis nos requisitos de energia para aquecer os fornos construídos, utilizando diferentes tipos de TIR. Com os tipos de TIR estudados sob nossas condições de teste de queima, ~ 37% menos de energia foi necessária para executar o teste com um forno em ciclo de queima de 1000°C (1832°F) com o TIR fundido em comparação com o TIR de cimento. Essa diferença no consumo de energia é uma conseqüência das diferentes condutividades térmicas, que são devidas às diferenças na microestrutura e no tamanho dos poros criados pelos processos de fabricação. [2] As figuras 4a a 4c mostram a microestrutura dos TIRs fundido e de cimento utilizados no estudo, como observado sob um microscópio eletrônico.

As Figuras 4a-4c mostram que o TIR fundido tem uma microestrutura muito mais fina. O TIR de cimento tem uma grande quantidade de buracos relativamente grandes na sua estrutura, que vão de 700 a 1300 micra. Estes grandes tamanhos de poros são formados quando materiais combustíveis são adicionados à mistura para o processo de fundição à base de cimento e são queimados durante o processo de queima. Tipicamente, esferas expandidas de polímeros de ~ 1 mm de diâmetro são utilizadas pelos fabricantes para criar níveis tão elevados de porosidade no produto queimado. Isso tem o efeito de reduzir a densidade e fazer com que o tijolo seja leve, mas não contribui muito para as propriedades de isolamento do TIR.

Tanto os TIRs fundido e de cimento exibem tamanhos semelhantes de poros na faixa de médio porte, com cerca de 50 micra de diâmetro. Isto é, mais uma vez, devido ao uso de aditivos de queima. Mas o TIR fundido tem uma proporção muito maior de poros na faixa de <10 micra de tamanho. Ensaios de porosimetria por mercúrio[2] indicam uma presença significativa de porosidade ainda mais fina do que esta no TIR fundido. É esta combinação da estrutura de poros ultrafinos, juntamente com uma ausência de tamanhos de poros muito grandes, que permitem que o TIR fundido tenha menor condutividade térmica em comparação com o TIR de cimento.

Os TIRs são normalmente utilizados em aplicações >1000°C, porque, nestas temperaturas, proporcionam o melhor isolamento em termos de custo-benefício disponível, em comparação a isolamentos refratários alternativos (Fig. 5). A natureza estrutural dos produtos também significa que eles oferecem resistência à abrasão em ambientes de alta temperatura, juntamente com a resistência química (quando a química é adaptada para lidar com gases específicos).

Em aplicações de temperaturas acima de 1000°C, o mais importante mecanismo de transferência de calor torna-se a radiação, ao invés de condução ou convecção, que são os mais importantes mecanismos de transferência de calor em temperaturas mais baixas. Os tamanhos grandes dos poros no TIR de cimento são ineficientes em retardar a transferência de energia nos comprimentos de onda infravermelhos envolvidos, de modo que este tipo de TIR apresenta uma condutividade térmica maior em comparação ao fundido. Por outro lado, a estrutura microporosa do TIR fundido, com seu pequeno tamanho dos poros, é muito mais eficiente em interferir na transferência de energia em comprimentos de onda infravermelhos, de modo que este tipo de TIR apresenta baixa condutividade térmica. É por isso que a microestrutura do TIR fundido fornece isolamento superior em comparação ao TIR de cimento.

Economia de energia

Os resultados dos testes de laboratório demonstram o potencial para minimizar o uso de energia por meio da seleção adequada do TIR para o revestimento de fornos. Para entender como isso afeta instalações reais de fornos de tamanhos reais, rodamos cálculos de transferência de calor (usando os mesmos tipos de TIR fundido e de cimento usados nos estudos de laboratório) para avaliar os custos de energia de funcionando para um forno de rolo usado por fabricantes de cerâmica (Tabela 4).

O modelo “face quente” do arranjo padrão do revestimento (camada 1) foi criado com base nos dados dos TIRs classe-26 disponíveis comercialmente (JM26, Thermal Ceramics). O isolamento de backup (camada 3) foi criado usando dados de placas de fibra bio-solúvel comercialmente disponíveis (Superwool 607, Thermal Ceramics). Para avaliar o efeito de usar diferentes tipos TIR no arranjo de revestimento sobre o consumo de energia, a camada 2 foi designada como a camada de teste, na qual os dados de diferentes tipos de TIR foram inseridos. Os resultados dos cálculos de transferência de calor são mostrados na Fig. 6.

Os cálculos de transferência de calor mostram que o arranjo do revestimento com o TIR de cimento requer mais 152 W/m2 de energia para manter a temperatura do forno a 1300°C, do que o arranjo de revestimento com o TIR fundido na camada 2. Assim, para uma área de aquecimento de 150 m2, a diferença no consumo de energia entre os dois fornos de rolos simulados é de 22,8 kW. Isso equivale a uma economia de aproximadamente 230 mil kW de energia por ano, usando o TIR fundido em comparação ao TIR de cimento. Assumindo um preço do gás de €0,035 / kWh, isso equivale a uma economia anual de ~ €8.000 / ano. Uma vez que a vida média de um revestimento de um forno é de cerca de 10 anos, a economia total sobre a vida do revestimento do forno seria de ~ €80.000.

A área de 150 m2 de aquecimento no forno precisaria de ~ 8.500 TIRs de tamanho padrão. Embora o preço do TIR fundido seja maior do que o de cimento neste exemplo, este preço mais elevado seria pago em apenas quatro meses. Após o período de retorno inicial de quatro meses, o restante da vida útil de 10 anos oferece contínuas economias devido à menor necessidade de energia.

Impacto adicional da seleção do TIR

Outra conseqüência importante da economia de energia alcançada usando o TIR de menor condutividade térmica é a redução nas emissões de CO2. Usando o TIR fundido em vez do TIR de cimento, ocorre uma redução no impacto ambiental pelo funcionamento do forno. No cenário atual do forno, como a economia usando TIR fundido é, neste exemplo, de aproximadamente 230 mil kW / ano, um forno tipo rolo a gás natural vai precisar de 22.000 m3 / ano menos gás para a queima. Como o gás natural produz 37,8 MJ/m3, então 830.000 MJ / ano serão salvos. Já que 1m3 de gás natural produz ~ 1 m3 de CO2, há uma redução potencial das emissões de CO2 de aproximadamente 22.000 m3 / ano. O equivalente a 1m3 de CO2 é 1,96 kg, o que equivale a ~ 43 toneladas / ano em redução de CO2 produzido ou 430 toneladas ao longo da vida do revestimento de forno.

Um benefício adicional do uso do TIR fundido de menor condutividade térmica sobre o TIR de cimento é que a temperatura externa do forno é menor. No exemplo calculado neste trabalho, a temperatura externa do forno utilizando TIR fundido na camada 2 é de 79°C, enquanto que a temperatura da externa do forno utilizando TIR de cimento na camada 2 é de 88°C. A menor temperatura da superfície obtida com o TIR fundido produz um ambiente de trabalho mais confortável para os operadores e minimiza o risco de queimaduras por contato com a superfície do forno, em comparação com a maior condutividade térmica da TIR de cimento.

A escolha do TIR no revestimento do forno também impactará outros aspectos práticos da utilização do forno em um ambiente de produção. Selecionar o TIR fundido ao invés do TIR de cimento permitirá mais rápidas taxas de aquecimento e de resfriamento no forno, porque o TIR fundido de baixa densidade tem uma massa térmica menor. Este efeito foi observado nos estudos de energia relatados neste artigo. Tanto durante os testes de queima a 800°C e a 1000°C, o TIR fundido atingiu a temperatura programada de trabalho mais rápido que o TIR de cimento.

Conclusões

O trabalho relatado neste artigo demonstrou os seguintes pontos:
– Diferenças no uso de energia tão grandes quanto 37% foram medidas em condições controladas de laboratório, entre TIRs fabricados por diferentes métodos;
– Ao selecionar produtos isolantes refratários para revestimento de interiores de fornos, muita atenção deve ser dada à condutividade térmica relatada dos TIRs;
– A densidade dos produtos não deve ser usada como um critério para avaliar a capacidade de isolamento, pois isso pode levar a seleção de um produto incorreto;
– Para minimizar o consumo de energia no forno, a condutividade térmica publicada deve ser medida a um padrão internacional reconhecido (por exemplo, ASTM C-182) e ser a mais baixa o possível. Selecionando um TIR devido ao preço por si só pode vir a ser uma falsa economia e um erro caro em longo prazo;
– TIRs fabricados por processo de fundição oferecem a menor condutividade térmica disponível hoje em temperaturas de aplicação e, portanto, fornecem a maior economia de energia.

Este trabalho quantificou a economia de energia que é possível quando se utiliza os TIRs fundidos. Os benefícios de usar o TIR de menor condutividade térmica disponível são:

1. Potencial de redução de custos devido à grande redução no consumo de energia

2. Menores emissões de CO2 devido ao uso reduzido de energia

3. Temperaturas reduzidas da superfície do forno oferecem condições de trabalho mais seguras aos operadores. IH

Para mais informações: Contate o Dr. Andy Wynn, Morgan Thermal Ceramics, Tebay Road, Bromborough, Merseyside, CH62 3PH, Reino Unido; tel: (+44) 151 482 7483; fax: (+44) 151 482 7426; e-mail: andy.wynn@morganplc.com; web: www.morganplc.com ou Lance Caspersen, Morgan Thermal Ceramics, 2102 Old Savannah Road, Augusta, GA 30906, EUA; tel: 706-796-4200; fax: 706-796-4328; e -mail: lance.caspersen@morganplc.com

Referências

[1] Moody KJ, Street JP, Magni E. Insulating Firebrick: Manufacturing Processes and Product Quality. In Alafar Conference, Guatemala, Nov. 7-11, 2004;
[2]  Wynn A, Marchetti M, Street JP, Yin T. Insulating Firebrick – Effect of Manufacturing Method on Product Performance. In UNITECR 09 Conference, Brazil, Oct. 13-16, 2009.

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