O projeto de engenharia e os materiais para revestimento escolhidos são os fatores-chave no controle da eficiência e da utilização de energia dos equipamentos utilizados em aplicações de ferro e aço. Como resultado, é um fator crítico que os projetistas industriais entendam as vantagens e desvantagens dos materiais que eles escolhem. Por exemplo, é especialmente importante selecionar Tijolos Refratários Isolantes (IFBs – Insulating Firebricks) que minimizem as perdas energéticas. Estudos recentes conduzidos nos IFBs produzidos utilizando os três métodos de fabricação mais comuns – fundição, slinger e extrusão – mostram que o processo de fundição apresenta a menor condutividade térmica e fornece as mais altas economias com energia.

Técnicas de Fabricação dos IFBs Causam Ampla Variação na Habilidade de Controlar as Perdas Energéticas

Os versáteis IFBs são utilizados em numerosas aplicações para ferro e aço, incluindo: alto fornos, sistemas de dutos em processos de redução direta e fornos de reaquecimento, isolamento de apoio em fornos de coque, em distribuidores de aço (tundishes) e em panelas. Eles também são utilizados de forma bastante ampla em paredes laterais, abóbodas e soleiras de uma ampla variedade de linhas de tratamento térmico, recozimento e galvanização. A Fig.1 mostra a sua utilização na chaminé de um forno de coque (topo) e em um forno tipo túnel (base).

Os IFBs são fabricados utilizando uma variedade de técnicas, sendo as mais comuns: fundição, slinger e extrusão. O processo de fundição utiliza gesso como um meio de pega rápida para a mistura de argila contendo aditivos para a queima e com grande quantidade de água. O processo slinger é uma forma de extrusão em baixa pressão de uma mistura úmida de argila contendo altas concentrações de aditivos para queima. Ele inclui uma etapa de processo adicional na qual o material semiextrudado é colocado sobre uma correia contínua para gerar uma porosidade adicional antes da secagem e queima. O processo de extrusão força a mistura de argila úmida, contendo aditivos para a queima, por meio de um orifício. Após extrudado, o material é cortado em tijolos e são feitas a secagem e a queima.

A composição química e as microestruturas produzidas podem diferir de forma ampla entre estes métodos, fornecendo uma extensa variedade de condutividades térmicas dos produtos, dentro da mesma faixa de temperaturas. Esta variação, por outro lado, tem efeito na habilidade dos diferentes tipos de IFBs controlarem as perdas energéticas.

Comparação dos Métodos de Fabricação

Para entender o efeito dos três principais métodos de fabricação dos IFBs nos comportamentos quanto à condutividade térmica e às perdas energéticas, pesquisadores conduziram um estudo para quantificar as diferenças na energia utilizada que poderiam ser atingidas com a Classe 23 e a Classe 26 de IFBs.

A Fig.2 mostra a condutividade térmica dos IFBs testados, a qual é uma propriedade crítica, já que os IFBs são utilizados por suas habilidades de isolamento. Em cada classe de IFB, os tijolos fundidos têm a mais baixa condutividade térmica, seguidos pelos tijolos obtidos pelo processo slinger, sendo que os tijolos extrudados apresentaram a mais alta condutividade térmica.

Os pesquisadores projetaram dois fornos laboratoriais idênticos do tipo mufla, com aquecimento por indução (Fig.3) e conduziram os estudos de uso de energia comparando os tijolos IFB. Eles revestiram a primeira mufla com os IFBs da Classe 23 fundidos e os mesmos se tornaram a referência já que eles tiveram a mais baixa condutividade térmica na classe. Os resultados desses testes são mostrados na Tabela 1.

A Fig.4 apresenta termografias das duas muflas durante o primeiro ensaio a 1.000°C. A mufla revestida com o IFB fundido é a da esquerda. Estas imagens mostram quanto calor é desperdiçado pela mufla revestida com o IFB de condutividade térmica mais alta e como a temperatura da superfície da mufla se torna superaquecida. Isto mostra tanto os efeitos dos custos pela energia desperdiçada quanto as questões relacionadas com saúde e segurança causadas por temperaturas de trabalho perigosas.

Para os testes feitos na mufla a 1.000°C, uma quantidade significativamente menor de energia foi necessária para realizar os testes com o IFB fundido quando comparado com o IFB extrudado (37% a menos para a Classe 23 e 38,5% a menos para a Classe 26). Essas diferenças na energia utilizada são devido às diferentes condutividades térmicas dos IFBs. Em materiais com composições químicas similares, a condutividade térmica é controlada pela estrutura dos materiais. Os diferentes métodos de fabricação dos IFBs estudados produziram materiais com macro e microestruturas inerentemente diferentes e é isto que controla o comportamento térmico dos produtos. Por exemplo, a Figura 5 ilustra as diferenças nas macroestruturas dos IFBs da Classe 23 estudados. A textura dos IFBs fundidos é mais refinada e a dos produtos extrudados é mais grosseira.

Cálculos da Economia de Energia

Após a condução dos testes em laboratório, os quais demonstraram o potencial para minimizar a utilização de energia por meio da seleção do IFB apropriado para uma instalação de revestimento, os pesquisadores conduziram, então, cálculos do fluxo de calor para entender os efeitos em instalações industriais reais. Os cálculos foram realizados para avaliar os custos de produção em duas localidades estratégicas com aplicações de recozimento, as quais utilizam os IFBs como o material de revestimento: um forno catenário de recozimento de tiras e um forno de recozimento de peças de ferro fundido.

A modelagem foi realizada utilizando a forma mais comum de colocação dos revestimentos IFBs na vida real, na qual as paredes são normalmente construídas com tijolos com tamanho padrão, enquanto os tetos são construídos com blocos de teto pré-moldados. A Fig.6 mostra os resultados. Os gráficos superiores mostram os cálculos de fluxo de calor para o forno catenário de recozimento de tiras com as paredes revestidas com IFB fundido (esquerda) e IFB extrudado (direita). Os gráficos inferiores mostram os cálculos do fluxo de calor para o forno de recozimento de peças de ferro fundido com a abóboda revestida com IFB fundido (esquerda) e IFB extrudado (direita).

A Tabela 2 mostra as diferenças significativas que podem ser alcançadas para a temperatura de chapa quando utilizam-se diferentes tipos de IFBs. A utilização do IFB fundido produz temperaturas de chapa muito mais baixas do que o IFB extrudado. A temperatura superficial mais baixa obtida utilizando o IFB fundido também produz um ambiente de trabalho mais confortável para os operadores e minimiza os riscos de queima por um eventual contato do operador com a superfície do equipamento.

Para a parede do forno catenário de recozimento de tiras, os cálculos do fluxo de calor mostram que o revestimento com o IFB extrudado necessita de 271 W/m2 mais energia para manter a temperatura de operação de 1.200°C do que o revestimento com o IFB fundido devido à menor condutividade térmica do fundido comparado com o IFB extrudado. A diferença no consumo de energia entre as paredes dos dois fornos simulados utilizando o IFB fundido é igual a uma economia de 42,450 m3 de gás natural por ano se comparado com o IFB extrudado. Assumindo o preço do gás de US$ 0,192/m3, isto é igual a uma economia anual de US$ 8.150,00, considerando somente a seção da parede. Assumindo a vida de um revestimento de forno de 10 anos, a economia total na vida do revestimento da mufla seria de US$ 81.500,00.

As economias considerando a estrutura completa seriam significativamente maiores. Para um forno catenário de recozimento de tiras, com 127m2 de área de trabalho, precisaria de aproximadamente 7.200 blocos de IFBs de tamanho padrão para o revestimento das paredes. Apesar do preço do IFB fundido ser um pouco mais alto, o exemplo mostra um período de retorno inicial de apenas 3 meses. Haveria uma economia nos custos contínua devido às mais baixas energias necessárias pelo resto dos 10 anos de vida em serviço.

Para a abóboda do forno de recozimento de peças de ferro fundido, o revestimento com o IFB extrudado necessita 434 W/m2 mais energia para manter a temperatura de operação de 930°C quando comparado com o revestimento de IFB fundido. Para uma área de trabalho de 46,5 m2, a diferença no consumo de energia entre as duas abóbodas simuladas chega a uma economia de energia de 17.615 m3 de gás natural por ano utilizando o IFB fundido comparado com o IFB extrudado, o qual iguala a uma economia anual de US$ 3.382, considerando somente esta pequena seção de abóboda. Assumindo a vida útil de um revestimento de abóboda de forno de 10 anos, o total de economia por toda a vida do revestimento da mufla seria de US$ 33.820. As economias considerando a estrutura completa seriam significativamente mais altas. Para uma área de abóboda de 46,5m2, seriam necessários aproximadamente 2.600 IFBs com tamanho padrão, desta forma, o retorno utilizando o IFB fundido seria menor que 3 meses.

Conclusão

Por meio do monitoramento da utilização de energia em muflas laboratoriais revestidas com IFBs produzidos por diferentes processos e pela modelagem dos efeitos no fluxo de calor utilizando estes mesmos IFBs em duas aplicações importantes de ferro e aço, os pesquisadores demonstraram que os IFBs produzidos pelo processo de fundição apresentam a condutividade térmica mais baixa disponível hoje nas temperaturas de aplicação e fornecem as mais altas economias de energia.

Para mais informações: Contate Wendy Evans, comunicação e marketing, Morgan Advanced Materials Thermal Ceramics. 2012 Old Savannah Road, Augusta, Georgia – EUA 30906; tel: + 1 706-796-4200; e-mail: wendy.evans@morganplc.com; web: www.morganthermalceramics.com.

Revisão de tradução gentilmente realizada pelo Diretor Técnico da Morgan Advanced Materials para a América do Sul, Reynaldo Pereira, (21) 3305-7400, reynaldo.pereira@morganplc.com.

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Siga as cinco dicas a seguir para manter o refratário do seu forno funcionando de forma eficiente.

Dica 1 – Avalie o refratário do seu forno utilizando a inspeção termográfica infravermelha

As varreduras termográficas por infravermelho são passos essenciais para a avaliação da qualidade do refratário do forno. A qualidade do refratário é um fator crítico para proteger o aço sendo aquecido e também para limitar a perda de calor e promover a eficiência do forno como um todo. De forma geral, a varredura consiste em apontar uma câmera de infravermelho em diversos pontos do forno para analisar a temperatura externa e identificar pontos quentes pelos quais a unidade está perdendo calor ou verificar se há problemas de projeto que não são visíveis pelo lado externo. Isto é particularmente útil quando se trata de uma superfície pintada.

Obviamente, um dos grandes benefícios da varredura feita pelo lado externo é que a unidade pode continuar em operação. A Fig. 1 mostra uma câmera de infravermelho detectando pontos quentes ou outros problemas com o refratário.

Em muitos casos, engenheiros especialmente treinados para estas aplicações conduzem as imagens com o infravermelho, analisam as varreduras e fornecem recomendações sobre as opções de reparo mais apropriadas.

Dica 2 – Utilização de reparos para manutenção on-line

Dependendo da temperatura, da dificuldade de se chegar a uma determinada área ou de quão grande o ponto quente é, conduza os reparos on-line sempre que possível. A maioria dos gerentes de manutenção prefere a opção de reparo on-line porque é confiável, rápida e econômica. Afinal, os fornos e caldeiras estão gerando receitas, então é muito bom se os reparos forem feitos enquanto a unidade está on-line. Isto evita perda de receita pela unidade em questão bem como as perdas que ocorrem por consequência devido às paradas das unidades que estão conectadas.

Por exemplo, se as varreduras por infravermelho indicarem que são recomendados reparos on-line, os produtos bombeáveis Superwool® ou Kaowool® da Morgan Thermal Ceramics podem ser bombeados pelo lado de fora do forno ou caldeira, preenchendo as trincas e vazios causados pela deterioração do isolamento. Estes produtos são ideiais para prover uma melhor eficiência do isolamento térmico por trás dos tubos das caldeiras nas paredes laterais, selos e pisos, como também para os reparos de estufas, fornos e equipamentos de processo.

Com os reparos tradicionais, o forno precisa ser desligado e resfriado até que esteja seguro para o pessoal da manutenção entrar e reparar o refratário com mantas de fibra bombeáveis ou monolíticas. A Fig. 2 mostra como os materiais de reparo podem ser bombeados pelo lado de fora para preencher o ponto quente e resfriar uma determinada área.

Dica 3 – Escolha o material correto para a reforma do forno

Quando a varredura por infravermelho indicar que a área em questão é muito grande para um reparo on-line, a unidade precisa ser desligada para que o refratário do forno seja refeito. A seleção do material é a chave para que a reforma do forno seja um sucesso, resultando em uma melhor eficiência e confiabilidade e diminuindo os custos de manutenção.

As propriedades do material – incluindo dureza, densidade, resistência mecânica e fator de isolamento – podem variar dependendo da aplicação do forno. A seleção do material apropriado é frequentemente feita utilizando-se um programa de computador para análise do fluxo de calor no qual a temperatura e as variáveis de utilização são os dados de entrada para se obter a informação sobre o melhor material a ser utilizado.

Mantenha em mente que muitas unidades têm um sistema de isolamento antigo. Como há diversos tipos de isolantes novos e mais eficientes no mercado atual, considere um upgrading quando tiver que refazer o refratário do seu forno. Por exemplo, a fibra Morgan Thermal Ceramics Superwool PlusTM tem condutividade térmica cerca de 20% menor do que os isolantes concorrentes.

Como resultado, a fibra Superwool Plus tem uma eficiência energética 17% maior que as fibras refratárias cerâmicas tradicionais e outros isolantes de silicatos alcalinos ferrosos. Um avanço no controle da manufatura avançada da empresa permitiu que o produto fosse “engenheirado” para maximizar a quantidade de fibras.

Sua baixa bio-persistência também o faz bom para substituição para aqueles que estão procurando alternativas para saírem dos isolantes feitos de fibras cerâmicas refratárias tradicionais. As Figs. 3 e 4 mostram alguns materiais utilizados na reforma de fornos.

Dica 4 – Considere o projeto de engenharia de forma cuidadosa

Após a seleção do material mais adequado, assegure-se de que o projeto de engenharia é apropriado. O projeto de engenharia é extremamente importante para assegurar que os revestimentos colocados tenham a vida mais longa possível. Assegure-se de que os materiais tenham sustentação suficiente para mantê-los no local e tenham espaço suficiente para expansão ou contração. Por exemplo, se você instala tijolos refratários sem as juntas de expansão apropriadas, o tijolo poderá “crescer” e arrancar todos os revestimento da parede do forno.

Dica 5 – A instalação adequada é a chave para o sucesso

Assegure-se de que a instalação do material refratário do forno seja feita de forma adequada e que aqueles que estão fazendo o trabalho têm as habilidades necessárias para a tarefa. Há uma ampla variedade de produtos disponíveis, e cada um tem diferentes requisitos para a instalação.

Por exemplo, com produtos de concreto, se o concreto não for misturado com a quantidade correta de água e na temperatura adequada, sua colocação será difícil e ele não alcançará as propriedades esperadas. O ponto de partida é que se os revestimento não forem instalados de forma correta, é o mesmo que não ter um bom projeto e não fazer a escolha correta do material.

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