Lãs isolantes para elevadas temperaturas: Classificação – Parte I

Nos anos 80, quando comecei a trabalhar com refratários, um contramestre de refratários da Aço Bethlehem me disse: “Não existem refratários ruins, você apenas os colocou no lugar errado”. Agora, depois de todo esse tempo, pude perceber que ele estava certo em ambas as colocações. Não existem refratários ruins e 50 anos não é velho

Cada material refratário possui vantagens e desvantagens tecnológicas e econômicas relativas a uma aplicação específica. Para a seleção correta é mais importante para o operador de fábrica que o seu fornecedor de estufa/forno e o fornecedor de material refratário trabalhem em parceria para alcançar uma ótima solução tanto econômica quanto tecnologicamente. A solução apresentada é baseada na utilização de produtos à base de uma lã isolante para elevadas temperaturas (HTIW – High-Temperature Insulating Wools), na qual ostenta vantagens significativas em relação aos produtos refratários tradicionais quando se compara o custo de investimento, despesas de operação, confiabilidade, eficiência global e a mais alta disponibilidade do equipamento seguido de novo revestimento e manutenção, ou trabalho de reparo.

O que é a lã isolante de elevada temperatura. Pode ser encontrada na forma de fibra de aluminossilicato (ASW) e fibra de mulita policristalina (PCW), oferecendo excelentes propriedades químicas, físicas e termomecânicas e pertencem a estes grupos de lãs isolantes de alta temperatura de HTIW, em conjunto com a fibra de silicato alcalino-terroso (AES). Para nossos colegas norte-americanos, fibra de cerâmica refratária (RCF) e fibra policristalina é chamada de HTIWool (Lã isolante de elevada temperatura) na maior parte do mundo.

Como resultado no aumento de requisitos em fornos para aplicações acima de 900°C, a demanda de HTIW aumentou consideravelmente na última década. Muito desta demanda está onde o isolamento está exposto a elevadas tensões termomecânicas (temperatura de choque), mecânicas e químicas. Considerando esta busca geral, produtos especiais ultraleves feitos de HTIW com suas surpreendentes propriedades térmicas, termomecânicas e químicas são particularmente adequadas para aplicações na moderna indústria de fornos.

As vantagens destes materiais são:

– Consumo otimizado de energia específica (com até 50% de economia de energia quando comparados aos revestimentos densos/pesados tradicionais);
– Aumento na eficiência global de fornos de elevada temperatura;
– Redução de emissão de gases de efeito estufa;
– Excelente estabilidade química;
– Excepcionais propriedades termomecânicas (por exemplo, uma resistência ao choque térmico quase ilimitada).

Este artigo apresenta uma visão geral e exemplos do uso de produtos de HTIW na engenharia de processos térmicos na indústria do aço. Exemplos incluem:

– Revestimento em módulo (sistemas combinados) em fornos de forja;
– Bloco de queimadores ultraleves;
– Isolamento ultraleve para rolos resfriados a água em fornos soleira de rolos (exemplos: fornos contínuos para fundição, compacto fundido de parede fina-produção de tiras- CSP/ fundição de parede fina/placa fina).

Materiais Refratários e Produtos de HTIW

Materiais refratários podem ser classificados em quatro grupos principais de acordo com a Fig.1:

– Produtos refratários densos e perfilados;
– Materiais refratários sem molde (monolíticos);
– Produtos refratários funcionais;
– Materiais isolantes térmicos.

O grupo principal de materiais isolantes térmicos incluem produtos de HTIW, isolamento térmico e tijolos de isolamento refratário e outros materiais isolantes (exemplo: silicato de cálcio, materiais microporosos, etc.).

Uma visão geral dos produtos de HTIW também é mostrada na Fig.1. A variedade dos produtos formados destes materiais ultraleves se estende desde a lã através de esteiras/camadas e módulos até produtos fabricados a vácuo na forma de placas, produtos funcionais e componentes perfilados.

A HTIW é usada como matéria-prima para os já mencionados refratários ultraleves, fazem parte de um grupo de lãs inorgânicas, minerais artificiais. Uma relação geral dos HTIWs é mostrada na Fig.2.

Os produtos feitos de lã de aluminossilicato (Alsitra) e lã policristalina (Altra) são definitivamente os produtos mais importantes do grupo de HTIW para instalações de processamento térmico e construção de fornos industriais. Devido particularmente às suas excelentes propriedades técnicas, esses produtos são agora indispensáveis para uma grande variedade de aplicações industriais nas temperaturas da faixa de 600-1800°C.

Produtos feitos de fibra de silicatos de alcalinos-terrosos, (AES) outra forma de lã de isolamento para elevadas temperaturas, exibem menor resistência química e estão mais inclinados para a recristalização, assim limitando seu potencial de aplicação na engenharia de processamento térmico. A principal aplicação é na indústria de eletrodomésticos e para processos industriais com temperatura abaixo de 900°C.

Lãs de aluminossilicatos (Alsitra) e de silicatos de alcalinos-terrosos (AES) são fabricadas em um processo de fusão e em seguida passam por processos de insuflação ou turbilhonamento. Processos de cristalização, retração e sinterização limitam a temperatura de uso desses produtos para abaixo de 1300°C.

Em contraste, HTIW de alumina policristalina (PCW) são fabricados com tecnologia sol-gel e tratadas térmicamente em temperaturas de até 1400°C durante o processamento. Os materiais produzidos desta maneira possuem classificação e temperatura de uso de até 1650°C. Formatos de aplicação específica ou de distribuição otimizada (componentes ALTRAFORM produzidos a vácuo) asseguram a adequação desses produtos para temperaturas de trabalho de até 1800°C.

A Tabela 1 lista as propriedades físico-químicas mais importantes para avaliar as HTIWs. A temperatura de classificação é definida como a temperatura na qual uma mudança linear permanente (retração) de 4% não é excedida após 24 horas de tratamento térmico em um forno de laboratório aquecido eletricamente em atmosfera neutra.

A atual máxima temperatura de aplicação de uma HTIW amorfa (aluminossilicato (ASW) ou silicato de alcalino-terroso AES) é geralmente ao menos 150-200°C (margem de segurança) abaixo da temperatura de classificação. Isso é porque, em contraste com a determinação da temperatura ideal de classificação, condições de queima em atmosfera neutra com uma exposição relativamente curta (24 horas), os produtos em trabalho não estão somente expostos a elevadas temperaturas, mas também a adicionais tensões físico-químicas que frequentemente desviam das condições ideais e por isso há a temperatura limite de aplicação.

Em contraste, produtos feitos de lã policristalina (PCW) podem ser utilizados sem o limite de segurança da atual classificação de temperatura, mesmo em aplicações industriais.

Apesar das composições químicas típicas e das temperaturas resultantes da classificação, a temperatura real sob condições de processo, resistência química a ácidos e bases e a densidade aparente são importantes para a utilização de materiais na indústria de fornos. Essas condições diferem consideravelmente no campo das aplicações de engenharia de processo térmico na qual a HTIW é usada.

Os materiais mais adequados, e especialmente as lãs isolantes para elevadas temperaturas mais apropriadas para respectiva aplicação podem ser selecionadas baseando-se nas especificações de normas europeias TRGS 619 (Technical Rules for Hazardous Substances, Normas Técnicas para substâncias perigosas). Esse guia técnico é um auxílio valioso para tudo relacionado com instalações de processos térmicos – operadores de fábrica, fornecedores de fornos e refratários – na seleção do refratário apropriado.

Ao mesmo tempo, a TRGS 619 fornece uma excelente possibilidade para documentação do conceito do revestimento do forno para agências regulatórias e/ou para saúde e segurança do trabalho e proteção do meio ambiente.

Os usuários e fornecedores competentes de fornos irão, em consideração desta diretiva, optar por utilizar HTIW como revestimento refratário para plantas de processos térmicos proporcionando que este material prove sua adequação técnica em uma análise objetiva.

A Fig. 3 mostra de uma maneira simplificada as possíveis variações de temperatura de produtos de HTIW, com a indicação da frequência de aplicação no respectivo trecho de temperatura.

Conclusão

Em consideração aos enormes desenvolvimentos técnicos na construção de fornos industriais e as economias de energia que tornaram possível graças à aplicação de produtos de lã isolante em elevada temperatura em diferentes setores industriais, isolamento térmico para empresas progressistas com processos em estado da arte e temperaturas excedendo 900°C poderiam ser impensáveis sem esses materiais.

Na parte 2 continuaremos nossa discussão dos benefícios de HTIW e cobriremos algumas aplicações específicas como bloco de queimadores e fornos contínuos de soleira de rolos.

Para mais informações: Rick Sabol, Gerente de Desenvolvimento de Negócio, RATH Inc., 300 Ruthar Drive, Newark, Delaware – EUA, tel: +1 302-294-4458; e-mail: rick.sabol@rath-group.com; website: www.rath-usa.com.