ANÁLISE DE FALHA DE UM COMPONENTE ESTRUTURAL DE PLANTA DE PELOTIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO

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1 Resumo ANÁLISE DE FALHA DE UM COMPONENTE ESTRUTURAL DE PLANTA DE PELOTIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO doi: /tmm Mrcelo Tdeu Miln 1 Omr Mluf 2 José Ricrdo Trpni 3 Cludio Finmore Ferrz 4 Jel Moutinho 5 Tenório Freits 6 Brrs de grelh de crros de pelotizção de minério de ferro presentrm intenso desgste por rsão devido o contto com crgs de pelots, e por erosão resultnte do fluxo de r quente contendo prtículs do minério. A queim de comustível fóssil lid à presenç de contminntes n crg de pelots originrm eutéticos com ixo ponto de fusão de sis de metis lclinos. A deposição de sis líquidos sore superfície ds rrs de grelh destruirm cmd de óxidos protetores e induzirm degrdção dos componentes por corrosão quente. Descmção celerd por fdig térmic grvou sensivelmente o processo. Recomend-se dotr um ço inoxidável com miores teores de Cr pr suprir região emporecid junto à superfície, e de Si e Al pr umentr resistênci glol do ço à oxidção. Plvrs-chve: Aços inoxidáveis; Análise de flhs; Corrosão; Desgste. Astrct FAILURE ANALYSIS OF STRUCTURAL COMPONENT OF iron ore pelletizing process PLANT Grte rs of pllet crs employed in iron ore pelletizing process presented severe rsive wer due to the contct with the pellets, nd erosive wer s consequence of the hot ir flow contining iron ore prticles. Burning fossil fuels nd the presence of contminnts in the pellets resulted in low melting point eutectics of metl lkli slts. Liquid slt deposits on the grte r surfce dissolved the protective oxide lyer, inducing hot corrosion degrdtion of the component. Therml ftigue induced-splling further ggrvted the prolem. It ws recommended higher Cr-content stinless steel in order to supply the ner surfce Cr-depleted zone s well s higher levels of Si nd Al imed t incresing glol oxidtion resistnce. Key words: Stinless steel; Filure nlysis; Corrosion; Wer. 1 INTRODUÇÃO Um esquem de prte de um forno de pelotizção de minério de ferro é ilustrdo n Figur 1. Bsicmente, um correi sem fim, compost por vários crros, conduz pelots trvés do forno. No fundo de cd crro há um rrnjo de rrs de grelh (indicdo por um set zul) confeccionds com ço inoxidável, cuj função é sustentr crg de pelots sore o crro e permitir pssgem de r quente durnte s etps de queim do processo de pelotizção. Um típico crro de grelh do tipo vgonete é ilustrdo n Figur 1, o qul circul ininterruptmente sore trilhos. 1 PhD em Engenhri, Diretor Superintendente MIB - Mterils Institute of Brzil. Ru Pulino Botelho de Areu Smpio, 881, Jd Bethâni, , São Crlos-SP. miln@mi.eng.r 2 Doutor em Engenhri, Diretor Executivo MIB - Mterils Institute of Brzil. Ru Pulino Botelho de Areu Smpio, 881, Jd Bethâni, , São Crlos-SP. omr@mi.eng.r 3 Professor Assocido do Deprtmento de Engenhri de Mteriis, Aeronáutic e Automoilístic, Escol de Engenhri de São Crlos, Universidde de São Pulo (SMM-EESC-USP). Av. Trlhdor São-Crlense, 400, Pq. Arnold Schimidt, , São Crlos-SP. jrpn@sc.usp.r 4 Engenheiro Mecânico Especilist em Mteriis do Deprtmento de Engenhri de Mteriis d CVRD, DIPE - Engenhri de Mteriis, Prédio Oficin Elétric, Térreo, Av. Dnte Michelini, 5500, Pont de Turão, , Vitóri-ES. cludio.ferrz@vle.com 5 Técnico de Processo do Deprtmento de Gestão Estrtégic de Insumos d CVRD, DIPE - Engenhri de Mteriis, Prédio Oficin Elétric, Térreo, Av. Dnte Michelini, 5500, Pont de Turão, , Vitóri-ES. jel.moutinho@vle.com 6 Supervisor Técnico de Mnutenção do Deprtmento de Pelotizção d CVRD, DIPE - Engenhri de Mteriis, Prédio Oficin Elétric, Térreo, Av. Dnte Michelini, 5500, Pont de Turão, , Vitóri-ES. tenorio.freits@vle.com Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.5, n.1, p , jul.-set

2 Pelots umids Grelhs Exustão Exustão Cmr Comustão 500 C C C 900 C 1 C UDD DDD PH F AF Amiente 2 C Pelots secs Entrd r miente 2 EXPERIMENTAL Form relizdos os seguintes procedimentos: Análise químic (espectrometri de emissão óptic e microsond EDX); Análise visul; Análise por microscopis óptic e eletrônic de vrredur (MEV); Mcrodurez Brinell; e Análise químic de su-produtos de corrosão. Brrs de grelh 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Análise Químic do Componente Rod Crg de pelots de minério Trilho Corpo do crro Figur 1. ) Esquemtizção simples de forno de pelotizção; e ) crro de grelh. No presente trlho, ojetiv-se determinr os mecnismos de flh de rrs de grelh utilizds em crros de pelotizção de minério de ferro, s quis presentrm excessivo desgste em serviço. A Figur 2 mostr rrs de grelh montds sore os crros, enqunto Figur 2 exie dois destes componentes, um intcto e outro retirdo de serviço. Os resultdos presentdos n Tel 1 indicm que os mteriis que constituem s rrs de grelh, mostrds n Figur 2, encontrm-se dentro dos vlores especificdos pr o ço ASTM A297-HH, que é estelecido em projeto. Tel 1. Análise químic por espectrometri de emissão óptic. Brr Nov Usd A297-HH C 0,22 0,40 0,20-0,50 Si 1,19 0,92 2,0 máx Mn 1,20 1,07 2,0 máx P 0,03 0,03 0,04 máx S 0,02 0,03 0,04 máx Cr 25,20 24,00 24,0-28,0 Ni 11,50 12,30 11,0-14,0 Mo 0,20 0,15 0,50 máx 3.2 Durez Figur 2. ) Brrs de grelh montds sore um crro de pelotizção; e ) mostrs de rrs intcts (cim) e já utilizds em serviço (ixo). As rrs de grelh estão sujeits ciclos de quecimento seguidos de resfrimento que durm cerc de 40 minutos. A tempertur máxim tingid n queim, próximo às rrs de grelh, é de cerc de 450 C em regime norml de operção. Entretnto, em prds curts pr troc de crros, tempertur do componente pode tingir té 650 C. A tmosfer do forno é oxidnte e o quecimento é propicido por queim de óleo e/ou gás nturl. Os principis tipos de dnos visulmente detectdos no mteril são desgstes, vzios e empenmentos. Medids de durez Brinell com crg de 187,5 kgf e esfer de 2,5 mm form relizds n seção trnsversl ds rrs mostrds n Figur 2, e os resultdos são listdos n Tel 2. Oserv-se que os vlores de durez otidos pr rr intct e pr retird de serviço são similres, e encontrm-se em ixo do limite inferior d durez de prtículs de minério de ferro, que vri entre 400 HB e 600 HB. Tel 2. Medids de durez Brinell efetuds em plno trnsversl ds rrs receids pr nálise. Brr Durez HB Médi Brr nov Brr usd Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.5, n.1, p , jul.-set. 2008

3 3.3 Análise Visul A mcro-nálise d rr já usd em serviço present um cmd de óxidos generlizd sore superfície (Figur 3). Mcroscopicmente, não form oservds trincs superficiis, somente lguns defeitos de fundição (vzios) e regiões com perd de mss mis centud. Form estimds perds de mss d ordem de te 26% reltivmente às rrs virgens. N Figur 5, nálise metlográfic de região próxim à superfície d rr de grelh usd mostr presenç de três regiões distints. Vist gerl 3 Mteril se Sulfetos e óxidos internos 2 Bixo Cr e lto Ni Figur 3. ) Aspecto d rr de grelh usd mostrndo cmd de óxidos formd sore superfície durnte operção em serviço; e ) detlhe de um vzio gerdo n fundição. D Figur 2, já ficr clro que exposição o miente de serviço provoc perd de mss, reduzindo de mneir significtiv lrgur d rr de grelh, especilmente no centro, em função do contto com crg de pelots e mior fluxo locl de r. 3.4 Análises por Microscopi Óptic e EDX A nálise metlográfic do centro d rr de grelh virgem present um microestrutur típic de ço inoxidável HH, contendo, inclusive, cretos de cromo precipitdos em contornos de grão usteníticos (regiões interdendrítics n Figur 4). Por outro ldo, metlogrfi de mostr do centro d rr de grelh já utilizd em serviço (Figur 4) mostr extensivo colescimento de cretos primários e intens precipitção de cretos secundários. A ustenit pode reter té 0,2% de crono em solução sólid, porém, em situções exposição do mteril por longo tempo lts temperturs, o crono pode se cominr com o cromo, ou outros elementos de lig pr formr um fin distriuição de cretos n microestrutur. Brr nov 200 m 200 m Brr já usd 25 m 25 m Figur 4. Análise micrográfic do plno trnsversl ds rrs mostrndo presenç de cretos em regiões interdendrítics (regiões mis escurs). 1 Cmd extern de óxidos 25 m 25 m Figur 5. Análise metlográfic d superfície d rr de grelh usd mostrndo s três principis regiões: 1) cmd extern de óxidos, 2) região de depleção de Cr, e 3) metl se. A primeir consiste de um cmd de óxidos frgmentd, poros e provvelmente não-protetor. A nálise por EDX dos pontos identificdos n Figur 6 sugere presenç predominnte de Cr 2 O 3, Fe 2 O 3 e/ou espinéis de Fe-Cr, conforme evidencim os ddos presentdos n Tel 3. A segund região consiste do metl djcente à cmd de óxidos, que present lgums trincs, vzios e óxidos/sulfetos internos, com pouc ou nenhum precipitção de cretos. A nálise por microsond EDX revelou que est região é emporecid em Cr e ric em Ni. Form encontrds grndes quntiddes de sulfetos de cromo, provvelmente do tipo Cr 3 S 4 ou CrS. A depleção do teor de cromo d lig, próximo à superfície, pel formção de óxidos e sulfetos, torn o mteril suscetível o tque corrosivo, um vez que o cráter inoxidável do ço requer um teor mínimo de 12% Cr. O enxofre é proveniente d queim dos comustíveis utilizdos no processo e d contminção d crg de pelots. Por fim, n terceir região, prtir de cerc de 100 µm d superfície, oserv-se um intens precipitção de cretos, sem sinis de oxidção intern, com composição químic mntendo-se próxim à d lig se, conforme demonstr nálise por EDX n Tel 3. Tel 3. Análise semiquntittiv por EDX dos pontos 1-4 d Figur 6 (% em mss proximd). Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Fe Cr Ni Mn 0,8 0,1 0,6 0,5 Si 1,6 0,1 2,2 0,7 S - 0,1 8,9 - O Cl Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.5, n.1, p , jul.-set

4 Óxidos Sulfetos Mteril se IQSC EHT = kv WD = 24 mm Mg = 1.20 K X Detector - QBSD 10 m X 4 X 3 Photo No. = 2 X 2 9-Aug-2006 Cmd extern de óxidos Bixo Cr e lto Ni Figur 6. Pontos nlisdos por EDX junto à superfície d rr de grelh utilizd em serviço. Apesr d nálise por EDX d mostr metlográfic não ter pontdo presenç do elemento químico Cl, este foi identificdo em lguns pontos d superfície d rr de grelh usd, conforme indicdo n Tel 4. Emor, o Cl poss ter sido proveniente do próprio mnuseio d rr de grelh, não se pode descrtr possiilidde de que este elemento estej presente n crg de pelots n form de sis de metis lclinos (N, K) e lclino-terrosos (Mg, C), provenientes dos ditivos que são diciondos pr queim ou té mesmo dvindos d tmosfer mrinh n qul o forno se encontr. Além disto, presenç detectd de enxofre pode indicr existênci de sis do tipo sulfto. Tel 4. Análise semiquntittiv por EDX d superfície d rr de grelh utilizd em serviço. (% em peso proximdo). Fe Cr Ni Mn Si S O Cl Ponto ,6 0,9 27 0,1* Ponto ,8 0,4 1,4* 10 * Vlores dentro do erro experimentl ds medições por EDX. Visndo confirmr presenç de sis n superfície d rr de grelh usd, procedeu-se à nálise químic, por colorimetri, dos su-produtos deridos à superfície. A mostr foi lvd com um solução de águ destild com 1% de HNO 3 pr soluilizção dos sis presentes. Pelos resultdos presentdos n Tel 5, pode-se verificr um pequen presenç de ânions cloreto (Cl - ) e sulfto (SO 4 2- ), lém dos cátions de metis lclinos N + e K + e metis lclino-terrosos Mg 2+ e C 2+. A predominânci é de sis do tipo sulfto de sódio. O teor totl de sis encontrdo sore superfície foi de proximdmente 0,3 mg/cm 2. Tel 5. Análise químic dos su-produtos de corrosão depositdos sore superfície d rr de grelh usd. Vlores proximdos. Cátions Ânions N + K + C +2 Mg +2 SO -2 Cl - Concentrção (mg/l) ,4 0, Frção Molr (%) ,5 0, As crcterístics d morfologi d corrosão oservd, i.e. cmd de óxidos poros e frgmentd junto com sulfetos internos, são consistentes com processos de corrosão quente induzidos por sis dos tipos sulftos e cloretos de metis lclinos e lclino-terrosos. (1-3) A mistur destes sis e óxidos pode resultr n gerção de eutéticos de ixo ponto de fusão, d ordem de 500 C, os quis podem depositr-se no estdo líquido sore superfície ds rrs em serviço, propicindo corrosão quente, um vez que tempertur ds rrs pode exceder os 600 C durnte eventuis prds curts do forno. A presenç de sis líquidos destrói cmd de óxidos protetores por meio de su dissolução. Não ostnte os resultdos d nálise por microscopi óptic indiquem que o principl mecnismo de degrdção d lig é por oxidção/ corrosão quente, perd de mss do mteril ocorre por meio de 3 mecnismos distintos, os quis são responsáveis pel remoção d cmd de óxidos, expondo superfície intct do metl novos tques. São eles: Desgste por rsão propicido pelo contto e movimento reltivo d crg de pelots sore s rrs de grelh durnte s etps de crregmento e descrregmento; Desgste erosivo provocdo pelo impcto de prtículs de minério em suspensão no fluxo de r scendente e/ ou descendente; Fdig térmic provocd pelos ciclos de resfrimento e quecimento ds rrs de grelh. As diferençs dos coeficientes de expnsão térmic e de volumes molres entre cmd de óxidos e o metl se introduzem tensões n cmd de óxidos, frgmentndo- (splling). 4 PRINCIPAIS CONCLUSÕES Os resultdos otidos no presente estudo permitem concluir que: O mteril nlisdo encontr-se dentro ds especificções de composição químic estelecids pr o ço ASTM A297-HH; O dno é introduzido no mteril por mecnismos de oxidção em lts temperturs e corrosão quente devido à presenç de sis n crg de pelots e/ou provenientes d tmosfer mrinh; 54 Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.5, n.1, p , jul.-set. 2008

5 A perd de mss ocorre por meio de um sinergi entre os processos de desgste rsivo, desgste erosivo e fdig térmic (splling). 5 RECOMENDAÇÕES De modo evitrem-se os prolems or reportdos em futuros componentes em serviço, são recomendds s seguintes ções preventivs: ) Utilizr lig com teor de cromo mis elevdo, de modo umentr o suprimento deste elemento n região depletd junto à superfície; ) Especificr um lig com teores de Si e Al mis elevdos visndo umentr su resistênci glol à oxidção. REFERÊNCIAS 1 KHANNA, A.S. Oxidtion of lloys. In:. Introduction to high temperture oxidtion nd corrosion. Mterils Prk, OH, USA: ASM Intl p KHANNA, A.S. Hot corrosion. In:. Introduction to high temperture oxidtion nd corrosion. Mterils Prk, OH, USA: ASM Intl, p MOHANTY, B.P.; SHORES, D.A. Hot corrosion of stinless steel grte rs in tconite indurtors. In: Hndook of cse histories in filure nlysis. Crol Strem, Il, USA: ASM Intl, v.1, p Receido em: 24/03/08 Aceito em: 15/08/08 Proveniente de: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 62., 2007, Vitóri, ES. São Pulo: ABM, Tecnologi em Metlurgi e Mteriis, São Pulo, v.5, n.1, p , jul.-set