APLICAÇÃO DAS CINZAS DE CARVÃO MINERAL EM UMA MASSA COMERCIAL DE REFRATÁRIOS ISOLANTES

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1 1 APLICAÇÃO DAS CINZAS DE CARVÃO MINERAL EM UMA MASSA COMERCIAL DE REFRATÁRIOS ISOLANTES S. R. Bragança, A. Zimmer, L.A. dos Santos, C.P. Bergmann LACER Laboratório de Materiais Cerâmicos Departamento de Materiais Universidade Federal do Rio Grande do Sul Av. Osvaldo Aranha, 99/705C. Porto Alegre RS. Brasil. RESUMO A cinza de carvão mineral é produzida em grande quantidade, chegando a cerca de toneladas por ano. Deste total, apenas 10% são comercializadas, de modo que o preço deste material é bastante baixo. Neste trabalho, procurou-se investigar a utilização de cinzas em refratários silicoaluminosos isolantes de baixo custo. Na queima do carvão são geradas cinzas leves (volantes) e cinzas pesadas. Estas são formadas por agregados de cinzas parcialmente fundidas que precipitam ao fundo da caldeira, sendo de granulometria grosseira. Portanto, analisou-se a adição de cinza leve na massa e a adição de cinzas pesadas, em substituição a chamota. Os resultados mostraram ser o efeito da cinza pequeno sobre a queima dos materiais, em termos de caracterização tecnológica, porém a adição de teores mais elevados de cinzas é prejudicial à resistência mecânica dos tijolos. A densidade e a condutividade térmica dos refratários aditivados com cinzas mostraram-se similares a produtos comerciais. Palavras-chave: refratários isolantes, cinzas, caracterização tecnológica.

2 2 INTRODUÇÃO Atualmente um dos pontos de maior importância para a indústria é a conservação de energia. Por isso existe uma extensa linha para o uso em diferentes temperaturas de tijolos isolantes, atendendo plenamente a esta exigência. Eles são utilizados no isolamento térmico de fornos, caldeiras, estufas, tubulações a vapor, entre outros, devido a sua resistência estrutural em altas temperaturas. O aproveitamento de resíduos é um processo industrial que converte os resíduos descartados (matéria-prima secundária) em um produto comercial. Aproveitar resíduos é economizar energia, poupar recursos naturais e trazer de volta ao ciclo produtivo o que é jogado fora. Engajado neste conceito está o aproveitamento de cinzas de carvão mineral, como meio de se reduzir o custo de tijolos refratários. Atualmente, apenas uma fração das cinzas geradas é comercializada à indústria cimenteira, restando aproximadamente 90% da produção sem utilização, passíveis, portanto, de aproveitamento em um produto ou subproduto. Em conseqüência deste fato, as cinzas apresentam intrinsecamente baixo valor comercial. Procurou-se avaliar neste trabalho a utilização de cinzas de carvão, em massa de refratários isolantes que utiliza basicamente em sua formulação caulim, chamota e serragem. Como é conhecido, o caulim gera fases de elevada refratariedade como a mulita. A chamota facilita a secagem e reduz a retração do produto. Já a serragem é toda eliminada na queima, gerando porosidade (1). Neste contexto, as cinzas devem facilitar a secagem, sendo investigado seu efeito no produto final, caracterizando-se as propriedades tecnológicas. MATERIAIS E MÉTODOS Foi realizada a adição de cinzas leves provenientes da queima do carvão da Usina Presidente Médici. Almejou-se a máxima utilização de cinzas nas formulações, devido ao custo intrinsecamente baixo deste resíduo de combustão. Procurou-se avaliar por diversos ensaios tecnológicos as propriedades de misturas de cinza leve de carvão mineral em uma massa industrial de tijolos isolantes, cuja composição aproximada é: caulim 60-70%; chamota 10-15% e

3 3 serragem 20-25%. Para isto foram realizadas 2 formulações onde foram introduzidos 5 e 10% em peso de cinza. Adições superiores a este percentual de cinzas prejudicaram a conformação dos produtos verdes. Realizou-se, portanto, a comparação da massa de refratário isolante adicionada de cinza com a massa comercial pura. Outro objetivo inserido neste estudo, foi a avaliação do uso de cinza pesada em substituição da chamota da massa comercial. Neste caso, utilizou-se uma massa com 75% caulim, 15% de serragem, 10% chamota e outra com os mesmos teores porém substituindo-se a chamota por cinza pesada. Para a confecção dos corpos-de-prova, foi utilizado a moldagem por socagem manual. Os corpos-de-prova de cada formulação foram feitos na forma de cilindros de dimensões aproximadas: diâmetro de 25 mm e altura de 35 mm (Figura 1). Utilizou-se 15% de água com 5% de PVA. Após conformação, os corpos-de-prova foram secos ao ar durante 24 horas e em estufa em 110ºC por no mínimo 24 horas. Figura 1: Corpo-de-prova de 100% de massa refratária comercial. A queima foi realizada em forno elétrico tipo mufla com uma taxa de 75ºC/h até 500ºC, 2 horas de patamar, novamente 75ºC/h e 6 minutos de patamar na temperatura máxima de queima, sendo esta de 1350ºC.

4 4 Após a queima, foram determinados: condutividade térmica (2), resistência mecânica à compressão (3) e densidade (4). RESULTADOS E DISCUSSÃO O uso da cinza em uma massa refratária de tijolo isolante teve pequeno efeito nos produtos refratários, atuando de modo similar a uma carga. A cinza propiciou a perda de resistência mecânica, mas sem alterar a densidade dos produtos. Estes resultados podem ser vistos na Tabela I. Uma vez que todas as formulações apresentaram densidades semelhantes, ou ainda, densificação levemente superior nas formulações com cinzas, pode-se afirmar que as cinzas são diretamente responsáveis pela queda da resistência à compressão. Sabe-se que a cinza é um material predominantemente amorfo, apresentando pequena quantidade de quartzo e mulita (5). Isto fez com que as formulações com maiores teores de cinza não evoluíssem as fases cristalinas que conferem maior resistência mecânica, resultado semelhante ao encontrado em trabalho anterior (5, 6). No entanto, os valores de resistência à compressão são compatíveis aos produtos isolantes comerciais, de modo que o uso de cinza ainda seja atrativo. Tabela I Caracterização do refratário isolante com cinza e comparação com refratário comercial. Propriedade Resistência à compressão (MPa) Densidade a verde (g/cm 3 ) Densidade queimado (g/cm 3 ) 100% massa de refratário comercial 5% cinza, 95% massa de refratário comercial 10% cinza, 90% massa de refratário comercial 1,86 1,45 0,92 1,15 1,07 1,05 0,78 0,84 0,88 A Figura 2 mostra a evolução da condutividade térmica em função da temperatura em que foi realizado o teste. Pode-se notar que a presença de cinza propicia uma pequena elevação da condutividade térmica, sem, no entanto, prejudicar a qualidade do refratário em termos de isolamento térmico, já que o valor

5 5 do parâmetro de condutividade K ainda é baixo. Este aumento da condutividade pode ser conseqüência da maior densidade das peças, embora em ambos os casos a porosidade seja bastante elevada. Figura 1 Condutividades térmicas de refratários isolantes em função da temperatura. Massa comercial e massa comercial com 5% cinzas. O uso de cinza pesada em lugar a chamota basicamente não alterou na densidade da massa refratária, como pode ser visto na Tabela II. Por este aspecto a cinza pesada poderia substituir a chamota sem alteração significativa de outras propriedades, considerando-se também os resultados anteriores. Tabela II Influência da cinza pesada nas densidades. Densidade a verde (g/cm 3 ) Densidade queimado (g/cm 3 ) Massa com cinza no lugar da chamota 0,81 0,59 Massa com chamota 0,80 0,58

6 6 Deve-se salientar, no entanto, que as cinzas prejudicam a cor do produto final. Uma vez que a utilização de caulim deixa os tijolos com coloração branca, a utilização da cinza escurece o produto na proporção da quantidade adicionada de cinza. Esta alteração de cor certamente deve prejudicar o produto comercialmente, portanto deve-se ponderar o menor custo das cinzas e uma possível redução do preço de mercado do produto, na avaliação do tijolo com cinzas. O uso de 5% de cinza, contudo, mostrou pequena variação de cor como pode ser notado na Figura 3. Figura 3: Comparação da cor de queima das formulações de massa comercial, massa comercial com 5% cinzas e massa comercial com 10% cinzas. CONCLUSÕES O uso de cinza de carvão mineral na produção de refratários isolantes tem grande potencial de utilização, porém, a quantidade utilizada desta em uma massa refratária é limitada pela redução da resistência mecânica promovida pela cinza. Ao mesmo tempo, a presença de cinza altera a cor do produto final, podendo ser prejudicial a sua comercialização. As cinzas mostraram baixa reatividade em massa refratária, portanto baixa reação com o caulim. Esta baixa reatividade está ligada ao fato do carvão ser queimado em temperaturas elevadas. Não houve alteração significativa de

7 7 densidade e condutividade térmica final dos refratários. Do mesmo modo a cinza pesada apresenta potencial de desempenhar a função de uma chamota. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1. Segadães, A. M. Refractários. Ed. Fundação João Jacinto de Magalhães ASTM E1225. Standard Test Method for Thermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded-Comparative-Longitudinal Heat Flow Technique. ASTM American Society for Testing and Materials, USA, (1993), Book of Standards Volume: 4.06, p ASTM C133. Standard Test Methods for Cold Crushing Strength and Modulus of rupture of Refractories. ASTM American Society for Testing and Materials, USA, (1993), Book of Standards Volume: 15.01, p ASTM C Standard Test Methods for Apparent Porosity, Liquid Absorption, Apparent Specific Gravity, and Bulk Density of Burned Refractory Brick and shape by Boiling Water. ASTM American Society for Testing and Materials, USA, (1993), Book of Standards Volume: 15.01, p Zimmer, A., Bragança, S. R., Bergmann, C. P.. Formulação e avaliação de refratário sílico-aluminosos a partir da argila e cinza de Candiota-RS. XVI congresso brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre-RS, Zimmer, A., Bragança, S. R., Bergmann, C. P. Argila e cinza de Candiota-RS como matérias-primas de placas cerâmicas para revestimento. XVI congresso brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais. Porto Alegre-RS, 2004.

8 8 APPLICATION OF MINERAL COAL ASHES IN A COMMERCIAL MASS OF REFRACTORY BRICK INSULATORS S. R. Bragança, A. Zimmer, L.A. dos Santos, C.P. Bergmann LACER Laboratório de Materiais Cerâmicos Departamento de Materiais Universidade Federal do Rio Grande do Sul Av. Osvaldo Aranha, 99/705C. Porto Alegre RS. Brasil. saulorb@ufrgs.br The ash of mineral coal is produced in great amount, about tons per year. Of this total, only 10% are commercialized, in way that the price of this material is sufficiently low. In this work, it was investigated the use of coal ashes in composition of refractory insulating brick. In the burning of the coal fly ashes and bottom ashes are generated. These bottom ashes are formed by partially fused ashes that precipitate to the bottom of the boiler, being of coarser particle size. Therefore, it was analyzed fly ash addition in the mass and the addition of bottom ashes, in substitution to chamote. The results had shown that the effect of the ash is small in the fired materials. In terms of technological characterization, however fly ashes additions lead to a decrease to the mechanical resistance of the bricks. The density and the thermal conductivity of the refractory bricks with coal ashes had revealed to be similar the commercial products. Keywords: refractory insulators, coal ashes, technological characterization.