REFRATÁRIOS PARA ALTOS FORNOS A CARVÃO VEGETAL (1)

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1 REFRATÁRIOS PARA ALTOS FORNOS A CARVÃO VEGETAL (1) Edson Maia de Assis (2) RESUMO São descritos os principais mecanismos de desgastes dos materiais refratários em Altos Fornos. Mostramos os perfis típicos e as características dos revestimentos refratários utilizados nos Altos Fornos de grande, médio e pequeno porte. (1) Contribuição Técnica ao Semana de Estudos de Engenharia da EMUFOP realizado em novembro /10. (2) Engenheiro Metalúrgico Assistente Técnico IBAR Ltda. 1

2 1 INTRODUÇÃO O Brasil pretende produzir no futuro próximo cerca de 42 milhões de toneladas de aço bruto. Dentro do atual contexto e das futuras perspectivas tecnológicas, a fabricação de gusa continuará sendo realizada em Altos Fornos. Os processos de redução direta com fusão, que visam substituir este equipamento, e que estão em desenvolvimento na Europa e Japão, ainda não se mostram economicamente viáveis. Portanto é de real importância a necessidade de aprimorar o desenvolvimento dos Altos Fornos, principalmente no que se refere ao prolongamento das campanhas. Um dos componentes mais importantes do Alto Forno é o revestimento refratário que depende do sistema de refrigeração, uma vez que a campanha é limitada pela sua vida útil. Conhecendo os agentes de desgaste que afetam o desempenho na campanha temos que procurar novas tecnologias de revestimentos refratários. As preocupações com o desenvolvimento do projeto, manuseio no assentamento, conforme a especificação, nos dará a condição relevante para que os Altos Fornos tenham uma excelente campanha. Este trabalho apresenta, de maneira sucinta as características físicas e químicas dos materiais de revestimento, com ênfase aos produtos Sílico-Aluminoso, Aluminoso e Alumina Carbeto de Silício, Carbono nacionais que vem sendo usados nestas reformas, bem como as principais solicitações as quais estes materiais estão sujeitos no uso. 2 MECANISMOS DE DESGASTE Os materiais refratários no Alto Forno estão submetidos a diversos tipos de solicitações, o assunto tem dado origem a inúmeros estudos e trabalhos publicados, que descrevem o mecanismo de desgaste a partir da análise post mortem de amostras colhidas por meio de ensaios de laboratório que simulam as condições operacionais. Podemos dividir os mecanismos de desgaste em dois grupos de fatores: Termoquímicos Mecânicos 2

3 O primeiro depende basicamente de dois parâmetros. A reatividade química dos agentes corrosivos com o material do revestimento; O grau de impregnação do refratário por estes agentes, e nos dois casos a cinética destas reações dependem da variação da temperatura. No segundo caso a destruição do refratário por fatores, mecânicos, é provocada por: Esforços mecânicos e estáticos da carga contra o revestimento; Choques mecânicos; Abrasão da carga; Erosão dos fluídos; Tensões termomecânicas. Dos dois fatores, o termoquímico é o que limita a vida do alto forno, já que, fatores mecânicos acabam agindo sobre o material com maior rigor, quando este foi transformado pelos efeitos termoquímicos de erosão e impregnação. Na rampa, ventre e cuba inferior os fatores termoquímicos se evidenciam. Os diferentes estudos sobre refratários de altos fornos mostram que não existe um único mecanismo de desgaste agindo isoladamente, mas uma interação mútua de diversos fatores que tornam difícil uma interpretação exata dos fenômenos que ali ocorrem. Além disso, os fatores operacionais de cada alto forno, tais como: Tipo de gusa produzido; Tipo de marcha; Permeabilidade da carga, etc. Estes fatores tornam cada alto forno, como único, e diferente do outro que possui volume, perfil e tamanho equivalente. Em função destes aspectos, os mecanismos de desgaste podem agir de forma mais agressiva no mesmo material a altos fornos similares ou até mesmo em campanhas distintas do mesmo equipamento. Na figura 1 temos os principais agentes termoquímicos agindo nas diversas regiões do alto forno. 3

4 2.1 GUSA LÍQUIDO As elevadas pressões ferrostáticas existentes nestas regiões (6 atm) podem provocar infiltrações até em poros de um mili-microns, originando tensões que podem fraturar o material, facilitam a sua erosão. 2.2 ESCÓRIA A escória líquida, sendo um silicato complexo de Alumina, Cálcio, Magnésia e Oxido de Ferro dilui a fase quente do refratário. Conseqüentemente os materiais com base alumina. Carbeto de Silício Carbono apresentam melhor performance nestas condições, no entanto, o revestimento que contém Carbono pode ser oxidado pelo FeO presente na escória ou atacado pelos álcalis. 2.3 ÁLCALIS Os compostos alcalinos entram na carga dos altos fornos sob a forma de silicatos complexo, oriundo das reações do minério e do carvão vegetal. O ataque dos refratários pela recirculação de álcalis no alto forno é conhecido há bastante tempo como o mais importante mecanismo de desgaste. O teste feito consiste em imergir o refratário em uma mistura de K2CO3 e coque pulverizado, à temperatura de 900 ºC e 1400 ºC. A corrosão é avaliada medindo a variação de peso, da dimensão e da resistência mecânica. Os compostos alcalinos reagem no estado gasoso, principalmente com os óxidos de alumínio e silício do refratário formando alumino-silicatos cristalizados como Kaliofilita, Leucita e alumina ß que apresentam aumento de volume da ordem de 6 a 20%. 2.4 ZINCO O mecanismo de ataque pelo Zinco é similar ao dos álcalis, mas os efeitos quantitativos são menores. O zinco metálico, bem como o potássio, podem reduzir o monóxido de carbono, e provocar a deposição do carbono no interior de tijolos. O ZnO pode reagir com a Alumina e Sílica formando compostos cristalinos com aumento teórico de volume. 4

5 2.5 GASES OXIDANTES Os gases oxidantes em corrente ascendente no interior do alto forno estão formados por: Oxigênio; Vapor d agua; Dióxido do Carbono (CO2); Monóxido do Carbono (CO). Estes gases reagem com os refratários que não são formados por óxidos com: Carbeto de Silício (SiC); Nitreto de Silício (SiN4). Provocando a gaseificação do carbono e transformando o silício do carbeto e nitreto em cristobalita. O gás redutor CO sob efeito catalítico do ferro ou seus óxidos dissocia-se em C e CO2, depositando carbono no refratário. Esta dissociação ocorre à temperatura entre 380 e 650 ºC. As pressões desenvolvidas na precipitação do carbono são estimadas em 2.000Kgt/cm 2, e estas são suficientes para fraturar qualquer refratário. Quando atingimos temperaturas superiores a 815 ºC e pressões maiores que uma atmosfera, o carbono reduz os óxidos alcalinos e de zinco, provocando sua imediata vaporização e dando ao processo a Recirculação. 2.6 CONSEQUÊNCIAS Em função do mecanismo, como os refratários são destruídos, poderemos adotar o perfil dos materiais refratários para altos fornos: Uma que procura Soluções Térmicas cujo principal objetivo e prolongar a vida da campanha, diminuindo a temperatura da face quente, por meio dos refratários de alta condutividade térmica combinada com eficientes sistemas de refrigeração; 5

6 Uma outra que segue Soluções Refratárias utilizando materiais menos condutores, mas com uma boa resistência ao desgaste dos diversos agentes descritos anteriormente; A escolha entre as duas alternativas leva em consideração fatores técnico-econômico e os valores das perdas térmicas. 3 TIPOS DE REFRATÁRIOS PARA CADA ALTO FORNO O Brasil possui uma capacidade instalada de produção de ferro primário da ordem de 28 milhões de toneladas por ano. A maior parcela deste total corresponde a Usinas integradas, que utilizam o Coque com produções de até toneladas por dia. Os produtores independentes de gusa possuem altos fornos que utilizam o carvão vegetal, com baixo investimento com produções que variam de 45 a 500 toneladas por dia. Em função da diversidade das características de um número superior a 150 altos fornos operando no Brasil, e considerando tanto os diversos mecanismos de desgaste como as próprias condições operacionais de cada um, seria provavelmente necessário escrever diversos livros sobre refratários para altos fornos, que abrangeria todos os casos com os detalhes necessários. Decidimos, portanto, atendendo as características equivalentes como carvão utilizado e tamanho, reuni-lo em três grandes grupos. 3.1 ALTO FORNO DE GRANDE PORTE Como este grupo de altos fornos compreende equipamentos de tamanhos muito diferentes, estão subdivididos em grandes e médios altos fornos, considerando como grandes aqueles que possuem volume interno maior que 2000 m 3, e como médios os de menor volume. Como as previsões de campanha estão relacionadas com o tipo de perfil do revestimento utilizado, foram escolhidos altos fornos típicos dentro desta subdivisão para mostrar os efeitos da refrigeração e no perfil de refratários. 6

7 Nas figuras 2 e 3 são mostrados dois altos fornos com volumes superiores a 600 m 3 e com previsão de campanha de 6 a 20 anos. Na figura 2 temos um alto forno que utiliza o Steve-Cooler como parte do revestimento, aumentando assim a sua vida útil. Na figura 3 temos um alto forno que utiliza placas de cobre para a refrigeração, diminuindo um pouco a sua vida útil. Nos dois altos fornos temos a utilização de tijolos sílico-aluminoso ligado cerâmicamente, carbeto de silício ligado a nitreto, carbeto de silício de liga direta, e tijolos aluminosos a base de Mulita em contato com a refrigeração. No cadinho utilizam-se blocos de carbono com microporos, protegidos com uma camada de sílico aluminoso comum. Em função do tipo de refrigeração da sola foi possível alterar o formato do cadinho. Um perfil típico de um forno de 600 m 3 de volume interno é previsão de campanha para mais de 6 (seis) anos é mostrado na figura 3. Os refratários utilizados na rampa, ventre e cuba inferior de Carbeto de Silício ligado a nitreto, e como a camada de sacrifício destas regiões, mais a cuba média / superior temos material de Mulita eletrofundida ligada a Mulita. As variações mostradas para os dois altos fornos a coque, em função dos perfis do desgaste de cada campanha, condições operacionais, tipos e características do sistema de refrigeração etc, refletem a realidade atual. Poderíamos afirmar que as tendências no futuro estão voltadas para o tipo de revestimento na figura 2 com algumas variações particulares, como o cadinho da figura 3. 7

8 3.2 ALTOS FORNOS DE MÉDIO PORTE À CARVÃO VEGETAL COM VAZAMENTO INTERMITENTE O alto forno escolhido para mostrar o perfil típico de revestimento é mostrado na figura 4, para um equipamento de 150 m 3 de volume interno, que utiliza na cuba média e superior material sílico-aluminoso ligado cerâmicamente, de qualidade intermediária. Sola, cadinho, rampa, ventre e cuba inferior foram revestidos também com refratários sílico-aluminosos, mas de qualidade superior, Já a região das ventaneiras utiliza refratários do concreto baixo teor de cimento. 3.3 ALTOS FORNOS DE MÉDIO PORTE A CARVÃO VEGETAL COM VAZAMENTO CONTÍNUO O forno escolhido para mostrar esta variação é mostrado na figura 5. Neste temos um equipamento para 180 m 3 de volume interno, cujo perfil dos refratários são similares no da figura 4, modificando no cadinho e parte da sola onde colocamos um produto a base de Al2O3, SiC, C e impregnado com piche. Este equipamento tem um vazo comunicante com um poço externo, e no canal que fazem esta união utilizamos um concreto de baixo teor de cimento. 3.4 ALTOS FORNOS DE PEQUENO PORTE Corresponde aos altos fornos dos produtores independentes, utilizando revestimentos refratários sílico-aluminosos de qualidade intermediária. Nos conjuntos de ventaneiras vem sendo utilizados concretos aluminosos com baixo teor de cimento. Os altos fornos com vazamento contínuo são revestidos no cadinho com massa de antracito. A figura 5 mostra o perfil típico de 73 m 3 de volume interno. 8

9 4 COMENTÁRIOS Os materiais refratários utilizados em revestimentos de médio e grande porte no Brasil até aproximadamente 1975, eram quase em sua totalidade importados, com participação dos fornecedores nacionais em regiões de baixa solicitação, com pequenos volumes. Desde essa época, o volume de material nacional que participa em reformas dos altos fornos tem aumentado consideravelmente, até para as regiões mais críticas e de maior solicitação, crescendo também, o número de fabricantes de refratários nacionais com materiais de qualidade apropriados para estas aplicações. Para os altos fornos a carvão vegetal, não há importação de refratários. 5 CONCLUSÕES Os conhecimentos acumulados durante os últimos anos, sobre mecanismos de desgaste e influências dos fatores operacionais no alto forno, têm permitido aprimorar os perfis do revestimento, em função de um melhor conhecimento de cada Alto Forno. A evolução das campanhas tem sido conseguida com o aprimoramento constante dos projetos de perfil, materiais utilizados no revestimento e nível de qualidade exigida dos refratários, tanto de suas características físico-químicas como tolerâncias dimensionais e as próprias condições de montagem. A realização de projetos de perfil por equipes de engenheiros brasileiros tem contribuído também, de forma significativa para os bons resultados conseguidos. 9

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16 BIBLIOGRAFIA Jon, M. Comportamento dos Refratários de Alto Forno à corrosão pelas fases gasosa, ensaios simulados de laboratório, XXIV Congresso Brasileiro de Cerâmica ABC, março de 1980 SP. Estatística IBS Produção de Ferro Gusa. Jon, M, Refratários de Altos Fornos, Refratários para Equipamentos Siderúrgicos. Revestimento Refratários e Metodologia de Montagem para a 1ª Reforma do Alto Forno nº 1 da Açominas VI Seminário Interno de Redução Corrida do Gusa Metalurgia e Materiais Dezembro/