Materiais refratários para fornos de cal:

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Afonso Brás Aires
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1 Materiais refratários para fornos de cal: Uma proposta alternativa aos materiais formados convencionais da classe de 70% Al 2 O 3 para condições mais severas. Autores (TOGNI) Augusto Celso Amoedo Eduardo José Togni Cardillo Luiz Fernando da Silva Taner Augusto Maia Autores (USP-Lorena) Prof. Dr. Fernando Vernilli Robérsio Marinho de Faria Matheus Martini Bruno Vidal Almeida José Milton Lopes 1

2 ÍNDICE PROJETO DE REVESTIMENTO CAMPANHAS SOLICITAÇÕES MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS ALTERNATIVA PARA SOLICITAÇÕES MAIS SEVERAS CONCLUSÕES 2

3 PROJETO DE REVESTIMENTO FORNO ROTATIVO TÍPICO DA INDÚSTRIA DE PAPEL E CELULOSE FORNO DE RECUPERAÇÃO DA CAL 3

4 PROJETO DE REVESTIMENTO FORNO ROTATIVO TÍPICO DA INDÚSTRIA DE PAPEL E CELULOSE FORNO DE RECUPERAÇÃO DA CAL 4

5 PROJETO DE REVESTIMENTO FORNO ROTATIVO TÍPICO DA INDÚSTRIA DE PAPEL E CELULOSE FORNO DE RECUPERAÇÃO DA CAL BALANCEAMENTO QUALITATIVO REGIÃO MATERIAL DESCARGA CONCRETO BAIXO CIMENTO 70% Al 2 O 3 BARRAGEM CALCINAÇÃO PRÉ AQUECIMENTO AL-70 / AL-50 AL-70 / REF. ISOLANTE CONCRETO BAIXO CIMENTO 50% Al 2 O 3 AL-50 REF. ISOLANTE 5

6 PROJETO DE REVESTIMENTO Formatos dos tijolos empregados nos fornos rotativo de cal Padronização ABNT - ISO - VDZ ARCO A2:229X114X(76-63) CUNHA C2:229X114X(76-63)

7 PROJETO DE REVESTIMENTO Montagem Montagem com gabaritos, macacos de mola e pressão; Montagem a seco ou a úmido; Juntas axiais são dispostas de maneira desencontrada; Composição do anel; Tijolo de fecho (2/3 3/4)

8 CAMPANHAS CAMPANHAS TÍPICAS DOS FORNOS ROTATIVOS ZONA CONSIDERADA CRÍTICA CALCINAÇÃO MÉDIA DE 2 ANOS 8

9 SOLICITAÇÕES 1. MECÂNICAS 2. TÉRMICAS 3. QUÍMICAS 9

10 SOLICITAÇÕES MECÂNICAS Empeno de carcaça; Folga excessiva entre os anéis de apoio e a carcaça; Ovalização do anel e do casco; Desalinhamento do tubo rotativo; Pressão incorreta nos rolos de apoio; Desgaste excessivo das pista de rolamento. TORÇÕES COMPRESSÃO DESIGUAIS E FLEXÃO 10

11 Capa Informações Participantes Programação Títulos Interceran Dia 17 Dia 18 Dia 19 SOLICITAÇÕES TÉRMICAS Sobrecarga térmica: desalinhamento do queimador; Tipo de combustível; Paradas acidentais (choque térmico); Abrasão a quente pela carga; 11

12 SOLICITAÇÕES QUÍMICAS Tradicionalmente, os refratários aluminosos da classe de 70% de Al 2 O 3 são empregados na zona de queima dos fornos rotativos das indústrias de papel e celulose. 12

13 MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS 13

14 MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS 1. CARGA TÉRMICA ESPECÍFICA 2GJ / (m².h) ALUMINOSOS NA ZONA DE QUEIMA 2. CARGA TÉRMICA ESPECÍFICA > 2GJ / (m².h), ATINGINDO 6GJ / (m².h) Temperatura > 1200º C BÁSICOS NA ZONA DE QUEIMA 14

15 MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS DESVANTAGEM NA UTILZAÇÃO DOS MATERIAIS BÁSICOS NA INDUSTRIA DO PAPEL E CELULOSE MATERIAL BÁSICO É COMPATÍVEL QUIMICAMENTE COM A CARGA TEMPERATURA DE CALCINAÇÃO 1200º C (COMPATÍVEL COM O REVESTIMENTO ALUMINOSO) EXPANSÃO TÉRMICA DO REVESTIMENTO BÁSICO 1200ºC = 1,4% - (Al 2 O 3 = 0,6%) NO PROCESSO DE RECUPERAÇÃO DA CAL NÃO OBTEMOS UMA COLAGEM ESTÁVEL SOBRECARGA TÉRMICA NA CARCAÇA CONDUTIVIDADE TÉRMICA DO REVESTIMENTO BÁSICO A 1100º C - λ = 3 W/(m.K) - (AL-70 - λ = 1,75 W/(m.K) 15

16 MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS PERFIL TÉRMICO I 16

17 MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS PERFIL TÉRMICO II 17

19 MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS CONTAMINANTES AOS REFRATÁRIOS DO SISTEMA SiO 2 Al 2 O 3 Óxidos Alcalinos: Li 2 O, Na 2 O, K 2 O. Óxido de ferro: FeO, Fe 2 O 3 Óxidos Alcalinos Terrosos: MgO, CaO. Contaminante proveniente de óleos combustíveis: V 2 O 5 Óxidos de manganês: MnO, Mn 3 O 4. B 2 O 3 Óxidos metálicos provenientes de processos pirometalúrgicos: PbO, Cu 2 O, ETC 19

20 MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS IMPUREZA PRESENTE TiO 2 MgO CaO FeO Na 2 O K 2 O TEMPERATURA PRIMEIRA DE FORMAÇÃO DE FASE LÍQUIDA DO SISTEMA Al 2 O 3 SiO 2 ÓXIDO INDESEJÁVEL 1.480º C 1.425º C 1.345º C 1.250º C 1.050º C 985º C 20

21 FRENTE DE REAÇÃO Fr ƒ (difus. Ca++ Refratário; σm, σe)

22 MATERIAIS FORMADOS ALUMINOSOS MECANISMO DE CORROSÃO 1. Ataque do CaO à sílica livre presente no refratário formando Wollastonita CaO.SiO 2 2. A Wollastonita formada ataca a fase mulítica gerando Anortita - CAS 2 CaO + SiO 2 = CaO.SiO 2 3(CaO.SiO 2 ) + 3Al 2 O 3.2SiO 2 + SiO 2 = 3(CaO.Al 2 O 3.2SiO 2 ) 22

23 23

24 PONTOS INVARIANTES DOS SUBSISTEMAS A 3.S 2 S - C.A.S 2 e A A 3 S 2 C.A.S º C 24

25 MISTURA LAMA DE CAL X DOIS REFRATÁRIOS AL 70 DIFRAÇÃO DE RX 25

26 - Al 2 O 3 - Al 6 Si 2 O 13 AL -70 IV AL -70 I 26

27 Mistura 1:1-Cal + Refratário Tratados a 1400 o C * LAMA DE CAL - AL -70 IV * - Al 2 O 3 - Al 6 Si 2 O 13 - CaAl 2 Si 2 O 8 * - Ca 2Al 2 Si 2 O 7 LAMA DE CAL - AL -70 I * * * * 27

28 ALTERNATIVA PARA SOLICITAÇÕES MAIS SEVERAS PARTE 1: ETAPA LABORATORIAL MATERIAIS ENVOLVIDOS ANÁLISE QUÍMICA DOS MATERIAIS ENSAIOS FÍSICOS ANÁLISE QUÍMICA DA LAMA DE CAL (CaCO 3 ) ENSAIO DE CORROSÃO PELA LAMA DE CAL (CaCO 3 ) 28

29 ALTERNATIVA PARA SOLICITAÇÕES MAIS SEVERAS COMPOSIÇÃO QUÍMICA ÓXIDOS AL 70 I AL 70 II AL 70 III AL 70 IV Al 2 O 3 72,00 67,60 70,43 73,70 SiO 2 23,00 26,30 22,97 24,60 TiO 2 2,00 2,35 2,99 0,80 Fe 2 O 3 1,60 1,39 1,60 0,60 Na 2 O 0,50 1,10 0,40 0,20 K 2 O 0,30 0,32 0,06 0,10 29

30 ALTERNATIVA PARA SOLICITAÇÕES MAIS SEVERAS ENSAIOS FÍSICOS Ensaio/material AL 70 I AL 70 II AL 70 III AL 70 IV M.E.A. (g/cm³) 2,48 2,43 2,62 2,73 P.A. (%) 21,91 19,95 18,14 14,54 R.C.T.A. (MPa) 51,00 32,30 55,20 95,50 Resistência à erosão à 1000º C (cm³) Queda da RFTA após 5 ciclos de C.T. 1200º C (%) Queda da Velocidade Ultra-Sônica após 5 ciclos de C.T. 1200º C (%) Refratariedade sob carga T 0,5 ºC 14,05 17,43 12,80 5,95 25,00 43,92 21,60 3,22 10,49 17,93 8,40 0,

31 ALTERNATIVA PARA SOLICITAÇÕES MAIS SEVERAS ANÁLISE QUÍMICA LAMA DE CAL CaCO 3 ELEMENTO/LAMA DE CAL EMPRESA A EMPRESA B CaO 93,70 93,59 Na 2 O 2,47 3,08 P 2 O 5 1,59 1,52 MgO 0,59 0,33 SiO 2 0,54 0,40 Fe 2 O 3 0,52 0,64 Al 2 O 3 0,14 0,11 TiO K 2 O 0,02 0,04 ZrO 2 0,37 0,26 Cr 2 O 3 0,07 0,07 31

32 ALTERNATIVA PARA SOLICITAÇÕES MAIS SEVERAS ENSAIO DE CORROSÃO PELA LAMA DE CAL (CaCO 3 ) CONDIÇÕES DE ENSAIO: a. Taxa de aquecimento: 1,0 o C/min b. Temperatura de patamar: 1430 o C x 8hs 5 vezes c. Atmosfera de queima: oxidante d. Tempo de patamar: 40 horas e. Lama de cal CaCO 3 MATERIAIS AL 70 I AL 70 II AL 70 III AL 70 IV CLASSIFICAÇÃO LEGENDA BOM REGULAR RUIM 32

33 AL-70 I 33

34 AL-70 II 34

35 AL-70 III 35

36 AL-70 IV 36

37 AL 70 IV AL 70 I 37

38 AL 70 IV AL 70 I 38

39 AL 70 I 39

40 AL 70 IV 40

41 POST MORTEM AL -70 Face Quente Face Fria

42 CONCLUSÕES O material refratário AL-70-IV, de fabricação nacional, apresentou maior resistência à corrosão e ao choque térmico. A composição química deste produto apresenta menores teores de impurezas, que minimizam a quantidade da fase vítrea dispersa na microestrutura rica em mulita 3Al2O3.2SiO2. As propriedades termomecânicas do AL-70-IV refratariedade sob carga e resistência ao dano causado pelo choque térmico`são superiores aos materiais convencionais, empregados no revestimento da zona de calcinação dos fornos rotativos das indústrias de papel e celulose. Este material refratário, da classe de 70% de alumina, apresenta grande potencial para minimizar a relação custo / benefício dos revestimentos refratários das zonas de calcinação dos fornos de cal que empregam revestimentos aluminosos. A maior resistência à corrosão apresentada pelo material refratário AL 70 IV, é atribuída a sua menor contaminação com Fe2O3, Na2O e TiO2. Por esta razão, a velocidade de propagação da frente de reação com a cal foi minimizada. O AL-70-IV já esta disponível para a comercialização. 42

43 AGRADECIMENTOS COMISSÃO ORGANIZADORA DO VII ERUR ABC TOGNI S/A MATERIAIS REFRATÁRIOS EEL - USP togni@togni.com.br

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