Fornos industriais que operam em temperaturas ao redor de 1.260°C encontram sérios desafios para o revestimento dos fornos com fibras isolantes e refratários densos
As indústrias manufatureiras que utilizam fornos para alta temperatura estão focadas na uniformidade de temperaturas, na eficiência energética e no baixo custo de manutenção. É difícil atingir simultaneamente todos estes fins quando se utiliza revestimentos com fibra isolante e com refratário denso no interior dos fornos.
Opções de Revestimento para Altas Temperaturas
As fibras cerâmicas refratárias de alumina-sílica disponíveis no mercado têm propriedades muito boas de isolamento, mas apresentam modificações cristalinas significativas que ocorrem a temperaturas superiores a 1.093°C. A sílica da fibra começa a reagir com o oxigênio e outros gases no ar, tais como o N2 e o CO, presentes na atmosfera do forno. Isto faz com que as fibras vitrifiquem, causando uma contração no revestimento do forno. Este processo é contínuo com a exposição ao calor e não para até que o revestimento precise ser reparado ou substituído. Se forem mantidas temperaturas de 1.427°C, por qualquer intervalo de tempo apreciável, este processo é catastrófico, praticamente causando a fusão da fibra.
Os revestimentos disponíveis, em tijolos ou monolíticos, com alta alumina, apresentam resistência bastante elevada quanto ao ataque mecânico e químico e à abrasão quando comparados com as fibras cerâmicas, mas eles têm resistência ao choque térmico inferior e apresentam valores de isolamento inferiores devido à sua densidade muito alta. Com ciclos térmicos repetitivos, o refratário denso vai trincar e lascar, causando o enfraquecimento da face quente do revestimento e, posteriormente, requerendo a sua substituição completa. Outro problema apresentado pelos revestimentos densos é o tempo de queima inicial para remover a água do refratário após a instalação. Além disso, os tempos de ciclo do forno são muito superiores se comparados com os revestimentos mais leves, isto se dá devido à elevada massa presente no refratário do revestimento do forno. O efeito geral é que, seja uma opção ou outra (fibra cerâmica leve ou revestimentos refratários densos), haverá sérios desafios para se manter a eficiência energética com baixo custo de manutenção do revestimento do forno em longo prazo.
Mulita
Nos últimos 25 anos, as fibras de mulita vêm sendo desenvolvidas para a exposição por longo tempo em ambientes de alta temperatura e com necessidade de resistência química. Estas fibras são compostas por 72% de alumina e 28% de sílica. A sílica tem ligação química bastante forte quando em uma ligação de mulita, evitando que ela reaja livremente com o oxigênio e com os outros gases presentes no ar nas temperaturas de até 1.600°C. Ao resistir ao ataque químico da atmosfera, a sílica na mulita não cria SiO2 rapidamente, a qual é responsável pela criação do revestimento vítreo em temperaturas muito mais baixas na fibra cerâmica.
Estas mudanças moleculares são o que causam a contração da fibra e, por isso, a mulita tem baixa contração até 1.600°C (Fig. 1). Este é um contraste gritante com as fibras cerâmicas refratárias, nas quais esta mudança molecular começa a temperaturas inferiores a 1.090°C. Devido a esta estabilidade, quanto à temperatura e química, extremamente altas, as fibras de mulita apresentam várias opções para revestimento interno de fornos quando comparadas com os revestimentos de fibra cerâmica refratária, tijolos densos e de forma monolítica.
As fibras de mulita têm conteúdo não fibroso extremamente baixo e são muito consistentes, com diâmetros da fibra entre 5 a 7 micra, ao contrário das fibras de cerâmica, as quais contêm diâmetros tipicamente na faixa de 2 a 4 micra, com elevados teores de conteúdo não fibroso. Estas fibras com grande diâmetro e de baixo teor de conteúdo não fibroso têm a forma de agulhas (muito parecido com a fibra de cerâmica) e são produzidas na forma de mantas bem tecidas e de alta resistência à tração. Estas mantas são então colocadas no forno em módulos personalizados e em sistemas de painéis para revestimento das paredes. A combinação de estabilidade em altas temperaturas, de até 1.600°C, juntamente com à capacidade de projetar as fibras para revestimento interior duráveis dos fornos, permite que o usuário final possa capitalizar sobre a economia de energia, o tempo de ciclo de forno mais rápido e o baixo custo de manutenção.
Até recentemente, a maioria dos sistemas de revestimento disponíveis com fibras de mulita eram compostos 100% à base de mulita pura, customizadas em sistemas dobrados, empilhados ou de painéis. Estes revestimentos eram projetados e instalados em fornos de reaquecimento para a indústria de ferro e aço, técnicas cerâmicas, tratamentos térmicos e várias outras aplicações que necessitassem de isolamento de proteção em condições de trabalho contínuo a 1.600°C ou temperaturas superiores.
Nem todos os produtos de fibra de mulita fabricados são capazes de resistir ao abuso mecânico ao qual as fibras estão expostas durante o processo de conversão, mas a fibra de mulita desenvolvida pela Mitsubishi, com o nome Maftec®, é capaz de lidar com o processamento típico de conversão devido ao diâmetro médio da fibra ser grande, de 5 a 7 micra, ao extremamente baixo teor de conteúdo não fibroso e à pureza da fibra de mulita produzida. Devido à alta resistência à tração desta fibra de mulita, o material Maftec® pode ser convertido 100% em módulos de serpentina dobrada, em módulos empilhados e em sistemas de painéis, e podem ser pendurados em paredes e defletidos sem quaisquer problemas. Estes sistemas provaram produzir estabilidade térmica extremamente boa se comparados com a fibra cerâmica, mas eles apresentam uma diferença de custo significativa. Os sistemas de fibra de mulita são capazes de justificar o seu preço mais elevado, pois diminuem o consumo de combustível e a perda de calor em temperaturas de trabalho extremas, por serem altamente isolantes e apresentarem baixa contração, o que equivale a reduzir a manutenção em longo prazo e o custo de reposição do revestimento.
Implicações no Custo
Desde que as fibras de mulita começaram a ser comercializadas para a indústria dos fornos de alta temperatura, o custo de instalação tem sido o maior obstáculo para a maioria dos usuários finais. Mesmo com as futuras economias de energia, redução de custos de manutenção e aumento da capacidade que podem ser esperados, a maioria dos usuários finais tem dificuldade em justificar o maior custo inicial da fibra de mulita quando comparado aos outros materiais no mercado.
Os custos do revestimento com fibra de mulita são significativamente maiores do que a fibra de cerâmica. Se comparados aos refratários densos, este cálculo torna-se mais complicado devido à magnitude das opções disponíveis. No total, o revestimento com fibra de 100% de mulita custa muito mais do que a maioria dos revestimentos densos convencionais, com 70% de base de alumina. A economia futura, em geral, irá pagar o custo inicial mais elevado, mas isso pode ser uma venda muito difícil para a maioria dos usuários finais devido às verbas disponíveis para a manutenção dos revestimentos dos fornos serem limitadas.
Sistema Modular de Isolantes Compostos
Por esta razão, os sistemas modulares de isolantes compostos estão se tornando cada vez mais predominantes no mercado. Ao substituir uma grande parte da fibra de mulita pela fibra cerâmica HTZ 2600, o custo diminui de forma significativa. Os sistemas compostos originais utilizavam um intertravamento entre a mulita e a fibra cerâmica à base de zircônia, HTZ 2600. Alguns utilizam métodos de alta compressão entre as camadas alternadas de mulita e de fibra cerâmica e outros utilizam ainda um cimento refratário entre as camadas de mulita e de fibra cerâmica. A maior preocupação para estes sistemas modulares é a capacidade de resistir às áreas suspensas, como as áreas de telhado do forno, nas quais a articulação entre a fibra de mulita e a fibra cerâmica se junta.
A Temtek Solutions desenvolveu recentemente um sistema modular chamado de PuzzleJoint™, o qual utiliza um conjunto mecânico de quebra-cabeça (Fig. 2) para juntar a mulita e a fibra cerâmica. Quando combinado com alta compressão, isso faz com que seja praticamente impossível separar as camadas instaladas (Fig. 3). Os módulos compostos dão opção aos usuários finais de manter a fibra com 100% de mulita na face quente, com uma economia no custo de até 50% quando comparados com os sistemas em módulos com 100% de fibra de mulita. Com estes tipos de módulos compostos disponíveis, os revestimentos com fibra de mulita se tornam mais acessíveis aos fabricantes, que talvez não tenham conseguido justificar previamente o custo de capital mais elevado.
Economia de energia
A economia de energia, quando se compara os revestimentos de mulita com os refratários densos, é significativa devido à enorme redução de peso no revestimento dos fornos. Normalmente, os tetos dos fornos são a parte mais cara se utilizados os revestimentos refratários densos, devido aos sistemas de ancoragem complexos e caros necessários para transportar as cargas extremas presentes com os tijolos densos ou os monolíticos de alta alumina.
Os revestimentos refratários densos têm densidade de cerca de 2,64 g/cm3, enquanto os sistemas com fibra de mulita têm densidade de 0,16 g/cm3. Esta redução extrema de peso levará à economia de combustível, menores temperaturas na face fria, perda de calor inferior, tempos de ciclo mais rápidos e maior capacidade do forno.
Uma aplicação que representa bem os excelentes resultados da substituição do uso dos revestimentos densos pela fibra de mulita é o teto dos fornos conversores para aço, com a utilização de fibra de mulita com 30 cm de espessura. O retorno financeiro pode variar devido à flutuação no custo do gás, mas se todas as variáveis forem consideradas a conversão para a fibra de mulita é o grande vencedor para os usuários finais, na maioria dos casos. A Fig. 4 apresenta uma comparação, para um telhado de um forno de reaquecimento alcançando uma temperatura de operação de 1.385°C, entre um monolítico denso e moldável e a fibra de mulita, ilustrando os aumentos significativos na eficiência do forno.
Conclusão
O objetivo geral deste artigo é o de convencer os usuários finais dos fornos industriais para alta temperatura a olharem para as fibras de mulita como uma opção viável para o revestimento de seus fornos. O custo de capital inicial tende a assustar muitos operadores e gerentes de fábrica por terem seu foco sempre em manter os orçamentos operacionais no mínimo.
Os custos operacionais dos fornos precisam ser discriminados, separando os custos por uso de combustível anual, manutenção do refratário, tempo total de ciclo do forno, o tempo de inatividade devido a reparos, a uniformidade de temperatura, o controle de emissões e (por último, mas não menos importante) rendimento de capacidade para o produto final.
Se for realizada uma comparação entre os revestimentos com o sistema modular de fibra com mulita com os refratários cerâmicos densos e fibra cerâmica, considerando todas as variáveis citadas e os custos globais, em longo prazo a fibra de mulita irá proporcionar uma solução de revestimento de fornos muito mais rentável. A resistência química extremamente boa, a resistência mecânica e a baixa contração em temperaturas de até 1.600°C irão propiciar aos clientes finais um revestimento no qual eles podem confiar que lhes dará anos de desempenho sólido.
Para mais informações, contate: D. Scott Carter, Temtek Solutions Inc., Home of MSSI Refractory Products, 2 John Street, PO Box 398, McKees Rocks, PA, EUA, 15136; tel: +1 888-265-2608; fax: +1 412-771-3148; e-mail: scarter@temteksolutions.com; web: www.temteksolutions.com.
