Com o aumento do empenho dos produtores de alumínio para aumentar sua produtividade, o ambiente dentro dos fornos de espera e de fusão do alumínio vem se tornando cada vez mais adverso. As temperaturas da câmara estão aumentando e estão sendo utilizados fluxos mais agressivos, necessitando de operações mais frequentes e mais severas de limpeza da parede refratária
Um requisito fundamental para a manutenção dos altos níveis de produtividade é a necessidade de minimizar a frequência e a duração do tempo de parada do forno. Os materiais refratários resistentes ao alumínio desenvolvidos no passado para estas aplicações agora estão sendo usados além das fronteiras previstas no projeto original já que atualmente as condições são mais agressivas para os revestimentos refratários. Como resultado, seu desempenho em serviço está sob ameaça, sendo necessárias manutenções cada vez mais frequentes nos refratários. A fim de minimizar o tempo de parada dos fornos, faz-se necessário o desenvolvimento de uma nova classe de revestimentos resistentes ao alumínio, especialmente projetada para atuar nos ambientes operacionais atuais.
Ao longo dos últimos 30 anos, um grupo de tecnologias para os refratários monolíticos emergiu e tem sido projetado especificamente para atuar no ambiente dos fornos de fusão e espera de alumínio. Estas classes de refratários resistentes ao alumínio, em geral, contem aditivos de “não-molhamento”, em particular nas áreas de contato com o metal, para minimizar a interação entre o refratário e o alumínio líquido, suprimindo assim os danos ao revestimento devidos ao “crescimento do coríndon”.[1]
A Morgan Thermal Ceramics (MTC) desenvolveu recentemente um material monolítico específico para melhorar o desempenho na zona da superestrutura – teto, paredes superiores e as áreas de combustão – que estão em contato com níveis excessivamente elevados de vapor alcalino e sujeitos ao choque térmico. Este artigo revisa as condições de operação encontradas nas áreas da superestrutura (Fig. 1) em um forno de fusão e espera típico e as implicações diretas no projeto e desempenho do material refratário monolítico. O melhor comportamento apresentado pelo novo material monolítico desenvolvido, em relação aos critérios de desempenho nestas regiões do forno, é demonstrado laboratorialmente por comparação com os materiais existentes, e atuais líderes de mercado, utilizando métodos de ensaios padronizados pela indústria.
Parâmetros Chave de Desempenho
Para entender as condições de funcionamento na região da superestrutura de um forno de espera de alumínio líquido, a MTC trabalhou com diversos produtores de alumínio líderes de mercado. Estudou as práticas de trabalho e as condições de operação dos fornos e analisou os refratários após o uso, a empresa identificou que os dois fatores principais que limitam a vida em serviço dos refratários são o vapor alcalino excessivo e os choques térmicos excessivos.
O aumento da utilização de pós fluxantes mais poderosos para propiciar uma maior produtividade e as composições de ligas mais exóticas, aliadas com as temperaturas mais elevadas na câmara (em particular nos fornos de fusão), está causando concentrações mais elevadas de vapor alcalino nas regiões superiores da câmara. No estado de vapor, estes álcalis podem facilmente entrar nos revestimentos refratários atravessando a estrutura porosa e reagindo quimicamente com os materiais básicos. Tais reações podem conduzir, com certa frequência, a efeitos de expansão, causando mudanças extremas no volume, as quais inicialmente provocarão rachaduras podendo chegar a falhas catastróficas no revestimento. A taxa de ataque químico é afetada pela temperatura, atmosfera e limpeza do forno, além da composição e da estrutura e do revestimento refratário.
A região da superestrutura também está sujeita a consideráveis tensões térmicas, conforme a temperatura da câmara aumenta e diminui rapidamente, durante a abertura e o fechamento das portas do forno e nas áreas em torno dos queimadores de gás. Isto causa rápidas contrações e expansões da superfície do revestimento refratário do forno, causando microtrincas na estrutura e, em última instância, resultando na falha do revestimento.
Outros fatores ambientais também podem ter uma contribuição secundária na limitação do tempo de vida do revestimento refratário da superestrutura, particularmente na região da parede superior. As paredes superiores estão sujeitas à abrasão mecânica durante as operações de limpeza, deste modo é necessária alguma resistência à abrasão no revestimento refratário para suportar as tensões mecânicas sofridas durante a limpeza. Além disso, embora não haja contato direto com o metal líquido, as paredes superiores podem estar sujeitas a contatos intermitentes com o metal devido aos respingos de metal oriundos das operações de agitação e limpeza. Consequentemente, é importante que o refratário nesta região tenha também algum grau de capacidade de “não-molhamento” para assegurar que não ocorra a nucleação e crescimento de coríndon nestes pontos de respingo.
Testando os Materiais
Três materiais monolíticos existentes e utilizados por vários produtores de alumínio na região da superestrutura dos fornos de fusão e espera foram selecionados como materiais comparativos para o estudo. O desempenho destes materiais em serviço está bem estabelecido, de modo que, quaisquer resultados dos testes podem servir como pontos de referência úteis para comparação com os novos desenvolvimentos.
Uma investigação analítica e detalhada dos materiais comparativos foi realizada com o objetivo de identificar os principais aspectos da tecnologia destes materiais, os quais foram considerados para tanto promover como restringir o desempenho em termos da resistência aos álcalis e ao choque térmico, e foram então considerados como controle para os mecanismos de falha. Este conhecimento dos pontos fortes e fracos das tecnologias dos materiais já existentes foi então utilizado como a base para uma série de reformulações.
O objetivo era encontrar um balanço ótimo entre a ligação e os agregados químicos e a granulometria, a qual produzisse a máxima melhoria nos desempenhos em meio alcalino e choque térmico sem afetar negativamente as outras propriedades importantes. A comparação dos resultados de desempenho e propriedades medidas do produto final já com a composição otimizada desenvolvida em relação aos produtos comparativos são apresentados abaixo. Todos os materiais em estudo foram testados em relação aos quatro parâmetros principais de desempenho, utilizando-se os métodos de ensaio já padronizados na indústria.
Parâmetros Primários de Desempenho
1. Ensaio de resistência ao choque térmico (ASTM C1100-88 {1998} – teste da fita): Amostras pré-aquecidas (230 x 115 x 64 mm) são submetidas a cinco ciclos alternados de aquecimento e resfriamento em uma face, utilizando-se um queimador de fita. O módulo de elasticidade (E) das amostras é medido de forma não destrutiva por ultrassom, antes e depois do ensaio. A porcentagem de manutenção do módulo de elasticidade é utilizada como uma medida da resistência mantida.
2. Ensaio do “copo” de resistência ao álcali: Nove amostras de “copo” (5 cm cúbicos, cada um com 2,2 cm de diâmetro e 2,5 cm de profundidade) são preparados para cada composição de ensaio (Fig. 2) juntamente com uma tampa (5 centímetros quadrados, 0,6 cm de espessura) para cada cubo. As amostras “descansam” durante a noite e são então desmoldadas, curadas e secas a 110°C durante 18 horas. Três dos copos de amostras secas são preenchidos com 8 gramas de carbonato de potássio, três com 8 gramas de carbonato de sódio e três com uma mistura 50:50 de 8 gramas de carbonato de potássio e carbonato de sódio. As amostras contendo cada uma das misturas alcalinas são aquecidas a 900°C, 1000°C e 1100°C, por cinco horas. São feitos cortes verticais nas amostras para inspeções visuais quanto às trincas, saliências, profundidade de penetração e mudanças de cor.
Parâmetros Secundários de Desempenho
1. Ensaio de resistência à abrasão (ASTM C704): As amostras são pré-aquecidas a 815°C e jateadas com carbeto de silício de granulometria especificada e por um tempo determinado. As amostras ensaidas são cortadas transversalmente, e a quantidade de material desgastado em toda a seção é medida e relatada em centímetros cúbicos.
2. Ensaio do “copo” para resistência ao alumínio: A preparação da amostra é semelhante à preparação para o ensaio de resistência ao álcali, exceto por não ser utilizada nenhuma tampa durante o ensaio. No lugar do álcali, as amostras são preenchidas com a liga de alumínio 7075. As amostras são aquecidas a 1000°C por 100 horas. Após o resfriamento, as amostras são cortadas verticalmente e avaliadas visualmente para verificar o grau de penetração do metal e o crescimento do coríndon. Os detalhes do método de ensaio são descritos na literatura. [2]
Desempenho nos Parâmetros Primários
Os resultados do ensaio de resistência ao choque térmico dos diversos materiais estudados são apresentados na Fig. 3. Após cinco ciclos de ensaio, o material Standard 1 teve uma perda de 50% do seu módulo de elasticidade e o material Standard 2 havia perdido 95%, enquanto o novo material otimizado teve uma perda de apenas 40%. Estes resultados sugerem que o novo material é capaz de proporcionar uma melhoria de 20% na resistência ao choque térmico se comparado ao Standard 1 e de 12 vezes em relação ao Standard 2.
Como os materiais de referência são utilizados rotineiramente nos fornos de espera para alumínio líquido, esperava-se que todos possuíriam algum grau de resistência ao ataque alcalino. No entanto, os ensaios de resistência ao álcali apresentaram alguns comportamentos extremos. Os materiais Standard 1 e Standard 3 apresentaram uma resistência ao ataque alcalino muito baixa, com as amostras sendo severamente atacadas causando grandes trincas e erosão por toda parte (Figs. 4-6).
Este comportamento contrastou com os resultados do material Standard 2, o qual apresentou uma excelente resistência aos ensaios alcalinos (Figs. 7-9). A nova composição otimizada, a qual se baseou nos mecanismos de desempenho do Standard 2, passou em todos os ensaios de contato alcalino com carbonato de potássio e carbonato de sódio e apresentou uma excelente classificação (Figs. 10-12).
Desempenho nos Parâmetros Secundários
Os resultados dos ensaios de resistência à abrasão dos materiais – um parâmetro importante de desempenho para os materiais das paredes superiores para resistir à ação abrasiva das operações de limpeza – estão apresentados na Fig. 13. Os materiais Standard 1 e 3 apresentaram resistência à abrasão relativamente baixas em relação ao Standard 2. A resistência à abrasão objetivada nesta região deve ser maior do que 10 cm3, e os materiais Standard 1 e 3 não alcançaram esta resistência. O material recentemente desenvolvido incorpora as tecnologias utilizadas no Standard 2 para alcançar uma excelente resistência à abrasão.
Para garantir que o novo material esteja protegido contra os respingos de metal na região da parede superior, de forma que o crescimento do coríndon não seja um problema, ele foi pré-aquecido a 1200°C e testado contra o contato com o metal líquido, utilizando a liga de alumínio 7075 a 1000°C por 100 horas. Este é um ensaio mais agressivo do que a maioria dos produtores de alumínio utilizam nos procedimentos para aprovação do material refratário.[2] O Standard 1 apresentou um resultado ruim. Todos os outros materiais alcançaram uma classificação boa no ensaio, com uma interação mínima com a liga de ensaio (Fig. 14).
Os resultados dos ensaios, que podem ser visualizados na Tabela 3, mostram que para os ensaios de desempenho primário alguns dos materiais de referência apresentaram um comportamento bom para um dos parâmetros, no entanto, apresentaram desempenho ruim para o outro. Em resumo, pode-se dizer que o novo material combina todas as melhores características de desempenho dos materiais de referência, mas sem qualquer uma das fraquezas. Portanto, ele apresenta uma mistura ideal das características de desempenho necessárias para o serviço na superestrutura dos fornos de espera para alumínio líquido. Para facilitar sua instalação, o novo material monolítico foi projetado como uma série vibrocast, a qual requer a adição de somente uma quantidade mínima de água para atingir um bom fluxo, e atualmente está em teste na área da superestrutura dos fornos de espera de alumínio líquido em diveros produtores de alumínio ao redor do mundo
Conclusão
Os produtores de alumínio continuam aumentando a produtividade em seus fornos de espera para manter a sua competitividade e, portanto, a utilização de queimadores mais potentes para aumentar a entrada de calor no forno está se tornando uma prática cada vez mais comum. Mas a fusão mais rápida causa aumento nas perdas de metal pela oxidação da superfície e pela segregação causada pelos grandes gradientes térmicos. Estes efeitos podem ser minimizados aumentando o uso de pós fluxantes e com maior agitação. Considerando este ambiente cada vez mais complexo dentro do qual o revestimento refratário terá que trabalhar, as soluções tradicionais para os revestimentos já não podem mais fornecer a vida em serviço que antes eram alcançadas. Consequentemente, uma nova geração de materiais para revestimento refratário é necessária para suprir as exigências dos fornos para alumínio atuais.
Os resultados dos ensaios da Morgan Thermal Ceramics sugerem que o novo material deva ter um bom desempenho frente ao atual conjunto de condições em serviço na região da superestrutura dos fornos de espera do alumínio líquido, apresentando um comportamento melhor do que os dos materiais utilizados atualmente na indústria e, assim, apresentará maior vida em serviço. O prolongamento da vida em serviço na área da superestrutura tende a proporcionar uma redução da frequência de paradas do forno, permitindo assim que os produtores de alumínio executem campanhas de produção mais longas, e, por consequência, aumentando a produtividade e minimizando a necessidade de reparos caros.
Para mais informações, contate: Alicia Puputti, executiva de contas, McNeil, Gray & Rice Strategic Communications, Boston, MA, EUA; tel: +1 617-367-0100, ramal: 155; e-mail: alicia.puputti@mgr1.com; web: www.mgr1.com.
