Existe uma tendência geral evidente nos trabalhos com ferro e aço. Assim como as ligas, produtos e projetos estão sendo melhorados constantemente; os processos têm sido iniciados com cada vez mais controle de parâmetros e de modo mais rápido para acompanhar os requisitos de produção, enquanto tentam-se manter ou melhorar as eficiências dos processos. A etapa de projetar os equipamento e os processos se tornou mais crucial do que jamais foi em momentos anteriores
A melhoria contínua no fornecimento das matérias-primas e no projeto dos refratários vem sendo buscada. Examinaremos aqui dois exemplos. O primeiro é de um forno de reaquecimento remodelado e o outro é de um forno rotatório de calcinação também reprojetado – ambos eram revestidos tradicionalmente com refratário densos (concreto e tijolos).
Remodelagem do Forno de Reaquecimento
Fornos de reaquecimento (como os de tratamento térmico, de pré-aquecimento e fornos de forjaria) eram tradicionalmente revestidos com materiais refratários duros (densos), como tijolos, concreto por gunitagem, por shotcrete, etc. Tais refratários densos não têm desempenho muito bom quando expostos a chamas intensas e contínuas, ciclos térmicos e ataques alcalinos. Processos rotineiros como rampas de aquecimento e de resfriamento, abertura e fechamento das portas do forno para carregar ou remover produtos de seu interior podem causar choques térmicos severos e danos no revestimento refratário.
Uma vez danificado, a substituição ou reparo parcial do refratário denso é um serviço desajeitado, que consome tempo, requer dedicação intensiva e, portanto, caro. Geralmente, os fornos precisam ficar desligados por vários dias porque, primeiro, o refratário precisa estar completamente frio, para depois do reparo ainda seguir a curva de aquecimento específica deste refratário. Por fim, o forno é lentamente reaquecido para a temperatura operacional (reaquecimentos rápidas causam choque térmico). Uma grande parte dessa energia é absorvida pelo revestimento e, devido à alta condutividade térmica dos refratários densos, uma grande porcentagem desse calor é conduzida até a carcaça de aço do forno. Ademais, revestimentos convencionais de refratários densos são pesados e, por isso, acabam submetendo a estrutura do equipamento e seus componentes mecânicos a esforços desnecessários. O desgaste resultante destes componentes mecânicos leva a maiores custos de manutenção.
Por esses motivos, muitos operadores de fornos de reaquecimento, com o tempo, passaram a utilizar sistemas de revestimentos com módulos de fibra cerâmica. O isolamento por fibra (cerâmica refratária ou outro tipo de fibra bio-persistente, fibras de silicatos alcalino-terrosos) é muito mais fácil de ser instalado, não é suscetível a choques térmicos, possui baixos armazenamento e perda de calor e tem condutividade térmica muito baixa. Além disso, fornos revestidos com fibra cerâmica não precisam de nenhum ciclo de rampas de aquecimento/resfriamento. Os produtos de fibra cerâmica são consideravelmente mais leves e, geralmente, fornecidos na forma de módulos ou em peças inteiras, tornando mais fácil o trabalho de recuperar, refazer ou obter-se novos revestimentos similares. Um exemplo das potenciais economias de energia é exibido pela Fig. 1.
Apesar do isolamento com fibras ser mais “amigável” para o usuário trabalhar do que os refratários densos, ele é mais suscetível aos danos por abrasão mecânica e ataques alcalinos. Como qualquer outro tipo de material e de processo, o isolamento com fibra também possui limites de temperatura de trabalho, sendo a máxima temperatura de operação de 1343°C. A maioria dos fornos de reaquecimento, hoje, opera a temperaturas entre 1260-1371°C e tem problemas com o encolhimento da fibra. Enquanto módulos de fibra policristalina (Polycrystalline Wool – PCW) podem solucionar esta questão, a combinação de módulos de fibra policristalina e fibra Fiberfrax, em sua espessura total, tende a ser muito cara e custa até 700% mais do que um revestimento de fibras sílico aluminosas (Fig. 2).
Sistema de Módulo e Massa Silplate®
O sistema de módulo e massa Silplate® – módulo de fibra com massa Silplate (apresentada anteriormente na edição de Abril de 2014 da Industrial Heating) – é uma solução mais viável para esse problema comum. Esse sistema modular pode ser usado em temperaturas contínuas de operação de até 1500ºC, com encolhimento menor ou igual a 1%. Este sistema pode ser uma alternativa aos módulos PCW com melhor custo-benefício, para aplicações em que o encolhimento da fibra sílico aluminosa, falhas mecânicas ou de fluxo ocorrem, como:
1. Temperaturas acima de 1343°C;
2. Ataques alcalinos ou de outros produtos químicos;
3. Altas velocidades (acima de 30,48 m/s);
4. Incidência de chamas;
5. Choques térmicos;
6. Qualquer combinação dos fatores descritos acima.
A massa Silplate não é aplicada simplesmente como um coating de cobertura sobre a fibra para suportar altas temperaturas, mas como um sistema específico para sua melhor aderência e fixação mecânica. Esse produto pode ser usado até mesmo em fornos de reaquecimento que utilizam refratários densos para reparar, proteger ou simplesmente prolongar a vida útil dos refratários. Por fim, esse produto pode ser projetado por spray à quente sobre revestimentos de fibra e refratários densos, reduzindo, assim, os custos de manutenção e melhorando a produtividade, uma vez que não há necessidade de se fazer rampas de resfriamento e desligamentos do forno.
Fatores Econômicos
Quando módulos de fornos de reaquecimento encolhem, surgem brechas que se tornam meios de fuga de calor.Pontos quentes aparecem sobre a chaparia, fazendo com que os fornos sejam desligados, resfriados, para que, depois, essas brechas sejam preenchidas com a fibra PCW de alto custo. O desligamento do forno, custos de mão de obra e perdas na produção, consequentemente, aumentam os gastos de manutenção. Em média, fornos de reaquecimento são desligados a cada três ou seis meses, devido a pontos quentes na chaparia. Estima-se que tais paradas custam aos operadores do forno, pelo menos, R$ 105.000 reais por forno anualmente. Isso inclui mão de obra, perdas de energia e de material durante os processos de ligar e desligar o forno. As perdas de produção ocorridas durante os desligamentos não foram somadas a esse valor. Se esses custos forem considerados como parte do cálculo de aquisição de um novo revestimento de fibra cerâmica, o total pode chegar a custar mais que o dobro.
A Fig. 3 mostra que o sistema de módulo e massa Silplate pode, de fato, resolver esse problema de forma que gere o melhor custo-efetivo. Esse sistema custa, inicialmente, de 35-45% a mais do que um revestimento de fibras de sílico aluminosas. Uma vez que os custos de manutenção do revestimento de sílico aluminosas forem contabilizados, o período de retorno do investimento inicial (mais elevado), da massa Silplate é menor do que um ano (em comparação com os módulos de fibra Fiberfrax ou Insulfrax). A face voltada para a região mais quente do forno talvez precise passar por manutenções uma vez a cada 1-2 anos, dependendo das aplicações e de outros fatores. A massa Silplate pode ser projetado por spray à quente sobre a fibra já existente. Além disso, o produto pode ser projetado por spray a quente sobre a superfície já existente.
Remodelagem do Forno de Calcinação Rotatório
O forno rotativo de calcinação rotativo é outra aplicação que tradicionalmente utiliza isolamento de refratários densos. Como o nome sugere, esses fornos possuem um cilindro rotativo que é levemente inclinado em direção ao solo. Eles são usados para produzir cal dolomítica e outros tipos de cal viva de maior pureza, que são usadas para fazer aços de baixo carbono, dolomita sinterizada, fibras de vidro e até mesmo alguns produtos de assistência médica. Um esquema de funcionamento de um forno rotativo de calcinação rotatório é mostrado na Fig. 4.
Carvão, coque de petróleo, gás natural ou outros rotativos derivados de resíduos são utilizados com combustível. Os gases do combustível são voláteis e abrasivos por natureza. As rotações contínuas (~1.2 rpm), as matérias-primas (como calcário, cal ou dolomita usada no alimentador de carga), os gases do combustível e o ar de combustão atuam juntos para criar um ambiente hostil. Fluxos intensos, incidência de chamas e ciclagens térmicas a temperaturas entre 1150 e 1260°C provocam danos no revestimento refratário.
Uma grande quantidade de refratários densos é usada para fazer o revestimento do forno de calcinação, o que também significa que muita energia é absorvida e transmitida pelo refratário. As difíceis condições de trabalho fazem necessário o uso de tijolos refratários de alta qualidade, resistentes ao desgaste, como o de magnésia-carbono (MgO-C) ou de tijolos de alta alumina. Ao mesmo tempo em que esses tijolos são muito eficientes em maximizar a vida útil do refratário no interior do forno de calcinação, eles possuem, também, alta condutividade térmica. Como resultado, os fornos que não possuem um bom isolante entre o tijolo e chaparia ficam muito quente, sendo comum observar pontos quentes na sua estrutura metálica externa. As altas temperaturas e o peso elevado dos refratários densos submetem a estrutura dos fornos a enormes tensões. Segundos as normas de segurança ASTM e OSHA, as temperaturas da face fria do revestimento são condições muito importantes para o projeto dos refratários e dos processos. Dependendo da aplicação, a deformação do aço começa a se tornar plástica (ou permanente) entre 343°C e 398°C, podendo conferir um grande risco de segurança.
Silplate AR como Revestimento de “back-up”
Em agosto de 2010, a Unifrax instalou a placa Silplate AR como um isolante de apoio sob um revestimento de 9” tijolo de magnésia carbono utilizado em um forno rotativo de calcinação que produz óxido de cálcio para fabricação de aços carbono. O forno tinha cerca de 50 m de comprimento e um pouco mais de 4 m de diâmetro. Antes da Silplate AR, a face fria do revestimento tinha uma temperatura de ~427°C. O forno estava começando a deformar e era possível observar um grande desgaste em seus componentes mecânicos (Fig. 5).
Fatores Econômicos
O forno rotativo de calcinação remodelado foi operado durante um período de quatro anos. Durante esse tempo, nenhum ponto quente foi observado em sua carcaça metálica. Além disso, a temperatura da face fria caiu de 427°C para 317°C.
Devido ao melhor isolamento e à baixa condutividade térmica da placa Silplate AR, mais calor foi retido pelo tijolo de MgO-C e nas operações do forno de calcinação. Isso resultou em gastos menores de energia e maior eficiência nos processos. Problemas como pontos quentes na carcaça e empenamento do metal cessaram completamente. Os custos anuais de manutenção dos componentes mecânicos também foram reduzidos. Ao mesmo tempo, a produção aumentou 30%. No geral, os operadores do forno foram capazes de economizar $ 1,5 milhão de doláres com o novo projeto do revestimento térmico.
Outras instalações ou projetos de fornos rotativos de calcinação que utilizaram a placa de “back-up” Silplate AR (junto de outro revestimento de tijolo) conseguiram atingir resultados similares ou até melhores. Em média, a temperatura da face fria foi reduzida em 100°C e o peso líquido do refratário foi reduzido em ~ 450 Kg/mt. de forno. Os resultados e fotos dessas outras instalações são exibidos pela Fig. 6.
Sumário
Assim como os processos industriais térmicos se desenvolvem continuamente, os projetos de revestimentos também precisam melhorar. Agora mais do que antes, as indústrias reconhecem a necessidade de aumentar a eficiência enquanto se tornam mais limpas, seguras e conscientes das questões ambientais. A iniciativa deve ser tomada não apenas para reduzir gastos, mas também para preservar o meio ambiente e melhorar o padrão geral em que as indústrias produzem, tudo isso enquanto aqueles que trabalham com empenho para alcançar estes padrões todos os dias são protegidos.
Para mais informações: Shyam Nair, gerente de desenvolvimento de mercado de Silplate, Unifrax I LLC, NY; (+1) 412-841-7487; snair@unifrax.com.
Revisão gentilmente cedida por Eduardo L. Ribeiro, sócio da Menphis Engenharia Térmica – Representante Unifrax, eduardo@menphis-em.com.br; www.menphis-em.com.br.
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[1] www.industrialheating.com/articles/91603-new-insulating-materials-installation-techniques-reduce-maintenance-and-save-energy;
[2] www.britishlime.org/education/popup_rotary_kiln.php;
[3] http://etsschaefer.com/images/Industrial%20Heating%20Article.pdf.
