1 – introduçÃO



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Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica 080350

30 de maio a 2 de junho de 2001 - Florianópolis – SC.


DESENVOLVIMENTO DE REVESTIMENTO REFRATÁRIO PARA CONJUNTO PORTA VENTO DE ALTOS FORNOS DE ALTA CAPACIDADE DE ISOLAMENTO
S. N. Silva (1), O. R. Marques (1), S. M. Justus (2), H. L. O. Brito (2), R. A. Magnani (2), G. S. da Matta (3), L. Abadjieff (4), E. Longo (2), J. A. Varela (2,5), F. Vernilli Jr (5, 6)
(1) Companhia Siderúrgica Nacional - CSN

(2) Centro Multidisciplinar de Desenvolvimento de Materiais Cerâmicos - CMDMC

(3) Universidade Estadual de Ponta Grossa - UEPG

(4) Beka Brasil Produtos Refratários Especiais Ltda.

(5) Instituto de Química da Universidade Estadual Paulista – IQ -UNESP

(6) Departamento de Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia Química de Lorena – Demar - Faenquil


vernilli@demar.faenquil.br

RESUMO


O presente trabalho descreve as diversas etapas de implantação de um projeto de revestimento para conjuntos porta vento de Altos Fornos, de maior capacidade de isolamento. Simulações física e numérica de transferência de calor, testes industriais e ensaios de resistência à abrasão à quente foram realizados visando determinar a influência das condições operacionais e de revestimento (temperatura de sopro e espessura e condutividade térmica do revestimento) sobre a temperatura externa da carcaça do conjunto porta vento. Como resultado final concluiu-se que o investimento é viável técnica e economicamente.
Palavras chaves: Porta Vento, Alto Forno, Refratário.

INTRODUÇÃO

Nos últimos anos houve uma elevada frequência de paradas de emergência dos Altos Fornos # 2 e 3 da CSN, com perdas de produção, provocadas pela ocorrência de “pontos quentes” na carcaça dos diversos componentes dos conjuntos porta vento. De acordo com a especificação do aço da carcaça dos conjuntos porta vento (aço ASTM-A516-79B-GRAU 70), a temperatura limite de trabalho é de 350oC.

Em adição, a CSN planeja aumentar a temperatura de sopro dos regeneradores dos Altos Fornos # 2 e 3 de 1150 para 1250oC, com o objetivo de reduzir o Coke Rate .

De acordo com este cenário, o presente trabalho teve por objetivo desenvolver e implantar um novo projeto de revestimento refratário para os conjuntos porta vento dos Altos Fornos # 2 e 3 da CSN, de maior capacidade de isolamento, visando eliminar a ocorrência de “pontos quentes”, viabilizando aumentar, futuramente, a temperatura de sopro dos regeneradores.

MATERIAIS E MÉTODOS

Os conjuntos porta vento atuam como um duto de transferência do ar quente soprado dos regeneradores, por intermédio da linha de ar quente (anel de vento), para as ventaneiras. A Figura 1 ilustra o revestimento dos conjuntos porta vento dos Altos Fornos # 2 e 3 da CSN com concreto aluminoso (63,5 % Al2O3).

Concreto

Aluminoso


63,5% Al2O3


Figura 1 – Projeto de Revestimento dos Conjuntos Porta Vento dos Altos Fornos # 2 e 3 da CSN.
A partir de simulações físicas e numéricas foram avaliadas diversas condições de operação e de revestimento dos conjuntos porta vento, visando determinar a sua influência sobre a carga térmica na carcaça metálica.

Visando avaliar a influência da temperatura de sopro (1150, 1200 e 1250oC) e do projeto de revestimento refratário sobre a temperatura externa da carcaça e perda térmica (W/m2) dos conjuntos porta vento, foram realizadas simulações numéricas de transferência de calor utilizando-se o software Heat Flow. A Tabela I apresenta os parâmetros de simulação:


Tabela I – Parâmetros das Simulações Numéricas.

Projetos/

Revestimento




Projeto 1 (Convencional)

Projeto 2 (Desenvolvido)

Sem Fibra

Com Fibra

Sem Fibra

Com Fibra

Revestimento



Concreto Aluminoso Convencional

(63,5 % Al2O3)



Fibra Cerâmica ( = 96 kg/m3) Concreto Aluminoso Convencional

Concreto Isolante

à base de Alumina Globular

(90% Al2O3)


Fibra Cerâmica ( = 96 kg/m3) Concreto Isolante Alumina Globular

O Projeto 1 utiliza um concreto refratário aluminoso convencional (63,5% Al2O3). O Projeto 2 emprega um concreto refratário aluminoso à base de alumina globular (90% Al2O3), com matriz de alumina eletrofundida, especialmente desenvolvido pela CSN/Beka Brasil para essa aplicação. Este concreto desenvolvido possui uma baixa condutividade térmica associada a uma boa resistência à abrasão a quente. A Figura 2 ilustra as curvas de condutividade térmica dos diferentes materiais utilizados.



Concreto

Convencional


Concreto

Desenvolvido


Fibra Cerâmica

oF
_W_

(m.oF)

Figura 2 – Curva de Condutividade Térmica dos Diferentes Materiais.

Com o objetivo de validar as simulações numéricas, foram realizadas simulações físicas laboratoriais. Para a realização dessas simulações físicas (Figura 3) foi montado um aparato a partir da linha de gás da sinter piloto do Centro de Pesquisas da CSN, utilizando-se uma mistura de gás GLP (vazão de 0,170 Nm3/min e pressão de 2 Kgf/cm2) e ar comprimido (vazão de 2,8 Nm3/min e pressão de
1 Kgf/cm2).


Tendo em vista as limitações da instalação laboratorial, não foi possível reproduzir a pressão de operação dos Altos Fornos da CSN (AF # 2: 3,0 kgf/cm2 e AF # 3: 4,5 kgf/cm2). Além disso, também não foi possível reproduzir a velocidade do ar quente sob condições de serviço, de 400 km/h. Ressalta-se que o coeficiente de convecção é fortemente dependente destes parâmetros. Logo, os resultados obtidos apresentam um desvio com relação às condições reais de serviço.

a) Projeto 1 (Projeto de Revestimento Convencional).



b) Projeto 2 (Projeto de Revestimento Desenvolvido).

Figura 3 –Montagem das Simulações Físicas.
Na Figura 4 é ilustrada a localização dos termopares instalados na carcaça e no revestimento da ponta do algaraviz, interligados a um registrador em tempo real.



Figura 4 – Localização dos Termopares Instalados na Ponta dos Algaravizes.

Para validação dos resultados das simulações físicas e numéricas foram programados testes industriais com os diferentes projetos de revestimento analisados neste estudo. As temperaturas externas máximas das carcaças das pontas dos algaravizes foram monitoradas in loco utilizando-se a técnica de termovisão.

Aliados à característica de baixa condutividade térmica desejada, os concretos refratários destinados ao revestimento dos conjuntos porta vento devem apresentar também uma elevada resistência à abrasão pelos sólidos em suspensão contidos no sopro de ar quente, proveniente dos regeneradores (1-3).

A resistência à abrasão dos diferentes materiais refratários testados foi avaliada mediante simulações físicas a quente, que procuraram reproduzir as condições de serviço.

Alguns parâmetros de simulações, referentes às condições de ensaio, foram fixados baseados na norma ABNT-NBR-13.185/94 (4): fluxo e pressão de injeção do abrasivo; e distância entre a pistola de injeção do abrasivo e a superfície de incidência da amostra.

Os corpos de prova de 115 x 115 x 25 mm dos diferentes materiais foram preparados de acordo com a norma ABNT-NBR-8382/95 (5), utilizando-se os teores de água recomendados nas Folhas de Dados Técnicos dos respectivos materiais.

A montagem do aparato de simulação a quente é ilustrado na Figura 5.

Figura 5 – Montagem do Aparato dos Ensaios de Abrasão a Quente.
Os corpos de prova foram introduzidos na câmara de uma mufla elétrica de
500 x 304 x 304 mm. O ângulo de incidência do fluxo abrasivo sobre a superfície do corpo de prova foi de 45º. Uma parede falsa, construída com tijolo isolante, foi instalada na porta da mufla elétrica, permitindo ajuste da altura da pistola de injeção e a montagem de um sistema de coleta de abrasivo.

O abrasivo utilizado foi carbeto de silício, com 94% em peso e diâmetro médio de partículas na faixa de 28 a 35 MESH (0,600 a 0,425mm).

A pressão do fluxo de abrasivo foi regulada com auxílio de um manômetro sob pressão de 4,4 kgf/cm2 e vazão de 150 g/min, controlada por intermédio de válvula, por um tempo de 5 minutos, a temperatura de 1250ºC.

A resistência à abrasão foi avaliada em termos de perda de volume do material, expressa em cm3 (V). O cálculo da perda de volume por abrasão (V) foi realizado utilizando-se a expressão A:

V = m1 – m2 (A)

MEA


onde: m1: massa do corpo de prova antes do ensaio (g); m2: massa do corpo de prova após ensaio (g); MEA: massa específica aparente do corpo de prova (relação massa / volume, em g/cm3).
RESULTADOS E DISCUSSÕES

As Figuras 6 e 7 ilustram os resultados das simulações numéricas de transferência de calor, em termos de temperatura externa da carcaça e perda térmica por unidade de área dos conjuntos porta vento, para o caso particular do AF # 2 da CSN.

De acordo com estes resultados, pode-se constar que:

i) O projeto 1 (Convencional) resulta em temperaturas superiores ao limite de trabalho do aço empregado na carcaça do algaraviz. Isto explica o histórico de paradas de emergência provocadas pela ocorrência de “pontos quentes” ilustrado na Figura 1; e

ii) A instalação de uma camada isolante de fibra cerâmica de 0,5 polegadas junto à carcaça reduz significativamente a sua temperatura externa e por conseguinte, diminui sensivelmente a perda térmica.

Para uma temperatura de sopro de 1250oC, o Projeto 2 Desenvolvido (Com Fibra Cerâmica) apresenta uma redução da perda térmica de 63%, quando comparado ao Projeto 1 Convencional (Sem Fibra Cerâmica).



Figura 6 – Gráfico da Temperatura Externa da Carcaça em Função da Temperatura de Sopro.


Figura 7 – Gráfico da Perda Térmica em Função da Temperatura de Sopro.


Figura 8 – Gráfico da Perda Térmica do AF#2 em Função da Temperatura de Sopro.


A Figura 8 ilustra a perda térmica total dos conjuntos porta vento para o caso particular do AF # 2 da CSN (24 ventaneiras e área unitária do conjunto porta vento de 6,7 m2).

De acordo com essas informações, calculou-se a diferença da perda térmica entre o Projeto 1 Convencional (Sem Fibra) e o Projeto 2 Desenvolvido (Com Fibra) - Figura 9, possibilitando a monetização da economia anual em termos de redução de Coke Rate,da ordem de US$ 80 a 88 mil, conforme ilustra a Figura 10.


Figura 9 –Diferença de Perda Térmica do AF # 2 em Função da Temperatura de Sopro.


Figura 10 –Economia de Coke Rate em Função da Temperatura de Sopro.


As Figuras 11 e 12 ilustram a evolução das temperaturas durante as simulações físicas.

Figura 11 – Curva de Aquecimento do Algaraviz Projeto 1 (80 mm de

Concreto Auminoso Convencional).


Figura 12 – Curva de Aquecimento do Algaraviz Projeto 2 (12,7 mm de Fibra Cerâmica e 67 mm de Concreto Isolante à base de Alumina Globular).


Para uma temperatura de sopro da ordem de 1280oC, a temperatura externa da carcaça, na região intermediária da ponta do algaraviz (termopar #1), atingiu valores ao redor de 156oC e 73oC, relativos ao Projeto 1 Convencional (Sem Fibra) e Projeto 2 Desenvolvido (Com Fibra), respectivamente. A melhor capacidade de isolamento do Projeto 2 desenvolvido explica a baixa temperatura na carcaça externa do algaraviz.

Destaca-se que no caso particular do Projeto 2 desenvolvido (geometria da carcaça tronco-cônica), o termopar #2, situado na extremidade do algaraviz, sofre interferência do calor irradiado pela chama.

O Projeto 2 Desenvolvido (Com Fibra Cerâmica) foi implantado nos Altos Fornos # 2 e 3 da CSN desde julho e agosto de 2000, respectivamente. A Figura 13 ilustra os registros máximos de temperatura da ponta dos algaravizes do Alto Forno # 2, monitorados por termovisão.

Observa-se que com a implantação do Projeto 2 desenvolvido, a temperatura externa da carcaça situou-se ao redor de 250oC e a temperatura máxima registrada foi de 276oC. Por outro lado, a temperatura externa da carcaça relativa ao Projeto 1 Convencional situou-se ao redor de 350oC e a temperatura máxima registrada foi de 406oC . Foram observadas 10 posições, de um total de 24 conjuntos porta vento, com temperaturas superiores ao limite de trabalho do aço da carcaça (350oC).

A ocorrência de “pontos quentes” por um longo período de tempo, leva à fluência do aço, podendo resultar, num estágio avançado, em falhas do equipamento, provocando paradas de emergência do Alto Forno.

A Figura 14 ilustra os resultados comparativos dos diferentes concretos refratários testados com relação à Resistência à Abrasão a Quente.

Conforme esperado, o concreto à base de alumina globular apresentou uma menor Resistência à Abrasão a Quente.

O histórico da CSN em termos de trocas de conjuntos porta vento sinaliza que a solicitação de Abrasão a Quente é secundária, não havendo registro de trocas por desgaste excessivo do revestimento. De acordo com esses resultados, o emprego do Concreto à Base de Alumina Globular não oferece riscos à segurança do equipamento. Em adição, destaca-se a severidade dos testes comparativos de resistência à Abrasão que utiliza como abrasivo carbeto de silício, de elevada dureza, com granulometria entre 0,4 e 0,6 mm.

O sólidos em suspensão no sopro de ar quente são partículas extremamente finas constituídas essencialmente de óxido de ferro e carbono, de dureza inferior ao carbeto de silício.

Figura 13 – Registros da Temperatura Externa da Carcaça da Ponta dos Algaravizes do AF#2.

Figura 14 – Resultados dos Ensaios de Resistência à Abrasão a Quente (1250oC).


A implantação do Projeto 2 Desenvolvido (Com Fibra Cerâmica) apresenta um ganho potencial em termos de redução da perda térmica e perda de produção por paradas de emergência, de cerca de US$ 275 mil/ano. Para um período de 8 anos, relativo ao prolongamento da campanha do Alto Forno # 2, resulta num VPL de
US$ 1,9 milhões.

A partir da elevação da temperatura de sopro de 1150oC para 1250oC, o ganho potencial com redução de custos, incluindo-se a redução de Coke Rate, atinge a cifra de US$ 2,4 milhões/ano. Analogamente, para um período de 8 anos, resulta num VPL de US$ 15,4 milhões.


CONCLUSÃO

O investimento em projetos de revestimentos de conjuntos porta vento de Altos Fornos de maior capacidade de isolamento térmico é viável tecnicamente por apresentar uma menor temperatura na carcaça do porta ventos ( 250 oC) e economicamente, por permitir um VPL de  US$ 15,4 milhões no prazo de 8 anos.


AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Beka Brasil, Paul Wurth, PADCT/FINEP, CNPq e FAPESP pelo apoio durante a realização do trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  1. S. N. Silva et al, Anais do XXIX Seminário Sobre Fusão, refino e Solidificação dos Metais, São Paulo, SP, p. 539 – 557, Maio,1998.

  2. S. N. Silva et al, Companhia Siderúrgica Nacional Centro de Pesquisas. Relatório SGPD – 034/97, 39p, 1997.

  3. H. S. Furtado e A. P. Sampaio, Companhia Siderúrgica Nacional Centro de Pesquisas. Relatório SGPD – 011/97, 1997.

  4. Norma ABNT-NBR-13.185/95.

  5. Norma ABNT-NBR-8382/95

DEVELOPMENT OF BLAST FURNACE TUYERE STOCK REFRACTORY LINING WITH INSULATING HIGH CAPACITY
ABSTRACT
This paper describes the several phases of development and installation of CSN # 2, 3 Blast Furnaces tuyere stock refractory lining with insulating high capacity. Physical and numeric heat transfer simulations, industrial trial and laboratorial hot abrasion resistance tests were carried out in order to determine the influence of the operation and design conditions (blast temperature and refractory lining thickness and thermal conductivity) on the tuyere stock shell temperature. As a final conclusion, it was considered that the installation of this new refractory lining developed is viable for technical and economic reasons.
Key-words: Blast furnace, refractory, tuyere stock





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