Estudo da influência da temperatura na degradaçÃo de correias transportadoras de alta temperatura



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ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NA DEGRADAÇÃO DE CORREIAS TRANSPORTADORAS DE ALTA TEMPERATURA


Fábio A. Guastala1 2*, Victor S. Sousa1 , Kátia M. Novack2

Av. Dante Micheline, 5500 Ponta de Tubarão 29090-900 Vitória/ES



1 – VALE S.A., Complexo de Tubarão, Vitória – ES – fabio.guastala@vale.com;

2 – REDEMAT, Ouro Preto – MG - knovack@iceb.ufop.br

RESUMO


Tendo em vista o elevado número de correias transportadoras presentes nas usinas de pelotização e sua importância no processo, este trabalho propõe avaliar a degradação das mesmas sob o efeito da temperatura e tempo de exposição. Serão analisadas, especificamente, correias de alta temperatura, uma vez que sua exposição é mais crítica, pois são correias que transportam pelotas queimadas na saída do forno de pelotização. As amostras analisadas são constituídas de elastômero EPDM, que possui ótimas propriedades térmicas e mecânicas. A avaliação da degradação térmica foi realizada através de ensaios de tração na direção de trabalho após determinados envelhecimentos acelerados em laboratório. As amostras foram também caracterizadas por DSC e TG. Foi verificada a perda de propriedade mecânica refletindo o dano do material após envelhecimento. Os resultados desse estudo tornaram possível uma previsão do consumo das correias sob efeito da temperatura após determinado tempo de trabalho.

Palavras-chave: Correia Transportadora, Degradação Térmica, EPDM.



INTRODUÇÃO
O Brasil é atualmente o maior produtor de pelotas de minério de ferro do mundo e essa produção abastece siderúrgicas de todos os continentes, contribuindo significativamente para o desenvolvimento econômico do país. Tendo em vista o elevado número de correias transportadoras presentes nas usinas de pelotização e sua criticidade no processo, principalmente na VALE, este estudo tem como objetivo caracterizar as correias de alta temperatura utilizadas nas saídas dos fornos e analisar a degradação das mesmas sob o efeito de temperatura e tempo de exposição. A análise do efeito da temperatura na degradação da correia foi elaborada através de ensaios de tração na direção de trabalho após determinados envelhecimentos acelerados.



Figura 1: (a) Típico transportador de correia utilizado na mineração. (b) Amostra da correia transportadora de alta temperatura.

O material que compõe a correia trata-se do elastômero EPDM, que possui ótimas propriedades térmicas e mecânicas e é utilizado como cobertura superior das correias transportadoras. A cobertura superior funciona como isolante térmico para manter a integridade das lonas, que podem ser de nylon e/ou poliéster, porém suas propriedades mecânicas são extremamente afetadas com o aporte de temperatura no material transportado em sua cobertura, causando degradação acelerada da borracha e com isso a perda de suas propriedades.

A borracha de etileno-propileno-dieno (EPDM) pertence ao grupo genérico das “borrachas de etileno-propileno”, na variedade de terpolímero. Isso porque foi desenvolvida a reação do etileno-propileno com um dieno para formar insaturações e, assim, tornar possível a vulcanização com enxofre e aceleradores convencionais.

Essa vulcanização com enxofre é necessária, pois uma vulcanização em polímero saturado só é possível com peróxidos orgânicos, que possui algumas desvantagens.

As letras “E” e “P” significam respectivamente, etileno e propileno, enquanto que a letra “M” significa que a borracha tem uma cadeia saturada do tipo polimetileno (-(CH2)x-). A letra “D”, portanto, é o terceiro monômero, um dieno, que introduz insaturação na cadeia. (1), (2), (3)

EXPERIMENTAL
Neste trabalho foi analisada a cobertura da amostra, ou seja, os ensaios foram realizados separando-se a camada superior para refletir o que realmente ocorre na prática, a degradação da cobertura pelo calor. O envelhecimento acelerado foi feito sob as amostras da cobertura, caso contrário, as lonas se degradariam rapidamente e os resultados do comportamento mecânico não seriam aproximados da realidade.



Figura 2: Camadas da correia transportadora (detalhe para a cobertura de EPDM)

A metodologia empregada consistiu-se basicamente da caracterização térmica das correias através de análises de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e termogravimétrica (TG), além do envelhecimento e posterior ensaio de tração.

O DSC foi realizado em um calorímetro modelo Q10 da TA Instruments com suporte de amostra de alumínio, massa da amostra em torno de 7,0mg e atmosfera de nitrogênio (N2), sendo que seu método consistiu em equilibrar a temperatura em -50°C, rampa de 10°C/min até 170°C, isoterma 3 minutos, fim do ciclo 1; rampa de 10°C/min até -50°C, isoterma 3 minutos, fim do ciclo 2; rampa de 10°C/min até 170°C, isoterma 3 minutos, fim do ciclo 3 e rampa de 10ºC/min até -50°C, isoterma 3 minutos, fim do ciclo 4.

O TG foi realizado em um módulo simultâneo TG/DTA Q600 da TA Instruments utilizando um porta-amostra de alumina. Seu método de ensaio foi: rampa 10°C/min até 1000°C, atmosfera de Ar.

O ensaio de tração foi realizado em uma Máquina Instron® 2382 (100 KN capacidade), controle de deslocamento, 20 mm/min, de acordo com ASTM D412-06, corpo de prova tipo A, com determinação do limite de resistência à tração e alongamento total medido em 50 mm.

As condições do ensaio de tração aplicado às amostras da Correia A são apresentadas na Tab. 1. Após análise dos ensaios da Correia A, foram realizadas pequenas alterações para a Correia B, como a adição de mais um ensaio com tempo de 32 horas a 250°C, exclusão de um ensaio de 4 horas a 300°C e modificação do ensaio a 325°C de 0,5 para 1 hora.



Tabela 1: Condições de envelhecimento aplicadas

A análise consistiu-se da determinação das curvas de porcentagem de Dano versus tempo para as temperaturas de interesse. A porcentagem de dano pode ser especificada como sendo a queda no limite de resistência à tração (Sr) da borracha envelhecida comparada à virgem (ver Eq. (A)).



 (A)
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Todas as análises de caracterizações (DSC e TG) e os ensaios de tração foram realizados para dois tipos diferentes de correias, denominadas Correia A e Correia B. Os resultados e suas respectivas discussões são apresentados na sequência.
Análise por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
Em relação às medidas de calorimetria exploratória diferencial, pode-se afirmar que os ciclos de aquecimento/resfriamento/aquecimento revelaram uma alteração da linha base em -35,54°C e -35,24°C para as amostras das Correias A e B, respectivamente, como pode ser observado na Fig. 3. Esta alteração da linha base na curva DSC retrata a temperatura de transição vítrea do material. Trata-se de uma transição de segunda ordem, que representa a faixa de temperatura na qual a amostra passa do estado vítreo para o borrachoso. De acordo com estudos já publicados na literatura com relação à análise térmica de EPDM, a transição vítrea dessas amostras está em torno de -32 °C, sendo compatível com as medidas realizadas.


Figura 3: Curva de DSC da amostra (a) da Correia A, (b) da Correia B.
Análise Termogravimétrica (TG)
A análise termogravimétrica (TG) evidencia quatro eventos térmicos consecutivos, cujos intervalos de temperatura e perda de massa estão detalhados na Tab. 2. Em seguida pode-se ver a curva de TG/DTG para cada correia.
Tabela 2: Perdas de massa e intervalos de temperaturas envolvidas nas curvas TG.




Figura 4: Curva de TG/DTG da amostra (a) da Correia A, (b) da Correia B.
Segundo Pister(4), a primeira perda de massa se refere à liberação do óleo extensor e resíduos do sistema de vulcanização, já a segunda perda se deve à pirólise do polímero. Em seguida, observa-se queima do negro de fumo e, finalmente, ocorre a decomposição do resíduo inorgânico desconhecido. As curvas das amostras A e B apresentam comportamentos semelhantes e composições esperadas para as correias de alta temperatura, já que as especificações das mesmas não são fornecidas pelos fabricantes.
Ensaios de Tração
Foram realizados três ensaios para cada tempo e temperatura, totalizando 60 amostras analisadas para cada tipo de correia. O limite de resistência à tração (Sr) é base para o cálculo de dano conforme visto na sequência nos gráficos (Fig. 5 e 6) que reúnem as curvas do dano em função de tempo e temperatura para as duas correias.



Figura 5: Curvas de dano em função de tempo e temperatura de envelhecimento para as amostras da Correia A (esquerda) e Correia B (direita).
Algumas características marcantes são observadas nas curvas de envelhecimento da Correia A. Abaixo de 200ºC, o dano é relativamente pequeno, condizente com a especificação de temperatura de operação da borracha, que é de aproximadamente 200ºC. Entre 200ºC e 250ºC, as curvas apresentam comportamentos similares, o dano aumenta com o aporte de temperatura e tempo de exposição. Acima de 250ºC, o dano acumulado se acelera significativamente, sendo que a 325ºC, o dano é praticamente total após um curto tempo de exposição.

Uma análise semelhante à anterior pode ser feita para a Correia B. Abaixo de 200ºC, o dano é relativamente pequeno, condizente com a especificação de temperatura de operação da borracha, que é de aproximadamente 200ºC. Entre 225°C e 275°C, as curvas de dano se aceleram progressivamente. Acima de 275°C, o dano acumulado se acelera significativamente, sendo que a 300°C, o dano é praticamente total após um curto tempo de exposição.

Uma observação interessante ocorre na análise da % do Dano para a amostra da correia B na temperatura de 200ºC, onde a resistência à tração aumenta inicialmente (visto pelo valor negativo do Dano). Tal fato pode ser entendido como uma possível sequência da vulcanização restante, ou seja, formação de mais ligações cruzadas que enrijecem o elastômero.

A Fig. 6 apresenta macrografias de amostras após os ensaios de tração, mostrando o dano acumulado no material. Observa-se claramente o dano progressivo à medida que a temperatura e tempo de exposição aumentam, como visualizado pelas “rachaduras” presentes nas amostras.





Figura 6: Aspecto visual de alguns corpos de prova após o envelhecimento e ensaios de tração
CONCLUSÕES

A caracterização por DSC confirmou que ambas as correias possuem EPDM como revestimento superficial e a caracterização por TG identificou os possíveis constituintes das mesmas.

A metodologia utilizada para análise da degradação da correia transportadora em função da temperatura e tempo de exposição se mostrou eficaz, podendo ser utilizada para outras correias. O ensaio de tração se correlacionou com a perda de propriedade mecânica, refletindo o dano do material após o envelhecimento. Este ensaio de envelhecimento retratou fielmente as condições das correias degradadas em campo, podendo ser visualizadas as “rachaduras” na superfície do elastômero.

Os resultados desse estudo demonstraram uma redução da propriedade mecânica e uma possível previsibilidade de consumo das correias ao longo do tempo de trabalho sob efeito de alta temperatura.


AGRADECIMENTOS
REDEMAT, UFOP, MIB, VALE S.A.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS


  1. M. Morton Rubber Technology, 2nd Edition, Van Nostrand Reinhold, New York, 1989.

  2. F. Barlow Rubber Compounding - Principles, Methods and Technics, Marcel Dekker, 1988.

  3. W. Hofmann Rubber Technology Handbook, Hanser, New York, 1989.

  4. Pister, V.; Onaghi, F.G.; Fiorio, R.; Zattera, A.J. Thermochimica Acta, v.510, p.93, 2010.


STUDY OF THE INFLUENCE OF THE TEMPERATURE ON DEGRADATION OF HEAT RESISTANT CONVEYOR BELTS


ABSTRACT

With the large number of conveyor belts in the activities of mining companies and it’s importance within the process, mainly in VALE, it became necessary to analyze the degradation of the rubber under the influence of temperature and exposure time, factors which affect the structural and functional integrity of the belts. The EPDM elastomer is the material used to produce the belts, which has excellent thermal and mechanical properties and is used as top cover of the conveyor belts. Specifically, heat resistant conveyor belts are analyzed, since their exposure is critical, because they transport hot pellets on the exit of the pelletizing kiln. The analysis of the effect of temperature on the belt degradation was drawn by a tensile test in the direction of working tension with different accelerated aging. Also, the samples were characterized by DSC and TG analyzes. The results of this study present a reduction on the mechanical property and a possible predictability of conveyor belt consumption along the working time.


Keywords: Conveyor Belt, Thermal Degradation, EPDM.


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