Seminário de Matérias Refratários

3313 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil REFRATÁRIOS PARA PANELAS DE AÇO UMA VISÃO HOLÍSTICA Marco Antônio Quintela1 João Augusto Dolabela Caldeira2 Roselaine Gonçalves Magalhães3 José de Anchieta Rodrigues4 Victor Carlos Pandolfelli5 Resumo São apresentados e discutidos os aspectos teóricos e práticos relativos às principais propriedades físicas térmicas e mecânicas de três refratários comerciais de MgOAl2O3C e Al2O3MgOC para a zona de metal de panelas de aço Normalmente o desgaste do revestimento dessa região é governado pela propagação de trincas penetração de aço e sucessivo destacamento das camadas superficiais deterioradas A deformação irreversível na direção circunferencial do revestimento também tem despertado interesse Os resultados da caracterização laboratorial mostraram que o projeto microestrutural exerceu influência significativa nas propriedades desses refratários Os principais fatores que concorreram para modificar o desempenho dos tijolos foram a pureza das matériasprimas a quantidade de antioxidantes metálicos e o comportamento dimensional dos refratários Os tijolos denominados MAC2 MgOAl2O3C e AMC Al2O3MgOC apresentaram melhor compromisso entre a variação linear dimensional resistência ao creep e resistência à propagação de trincas exibindo assim maior potencial para suportar as variáveis de processos e práticas metalúrgicas vigentes na Usiminas Palavraschave Panela Propriedade Refratário REFRACTORY FOR STEEL LADLE A HOLISTIC VIEW Abstract The theoretical and practical aspects of physical properties of three bricks for the metal zone of steel ladle are presented The wear of the metal zone is commonly associated with the crack propagation and densification spalling The deformation in the circumferential direction has also been essential in understanding the wear The results showed that the microstructural design has a significant influence on the properties The main factors that modified the performance of these bricks were the purity of the raw materials the amount of antioxidants and the dimensional behavior of the bricks MAC2 MgOAl2O3C and AMC Al2O3MgOC bricks presented the best compromise between linear dimensional variation creep resistance and crack propagation resistance showing highest potential for industrial application Keywords Ladle Properties Refractory 1 Engenheiro Mecânico MSc MBA Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas Ipatinga MG Brasil 2 Engenheiro Metalurgista MBA GerênciaGeral de Aciaria Usiminas Ipatinga MG Brasil 3 Técnica em Química Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas Ipatinga MG Brasil 4 Bacharel em Física Dr rer nat Professor Titular do Departamento de Engenharia de Materiais UFSCar São Carlos SP Brasil 5 Engenheiro de Materiais PhD Professor Titular do Departamento de Engenharia de Materiais UFSCar São Carlos SPBrasil 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3314 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil 1 INTRODUÇÃO As panelas de aço da Aciaria 1 da Usiminas Usina de Ipatinga são tradicionalmente revestidas com tijolos de MgOC na linha de escória MgOAl2O3C na parede e Al2O3MgOC na região do jato de aço líquido Esse perfil de revestimento foi idealizado para suportar as rigorosas condições operacionais associadas à produção de aços de alto valor agregado caracterizadas por altas temperaturas elevados índices de tratamentos secundários e considerável tempo de residência do aço na panela A estratégia para prolongar a vida dos refratários inclui essencialmente o balanceamento técnico do revestimento com a utilização de tijolos com propriedades adequadas às solicitações de cada região Assim a campanha do revestimento ultrapassa 125 corridas Normalmente o desgaste dos tijolos de MgOAl2O3C da zona de metal é influenciado pela propagação de trincas penetração de aço e sucessivo destacamento das camadas superficiais deterioradas A deformação irreversível na direção circunferencial do revestimento também tem despertado interesse uma vez que potencializa a abertura de juntas e trincas verticais no revestimento Nesse contexto são apresentados e discutidos os aspectos teóricos e práticos relativos às propriedades físicas térmicas e mecânicas de três refratários comerciais para a zona de metal 2 MATERIAIS E MÉTODOS A pesquisa propriamente dita compreendeu a determinação das principais características e propriedades físicas de dois tijolos da classe MgOAl2O3C denominados MAC1 e MAC2 e de um tijolo de Al2O3MgOC denominado AMC para a zona de metal Os três tijolos são ligados por resina fenólica Os tijolos MAC1 e AMC contêm cerca de 7 de carbono e o tijolo MAC2 possui 10 Foram avaliados também os aspectos teóricos e práticos que potencializam a abertura de trincas verticais no revestimento 21 Análise microestrutural A análise microestrutural foi realizada a partir de seções polidas de amostras coqueificadas a 400C por 5 h Foram utilizados os recursos de microscopia óptica microscopia eletrônica de varredura MEV e espectrometria por energia dispersiva EDS A composição mineralógica foi determinada por difração de raiosX em amostras coqueificadas a 400C 1200C e 1400C por 5 h 22 Porosidade aparente A porosidade aparente foi medida em amostras de 30 mm x 30 mm x 120 mm coqueificadas a 400C por 5 h 1200C por 24 h e 1400C por 24 h 1 23 Variação linear dimensional A variação linear dimensional VLD foi avaliada em amostras de 30 mm x 30 mm x 160 mm coqueificadas a 1200C e 1400C por 8 h 16 h e 24 h 2 24 Refratariedade sob carga e creep fluência O ensaio consistiu em aquecer amostras cilíndricas de 50 mm de diâmetro por 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3315 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil 50 mm de altura até 1650C em taxa de 8 ºCmin sob tensão de compressão de 02 MPa e posteriormente manter essa temperatura por 8 h As variações dimensionais do corpo de prova foram sucessivamente medidas e expressas em função do tempo 3 O experimento foi efetuado em forno Tammann em amostras sem tratamento térmico prévio A atmosfera do forno foi controlada com a injeção de nitrogênio 100 mLmin A representação esquemática desse ensaio está mostrada na figura 1 Figura 1 Representação esquemática do ensaio para avaliar a refratariedade sob carga e creep 25 Choque térmico O ensaio consistiu na imersão de cerca de 50 do comprimento do corpo de prova prismático 40 mm x 40 mm x 160 mm em aço líquido entre 1530C e 1550C por 1 min em forno a indução Os corpos de prova foram sucessivamente resfriados em câmara com fluxo de nitrogênio por 5 min Foram realizados quatro ciclos de aquecimento e resfriamento A resistência ao dano por choque térmico foi determinada por meio da quantidade e intensidade tamanho e forma das trincas formadas na seção longitudinal dos corpos de prova 4 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 31 Análise microestrutural A composição mineralógica dos tijolos após a coqueificação das amostras a 400C 1200C e 1400C por 5 h é apresentada na tabela 1 As principais fases são periclásio coríndon carbono e espinélio Os resultados de difração de raiosX mostraram que o tijolo MAC1 contém Al e Si como antioxidantes metálicos Entretanto as linhas de difração de raiosX do Al e Si não foram observadas nos tijolos MAC2 Já o tijolo AMC possui apenas Al que se apresentou em maior intensidade em amostras coqueificadas a 400C A formação de MgAl2O4 foi observada nas amostras dos tijolos MAC1 MAC2 e AMC coqueificadas a 1200C e 1400C Entretanto a quantidade formada foi mais intensa no tijolo MAC1 Foi verificada também a formação de forsterita a partir de 1200C para o tijolo MAC1 que contém Si metálico Adicionalmente a forsterita foi detectada em amostras dos tijolos MAC2 e AMC coqueificadas a 1400C Os resultados mostraram a formação de Al4C3 para as amostras do tijolo AMC coqueificadas a 1200C Contudo essa fase não foi mais observada nas amostras coqueificadas a 1400C concordando com as análises de Yamaguchi 5 que 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3316 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil mostram que o Al4C3 é relativamente instável em temperaturas acima de aproximadamente 1300C Assim caso a pressão parcial de CO PCO seja alta o Al4C3 será convertido em Al2O3 que é a fase mais estável equação 1 Al4C3s 6COg 2Al2O3 s 9Cs 1 Tabela 1 Composição mineralógica dos tijolos coqueificados a 400C 1200C e 1400C por 5 h Fases Amostras MAC1 MAC2 AMC Temperatura C 400 1200 1400 400 1200 1400 400 1200 1400 MgO Periclásio C Carbono Al2O3 Coríndon MgAl2O4 Espinélio MgSiO4 Forsterita Al Alumínio Si Silício Al4C3 Carbeto de alumínio Muito forte Forte Médio Fraco Fase ausente Com relação à microestrutura o tijolo AMC caracterizase por lamelas de grafita de alta pureza grãos de Al2O3 Al em concentração significativa e agregados densos de MgO figura 2 Destacase também a presença de composto contendo B boro provavelmente B4C que juntamente com o Al atua como antioxidante Em geral os mineralizadores tais como CaB4O7 e B2O3 aumentam a taxa de reação para a formação de espinélio que normalmente é lenta 6 Figura 2 Fotomicrografia da seção polida da amostra do tijolo AMC coqueificada a 400C por 5 h mostrando os cristais de periclásio 1 grafita 2 alumínio 3 coríndon 4 e provavelmente B4C 5 O tijolo MAC1 contém quantidade significativa de Al e Si figura 3 Embora o sistema composto exclusivamente por Al apresente por natureza maior resistência mecânica a quente do que aquele contendo Al e Si um dos propósitos da 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3317 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil combinação desses elementos é inibir a hidratação do Al4C3s formado em temperaturas superiores a 700C Os mecanismos relativos à formação e hidratação do Al4C3s têm sido exaustivamente explorados por diferentes autores 578 Foram observadas também impurezas entre as lamelas de grafita denominadas cinzas contendo Al Si O e Fe conforme os resultados de microanálises por EDS Figura 3 Fotomicrografia da seção polida do tijolo MAC1 coqueificado a 400C por 5 h obtida em MEV mostrando os cristais de periclásio 1 grafita 2 alumínio 3 silício 4 cinzas 5 e coríndon 6 A figura 4 mostra as fotomicrografias das seções polidas de amostras dos tijolos MAC1 e MAC2 coqueificadas a 400C por 5 h Notase que o sínter de magnésia do tijolo MAC1 é caracterizado por alta porosidade e cristais de periclásio relativamente pequenos Os cristais indicados na fotomicrografia são menores ou iguais a 80 µm O sínter composto por cristais pequenos apresenta maior área de contorno de grão e por essa razão é mais propenso à fragmentação na escória Os resultados de microanálises por EDS de um campo no contorno de grão do sínter de magnésia indicaram fases de baixa refratariedade compostas essencialmente por Si Mg Ca e O figuras 5 e 6 Diferentemente a microestrutura do tijolo MAC2 figura 4 caracterizase por magnésia com cristais bem desenvolvidos maiores do que 200 µm e quase isenta de poros e silicatos intercristalinos Al em quantidade residual e lamelas menores de grafita As linhas de difração de raiosX do Al não foram observadas por causa da baixa concentração dessa fase no tijolo MAC2 De uma forma geral o ideal é utilizar tijolos produzidos a partir de sínter de magnésia eou magnésia eletrofundida de cristais grandes e grafita de alta pureza Na prática o desafio é encontrar um equilíbrio entre o grau de pureza das matérias primas e o custo do refratário 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3318 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil MAC1 MAC2 Figura 4 Fotomicrografias das seções polidas de amostras dos tijolos MAC1 e MAC2 coqueificadas a 400C por 5 h mostrando os cristais de periclásio 1 grafita 2 e alumínio 3 Figura 5 Fotomicrografia da seção polida do tijolo MAC1 coqueificado a 400C por 5 h obtida em MEV mostrando um campo na fase intergranular 1 dos cristais de periclásio selecionado para análise por EDS Figura 6 Resultado de microanálise por EDS do campo 1 na fase intergranular do sínter de magnésia do tijolo MAC1 ver figura 5 6 Si Energia keV Intensidade 103 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 Ca O Mg Ca Mn Au 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3319 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil 32 Porosidade aparente A figura 7 mostra que a porosidade aparente apresentou acréscimo substancial com a temperatura de coqueificação para os tijolos de MgOAl2O3C Esse comportamento está associado à magnésia e ao surgimento e crescimento de poros decorrentes das condições para a formação de espinélio Ao contrário o tijolo AMC exibiu tendência de estabilidade da porosidade para as temperaturas de coqueificação avaliadas O aumento da porosidade dos tijolos do tipo MAC é atribuído em parte ao coeficiente de expansão térmica linear do periclásio 135106 C1 que é muito superior ao do coríndon 88106 C1 e ao do espinélio estequiométrico 76106 C1 6 No aquecimento os agregados de magnésia se expandem comprimindo a circunvizinhança em intensidade suficiente para provocar microtrincas radiais No resfriamento a redução do volume do agregado de magnésia produz vazio entre a partícula de magnésia e a circunvizinhança Assim o aumento da porosidade com a temperatura de coqueificação nos tijolos MAC é uma consequência natural do comportamento microestrutural dessa classe de tijolos Uma das desvantagens dessa dinâmica é o potencial para o desenvolvimento de estrutura mais permeável e portanto mais susceptível à oxidação e penetração por aço líquido para revestimento sujeito a variação térmica cíclica Figura 7 Porosidade aparente dos tijolos após a coqueificação a 400C por 5 h 1200C por 24 h e 1400C por 24 h Mecanismo de deterioração estrutural semelhante foi proposto por Kamiide et al 9 para tijolos de Al2O3MgOC Os autores 9 ilustraram detalhadamente os estágios envolvidos nessa forma de spalling estrutural Acreditase que os tijolos de MgOAl2O3C estudados devam apresentar comportamento semelhante face ao aumento da porosidade com a temperatura de coqueificação A figura 8 mostra uma representação do modelo de propagação de trincas sugerido que é uma adaptação do mecanismo de deterioração proposto e discutido por Kamiide et al 9 Acredita se que os efeitos sejam mais severos em baixas temperaturas em virtude da ausência de deformação plástica Certamente a supressão desse mecanismo de deterioração estrutural requer o equilíbrio no projeto microestrutural com o controle da quantidade de espinélio formado in situ e da distribuição dos agregados de magnésia 9 Já em escala industrial parte das microtrincas formadas nesse processo deve ser atenuada a altas temperaturas face às tensões térmicas de compressão na direção circunferencial do revestimento 00 40 80 120 160 200 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Porosidade aparente Temperatura de coqueificação C MAC1 MAC2 AMC 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3320 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil Inicial Aquecimento Resfriamento Expansão do MgO Retração do MgO Formação de trincas radiais Trincais radiais Vazios ou poros circunferenciais Figura 8 Modelo proposto para explicar o comportamento dos agregados de magnésia no aquecimento e resfriamento múltiplos para tijolos do tipo MAC 33 Variação linear dimensional A variação linear dimensional após a coqueificação a 1400C do tijolo MAC1 é cerca de 40 superior a do tijolo MAC2 figura 9 Quando se considera o tijolo AMC a diferença é ainda maior correspondendo a cerca de quatro vezes após o ensaio a 1400C por 24 h A variação linear positiva desses tijolos está associada essencialmente à formação de espinélio e ao surgimento de poros e trincas Certamente a formação de outras fases de menor densidade também favorece a variação linear positiva do sistema Figura 9 Variação linear dimensional VLD em função do tempo de coqueificação a 1400C Com relação ao revestimento para panelas a expansão permanente e dinâmica na face quente dos tijolos é benéfica porque proporciona o fechamento de juntas entre os tijolos Entretanto o desafio da engenharia de microestrutura é controlar rigorosamente as transformações de fases e consequentemente a variação de volume para evitar altas tensões de compressão no revestimento A variação linear dimensional positiva juntamente com a expansão térmica reversível concorre para elevar o nível de tensão de compressão na direção circunferencial no revestimento Um dos efeitos potenciais adversos é abertura de juntas verticais no revestimento causadas por deformação irreversível dos volumes da face quente do refratário As transformações dinâmicas de fases contribuem para aumentar a porosidade aparente Por exemplo a formação de espinélio está associada a diferentes 145 194 227 083 128 161 024 046 061 000 050 100 150 200 250 4 8 12 16 20 24 28 VLD Tempo de coqueificação h MAC1 MAC2 AMC 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3321 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil mecanismos que envolvem reações sólidosólido direta sólidogás e gásgás equações de 2 a 6 1011 A formação de espinélio a partir do sínter de magnésia e alumina ambos na matriz do tijolo proporciona expansão de volume de 5 a 8 que normalmente provoca tensões e microtrincas no refratário Por essa razão é natural a correlação entre a porosidade aparente e a variação linear dimensional figura 10 2Als 32O2g Al2O3s 2 Al2O3s MgOs MgAl2O4s 3 2Alg MgOs 3COg MgAl2O4s 3Cs 4 MgOs Cs Mgg COg 5 2Alg Mgg 4COg MgAl2O4s 4Cs 6 Figura 10 Porosidade aparente versus a variação linear dimensional VLD dos tijolos MAC1 MAC2 e AMC após a coqueificação a 1200C e 1400C por 24 h 34 Refratariedade sob carga e creep fluência A figura 11 mostra as curvas de expansão térmica dos corpos de prova até 1650C e as curvas relativas às variações dimensionais dos corpos de provas durante 8 h nessa temperatura sob tensão de 02 MPa A expansão térmica do tijolo MAC1 é superior à do tijolo MAC2 A diferença é mais significativa a partir de aproximadamente 1000C e decorre essencialmente da maior quantidade de espinélio formada no tijolo MAC1 Na temperatura de 1650C os valores de expansão para os tijolos MAC1 e MAC2 foram equivalente a 233 e 165 respectivamente Já a curva de expansão térmica do tijolo AMC que é composto essencialmente por coríndon tornouse significativa a partir de 1000C com a formação de espinélio A aparente retração até cerca de 900C está associada à decomposição da resina fenólica e ao coeficiente de expansão térmica linear do coríndon 88106 C1 que é inferior ao do periclásio 135106 C1 Já na temperatura de 1650C o tijolo AMC apresentou baixo grau de deformação irreversível durante 8 h de patamar Por outro lado o tijolo MAC1 exibiu elevada deformação plástica com a deformação lateral abaulamento e variação linear de 74 figuras 11 e 12 A menor refratariedade ou a maior taxa de fluência está associada às propriedades e características das matériasprimas utilizadas na fabricação do tijolo MAC1 conforme as características microestruturais apresentadas e discutidas 60 90 120 150 180 00 05 10 15 20 25 30 Porosidade aparente VLD 1200C 1400C MAC1 MAC1 MAC 2 AMC AMC MAC 2 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3322 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil Figura 11 Resultados do experimento para avaliar a deformação sob tensão 02 MPa até 1650C seguido de creep fluência nessa temperatura também sob 02 MPa por 8 h Figura 12 Aspecto dos corpos de prova dos tijolos AMC e MAC1 após o ensaio para avaliar a deformação sob tensão 02 MPa até 1650C e creep nessa temperatura por 8 h O tijolo MAC2 caracterizouse por baixo grau de deformação confirmando que o refratário foi formulado a partir de conceitos que levam em consideração as variações de tensões térmicas e os efeitos da deformação irreversível fluência Na prática caso o revestimento seja exposto a condições termomecânicas similares a deformação plástica junto à face quente para o tijolo MAC1 deverá ser significativa para temperaturas próximas a 1650C Diferentes autores 1215 têm mostrado que a abertura de juntas verticais em revestimento para panelas de aço é decorrente primordialmente da deformação irreversível da face quente do revestimento seguida de resfriamento Assim as tensões transientes e a deformação diferencial na direção circunferencial de revestimento balanceado tecnicamente composto por tijolos com desempenho termomecânico significativamente distinto tais como os tijolos AMC e MAC1 podem provocar efeitos potencialmente graves Consequentemente os esforços para o desenvolvimento e a seleção de refratários para panelas de aço não devem negligenciar a resistência ao creep O revestimento refratário experimenta uma conjunção de solicitações que se modificam dinamicamente e raramente ocorrem de forma isolada Já os experimentos laboratoriais simulam as solicitações industriais de forma praticamente individualizada Assim o desafio é interpretar os resultados dos experimentos em concordância com a realidade industrial Por exemplo as tensões de compressão na direção circunferencial no revestimento para panela de aço resultantes da expansão AMC MAC1 74 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3323 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil térmica reversível e da variação linear dimensional podem proporcionar o fechamento de microtrincas e poros no tijolo e além disso provocar deformação irreversível 35 Choque térmico A figura 13 mostra o aspecto da seção longitudinal dos corpos de prova após quatro ciclos de aquecimento e resfriamento O tijolo MAC1 apresentou elevada densidade de trincas diferentemente do tijolo MAC2 que não exibiu dano visível O tijolo AMC também mostrou alta resistência ao choque térmico embora o dano tenha sido maior que o observado no tijolo MAC2 Os valores típicos de resistência à flexão a 1400C para os tijolos MAC1 e MAC2 antes do choque térmico são 150 MPa e 80 MPa respectivamente O tijolo AMC apresentou resistência à flexão a 1400C equivalente a 228 MPa A elevada resistência à flexão dos tijolos AMC e MAC1 a 1400C está associada em parte à quantidade significativa de antioxidantes metálicos Por outro lado o aumento da quantidade de antioxidantes afeta negativamente a resistência à propagação de trincas para refratários da mesma classe A força motriz para a propagação de trincas resulta da energia de deformação elástica armazenada no corpo no instante da fratura que é proporcional ao quadrado da resistência mecânica O coeficiente de expansão térmica linear também é essencial na análise da resistência ao choque térmico Conforme a célebre teoria unificada de choque térmico proposta por Hasselman 16 o parâmetro de estabilidade de trincas denominado Rst é inversamente proporcional ao coeficiente de expansão térmica linear A alta resistência ao crescimento de trincas do tijolo AMC é consequência pelo menos em parte do menor coeficiente de expansão térmica do sistema composto essencialmente por Al2O3 1721 Amo stra MAC1 MAC2 AMC Extremidade imersa no aço Dan o Alto Baixo Interme diário 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3324 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil Figura 13 Fotografias da seção longitudinal dos corpos de prova após o teste para avaliar a resistência ao dano por choque térmico por quatro ciclos A quantidade de carbono também exerce influência significativa na resistência ao dano por choque térmico O acréscimo no teor de carbono provoca aumento na condutividade térmica que afeta o nível de desenvolvimento de tensões transientes Quanto maior a condutividade mais homogênea a distribuição de tensões e menor a tensão máxima desenvolvida no sistema 22 Com relação às características químicas os tijolos MAC1 e AMC foram projetados com cerca de 7 de carbono Já o tijolo MAC2 contém 10 de carbono O aumento na quantidade de grafita também causa acréscimo na energia total de fratura wof Portanto a alta resistência ao dano por choque térmico do tijolo MAC2 resulta essencialmente de uma combinação favorável de propriedades e características tais como menor resistência à flexão a 1400C maior quantidade de carbono e provavelmente maior wof 36 Mecanismo de desgaste da zona de metal Diferentes autores 1215 têm mostrado que a abertura de juntas verticais em revestimento para panelas de aço é decorrente primordialmente da deformação irreversível da face quente do revestimento Na Usiminas a deformação plástica irreversível dos tijolos para panelas de aço também representa um problema potencial para revestimento balanceado tecnicamente A principal consequência da deformação irreversível e intensa é a eventual abertura de juntas verticais no revestimento após o resfriamento ou variação de temperatura Por exemplo a figura 14 mostra a abertura de junta no revestimento da zona de metal de uma panela de aço da Usina de Cubatão O projeto desse revestimento contemplou uma camada de isolante térmico entre a carcaça e o revestimento de segurança A zona em contato com o aço foi revestida com os tijolos MAC1 com exceção do painel na zona de impacto do aço líquido correspondentes às fiadas de 1 a 4 a partir da sola que foi composto por tijolos AMC As análises mostraram que houve uma conjugação de fatores que concorreram para a deformação plástica do revestimento Em particular o isolamento térmico contribuiu para a deformação irreversível face ao aumento da temperatura média do revestimento de trabalho O balanceamento técnico do revestimento também concorreu para a deformação plástica anormal em virtude da diferença significativa entre as propriedades dos tijolos AMC utilizados na zona de impacto da parede e os tijolos MAC1 que compõem a vizinhança na direção circunferencial e os anéis das fiadas de 5 a 10 Os resultados de ensaios laboratoriais indicaram o desempenho termomecânico significativamente distinto desses dois tipos de tijolos que pode provocar tensões e deformação diferenciais Essa análise é reforçada quando se considera o elevado nível de deformação plástica do tijolo MAC1 figuras 11 e 12 A figura 15 mostra uma representação esquemática da abertura de juntas verticais adaptada do modelo proposto na literatura 1315 resultante da deformação irreversível com a redução de volume na face quente do revestimento Na prática os esforços para o desenvolvimento e seleção de tijolos para panelas de aço devem contemplar a expansão térmica reversível a variação linear permanente e o creep considerando que as tensões transientes e a deformação diferencial na direção circunferencial de revestimento balanceado tecnicamente composto por tijolos com desempenho termomecânico significativamente distinto tais como os tijolos AMC e MAC1 podem provocar efeitos potencialmente graves 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3325 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil Figura 14 Fotografia da superfície do revestimento de uma panela de aço após 92 corridas evidenciando a abertura de junta vertical nos tijolos MAC1 Figura 15 Representação esquemática de seção transversal de um revestimento mostrando a abertura de juntas verticais Antes do aquecimento a após o aquecimento alto nível de tensão de compressão na direção circunferencial b e após o resfriamento abertura de juntas por deformação irreversível na face quente c 4 CONCLUSÃO Os resultados mostraram que os tijolos MAC1 e MAC2 da classe MgOAl2O3C foram produzidos a partir de matériasprimas e conceitos distintos O tijolo MAC1 foi manufaturado a partir de sínter de magnésia de elevada porosidade e cristais de periclásio relativamente pequenos O tijolo MAC2 foi fabricado a partir de magnésia com cristais bem desenvolvidos quase isenta de poros e silicatos intercristalinos O tijolo MAC1 contém quantidade significativa de alumínio e silício como antioxidantes metálicos diferentemente do tijolo MAC2 que apresenta apenas alumínio em quantidade residual O tijolo AMC da classe Al2O3MgOC é composto por lamelas de grafita de alta pureza grãos densos de coríndon alumínio em concentração significativa e 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3326 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil agregados densos de MgO Destacase também a presença de composto contendo boro que juntamente com o alumínio atua como antioxidante Os três tijolos foram projetados para experimentar transformação dinâmica de fases com a predominante formação de espinélio in situ Assim o comportamento da microestrutura desses tijolos em escala industrial é governado pelo movimento das isotermas ao longo da espessura do revestimento Para as condições estudadas a quantidade de espinélio formado foi mais significativa no tijolo MAC1 As estratégias utilizadas nas formulações desses refratários proporcionaram vantagens aos tijolos MAC2 e AMC que apresentaram melhor compromisso entre a variação linear dimensional resistência ao creep e resistência à propagação de trincas Por outro lado o tijolo MAC1 exibiu menor resistência à deformação plástica baixa resistência ao dano por choque térmico elevada variação linear dimensional e alta porosidade Na Usiminas o desgaste do revestimento da zona de metal de panela de aço é primordialmente influenciado pela propagação de trincas penetração de aço nas trincas e sucessivo destacamento das camadas superficiais deterioradas Adicionalmente as tensões térmicas transientes desenvolvidas no revestimento podem produzir deformação irreversível na direção circunferencial e eventual abertura de trincas e juntas verticais Considerando a preponderância dessas solicitações os tijolos MAC2 e AMC apresentaram maior potencial para suportar as variáveis de processos e práticas metalúrgicas vigentes na Usiminas REFERÊNCIAS 1 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR ISO 5017 Produtos refratários conformados densos Determinação da densidade de massa porosidade aparente e porosidade real Rio de Janeiro 2015 2 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 6225 Material refratário conformado Determinação da variação linear dimensional permanente após aquecimento Rio de Janeiro 2013 3 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR ISO 1983 Produtos refratários Determinação da refratariedade sob carga Método diferencial com aumento de temperatura Rio de Janeiro 2014 4 ICHIKAWA K ITOH K SAITO K HOSHIYAMA Y Thermal spalling test of MgOC bricks Taikabutsu Overseas v 13 n 1 p 2126 1993 5 YAMAGUCHI A Thermochemical analysis for reaction processes of aluminium and aluminiumcompounds in carboncontaining refractories Taikabutsu Overseas v 7 n 2 p 1116 1987 6 SCHACHT C A Refractories handbook Marcel Dekker Inc New York EUA 2004 499 p 7 TAFFIN C POIRIER J The behavior of metal additives in MgOC and Al2O3C refractories Interceram v 43 n 6 p 458463 1994 8 HART R L MICHAEL D J Magnesitecarbon brick for steelmaking ISM v 13 n 6 p 3539 1986 9 KAMIIDE M YAMAMOTO S KAMIIDE M YAMAMOTO K NAKAHARA K KIDO N Damage of Al2O3MgOC brick for ladle furnace Journal of the Association of Refractories v 21 n 4 p 252257 2001 10 TAFFIN C POIRIER J The behaviour of metal additives in MgOC and Al2O3C refractories Interceram v 43 n 5 p 354358 1994 11 ZHANG S MARRIOTT N J LEE W E Thermochemistry and microstructure of MgOC refractories containing various antioxidants Journal of the European Ceramic Society 21 p 10371047 2001 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 3327 Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM Internacional e ao 17º ENEMET Encontro Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica de Materiais e de Minas parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 06 de outubro de 2017 São Paulo SP Brasil 12 HARMUTH H VOLLMANN S MELCHER F GRUBER D MAJCENOVIC C Relevance of numerical simulation for refractory corrosion in steel industry RHI Bulletin Advances in Refractories V 5th International Symposium The Michel Rigaud Symposium p 453463 2010 13 RIEF A HEID S HÖCK M Effects of metal powder additives on MgOC brick performance RHI Bulletin 1 p 3337 2013 14 GRUBER D HARMUTH H Durability of brick lined steel from a mechanical point of view Process Metallurgy n 79 p 9013917 2008 15 MAJCENOVIC C EDER J ROTSCH J Microscopic examination of premature wear caused by joint opening and vertical crack formation in magnesiacarbon steel treatment ladle linings RHI Bulletin The Journal of Refractory Innovations 1 p 3438 2012 16 HASSELMAN D P H Unified theory of thermal shock fracture initiation and crack propagation in brittle ceramics Journal America Ceramic Society v 52 n 11 p 6006041969 17 HOMENY J BRADT R C Thermal shock of refractories Published by Plenum Publishing Company New York 1980 Edited by Hasselman D P H Heller R A p 121 1980 18 BRADT R C Refractory designs design with and design of refractories In INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ADVANCES IN REFRACTORIES FOR THE METALLURGICAL INDUSTRIES 2 1996 Montreal Quebec Proceedings of Canada Canadian Institute of Mining and Metallurgy 1996 p 2128 19 SAKAI M Fracture mechanics of refractories materials Taikabutsu Overseas v 8 n 2 p 412 1988 20 CHARKLADER A C D BRADLEY F Thermal shock resistance parameters and their application to refractories In UNIFIED INTERNATIONAL TECHNICAL CONFERENCE ON REFRACTORIES 1989 BIENNIAL WORLDWIDE CONGRESS 1 1989 UNITECR89 1989 Anaheim Proceedings of USA American Ceramic Society 1989 p 12251233 21 QUINTELA M A MELO T M F LAGE I J RODRIGUES J A PANDOLFELLI V C Thermal shock resistance of carboncontaining Refractories Interceram Refractories Manual 2003 p 4044 2003 22 EVANS D T FRITH M STRAWBRIGE I The application of thermalmechanical modelling to carbon bonded refractory structures In INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ADVANCES IN REFRACTORIES FOR THE METALLURGICAL INDUSTRY 2 1996 Montreal Quebec Proceedings of Canada Canadian Institute of Mining and Metallurgy 1996 p 8594 72º Congresso Anual da ABM Anais do Congresso Anual da ABM ISSN 25945327 vol 72 num 1 2017 MELHORIA DA PERFORMANCE DOS MATERIAIS REFRATÁRIOS DAS PANELAS DE AÇO DA CSN 1 Cesar Luiz Pereira 2 Alfredo Fonseca Veiga 3 Almir da Costa Prado Filho 4 Jaime Fernandes de Faria 5 José Newton Lopes 6 Marcos Dimas Sitta Pereira 7 Pedro Victor de Araújo 8 Victor Borges Mendes 9 Resumo A Companhia Siderúrgica Nacional produziu até setembro de 2005 39 Mt de aço líquido operando com 3 Conversores LD em 5 diferentes rotas de tratamento metalúrgico atendendo a demanda das 3 Máquinas de Lingotamento em um ritmo médio de produção mensal de 1900 corridas Para atender a esta demanda houve necessidade de aumentar a disponibilidade das panelas de aço para operação e isto foi alcançado através da melhoria da performance dos materiais refratários que proporcionaram aumento de vida da panela de aço e diminuição do tempo de parada para reparos e troca dos componentes da válvula gaveta A vida média das panelas de aço foi aumentada de 107 corridas em 2004 para 120 corridas em setembro de 2005 Os tempos de parada para manutenção refratária a quente e a frio diminuíram com a eliminação das projeções em borda e linha de escória aumento da vida dos componentes da válvula gaveta e redução do número de troca de sedes de válvula Os resultados foram atingidos através do desenvolvimento de novos produtos refratários e algumas práticas operacionais bem como as melhorias no projeto da panela de aço Estes resultados também trouxeram em seu bojo uma significativa redução na geração de resíduos e consequentemente um impacto positivo no meio ambiente Palavraschave Panela de aço Borda Tijolo chapeado 1 Trabalho apresentado no XXXVII Seminário de Aciaria Internacional 21 a 24 de maio de 2006 Porto Alegre RS 2 Engenheiro Metalurgista MSc Gerência de Refratários da Metalurgia da CSN 3 Engenheiro Metalurgista MSc Departamento de Assistência Técnica da Magnesita SA 4 Técnico Metalúrgico Gerência de Suporte Operacional da Aciaria da CSN 5 Engenheiro Siderúrgico Filial Volta Redonda da Reframax Ltda 6 Técnico Metalúrgico Gerência de Vendas Volta Redonda da Magnesita SA 7 Químico MSc Gerência de Vendas Volta Redonda da Magnesita SA 8 Técnico Metalúrgico Gerência de Suporte Operacional da Aciaria da CSN 9 Gestor de Materiais Filial Volta Redonda da Reframax Ltda 99 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International 1 INTRODUÇÃO A CSN opera com 13 panelas em ciclo e 5 em aquecimento prontas para atender a demanda dos Conversores e transportar aço líquido para as 3 Máquinas de Lingotamento Contínuo através de 5 diferentes rotas de produção Para garantir de forma eficiente a disponibilidade das panelas de aço para a Aciaria a performance dos materiais refratários que compõem a panela ou seja revestimento refratário de trabalho da parede e fundo sede de válvula e componentes refratários da válvula gaveta são extremamente importantes A vida do revestimento refratário em 2004 era de 107 corridas e com o desenvolvimento de novos produtos e modificações no projeto da panela a vida média aumentou para 120 corridas em 2005 A sede de válvula era trocada de acordo com o desgaste e residual mínimo de segurança em torno de 70 corridas Isto trazia como transtorno a indisponibilidade da panela de aço em ocasiões inesperadas faltando previsibilidade no uso das panelas As mudanças de materiais refratários projeto e técnicas de reparo fizeram com que a vida da sede de válvula aumentasse de cerca de 70 para 110 corridas e na grande maioria dos casos acompanhasse a vida das panelas de aço No caso dos componentes da válvula gaveta em particular a placa deslizante a melhoria da performance foi atingida explorando todo o potencial da placa mudando sua vida limite de 6 para 8 corridas Para a válvula superior a vida média subiu de cerca de 10 para 12 corridas Estes desenvolvimentos além de aumentarem a disponibilidade da panela de aço diminuíram o esforço do operador no manuseio destes componentes uma vez que reduziu o número de trocas Finalmente entre os desenvolvimentos que foram realizados no decorrer de 2005 ressaltase inclusive como inovador o chapeamento metálico do tijolo da borda da panela Freqüentemente os tijolos da borda caiam durante a operação gerando necessidade de projeção com material básico e causando atraso no vazamento da corrida Com a introdução deste produto a projeção da borda foi completamente eliminada Estes resultados também trouxeram em seu bojo uma significativa redução na geração de resíduos e consequentemente um impacto positivo no meio ambiente 2 MATERIAL E MÉTODO 21 Aumento da Vida do Revestimento Refratário O aumento da vida do revestimento refratário da panela de aço foi possível através da estabilização do tijolo refratário na borda da panela e da exploração do potencial do revestimento refratário A queda dos tijolos da borda da panela de aço trazia como conseqüência além do atraso na disponibilidade da mesma insegurança quanto à utilização da panela por campanhas mais prolongadas e infiltração de aço entre o revestimento de trabalho e o permanente A Figura 1 mostra a queda da fiada da borda de uma panela de aço que teve sua campanha encerrada por este motivo 100 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International Figura 1 Queda de tijolo da borda da panela de aço A solução deste problema foi aumentar a estabilidade dos tijolos nesta região através da colocação de uma chapa metálica colada na face lateral dos tijolos juntas verticais da última fiada A Figura 2 traz um desenho esquemático que mostra a alteração de projeto com a introdução do chapeamento metálico Figura 2 Desenho esquemático da mudança do projeto e introdução do chapeamento metálico A colocação do chapeamento metálico entre os tijolos permite a formação de magnésiowustita FeOMgO pela reação química entre a chapa metálica oxidada e o MgO contido no tijolo refratário Esta teoria foi confirmada através da Difração de Raios X DRX de amostras de material aderido à chapa metálica onde foi detectada a presença de wustita A Figura 3 traz fotos dos tijolos com e sem chapeamento metálico 101 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International Figura 3 Tijolos com e sem chapeamento metálico A Figura 4 mostra uma panela após término da campanha em que foram utilizados tijolos chapeados na borda e não apresentou necessidade de projeção nesta região Figura 4 Panela em fim de campanha com tijolos com chapeamento metálico Depois de solucionado o problema da queda dos tijolos da borda decidiuse explorar o potencial do revestimento refratário das panelas de aço Isto foi realizado medindo se a espessura dos tijolos em fim de campanha e estimandose a vida potencial de tal forma que o revestimento de trabalho atingisse o mínimo de 10 mm de residual na parede e 50 mm no fundo 102 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International As medidas foram coletadas nas 16 fiadas da parede nos pontos mais críticos do revestimento da panela ou seja sopro de argônio basculamento de escória e ponto quente do forno panela Para o fundo o critério utilizado foi a tomada de 5 medidas na zona de impacto 22 Aumento da Vida da Sede de Válvula Para as sedes de válvula o trabalho consistiu na alteração dos projetos dimensional e qualitativo e ajuste nos procedimentos operacionais Além de alterar o projeto dimensional da sede ajustando a altura de 368 para 462 mm foram testados diferentes produtos refratários com intuito de aumentar a resistência à corrosão por escória e metal líquido Entre os produtos testados foi aprovado o material de AluminaMgO Al2O3MgO que apresentou a menor taxa de desgaste 068 mmcorrida substituindo o material de rotina à base de Alumina cuja taxa de desgaste era de 221 mmcorrida Em paralelo com a implantação do novo produto ajustouse o procedimento de projeção a quente da sede de válvula que anteriormente era realizado a cada 12 corridas e passou a ser realizado a cada troca de placas ou seja a cada 7 corridas em média 23 Aumento da Vida das Placas Deslizantes e Válvula Superior O aumento da vida das placas deslizantes e da válvula superior foi obtido através de ajustes nas práticas operacionais explorando o potencial da placa até o limite de segurança determinado pelo teste de fumaça limitando a pressão de oxigênio para limpeza do canal de vazamento em 5 kgfcm2 e reparando a quente o canal de vazamento da válvula superior com argamassa básica nas trocas de placas A Figura 5 mostra a parede interna da válvula superior desgastada pelo ataque do FeOFe2O3 gerado durante a limpeza do canal de vazamento com vara de oxigênio Esta é a região da válvula superior que recebe o reparo à quente mencionado anteriormente Figura 5 Desgaste da parede interna da válvula superior Desgaste acentuado pelo ataque do FeOFe2O3 103 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 31 Aumento da Vida do Revestimento Refratário O primeiro resultado significativo com a introdução de tijolos com chapeamento metálico na borda da panela foi a redução da projeção a quente nesta região Isto pode ser observado através da redução do consumo da massa de projeção mostrado na Figura 6 Consumo de Material Refratário em Borda de Panela de Aço 365 720 530 490 280 463 174 08 109 11 150 250 210 240 240 230 110 38 78 30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 jan05 fev05 mar05 abr05 mai05 jun05 jul05 ago05 set05 out05 nov05 dez05 Mês toneladas GunmagLEACM GrafimagFEFS Entrada tijolo chapeado Figura 6 Consumo de massa de projeção e tijolos na borda das panelas de aço Com a estabilização do revestimento refratário da borda da panela procedeuse a análise da taxa de desgaste dos tijolos da parede e fundo o que permitiu aumentar a vida limite da panela de 115 para 120 corridas e posteriormente de 120 para 125 corridas A Figura 7 mostra o comportamento da espessura dos tijolos de trabalho ao longo da altura da panela A instabilidade dos tijolos da borda é novamente retratada através da ausência dos tijolos nas fiadas 15 e 16 quando a panela tinha vida limite de 115 corridas A figura também mostra que com o advento do chapeamento metálico mesmo para vida limite das panelas em 120 e 125 corridas os tijolos de trabalho se mantém estáveis na borda e com residuais da ordem de 30 e 20 mm respectivamente Observase como era de se esperar que à medida que se aumentou a vida limite da panela ocorreu a diminuição da espessura residual dos tijolos mas obedecendo os residuais de segurança de 10 mm na parede e 50 mm no fundo 104 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International 80 45 60 60 45 50 60 55 65 55 40 40 55 40 40 0 0 73 40 40 45 35 35 35 30 35 39 40 30 30 25 30 30 30 67 35 20 30 25 20 30 30 25 23 40 20 30 20 20 20 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Impacto Fundo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Fiada mm Vida Limite 115 Vida Limite 120 Vida Limite 125 Residual igual a zero devido a queda de tijolos da borda Figura 7 Espessura residual dos tijolos de trabalho da parede e do fundo A Figura 8 apresenta a evolução da vida das panelas de aço destacandose o aumento de 1076 corridas em 2004 para valores de 120 corridas no final de 2005 1076 1140 1135 1123 1145 1142 1139 1192 1206 1200 1218 1000 1050 1100 1150 1200 1250 2004 jan05 fev05 mar05 abr05 mai05 jun05 jul05 ago05 set05 out05 nov05 dez05 Mês Corridas Figura 8 Vida das panelas de aço em 2004 e 2005 105 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International 32 Aumento da Vida da Sede de Válvula A Figura 9 traz a evolução da vida da sede de válvula em função dos desenvolvimentos de produto e alteração das práticas operacionais 1108 1091 1174 1092 1077 1184 1054 1051 985 792 744 50 60 70 80 90 100 110 120 130 2004 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Mês Corridas Figura 9 Vida das Sedes de Válvula em 2004 e 2005 Com o aumento da vida das sedes de válvula o número de trocas caiu conforme Figura 10 32 6 5 8 6 2 2 1 6 4 2 0 5 10 15 20 25 30 35 2004 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Mês Número Figura 10 Número de troca de sedes de válvula em 2004 e 2005 106 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International 33 Aumento da Vida das Placas e Válvulas Superiores O comportamento da vida das placas pode ser visto na Figura 11 evidenciando o aumento do limite de utilização da placa de 6 para 8 corridas 61 67 64 71 72 70 58 64 54 54 57 4 5 6 7 8 2004 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Mês Corridas Figura 11 Vida das Placas do Sistema de Válvula Gaveta O aumento da vida das placas deslizantes mostrado acima aliado à alteração da prática operacional proporcionou o aumento da vida da válvula superior conforme mostrado na Figura 12 120 119 137 133 127 131 114 123 114 106 104 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2004 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Mês Corridas Figura 12 Vida das Válvulas Superiores do Sistema de Válvula Gaveta 107 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International 34 Redução do Atraso no Vazamento por Falta de Panela Todos os desenvolvimentos realizados e apresentados neste trabalho tiveram como um dos objetivos aumentar a disponibilidade das panelas de aço para vazamento ou seja diminuir o tempo de atraso no vazamento do Conversor por falta de panela O controle do tempo de atraso no vazamento do Conversor é feito mensalmente de forma cumulativa e a Figura 13 mostra a evolução deste tempo ao longo dos anos Destacase a diminuição significativa do tempo de atraso do vazamento do Conversor em função da evolução da performance dos refratários da panela Mas vale ressaltar que outras ações implementadas tais como a introdução das células como modelo gerencial e a unificação do trabalho dos ativadores de panelas no ciclo e fora do ciclo também contribuíram para atingir este resultado 3300 4920 4390 4720 200 250 300 350 400 450 500 2002 2003 2004 2005 Ano Minutos Figura 13 Tempo de atraso no vazamento do Conversor para a Panela de Aço 35 Redução na Geração de Resíduos O somatório dos resultados dos desenvolvimentos trouxe benefícios ao meio ambiente através da redução na geração de resíduos cerca de 63 tmês detalhada na Figura 14 11 20 21 580 0 10 20 30 40 50 60 Revestimento de Trabalho Sede de Válvula Placa Deslizante Válvula Superior Material Refratário Ton Figura 14 Redução da geração de resíduos 108 XXXVII Seminário de Aciaria Internacional XXXVII Steelmaking Seminar International 36 Melhoria das Condições de Trabalho A melhoria da performance dos materiais refratários também trouxe como benefício direto a redução do número de vezes em que os funcionários transportavam tijolos placas deslizantes e válvulas superiores Na montagem do sistema de válvula gaveta foram reduzidos os manuseios de 90 placas deslizantes 22 kgpeça e 45 válvulas superiores 24 kgpeça por mês enquanto na panela de aço foram reduzidos por mês as movimentações de cerca de 4000 tijolos 145 kgpeça 4 CONCLUSÃO O desenvolvimento do tijolo chapeado eliminou a projeção de borda Com a estabilidade dos tijolos da borda podese explorar a vida limite da panela de aumentandoa em 13 Para a sede de válvula o desenvolvimento de produto projeto e procedimentos operacionais permitiram o aumento da vida em 45 Com isto o número de paradas da panela para troca de sede reduziu significativamente contribuindo para aumentar a disponibilidade da panela Os ajustes nos procedimentos de inspeção e reparo da válvula interna permitiram aumentar a vida da válvula em 22 e as placas deslizantes em 26 Os resultados apresentados trouxeram como principais benefícios Contribuiu substancialmente na redução de 33 no tempo de atraso do vazamento do LD por falta de panela de aço A diminuição do manuseio de placas deslizantes válvulas superiores e tijolos melhorando as condições de trabalho através da redução do esforço físico A redução da geração de resíduos em cerca de 63tmês Agradecimentos A Equipe agradece às empresas por acreditarem nos trabalhos que foram desenvolvidos e a todos os colaboradores pela participação nos projetos Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil AVALIAÇÃO DE TIJOLOS SEM CARBONO EM PANELAS DE AÇO Haysler Apolinário Amoroso Lima1 Mônica Marcela Thomaz2 Matheus Felipe dos Santos3 Vladnilson Peter de Souza Ramos4 Douglas Fernando Galesi5 Resumo Aços IF Interstitial Free são definidos como ultrabaixocarbono o que confere propriedades mecânicas especificas para uma série de aplicações principalmente durante a conformação mecânica essencial para a indústria automotiva Os principais materiais refratários utilizados em panelas de aço são baseados em MagnésiaCarbono e AluminaMagnésiaCarbono ou seja apresentam carbono em sua composição O carbono confere propriedades importantes para os refratários quanto a resistência a corrosão química e melhoria das propriedades termo mecânicas Entretanto o carbono ao ser incorporado ao aço no que se define como fenômeno de pick up de carbono prejudica suas propriedades mecânicas Além disto a presença do carbono no revestimento refratário aumenta a perda térmica da panela de aço desfavorecendo o balanço energético da Aciaria Este trabalho desenvolveu um modelo químico do pick up de carbono compreendendo todos os fenômenos envolvidos bem como obtevese um modelo térmico transiente avaliando as perdas térmicas de uma panela com e sem carbono Palavraschave Aços IF Refratários Isentos de Carbono Pickup de Carbono e Perda Térmica EVALUATION OF CARBONFREE BRICKS IN STEEL LADLE Abstract IF steels have ultralow carbon content which results in specific mechanical properties suitable for a wide range of applications especially the ones that requires mechanical forming highly demanded by the automotive industry The refractory materials applied in steel ladles usually contain carbon and they consist mainly of magnesiacarbon and aluminamagnesiacarbon bricks The presence of carbon gives important properties to the refractories as chemical corrosion and thermal shock resistance Although the molten steel can remove carbon from the lining in a phenomenon called carbon pickup downgrading the steel mechanical properties Furthermore the presence of carbon increases the thermal losses in the steel ladle cycling reducing the steelmaking process control and saving energy scenarios Herein the study developed a complete chemical model for the carbon pick up comparisons and considered a transient heat transfer model for the energy losses estimation for both carboncontaining and carbonfree refractories Keywords IF Steel CarbonFree Refractories Carbon Pickup and Thermal Loss 1 Sócio da ABM Mestre e Engenheiro Metalurgista Coordenador de Aplicação SaintGobain Vinhedo SP Brasil 2 Engenheira Química SaintGobain Vinhedo SP Brasil 3 Mestre em Engenharia de Materiais Universidade Federal de São Carlos São Carlos SP Brasil 4 Doutor em Engenharia Química Coordenador de Aplicação SaintGobain Vinhedo SP Brasil 5 Engenheiro de Materiais Gerente de Aplicação e Desenvolvimento SaintGobain Vinhedo SP Brasil Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil 1 INTRODUÇÃO A panela de aço é um importante reator para o processo de fabricação de aço na siderurgia Sua estrutura é composta basicamente por uma carcaça metálica que é revestida com materiais refratários Dentre os mais utilizados destaca se a linha MagnésiaCarbono e AluminaMagnésiaCarbono A escolha destes materiais foi o resultado de muita pesquisa e desenvolvimento para atingir altas performances garantindo segurança estabilidade do processo aumento de produtividade e custos menores A Figura 1 mostra o esquema de uma panela de aço Figura 1 Representação esquemática de uma panela de aço Cada zona e região do revestimento refratário assim como a carcaça metálica são identificados 4 Após o vazamento do aço do convertedor para a panela o aço líquido é submetido a sucessivas rotas de tratamento para o ajuste da composição química e térmica Os objetivos são garantir a composição química final e uma temperatura estável durante o lingotamento Logo o material do revestimento não poderá interferir de forma negativa neste processo ou seja não afetar na composição química e garantir a conservação da energia térmica do aço líquido O aumento na demanda de aços com requisitos de qualidade mais rigorosos tem exigido teores de carbono cada vez menores Dentre esses aços destacamse os aços IF Interstitial Free que tem como característica principal ultra baixos teores de carbono Teores máximos de carbono de 0002 podem ser exigidos no produto final Dependendo da aplicação podese exigir aços com teores de carbono em faixas extremamente estreitas como por exemplo os aços Bake Hardening para a indústria automobilística que podem exigir faixas de carbono variando de 00015 a 00025 Ressaltase a especial atenção que tem sido dada ao controle da composição química destes aços Para esses aços o controle do pick up de carbono tornase extremamente rigoroso Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil Para o processo de fabricação do aço o controle das perdas térmicas é de vital importância para a melhoria do processo Desde a redução do número de retornos de aço do lingotamento contínuo à redução do elevado consumo de eletrodos e energia elétrica no forno panela Sendo que cerca de 80 das perdas térmicas do aço dentro da panela ocorrem pela superfície da parede refratária 3 Portanto a definição do tipo de revestimento é fundamental evitar tais perdas principalmente do revestimento de trabalho Neste trabalho será feito a análise da influência de uma panela isenta de carbono carbon free em relação a materiais com carbono elaborando um modelo químico dos fenômenos de difusão química pelo refratário e a avaliação em um modelo transiente de transferência das perdas térmicas do aço pelo refratário 2 DESENVOLVIMENTO 21 MATERIAIS E MÉTODOS Para avaliar a influência de tijolos com carbono no pick up do aço elaborouse uma metodologia específica A ideia é montar um corpo de prova no formato de um cadinho refratário com o próprio material da panela em seguida colocar neste cadinho amostras de aço IF cuja composição é determinada anteriormente Através de um forno de indução pretendese fundir o metal inserido no cadinho A Figura 2 mostra o esquema proposto para medir o efeito do pick up de carbono no aço IF Figura 2 Esquema proposto para avaliar o pick up de carbono Em seguida foram separados corpos de prova CP dos materiais de panelas com carbono para determinar suas características físicas para a montagem de um modelo químico de difusão do carbono Neste sentido será feito a medição da porosidade interna e tamanho do poro através do porosímetro de mercúrio As perdas térmicas foram investigadas a partir de um modelo em elementos finitos descrito na seção 214 o qual considera o estado transiente do processo das panelas e a dependência das propriedades dos materiais com a temperatura Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil 211 DETERMINAÇÃO DO POROSIDADE DO TIJOLO COM CARBONO Para determinar a porosidade e o tamanho de poro dos tijolos refratário foi realizado o ensaio de porosimetria por intrusão de mercúrio em que o mercúrio que é um líquido que não molha o sólido é injetado na amostra à uma pressão acima de sua tensão superficial Medese o volume de líquido instruído e a pressão do sistema para relacionar com o tamanho dos poros A partir do diâmetro do poro corrigese o coeficiente de difusão de carbono dentro do tijolo refratário O coeficiente de difusão Def é uma grandeza que está diretamente relacionada com a interação solutomeio e para o caso em que a difusão do soluto ocorre através de um líquido permeado dentro de uma matriz porosa esse coeficiente deve ser corrigido pela equação 4 Welty et al 2000 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 𝐷𝐷𝐴𝐴𝐴𝐴𝐹𝐹1𝜑𝜑𝐹𝐹2𝜑𝜑 1 Em que 𝐹𝐹1𝜑𝜑 1 𝜑𝜑2 2 𝐹𝐹2𝜑𝜑 1 2104𝜑𝜑 209𝜑𝜑2 0955 3 𝜑𝜑 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 4 𝜑𝜑é o diâmetro do poro reduzido 𝐹𝐹1𝜑𝜑e𝐹𝐹2𝜑𝜑 são fatores de correção 𝑑𝑑𝑑𝑑 é o diâmetro molecular do soluto e 𝑑𝑑𝑑𝑑 é o diâmetro do poro da matriz porosa 212 AVALIAÇÃO DO PICK UP DE CARBONO EM FORNO DE INDUÇÃO Para avaliar o efeito do carbono do tijolo refratário no aço foi montado um cadinho de refratário com 30 de carbono em sua constituição A Tabela 1 mostra as propriedades do tijolo Tabela 1 Propriedades do tijolo com carbono e sem carbono Através da fusão da carga metálica devido aos efeitos da corrente induzida o metal liquido irá interagir com as paredes refratárias do cadinho Parte do carbono do refratário oxida e sai na forma de gases COCO2 já outra parte poderá incorporar no refratário na forma atômica pickup Como forma de avaliar a taxa de incorporação do carbono no aço pretendese medir o teor inicial 20 ppm e em seguida medir o teor final de carbono após o teste Para efeito de similaridade com a prática operacional pretendese medir em paralelo Propriedades Material A Material B Al2O3 905 855 MgO 25 65 Carbono 300 00 Outros 400 50 Porosidade Aparente 55 130 Densidade Aparente gcm³ 332 328 Resistência à compressão MPa 34 50 Propriedade após cura Composição química Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil a taxa de desgaste do cadinho em contato com o metal Essa taxa será medida em gramasminuto Ou seja sabendo quanto de carbono do refratário foi extraído no teste podese fazer o balanço de massa e determinar quanto foi por difusão química no aço e quanto foi por saída na forma de gases 213 ANÁLISE QUÍMICA DOS MATERIAIS UTILIZADOS A medição do teor de carbono no aço foi realizada através do equipamento LECO modelo SC144DR Colocaramse amostras dentro de um cadinho cerâmico combustion boat em que a amostra é submetida à uma atmosfera de oxigênio puro à 1350ºC até combustão completa o gás CO2 formado escoa então até o detector de infravermelho após passar pelo controlador de fluxo LECO 2008 214 AVALIAÇÃO DAS PERDAS TÉRMICAS Neste estudo as simulações computacionais foram desenvolvidas utilizandose o método dos elementos finitos AbaqusCAE 6141 Dassault Systèmes Simulia Corp 2014 O ciclo da panela de aço é simplificado em quatro etapas principais préaquecimentoreaquecimento espera 1 refino secundário e espera 2 que representam uma visão geral do processo e possibilitam comparar as diferentes configurações O préaquecimento é a etapa na qual a panela com revestimento novo é aquecida por meio de uma chama localizada na parte superior central deste vaso transferindo assim calor por radiação para as paredes internas do revestimento Já nas etapas de espera 1 e 2 a panela perde calor por mecanismos de convecção e radiação em todas as superfícies internas e externas E quando a panela está cheia refino secundário o metal líquido transfere calor para o refratário por convecção natural assumindose superfícies verticais e horizontais planas Na figura 3 mostra os detalhes do revestimento e detalhes do modelo Figura 3 Dimensões da panela de aço simulada com detalhes do refratário e do modelo 49º Aciaria Fundição e Met NãoFerrosos abm week 2018 Tabela 2 Condições de contorno para cada etapa do ciclo da panela Etapas do processo Superfície Interna S1 e S2 Superfície externa S3 e S4 Aquecimento σfε𝑇𝑖𝑛𝑡4 𝑇4 ℎ𝑎𝑟 𝑇𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑇 Espera 1 e Espera 2 σfε𝑇𝑖𝑛𝑡4 𝑇4 ℎ𝑎𝑟 𝑇𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑇 σ𝜀𝑓𝑇𝑚𝑒𝑖𝑜4 𝑇4 ℎ𝑎𝑟 𝑇𝑇𝑚𝑒𝑖𝑜 𝑇 Refino Secundário ℎ𝑎ço𝑇𝑇𝑎ço 𝑇 Obs σ coeficiente de StefanBoltzman σ 56697 Wm2K4 f view factor da superfície ε emissividade Tint temperatura interna da panela Tmeio temperatura do meio externo Taço temperatura do metal líquido har coeficiente de transferência de calor por convecção entre a carcaça e o meio ambiente Wm2K1 A partir da simulação é possível estimar o comportamento térmico do sistema obtendose informações sobre a distribuição de temperatura o fluxo de calor e as quantidades de energia transferida Dessa forma é de interesse a resolução de um problema de transferência de calor em regime transiente o qual é descrito matematicamente por ρ c Ṫ divK T 0 5 Sendo c é o calor específico Jkg K K o tensor de condutividade térmica do material Wm K 12 sendo estes dependentes da temperatura ρ a densidade do material kgm3 e t o tempo As condições de contorno são descritas na Tabela 2 a partir dos mecanismos de convecção e radiação de acordo com a etapa do ciclo A temperatura inicial do revestimento foi de 40 C assim como temperatura do ambiente distante da panela Tmeio já a temperatura do ar foi considerada 600 C para o interior da panela Tint Na etapa de panela cheia a temperatura inicial do aço foi de 1680 C Taço Além disso a temperatura média do aço Taço em cada instante é determinada pela quantidade de energia que foi transferida para o refratário subtraída da quantidade de energia armazenada no metal líquido Tal queda de temperatura é dada por dTaçodt 1ρaço c aço V ΓPI UI FΓI qr z tdΓ 6 onde ρaço é a densidade do metal líquido 7000 kg m3 c aço é o calor específico 627 J kg1 V é o volume do metal líquido e q r z t é o fluxo de calor das superfícies interna da panela Por fim os cálculos de energia são realizados a partir da integral do fluxo de calor em relação à área da superfície e ao tempo de análise t segundo metodologia abordada por Santos et al 5 Assim a quantidade de energia é dada por Et 0t Γ qrtz dΓ dt 7 Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil Sendo Γ as superfícies ΓIW ΓIB ΓEW ΓEB que transferem calor durante o processo e a modelagem da panela em um intervalo de tempo t e qr z t o fluxo de calor nessa superfície em coordenada cilíndrica As perdas pela borda da panela no topo são desconsideradas do balanço energético 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 31 Correção dos coeficientes de difusão A difusividade em 𝑐𝑐𝑚𝑚2𝑑𝑑 do gás CO e do carbono sólido no aço foi calculado por Solar e Guthirie 1971 e corrigida para a difusividade efetiva considerando a porosidade do meio refratário A figura 4 mostra a distribuição de poros do tijolo com carbono Figura 4 Distribuição do Tamanho do Poro do Tijolo com Carbono A tabela 3 mostra o tamanho médio do poro e a tabela 4 o cálculo da difusividade Tabela 3 Avaliação do tamanho médio do poro Tabela 4 Coeficientes de difusão Componente CO C Difusividade cm²s 761x105 363x105 Difusividade efetiva cm²s 70x105 358x104 32 Balanço de massa de carbono no tijolo O transporte de massa que acontece do interior do sólido para o fluido é governado pela difusão molecular a medida em que o fluido está estagnado dentro dos poros Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil Considerouse que todo o tijolo está impregnado com o aço formando um meio homogêneo Em processos difusivos em meios porosos o transporte no meio 1 pode ser afetado pela resistência no meio 2 sendo necessário calcularse o número adimensional de Biot 𝐵𝐵𝑑𝑑 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 1096𝑥𝑥106 358𝑥𝑥104 0268 8 Como 𝐵𝐵𝑑𝑑 0 existe resistência externa à difusão O coeficiente de transferência de massa convectivo km foi calculado através da analogia de Reynolds primeiro calculouse o número de Schmidt 𝑆𝑆𝑐𝑐 𝜇𝜇 𝜌𝜌𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 0002 Como 𝑆𝑆𝑐𝑐 0 o número de Sherwood é calculado pela equação 25 𝑆𝑆ℎ𝑥𝑥 0332 𝑅𝑅𝑒𝑒12 𝑆𝑆𝑐𝑐13 Como 𝑘𝑘𝑚𝑚 𝑋𝑋 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑆𝑆ℎ𝑥𝑥 Rearranjando os termos determinouse km 𝑘𝑘𝑚𝑚 𝑆𝑆ℎ𝑥𝑥 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑋𝑋 96𝑥𝑥106 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑑𝑑 Figura 5 Representação do fluxo mássico em que o meio 1 corresponde ao tijolo e o meio 2 o aço líquido 8 Considerações O sistema é isotérmico e isobárico O fluido é incompressível Não há variação do volume do sólido O líquido no interior do sólido está estagnado Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil Fluxo mássico unidirecional em Z Coordenadas retangulares O sólido poroso é considerado homogêneo isotrópico O coeficiente de difusão efetivo Def é constante comtempla todos os fenômenos de transferência de massa por difusão Os poros são ideais e idênticos Com resistência externa Sem reação química A equação do balanço para o carbono no sólido fica 𝑑𝑑𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑡𝑡 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 2𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑧𝑧2 Em que as condições de contorno em relação ao tempo e posição são 𝐶𝐶𝑐𝑐0 𝑧𝑧 𝐶𝐶𝑐𝑐0 03 𝐶𝐶𝑐𝑐𝑡𝑡 𝐶𝐶𝑐𝑐 002 Em z L10 cm 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐿𝐿 𝐾𝐾𝑚𝑚𝐶𝐶𝑐𝑐𝑑𝑑 𝐶𝐶𝑐𝑐 O conjunto de equações discretizadas pelo métodos das diferenças finitas centradas explicitamente para um 𝑧𝑧2 em t 0 são 𝑑𝑑𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑡𝑡 02 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 𝐶𝐶𝐶𝐶00 2𝐶𝐶𝐶𝐶02 𝐶𝐶𝐶𝐶04 𝑧𝑧2 𝑑𝑑𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑡𝑡 04 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 𝐶𝐶𝐶𝐶02 2𝐶𝐶𝐶𝐶04 𝐶𝐶𝐶𝐶06 𝑧𝑧2 𝑑𝑑𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑡𝑡 06 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 𝐶𝐶𝐶𝐶04 2𝐶𝐶𝐶𝐶06 𝐶𝐶𝐶𝐶08 𝑧𝑧2 𝑑𝑑𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑡𝑡 08 𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒 𝐶𝐶𝐶𝐶06 2𝐶𝐶𝐶𝐶08 𝐶𝐶𝐶𝐶010 𝑧𝑧2 Esse o sistema de equações foi resolvida com um 𝑡𝑡 5 resultando nos perfis de concentração mostrados na Figura 6 sendo 003 a fração mássica do tijolo inicial 3 de Carbono Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil Figura 6 Perfil de concentração de carbono em diferentes alturas A análise da figura 6 mostra como a fração de carbono cai para diferentes valores de Z ao longo do tempo Ainda que a variação de concentração seja pequena a presença do gradiente de concentração causa transporte de massa do interior do tijolo para superfície Num tempo de 300 segundos que corresponde ao tempo de drenagem da panela a concentração na superfície no tijolo é de 002825 ou seja ouve um decréscimo de apenas 6 na concentração inicial Para encontrarmos o fluxo mássico através de um único tijolo no tempo fazemos o fluxo𝑁𝑁𝑐𝑐 na superfície multiplicado pela área transversal do tjolo A 𝑁𝑁𝑐𝑐𝑡𝑡𝐿𝐿 𝑘𝑘𝑚𝑚𝐶𝐶𝑐𝑐𝑡𝑡 𝐶𝐶𝑐𝑐 Balanço de massa no banho de aço Já para o balanço de massa de carbono no banho metálico precisamos considerar o fluxo que entra por difusão por cada tijolo e o que sai devido ao escoamento do aço pelo fundo da panela considerando que não há variações ao longo do raio da panela 𝑑𝑑𝐶𝐶𝑐𝑐𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑡𝑡 𝑉𝑉𝐶𝐶𝑐𝑐 𝑘𝑘𝑚𝑚𝐶𝐶𝑐𝑐𝑡𝑡 𝐶𝐶𝑐𝑐 𝐴𝐴 𝑑𝑑𝐶𝐶𝑐𝑐𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑡𝑡 Aplicando a regra da cadeia 𝑉𝑉 𝑑𝑑𝐶𝐶𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑡𝑡 𝐶𝐶𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑡𝑡 𝑘𝑘𝑚𝑚𝐶𝐶𝑐𝑐𝑡𝑡 𝐶𝐶𝑐𝑐 𝐴𝐴 Como não há variação ao longo do raio da panela 𝑉𝑉 𝑑𝑑𝐶𝐶𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑡𝑡 𝑘𝑘𝑚𝑚𝐶𝐶𝑐𝑐𝑡𝑡 𝐶𝐶𝑐𝑐 𝐴𝐴 𝐶𝐶𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑡𝑡 𝑉𝑉 𝑑𝑑𝐶𝐶𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑡𝑡 𝑘𝑘𝑚𝑚𝐶𝐶𝑐𝑐𝑡𝑡 𝐶𝐶𝑐𝑐 𝐴𝐴 𝐶𝐶𝑐𝑐 𝜋𝜋 𝑅𝑅2 𝑑𝑑𝑍𝑍 𝑑𝑑𝑡𝑡 A partir da resolução da equação acima obtémse a expressão da concentração no tempo dentro da panela de aço Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil A figura 7 mostra o perfil obtido para a concentração de carbono ao longo tempo durante o esgotamento da panela Ao longo do tempo é possível observar que a concentração no seio do fluido praticamente não se altera até os últimos segundos do escoamento Figura 7 Perfil de concentração de carbono com tempo no aço líquido para 1 tijolo A concentração de carbono no aço líquido ultrapassa os limites desejados 0003 muito próximo ao esvaziamento da panela Isso acontece porque o fluxo que entra através do tijolo se difunde na pouca massa que ainda resta na panela aumentando a concentração no aço residual 33 Avaliação dos testes de fusão com aço IF em refratário com carbono Os resultados obtidos após o teste no forno de Indução foram condizentes com a prática ou seja houve sim contaminação de carbono no aço IF entretanto a taxa de incorporação é maior na camada próxima a parede do refratário Na figura 8 mostra o resultado de pick up de carbono para amostra coletada próximo a parede do refratário 5 mm de profundidade Figura 8 Teor de Carbono na amostra fundida Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil A figura 9 mostra o cadinho após ensaio de fusão A amostra de aço IF interna foi removida e retirada via broca 1 grama de material para teste via LECO Figura 9 Fusão do aço IF no cadinho refratário com carbono O resultado de pick up de carbono no forno de indução foi condizente com o modelo teórico entretanto as dificuldades do teste em garantir a acuidade dos valores exige mais experimentos e em diferentes proporções de carbono inicial do aço Como trabalhos futuros recomendase avaliar a variação do carbono em diferentes profundidades da amostra de aço e com isso determinar a taxa de incorporação ao longo da amostra 34 Avaliação do modelo numérico da perda térmica Os resultados do modelo térmico de transferência de calor permitiram computar e comparar as temperaturas da face quente e da carcaça com as medições feitas in situ por meio de uma câmera térmica FLIR modelo T620 considerando o caso em que o revestimento da panela considera a aplicação do material AM sem carbono Tais resultados podem ser vistos na Figura 10 abaixo Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil Figura 10 Comparação dos resultados simulados com os coletados experimentalmente para a Panela A e B Nessa figura têmse a análise para duas panelas de mesmo revestimento das quais a coleta de dados foi possível porém operando em momento distintos do processo As comparações foram feitas com os resultados para o último ciclo simulado sexto ciclo onde há maior representatividade do estado térmico da panela visto que regiões do revestimento já encontramse na condição estacionária Para a panela A as imagens termográficas foram obtidas do final da espera até o começo do refino secundario e para a panela B do refino secundário até o esvaziamento e a etapa de espera As temperaturas de carcaça linhas azuis foram extraídas para alguns pontos do fundo e da parede e dessa mesma região avaliou se as temperaturas da face quente linhas pretas O valor médio de temperatura de carcaça estimada pelo modelo foi de 353 C sendo tal valor maior para as paredes em relação ao fundo Os dados experimentais apresentam em média 321 C para a panela A e 342 C para a panela B pouco abaixo dos valores estimados no modelo as alças metálicas não consideradas no modelo aumentam a extração de calor pela carcaça As temperaturas de face apresentaram boa proximaidade para a panela B porém significativamente distante para a panela A Isso devese a incerteza de quanto tempo a panela estava esperando antes de receber o metal visto que as termografias apenas mostravam que a panela esperava por 25 minutos antes de receber o aço e não quanto tempo ela já estava esperando Algumas das imagens termográficas usadas na comparação pode ser vista na Figura 11 Figura 11 Termografias obtidas nas panelas A e B Dada a boa proximidade entre o modelo e os dados experimentais utilizouse a ferramenta de simulação para estimar outras vantagens dos revestimentos sem carbono AM como por exemplo a perda de energia do banho durante o refino secundário Essa quantidade energética está diretamente ligada ao desempenho térmico consumo de energia e custo do processo A panela sem carbono mostrou uma redução de 10 nas perdas de energia do banho Figura 12 fazendo com que no mesmo tempo de processo essa configuração mantivesse a temperatura do banho em média 12 C superior Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil Figura 12 Perdas de energia durante o refino secundário para a produção de 2000000 de toneladas de aço A configuração AM evita tais perdas que é mostrado pela quantidade em verde Tais resultados podem indicar reduções no consumo de energia elétrica e eletrodos para o reaquecimento do banho ou reduzir as temperaturas iniciais de vazamento Consequência direta do tipo de revestimento utilizado cujas propriedades térmicas são favoráveis à conservação de energia 3 CONCLUSÃO As principais conclusões deste trabalho foram Os resultados dos experimentos de fusão do aço foram condizentes com o modelo teórico entretanto mais experimentos serão necessários para calibrar melhor o modelo Com um modelo confiável é possível estimar o impacto de tijolos com carbono do fenômeno do pick up permitindo usar uma ferramenta para otimizar o projeto refratário Ou seja reforçar locais que necessitam de tijolos com carbono linha de escória e impacto para aumento de desempenho do equipamento sem comprometer a qualidade do aço Outro ganho previsto através do modelo numérico transiente de transferência de calor e validado na pratica operacional foi a redução das perdas térmicas em até 10 pelo uso de tijolos isentos de carbono Este ganho térmico reduz o consumo de energia elétrica e de eletrodos do forno panela bem como redução da temperatura de carcaça evitando a deformação mecânica Agradecimentos Os autores agradecem a SaintGobain por incentivar a pesquisa e por ter proporcionando todos os recursos para a conclusão deste trabalho Contribuição técnica ao 49º Seminário de Aciaria Fundição e Metalurgia de NãoFerrosos parte integrante da ABM Week realizada de 02 a 04 de outubro de 2018 São Paulo SP Brasil REFERÊNCIAS 1 KARABELCHTCHLKOVA O SISSON RD Carbon Diffusion in Steel a Numerical Analysis Based on Direct Integration of the Flux Journal of Phase Equilibria and Diffusion 2006 276 598604 2 RUAN G LI N ZHANG Z Carbon and Silicon Pickup of InterstitialFree Steel from Al2O3SiC Refractories American Ceramic Society Bulletin 2005 vol 85 No 10 3 LIMAHAA FILHO GAF HELENO NS SANTOS HA TEIXEIRA MG SOUZA EN Redução do Retorno de Aço do Lingotamento Contínuo por Perda Térmica das Panelas de Aço XXXVI Seminário de Fusão Refino e Solidificação dos Metais 2006 4 CalderysOnlineAvailable httpwwwcalderyscomimagesSteelLadleb igjpg Accessed 20Jun2017 5 SANTOS MF MOREIRA MH CAMPOS MGG PELISSARI PIBGB SAKO EY ANGELICO RA SINNEMA S PANDOLFELLI Enhanced Numerical Tool to Evaluate the Steel Ladle Thermal Losses Ceramics International 2018 110 101016jceramint201804092 6 LI G LIU J JIANG G LIU H Numerical Simulation of Temperature Field and Thermal Stress Field in the New Type of Ladle with the Nanometer Adiabatic Material Adv Mech Eng 2015 7 Welty James R et al Fundamentals of Momentum Heat and Mass Transfer Livro Oregon Willey 2000 Vol 5ª Ed 8 Castilho Guilherme José de Notas de Aula EQ741 Campinas sn 2017 9 LECO Folha de especificação de equipamento Online Usbioecuador Usbioecuador 2008 01 de 06 de 2018 httpwwwusbioecuadorcomdescargasSC144DRhtpdf 477 MELHORIA NO CONTROLE DE PERFIL DE DESGASTE REFRATÁRIO NAS PANELAS DE AÇO NA VM DO BRASIL1 Hudson Guerra Asth2 Luiz Fernando da Silva3 Geraldo Cruz4 Geraldo Bastos5 Leandro Almeida6 Resumo São apresentadas e avaliadas as influências das principais variáveis de processo que influenciam no perfil de desgaste refratário de panelas de aço em fim de campanha Modificouse o método de controle da campanha eliminando o limite de número de corridas e adotando o tempo de permanência de aço na panela A mudança metodológica partiu de um acompanhamento estatístico das principais variáveis que regem o desgaste refratário das panelas de aço As variáveis que mostraram uma relação direta com o desgaste refratário foram número de dias da panela de aço na campanha número de corridas por dia tempo de processo VD MgO na escória basicidade binária da escória forno panela tempo médio de Forno Panela ligado e quantidade média de fluorita adicionada por corrida Através deste trabalho obtevese uma melhoria no perfil de desgaste refratário reduzindo o número de ocorrências de queda de tijolos lascamentos e trincas por choque térmico aumentando a segurança operacional Palavraschave Desgaste refratário Logística de panelas Controle de processo INCREASING THE REFRACTORIES WEARING PROFILE CONTROL ON THE STEEL LADLES AT THE VM DO BRASIL Abstract A significant improvement of the steel ladle performance was achieved by permanent statistical track of the major operational factors affecting the steel ladle performance at VM do Brasil The work based on the identifications and selection of the major metallurgical and operational variables responsible to refractory wear and failure and its permanent monitoring This paper describe the major points in this development that resulted in the longer ladle life and kept the zero ladle failure the is above 7 years up to date Key words Refractories wearing Ladles logistic Process control 1 Contribuição técnica ao 40º Seminário de Aciaria Internacional 24 a 27 de maio de 2009 São Paulo SP Brasil 2 Engº Metalurgista Departamento de Metalurgia da Aciaria da VM do Brasil SA 3 Engº Metalurgista MSc Gerencia de Qualidade e Pesquisa Siderúrgica da VM do Brasil SA 4 Técnico metalúrgico Departamento de Lingotamento Contínuo da Área Siderúrgica da VM do BRASIL SA 5 Técnico metalúrgico Coordenador Técnico de refratários da Magnesita SA 6 Engº Metalurgista MSc Departamento de Metalurgia da Aciaria da VM do Brasil SA XL Seminário de Aciaria Internacional XL Steelmaking Seminar International 478 1 INTRODUÇÃO No atual mercado de produção de tubos sem costura cada vez mais exigente em aços especiais a VM do BRASIL fabrica produtos com alto valor agregado e propriedades físicas e mecânicas que exigem a utilização de refratários que trabalhem a altas temperaturas e condições agressivas para algumas escórias de refino secundário além de garantir a segurança operacional e uma boa relação custo benefício na produção do aço Neste cenário iniciou um trabalho de investigação dos principais fatores de processo e operacionais com relação direta sobre o desgaste refratário objetivando a contínua melhoria de performance das panelas de aço A aciaria da VM do Brasil possui dez panelas de aço trabalhando com 06 panelas no ciclo cinco panelas na produção e uma panela reserva no gás com capacidade de 75 toneladas e borda livre de 1100 mm As panelas possuem dois plugues para agitação do aço através do argônio não possuindo agitação eletromagnética ou lança de injeção O revestimento de trabalho é a base de MgOC em um total de 14 fiadas sete na linha de metal e sete na linha de escória A vida média das panelas de aço é de 75 corridas na campanha Figura 1 Projeto de panela de aço da VM do BRASIL 11 Objetivo Identificar compreender e avaliar os mecanismos de processo de desgaste refratário em panelas de aço para melhor seleção das ações operacionais que reduzam o número de ocorrências de incidentes representados por lascamentos quedas de tijolos trincas e elevação do desgaste refratário com redução da vida das panelas 12 Revisão Bibliográfica Procedeuse à revisão dos fundamentos e das técnicas relacionadas às propriedades capacidades e limitações dos produtos refratários dos revestimentos XL Seminário de Aciaria Internacional XL Steelmaking Seminar International da panela e dos cuidados operacionais a fim de prolongar a vida do mesmo e a qualidade no uso das panelas de aço O refratarista devese conhecer os produtos refratários os mecanismos de desgaste e os parâmetros de processo siderúrgicos com a finalidade de conduzir um projeto refratário que atenda as solicitações operacionais eou permita um desenvolvimento de novos produtos na direção correta1 O sucesso do refratário depende do bom entendimento entre o metalurgista e o refratarista A partir desta sinergia terseá um processo ajustado e uma boa relação custobenefício na performance refratária Um dos principais equipamentos que influenciam no desgaste de refratário de panelas de aço encontrase na metalurgia secundária forno panela desgaseificador á vácuo e rinsagem O Forno panela é o equipamento onde se concentra os fatores de processo responsáveis pelo bom desempenho do refratário Aliar conceitos fundamentais de operação no forno panela e conhecimento dos principais parâmetros de processo são receitas para se obter um bom desempenho no perfil refratário no final de campanha2 121 Matériasprimas dos tijolos MgOC A utilização de tijolos de MgOC caracterizase pela alta resistência ao ataque da escória Figura 2 associado a uma boa resistência ao choque térmico devido a presença do carbono Figura 2 Faixa de valores de erosão de escória para vários tipos de tijolos com várias escórias de panelas básicas3 A presença do grafite determina as seguintes propriedades refratárias inibe a penetração da escória na estrutura do tijolo devido à baixa molhabilidade entre a escória e a grafita e minimiza a formação de trincas ocorridas por lascamento termomecânico termoclase devido à alta condutividade térmica e baixa expansão térmica A grafita é facilmente oxidada pelos óxidos presentes na escória embora possua uma boa estabilidade química contra a escória3 122 Refratários para uso em fornopanela A utilização do FornoPanela no fluxo de produção do aço aumenta a produtividade na aciaria e melhora a qualidade do aço produzido obtendose níveis de qualidade no lingotamento contínuo antes não alcançados O acerto de composição química via adição de ligas injeção de gases inertes processos de desoxidação dessulfuração e acerto de temperatura para o lingotamento contínuo têm resultado em um maior desgaste refratário nos tijolos de trabalho da panela de aço4 A justificativa para este desgaste ocorre devido ao maior tempo de permanência do metal líquido no interior das panelas a elevadas temperaturas contribuindo para os ataques químicos e físicos 123 Fatores de sucesso no desempenho de refratários Refratários representam cerca de 20 dos custos de produção de uma aciaria A busca constante de redução desses custos é obtida a partir de alguns princípios fundamentais dentre eles destacamse Parâmetros de processo no forno panela basicidade de escória saturação de MgO na escória nível de oxidação da escória FeOMnO provenientes da passagem de escória da refino primário avaliação da viscosidade de escória por famílias de aço tempo de forno panela ligado e taptotap e delta de temperatura no forno panela Parâmetros operacionais do Forno panela avaliação do volume de escória que podem causar espelhamento do arco voltaico e consequentemente superaquecimento da escória quantidade de argônio utilizado impedindo desgaste excessivo por abrasão eou erosão devido a vazões elevadas e evitar baixas vazões de forma a prevenir superaquecimento da escória e controle da quantidade de fluorita adicionada por corrida prevenindo alta fluidez da escória aumentando a molhabilidade do refratário através da redução de temperatura liquidus e viscosidade da mesma Gerenciamento logístico de panelas de aço objetivando os seguintes itens menor número de dias na campanha maior número de corridas por dia na campanha uso de tampas refratárias e uso de préaquecedores e redução do número de panelas no ciclo sem afetar a produtividade da aciaria 124 CPA Controle de panelas da aciaria O CPA é um sistema de controle das panelas da aciaria da VM do BRASIL Este sistema permite o rastreamento das panelas no processo monitorando toda a campanha e fornecendo informações como encharque na corrida número de corridas na campanha temperaturas de trabalho qualidades produzidas na campanha tempo de alocação em cada equipamento dentre outras funcionalidades O CPA é um sistema fundamental no monitoramento da logística das panelas de aço possibilitando a avaliação da influência de parâmetros no desgaste refratário Figura 3 Tela principal do CPA Controle de panelas da aciaria da VM do BRASIL 2 METODOLOGIA Os esforços para atingir o estagio atual começaram no ano de 2006 através de um melhor conhecimento e controle das variáveis de processo que influenciam direto no desgaste refratário de panelas de aço Formouse uma equipe de trabalho entre a VM do BRASIL e a empresa Magnesita SA a fim de definir qual a metodologia de trabalho a ser seguida 21 Variabilidade do Tempo de Permanencia de Aço na Campanha O controle de campanha de panela de aço era realizado objetivando o número de 75 corridas até o ano de 2006 Os perfis de desgaste refratário no fim de campanha não eram homogêneos pois cada panela possuía um tempo de permanência de aço variando de 8200 minutos a 11500 minutos por campanha Devido a isso decidiuse mudar a forma de controle de logística de panelas de aço eliminando o limite de número de corridas passando para minutos de permanência de aço na campanha valor este controlado pelo software CPA e pelos controladores de logística da aciaria 22 Avaliação de Variáveis de Processo Estudouse a influencia de algumas variáveis e suas respectivas correlações com a campanha final da panela temperatura média de vazamento do LD tempo médio de permanência de aço na panela número de corridas por dia na campanha número de dias na campanha basicidade binária do Forno Panela MgO na escória do Forno Panela e FeO MnO na escória do Forno Panela 482 23 Avaliação do Tempo de Permanencia do Aço por Corrida Durante a Campanha Avaliouse o tempo de cada corrida durante a campanha a fim de evitar que uma mesma panela permaneça no ciclo com tempo de permanência de aço superior a 350 minutos numa mesma corrida A influência do tempo excessivo de aço em uma mesma corrida diminui o número de corridas no final de campanha pois a campanha da panela de aço com a nova metodologia está limitada a um tempo máximo em minutos Outra influência negativa é o longo tempo de contato entre a escória e o refratário em uma mesma corrida 24 Avaliação de Adição de Fluorita e Tempo de Forno Panela Ligado Foram monitorados e avaliados o tempo de forno panela ligado e a quantidade de adição de fluorita por corrida para verificação da influência no perfil de desgaste refratário 3 RESULTADOS 31 Variabilidade do Número de Minutos de Aço na Campanha Avaliouse a influência dos números em minutos de aço ao invés de número de corridas para controle da campanha da panela Percebeuse que para o mesmo número de corridas havia muita dispersão no número de minutos de aço na panela conforme o histograma abaixo 11750 10750 9750 8750 7750 15 10 5 0 LSL USL Cp 0175 CPL 0198 CPU 0547 Cpk 0198 Within Pp 0150 PPL 0170 PPU 0471 Ppk 0170 Cpm Overall Within Overall 11750 10750 9750 8750 7750 16 12 8 4 0 LSL USL Cp 0348 CPL 0437 CPU 0260 Cpk 0260 Within Pp 0331 PPL 0415 PPU 0247 Ppk 0247 Cpm Overall Within Overall Avaliação de capabilidade entre controle por corridas versus minutos Controle por Corridas Controle por minutos Figura 3 Avaliação da capabilidade para o método de controle por corridas versus método de controle por minutos Foram coletados valores de minutos de aço para o número de 75 a 77 corridas na campanha para o ano de 2006 cujo controle era realizado por corrida versus o ano de 2007 onde o controle era realizado por minutos de aço na campanha XL Seminário de Aciaria Internacional XL Steelmaking Seminar International 483 32 Avaliação de Variáveis de Processo Realizouse uma avaliação estatística das principais variáveis de processo correlacionando com a campanha de panela de aço Figura 4 Temperatura média de vazamento Figura 5 Tempo médio de aço na panela Alta Média Baixa 1650 1660 1670 Dotplots of Alta Baixa group means are indicated by lines Alta1 Média1 Baixa1 110 120 130 Dotplots of Alta1 Baixa1 group means are indicated by lines Pvalor 0827 Pvalor 0467 Baixa3 Média3 Alta3 5 4 3 2 Dotplots of Alta3 Baixa3 group means are indicated by lines Baixa4 Média4 Alta4 30 25 20 15 Dotplots of Alta4 Baixa4 group means are indicated by lines Pvalor 0001 Pvalor 0000 Figura 6 Corridas média por dia na panela Figura 7 Dias em campanha de cada panela Baixa5 Média5 Alta5 23 22 21 20 Dotplots of Alta5 Baixa5 group means are indicated by lines Pvalor 0272 Baixa6 Média6 Alta6 10 9 8 7 Dotplots of Alta6 Baixa6 group means are indicated by lines Pvalor 0000 Figura 8 Basicidade binária no forno panela Figura 9 MgO no forno panela XL Seminário de Aciaria Internacional XL Steelmaking Seminar International Figura 10 FeOMnO na escória do forno panela De acordo com o resultado estatístico Pvalor 005 as variáveis mais influentes na campanha da panela de aço são corridas média por dia na campanha número de dias na campanha e MgO na escória de Forno Panela As duas primeiras variáveis acima estão ligadas com a logística de panelas de aço na aciaria e a última relacionada com uma escória com baixa saturação de MgO 321 Gerência da logística de panelas de aço Realizouse uma mudança na logística de panelas de aço objetivando os valores encontrados nos testes estatísticos a fim de otimizar a campanha terminar a campanha de panela de aço em até 20 dias objetivando 15 dias na campanha e objetivar mínimo de 40 corridas por dia em cada panela As Figuras 11 e 12 mostram o resultado da mudança do controle gerencial de logística nas panelas de aço Figura 11 Dotplot de número de dias na campanha Figura 12 Boxplot de número de corridas na campanha 485 322 MgO na escória Para este item iniciouse um estudo para avaliação da saturação de MgO nas escórias do refino secundário através da termodinâmica computacional através do software Thermocalc A VM está iniciando uma dissertação de mestrado para melhor compreensão e avaliação dos principais parâmetros da escória do refino secundário em função de cada família de aço 33 Avaliação do Tempo de Corrida na Campanha Após verificação de ocorrências com tempo excessivo de permanência de aço 350 minutoscorrida trabalhouse na necessidade de repanelamento destas corridas Através da padronização e treinamento da operação verificouse uma melhoria expressiva no tempo de alocação máximo de cada corrida Figura 12 73 65 57 49 41 33 25 17 9 1 600 400 200 Observation Individual Value X1417 UC L2919 LB90 73 65 57 49 41 33 25 17 9 1 480 360 240 120 0 Observation Moving Range MR565 UC L1846 LC L0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Tempo com Aço min 2006 73 65 57 49 41 33 25 17 9 1 600 450 300 150 0 Observation Individual Value X1423 UC L2337 LC L508 73 65 57 49 41 33 25 17 9 1 200 150 100 50 0 Observation Moving Range MR344 UC L1123 LC L0 1 1 1 1 1 1 Tempo com Aço min 2008 Figura 11 Carta de controle de tempo de aço min Figura 12 Carta de controle de tempo de aço min em 2006 em 2008 34 Avaliação de Adição de Fluorita e Tempo de Forno Panela Ligado 341 Quantidade de fluorita Atualmente a adição de fluorita é limitada a 40 Kg por corrida 053Kgton Através do perfil de desgaste final de refratário nas panelas de aço percebeuse que esta adição não é prejudicial para a campanha do revestimento de trabalho Atualmente objetivase trabalhar com adições de 20 Kg em média quando necessário 342 Tempo forno panela ligado Através de correlações do número de corridas na campanha em função do tempo de forno panela ligado Figura 13 notouse que existe uma forte tendência entre essas variáveis Quanto maior o tempo médio de forno panela ligado menor a campanha da panela de aço XL Seminário de Aciaria Internacional XL Steelmaking Seminar International 486 19 18 17 16 15 80 78 76 74 72 70 68 66 FP ligado Nºcorridas S 266429 RSq 454 RSqadj 405 Número de corridas em função do tempo de FP ligado Nºcorridas 1027 1616 FP ligado Figura 13 Análise de regressão entre número de corridas versus tempo de forno panela ligado 4 DISCUSSÃO Além das avaliações mostradas nos itens anteriores alguns pontos de controle na aciaria são essenciais para garantir uma segurança e boa performance na utilização do refratário de panelas de aço 41 Influência Do Fluxo VD no Desgaste Refratário O número de corridas VD na campanha tem uma relação direta com o perfil de desgaste refratário não só pela alta agitação de argônio no interior da panela de aço mas principalmente pelas altas temperaturas praticadas no Forno Panela Por estes fatores o padrão atual de VD na campanha contempla uma redução do tempo de aço em minutos de acordo com o aumento de VD na campanha acima de 15 corridas conforme o padrão de panelas de aço 42 Tara Final de Panela de Aço Percebeuse que várias panelas que tiveram problemas de desgaste refratário localizado durante a sua campanha apresentavam baixa tara de panela de aço Portanto definiuse um limite mínimo de trabalho de tara de panela de aço na campanha pois o alto desgaste refratário será refletido na tara final menor do que a média das campanhas de panelas que obtiveram um bom perfil de desgaste refratário 43 Mudança de Cenário de Produção e Encharque das Panelas Verificouse que em cenários de baixa produção o perfil de desgaste refratário das panelas é afetado devido ao choque térmico sofrido pelo refratário e a maior presença das panelas de aço no gás Para estes casos objetivase manter a logística original de panela mantendo o número de dias objetivado na campanha 15 dias com a redução do número de panelas no ciclo 44 Investimentos na Aciaria Alguns investimentos na aciaria trouxeram ganhos indiretos para um melhor perfil de desgaste refratário no fim de campanha de panelas de aço que não é XL Seminário de Aciaria Internacional XL Steelmaking Seminar International 487 escopo deste trabalho mas vale a pena registrar repontencialização do forno panela e utilização do detector de escória no vazamento do convertedor LD 45 Redução do Número de Ocorrências nos Refratários de Panela de Aço A Figura 14 mostra o resultado do controle de processo e mudança na forma de trabalho realizado com os refratários de panelas de aço na aciaria da VM do BRASIL O gráfico mostra a redução do número de ocorrências de lascamentos de tijolos desgaste acentuado de revestimento de trabalho e queda de tijolos entre os anos de 2006 e 2008 Redução de ocorrências nos refratarios de panela de aço 882 1471 1029 323 806 565 1694 098 588 098 784 3382 000 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Lascamento Desgaste acentuado Queda de tijolos Total de problemas Ocorrências Porcentagem 2006 2007 2008 Figura 14 Redução de ocorrências de problemas no desgaste refratário de panelas de aço 5 CONCLUSÕES O presente trabalho mostrou a importância do controle estatístico de processo e gerenciamento técnico no refino secundário e a importância da logística de panelas de aço a fim elevar a performance global das panelas reduzindo os choques térmicos durante a sua campanha otimizando assim a vida de panelas de aço com segurança e boa relação custo benefício para ambas as partes envolvidas no desenvolvimento deste trabalho A partir de um conhecimento das melhores faixas objetivadas foi possível conseguir um melhor perfil de desgaste refratário no fim de campanha dentro dos limites de segurança estabelecido para o refratário Concluise que não existe um padrão perfeito para refratários de panelas de aço pois o mesmo devese adaptar aos cenários de produção a cada momento principalmente diante de um cenário de baixa produção onde os cuidados com o refratário devem ser redobrados a fim de obter segurança operacional na utilização dos mesmos Assim o conhecimento e acompanhamento corrida a corrida das variáveis significativas das causas doa perda de performance das panelas de aço conseguida também com a excelente sinergia entre aciaristas e refrataristas gerenciadas pelo XL Seminário de Aciaria Internacional XL Steelmaking Seminar International 488 método introduzido resultaram em uma maior estabilidade no perfil de desgaste refratário para panelas de aço Agradecimentos Agradecimento a VM do BRASIL que permitiu a execução do trabalho bem como toda a estrutura de processo para realização do mesmo À empresa Magnesita SA representada pelos senhores Luiz Fernando e Geraldo bastos que muito contribuíram para o sucesso deste trabalho Ao gerente da aciaria SrFabrício Batista que apoiou o trabalho e disponibilizou toda estrutura necessária para a execução do mesmo Aos operadores da Ala de corrida Forno panela e controladores de logística que nos auxiliaram diante das implementações das mudanças necessárias durante este trabalho Ao SrGeraldo Cruz que através de sua experiência permitiu o aprendizado da rotina e respeito ao refratário REFERÊNCIAS 1 SILVA LF Estudo da melhoria de performance do refratário da panela de aço da VM do Brasil Belo Horizonte UFMG 2005 2 PRETORIUS E Slags and the relationship with the refractory life and steel production Santos LWB Refractories 2002 3 HUBBLE DH Steel plant refractories Pittsburgh PA AISE Steel Foundation 1998 Cap 3 P 159226 4 GALLO M Refratários e insumos para lingotamento contínuo São Paulo ABM 2006 314p XL Seminário de Aciaria Internacional XL Steelmaking Seminar International