karine de paula bastos santos

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA
KARINE DE PAULA BASTOS SANTOS
MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO EM CONCRETOS
REFRATÁRIOS – ESTUDO DE CASO
Feira de Santana
2008
ii
KARINE DE PAULA BASTOS SANTOS
MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO EM CONCRETOS
REFRATÁRIOS – ESTUDO DE CASO
Monografia apresentada como prérequisito de conclusão do curso de
Engenharia Civil da Universidade Estadual
de Feira de Santana.
Orientador: Washington Almeida Moura
Co-Orientador: Jardel Pereira Gonçalves
Feira de Santana
2008
ii
KARINE DE PAULA BASTOS SANTOS
MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO EM CONCRETOS
REFRATÁRIOS – ESTUDO DE CASO
Feira de Santana, 15 de setembro de 2008.
Banca examinadora
___________________________________
Professor Washington Almeida Moura, DSc., Orientador
Universidade Estadual de Feira de Santana
__________________________________________
Professor Jardel Pereira Gonçalves, DSc., Co-orientador
Universidade Federal da Bahia
_______________________________________
Professor Élvio Antonino Guimarães, Msc.
Universidade Estadual de Feira de Santana
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, a Deus pela oportunidade de crescimento pessoal e profissional
obtidas durante o desenvolvimento deste trabalho de conclusão de curso.
A meus pais, Carlos e Mirian, pelo grande apoio.
Às minhas irmãs, Karina, Tayane e Roberta.
À minha amiga e colega de curso, Valmara.
Aos professores Washington Almeida Moura e Jardel Pereira Gonçalves pelo suporte e
orientação.
Aos engenheiros Edilberto Silva, Roberto Dias e Roberto Farias, pelo suporte fornecido para a
execução deste trabalho.
E a todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho.
iv
RESUMO
O concreto refratário é um material cerâmico capaz de resistir a altas temperaturas. Este
material apresenta larga utilização em setores industriais, tais como petroquímico, siderúrgico,
metalúrgico, dentre outros. O conhecimento do comportamento deste material é
imprescindível para sua utilização de forma eficaz e segura. Entretanto, a complexidade de
seu comportamento é desconhecida para grande maioria dos profissionais da construção. Este
desconhecimento tem provocado freqüentes manifestações patológicas nos elementos onde o
material é utilizado. A deterioração do concreto refratário pode provocar danos operacionais,
como paradas de unidades de produção e prejuízos financeiros. Neste contexto, este trabalho
aborda as principais propriedades termo-mecânicas e os mecanismos de degradação que
promovem a deterioração do concreto refratário, com objetivo de entender a ação e o
comportamento de agentes externos ao longo da vida útil deste material. O processo de
deterioração de concretos refratários foi observado em uma indústria química.
Palavras-chave: concreto refratário, propriedades termo-mecânicas, desempenho operacional,
degradação.
v
ABSTRACT
Refractory concrete is a ceramic material that is suitable for high temperatures. Refractory
concrete widely is used in industry sectors like metallurgy, steelmaking, petrochemical, etc. It
is important to know the properties of this material in order to obtain a better understanding of
its behavior during its lifetime. However, many engineers do not know the behavior of
refractory concretes. This lack of knowledge has led to pathological problems in the elements
made with that material. These damages have caused operational failures and financial losses
in many industries. In this work, the main thermal and mechanical properties and the
degradation in refractory concretes were studied in an effort to understand the action and the
behavior of corrosive agents on this material. The deterioration process was studied in a
chemical industry.
Keywords: refractory concrete, thermomechanical properties, operational performance,
damage.
vi
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ....................................................................................................................................... III
RESUMO .............................................................................................................................................................IV
ABSTRACT .......................................................................................................................................................... V
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................................VIII
1
INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ........................................................................................................ 1
1.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................................. 1
1.2
JUSTIFICATIVA ...................................................................................................................................... 2
1.3
OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 3
1.4
ESTRUTURA DA MONOGRAFIA .............................................................................................................. 3
2 CONCRETO REFRATÁRIO ........................................................................................................................... 5
2.1 MATERIAIS UTILIZADOS PARA A PRODUÇÃO DE CONCRETOS REFRATÁRIOS ................................................. 6
2.1.1 Aglomerantes ........................................................................................................................................ 7
2.1.1.1 Cimento de Aluminato de Cálcio (CAC).........................................................................................................8
2.1.2 Agregados ........................................................................................................................................... 10
2.1.3 Aditivos químicos e adições minerais ................................................................................................. 13
2.2 PRODUÇÃO DE CONCRETOS REFRATÁRIOS .................................................................................................. 13
2.2.1 Métodos de Instalação do Concreto Refratário .................................................................................. 14
2.2.2 Cura do Concreto Refratário .............................................................................................................. 17
2.2.3 Processo de Secagem e Sinterização .................................................................................................. 18
2.3 PROPRIEDADES ............................................................................................................................................ 20
2.3.1 Propriedades Térmicas ....................................................................................................................... 21
2.3.1.1 Calor Específico ............................................................................................................................................21
2.3.1.2 Condutividade Térmica (λ) e Difusividade....................................................................................................21
2.3.1.3 Expansão Térmica (α) ...................................................................................................................................23
2.3.2 Propriedades Mecânicas..................................................................................................................... 24
vii
2.3.2.1 Módulo de Elasticidade .................................................................................................................................25
2.3.2.2 Resistência à Compressão e Módulo de Ruptura...........................................................................................25
2.3.3 Porosidade e Permeabilidade............................................................................................................. 27
2.3.4 Refratariedade .................................................................................................................................... 27
2.4 MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO CONCRETOS REFRATÁRIOS....................................................................... 28
2.4.1 Abrasão e Erosão................................................................................................................................ 30
2.4.2 Choque Térmico.................................................................................................................................. 32
2.4.3 Comportamento quanto à Corrosão ................................................................................................... 33
2.5 CONCRETOS REFRATÁRIOS ESPECIAIS ......................................................................................................... 35
3 ESTUDO DE CASO ......................................................................................................................................... 38
4 CONCLUSÃO .................................................................................................................................................. 43
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................................. 44
ANEXO – ROTEIRO DE ENTREVISTA ........................................................................................................ 47
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Chaminé fabricada em concreto refratário..................................................................6
Figura 2. Alumina globular ......................................................................................................11
Figura 3. Representação esquemática do processo de instalação de concretos refratários. .....15
Figura 4. Dispositivos de fixação de concretos refratários.......................................................17
Figura 5. Infiltração de alumínio no concreto refratário ..........................................................29
Figura 6. Trincas em concreto refratário ..................................................................................30
Figura 7. Desgaste em concreto refratário devido à erosão......................................................30
Figura 8. Crescimento de trinca durante o impacto da partícula. .............................................31
Figura 9. Efeito da rugosidade da superfície no ângulo de contato do refratário com o vidro
líquido.......................................................................................................................................34
Figura 10. Forno rotativo..........................................................................................................38
Figura 11. Alimentação do forno..............................................................................................40
Figura 12. Descarga do forno ...................................................................................................40
Figura 13. Curva de aquecimento para concretos densos.........................................................41
Figura 14. Trincas paralelas à superfície do concreto refratário. .............................................42
1
INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA
1.1 Introdução
Os refratários são materiais cuja função primária é possibilitar a produção de outros materiais.
A sua utilização representou um dos fatores que impulsionaram o desenvolvimento
tecnológico alcançado atualmente pela humanidade. Através da formação de uma camada
refratária protetora em locais submetidos a altas temperaturas, é possível a produção de
materiais como vidros, cimentos, metais, produtos petroquímicos, dentre outros.
O concreto refratário pode ser definido como um material que, ao ser submetido a um
processo de sinterização, adquire características de natureza cerâmica que o torna capaz de
resistir a altas temperaturas (VAN VLACK, 1973). Por se tratar de um composto monolítico,
o concreto refratário substitui o uso de tijolos refratários, já que estes necessitam de uma
maior quantidade de juntas e apresentam propriedades inferiores às do concreto (SILVA et al.,
2003). Os tijolos, apesar de suas propriedades serem controladas e conhecidas antes da
aplicação, apresentam alto custo de instalação (THUMMEN et al., 2006).
Com objetivo de aumentar a produtividade, observa-se uma necessidade das indústrias, em
utilizar materiais refratários como revestimentos térmicos de maior qualidade, que possuam
volumes cada vez menores, grande versatilidade, que sejam mais resistentes aos ambientes
aos quais estão submetidos e de rápida instalação. A matéria-prima utilizada para o concreto
refratário, por ser moldada e sinterizada in-situ, possui baixo custo de instalação, permite a
produção em tamanhos variados e com formatos complexos (THUMMEN et al., 2006). Por
estes motivos, tem-se observado o crescimento na utilização de materiais monolíticos a
exemplo do concreto refratário.
O avanço científico acompanhado pelo surgimento de novas tecnologias tem possibilitado o
desenvolvimento de materiais com melhor desempenho em relação aos encontrados no
mercado atual. Gradativamente esses novos produtos serão aplicados em vários setores
industriais. Dentro deste contexto, o concreto refratário possui grande potencialidade para
atender às exigências de setores como: químico, petroquímico, siderúrgico, metalúrgico, na
produção de cimento e de vidro, dentre outros. Diversas aplicações podem ser mencionadas
2
para o concreto refratário, como revestimento em fornos metalúrgicos, em vasos e dutos de
calcinadores, usinas nucleares, altos fornos, fornos rotativos e ambientes expostos a
temperaturas superiores a 100°C.
Entretanto, o concreto refratário pode desenvolver, durante o aquecimento prolongado, alguns
mecanismos de degradação que podem ser provocados por processos físicos, mecânicos e
químicos. Estes ataques promovem o surgimento de manifestações patológicas e redução da
durabilidade do concreto. Desta forma, alternativas devem ser buscadas visando aumentar a
vida útil dos concretos refratários. Como conseqüência, os benefícios do prolongamento do
tempo de serviço de um equipamento incluem a redução de custos operacionais e de paradas
para recuperação, aumentando assim, a produtividade das indústrias.
1.2 Justificativa
O uso intensivo do concreto refratário tem provocado a realização de constantes reparos, o
que proporciona danos operacionais, como interrupções no processo de produção, e,
conseqüentemente, uma redução na produtividade das indústrias que utilizam esse concreto,
perdas financeiras e gastos excessivos com recuperação. Este quadro ainda é mais grave
devido ao despreparo técnico de muitos profissionais da Engenharia Civil. Em alguns casos, o
desconhecimento do comportamento do concreto refratário faz com que o mesmo deixe de ser
utilizado e substituído por um material que não atenda aos requisitos de desempenho a altas
temperaturas, a exemplo do concreto convencional.
O conhecimento das propriedades e dos processos de degradação em concretos refratários
submetidos a altas temperaturas pode promover um crescimento da produtividade e vida útil
de fornos de indústrias petroquímicas, siderúrgicas e metalúrgicas. O domínio das técnicas de
instalação do concreto refratário, processos de moldagem, sinterização (queima) e de cura
permitem a produção de concretos de maior qualidade e reduz a incidência de manifestações
patológicas durante o tempo de serviço. Como conseqüência, torna-se possível otimizar os
resultados obtidos durante os processos industriais e evitar danos que comprometam a
qualidade do produto final. Isto pode ser alcançado através do aprimoramento das
propriedades termomecânicas e de resistência à corrosão dos refratários (LEE et al., 1998).
3
O conhecimento dos mecanismos de degradação é um modo de evitar, ou pelo menos
reduzir, o processo de deterioração observado em estruturas de concreto refratário. A
produção de refratários com maior qualidade é essencial para que estes possuam uma maior
resistência aos ambientes agressivos aos quais são submetidos. Benefícios adicionais poderão
ser observados, tais como redução do risco de explosões nos fornos, redução da ocorrência de
outros tipos de acidentes, o que evita danos à saúde dos operários e redução da emissão de
poluentes para o meio ambiente.
1.3 Objetivos
Objetivo geral:
•
Discutir os principais problemas e as causas que promovem a deterioração de
concretos refratários.
Objetivos específicos:
•
entender as características e propriedades do concreto refratário;
•
apresentar os principais mecanismos de degradação em concretos refratários;
•
ilustrar um caso prático de utilização de concreto refratário e as manifestações
patológicas incidentes.
1.4 Estrutura da Monografia
Para o desenvolvimento do presente trabalho será apresentada uma abordagem teórica e
prática sobre o tema. O capítulo 2 apresenta a revisão de literatura a respeito das propriedades,
características e mecanismos de degradação mais comuns em concretos refratários. O
emprego de concretos especiais, tais como concretos com fibras, também é abordado neste
capítulo.
4
No capítulo 3, mostra, através do estudo de caso realizado em uma indústria química em
Feira de Santana, problemas patológicos em concretos refratários e a análise dos processos de
degradação que provocaram esses problemas. O procedimento empregado na realização do
estudo de caso consiste em: vistoria do local, levantamento das manifestações patológicas e
entrevista ao engenheiro responsável pela manutenção da indústria. Por fim, no capítulo 4, são
mostradas as conclusões obtidas com a realização deste trabalho e sugestões para trabalhos
futuros.
5
2 CONCRETO REFRATÁRIO
A NBR 10237 (1993) classifica os materiais refratários de acordo com os seguintes critérios:
forma, processo de fabricação, processo de conformação, natureza química e mineralógica
dos constituintes e grau de porosidade. Quanto à forma física final, os refratários são
classificados:
•
Conformados:
o formatos padronizados como arco, cunha, paralelos, radiais;
o formatos especiais.
•
Não conformados, massas plásticas e massas de projeção:
o argamassas;
o concretos densos e isolantes;
o massas de socar.
Ainda de acordo com a NBR 10237 (1993), quanto ao processo de fabricação, os refratários
são classificados do seguinte modo:
•
Conformados:
o queimados;
o impregnados;
o quimicamente ligados;
o eletrofundidos;
o ligados (curados ou não) a piche, a alcatrão ou a resinas.
•
Não conformados:
o pega hidráulica;
o pega a quente ou cerâmica;
o pega ao ar;
o pega química.
Com base nesta classificação, o concreto refratário pode ser definido como:
Um produto refratário não-conformado de pega hidráulica. Consiste na mistura de
um ou mais agregados refratários de granulometrias adequadas com um cimento
refratário que funciona como ligante. Pode conter ainda aditivos e componentes não
cerâmicos [...] (NBR 8826, 1997).
6
A figura 1 mostra a aplicação de concretos refratários leves para chaminés de fornos
cilíndricos utilizados em indústrias petroquímicas.
Figura 1. Chaminé fabricada em concreto refratário
(TROPINOVA et al., 2007)
2.1 Materiais Utilizados para a Produção de Concretos Refratários
Os materiais utilizados na produção de uma mistura com propriedades refratárias devem
apresentar resistência mecânica a altas temperaturas e características refratárias, uma vez que
esses materiais irão exercer grande influência sobre o desempenho da estrutura e irão atuar em
conjunto para garantir que o concreto seja capaz de trabalhar na temperatura máxima de
serviço. Essas características devem atender a valores específicos padronizados por
instituições como o American Concrete Institute (ACI), nos Estados Unidos. No Brasil, a
Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) determina as características gerais,
especificações e métodos de ensaio para materiais refratários. Existem também normas
7
internas de determinadas empresas, como a Petrobrás, que definem e classificam os
concretos refratários.
A microestrutura de um concreto refratário é bastante complexa, entretanto, pode ser
considerada como um conjunto de grãos milimétricos em uma matriz constituída de finos e de
cimento (THUMMEN et al., 2006). O cimento refratário normalmente utilizado é o cimento
aluminoso ou de aluminato de cálcio e, a depender do aglomerante, adiciona-se água em
função da quantidade em peso do agente ligante. É necessário destacar que, durante a seleção
dos materiais a serem utilizados para a produção de um concreto refratário, devem ser
analisadas as compatibilidades química e física destes materiais entre si e com a substância
que estará em contato direto com o concreto. A seguir, serão apresentados os principais
constituintes do concreto refratário que são: aglomerantes, agregados, aditivos químicos e
adições minerais.
2.1.1 Aglomerantes
Os concretos refratários geralmente são produzidos com aglomerantes de pega não-hidráulica
ou de pega hidráulica. Os aglomerantes de pega não-hidráulica não necessitam de água para o
desenvolvimento da pega. Entretanto, a presença de água é essencial para a trabalhabilidade
da mistura. Os aglomerantes de pega não-hidráulica mais utilizados são: waterglass, fosfatos
e magnésia (BAZANT e KAPLAN, 1996).
Dentre os aglomerantes hidráulicos utilizados em concretos refratários, destacam-se o cimento
Portland, o cimento de aluminato de bário e o cimento de aluminato de cálcio. O cimento
Portland apresenta uso limitado, pois, a temperaturas entre 105 e 800°C ou mais, ocorre a
desidratação do silicato de cálcio hidratado (C-S-H), principal produto formado durante a
hidratação do cimento. O C-S-H se decompõe em β-C2S (β-2CaO.SiO2), β-CS (β-CaO. SiO2)
e água. Além da desidratação do C-S-H, ocorre a decomposição de outro composto resultante
do processo de hidratação do cimento: o hidróxido de cálcio. Este se decompõe em óxido de
cálcio e água (BAZANT e KAPLAN, 1996). A presença do óxido de cálcio favorece a
formação de fases líquidas, o que promove a redução da resistência do refratário (GEROTTO
et al., 2000).
8
O cimento de aluminato de bário apresenta bom desempenho quanto à resistência ao fogo.
Segundo Banzant e Kaplan (1996), sua composição corresponde a 58 a 63% de óxido de bário
(BaO), 39% a 29% de óxido de alumínio ou alumina (Al2O3) e pequenas quantidades de
SiO2, CaO, Fe2O3, MgO e álcalis. Entretanto, o cimento refratário normalmente utilizado é o
cimento aluminoso ou de aluminato de cálcio, pois este possui em sua composição alumina,
uma das principais substâncias responsáveis pelas propriedades refratárias do concreto.
2.1.1.1 Cimento de Aluminato de Cálcio (CAC)
O cimento de aluminato de cálcio é conhecido também como cimento aluminoso ou cimento
fondu. Esta última denominação possui origem francesa e refere-se ao fato de seus materiais
constituintes serem completamente fundidos no forno (MEHTA, 1994; NEVILLE, 1997). O
CAC apresenta diversas vantagens em relação ao cimento Portland como alta resistência nas
primeiras idades, endurecimento mesmo em condições de baixas temperaturas, durabilidade
superior ao ataque por sulfatos. Entretanto, este cimento apresenta uso limitado em aplicações
estruturais devido a perdas graduais de resistência (MEHTA, 1994).
Os cimentos de aluminato de cálcio constituem os agentes ligantes mais empregados em
aplicações industriais, pois possuem grande disponibilidade, baixo custo, capacidade de
conferir alta resistência mecânica a verde aos concretos e resistência ao ataque de agentes
agressivos, quando em uso (OLIVEIRA e PANDOLFELLI, 2007).
As propriedades apresentadas pelo concreto com cimento aluminoso estão relacionadas às
características de hidratação deste cimento e da microestrutura da pasta endurecida. Ao
contrário do cimento Portland, não ocorre a formação do hidróxido de cálcio, um dos
responsáveis pela deterioração de concretos em ambientes ácidos. Além disso, a ausência de
hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, torna viável o emprego do cimento de aluminato de cálcio para
produção de concreto de alta temperatura. Este cimento tem como matérias-primas a bauxita e
o calcário. A bauxita é um mineral aluminoso hidratado, com impurezas como óxidos de ferro
e de titânio e pequenas quantidades de sílica (BAZANT e KAPLAN, 1996).
De acordo com Neville (1997), o cimento aluminoso é resultado da moagem do clínquer de
aluminato de cálcio e tem como principal constituinte cimentante, o aluminato monocálcico,
9
CaO.Al2O3 (CA), e como componentes secundários: 12CaO.7Al2O3 (C12A7), 2CaO.
Al2O3.SiO2 (C2AS), β-2CaO.SiO2 (βC2S) e 2CaO.Al2O3 -2CaO.Fe2O3 (C2A.C2F ou FSS).
Dessa forma, o CAC é constituído, quimicamente, por alumina e cal, em torno de 40%, 15%
de óxido férrico e ferroso, 5% de sílica e pequenas proporções de TiO2, MgO e álcalis.
Também existem cimentos com elevados teores de Al2O3, 50 a 80%, sendo conhecido como
cimento de alto teor de alumina (HAC).
Os cimentos comerciais apresentam três fases cristalinas principais, que são responsáveis pela
pega hidráulica: a fase estequiométrica, CA, em torno de 40 a 70% do cimento obtido, a fase
CA2 (CaO.2Al2O3 ), com proporção superior a 25% e a fase C12A7, constituindo de 1 a 10%
dos cimentos comerciais. A fase C12A7 se hidrata rapidamente, apesar de possuir uma baixa
temperatura de fusão. A fase CA possui uma hidratação lenta, entretanto, apresenta alta
temperatura de fusão. Já a fase CA2 é mais refratária que a CA, porém é necessário um longo
tempo para sua hidratação (GARCIA et al., 2007).
A hidratação do aluminato monocálcico promove a formação do hidrato CAH10
(CaO.Al2O3.10H2O). Dentre os hidratos formados, o CAH10 é o que possui menor densidade.
Ocorre também a formação de uma pequena quantidade do hidrato C2AH8 (2CaO.Al2O3
.8H2O) e de gel de alumina (Al2O3.aq). O primeiro produto formado é instável quimicamente
em temperaturas elevadas, o que provoca a formação de um produto mais estável, o C3AH6
(3CaO.Al2O3 6H2O), e também do gel de alumina. Esta reação é conhecida como conversão e
ocorre uma mudança da forma hexagonal, no primeiro composto, para a forma cúbica
(NEVILLE, 1997). A reação pode ser descrita da seguinte forma:
3(CaO. Al2O3 .10H2O) → 3CaO. Al2O3 .6H2O + 2 (Al2O3 .3H2O) + 18 H2O
simplificando:
3CAH10 → C3AH6 + 2AH3 + 18H
Apesar da água estar presente como produto dessa reação, de acordo com a equação acima,
para que a conversão aconteça, é necessária a sua presença. A quantidade de água que reage
quimicamente com o cimento é superior a 50% em peso da quantidade de cimento. Esse valor
é duas vezes superior à quantidade de água necessária para o processo de hidratação do
cimento Portland. Por outro lado, em misturas contendo cimento de aluminato de cálcio, o
processo de hidratação ocorre com uma velocidade maior que a velocidade de hidratação no
cimento Portland (BAZANT e KAPLAN, 1996).
10
O CAH10 é mais denso que o C3AH6. Por este motivo, a conversão provoca um aumento da
porosidade da pasta e conseqüentemente, ocorre perda da resistência do concreto refratário.
Entretanto, a altas temperaturas, acima de 1000°C, sua resistência cresce novamente devido à
formação do C3AH6, que é um material sinterizado estável. Este fenômeno é definido como
pega cerâmica (MEHTA, 1994).
A baixa resistência apresentada por concretos de cimentos aluminosos limita o seu uso. O
cimento, quando submetido a temperaturas em torno de 1300°C, é responsável pela formação
de uma fase líquida no concreto provocando seu amolecimento e, conseqüentemente, redução
da resistência. Por este motivo, o uso de cimento não é aconselhável para temperaturas
superiores a 1400°C quando a resistência é necessária (MYHRE et al., 1999). Um aumento
significativo na vida útil de concretos refratários tem sido obtido através da redução ou até
mesmo ausência de cimento na matriz evitando a formação de fases líquidas. Além disso,
esses concretos apresentam melhores resistências à corrosão e à fluência (GHOSH et al.,
2003).
Com base nestes problemas, novos materiais estão sendo desenvolvidos para a aplicação em
concretos refratários. Aditivos com partículas finas podem ser citados como exemplos, pois
promovem diversos benefícios nas propriedades desses concretos. Entretanto, segundo Ghosh
et al. (2003) a ausência de cimento aluminoso pode provocar o surgimento de fissuras nos
concretos durante o processo de secagem e uma baixa resistência antes do aquecimento, ou
seja, uma baixa resistência a verde do concreto. Por isso, grande parte dos concretos
refratários produzidos atualmente possui baixo teor de cimento, como por exemplo, 1 e 2%
em peso, a depender da aplicação.
Segundo Oliveira e Pandolfelli (2007), foram desenvolvidas aluminas hidratáveis como
alternativa direta ao uso de cimentos refratários, pois a presença de óxido de cálcio
proveniente do cimento provoca uma deterioração das propriedades mecânicas dos concretos
a altas temperatura na presença de sílica.
2.1.2 Agregados
Diversos tipos de agregados são utilizados na produção de concretos refratários. A sua
escolha deve ser baseada nas suas propriedades, tais como ponto de fusão, coeficiente de
11
expansão térmica, condutividade térmica, etc. Um concreto isolante, por exemplo, deve
possuir agregados com baixa condutividade térmica.
Os agregados normalmente utilizados em concretos refratários são constituídos por minerais
argilosos que, quando submetidos a altas temperaturas, sofrem alterações em sua constituição
apresentando características cerâmicas. Exemplos de argilominerais empregados na produção
de agregados são a mulita ou silicato de alumínio cristalino (Al2O3.2SiO2), mineral de alto
poder refratário, e o coríndon (α-Al2O3). Outros agregados utilizados são: cromita
(FeO.Cr2O3), magnésia sinterizada constituída por MgO e pequenas proporções de CaO,
dolomita sinterizada, com teores aproximadamente equivalentes de MgO e CaO, carbeto de
silício (SiC), forsterita, constituído principalmente por MgO e SiO2 com algumas impurezas
de Al2O3, Fe2O3 e CaO (BAZANT e KAPLAN, 1996).
Outros agregados com características refratárias são: bauxita e magnetita calcinadas,
utilizados para produção de concretos refratários densos; chamota, que é um tijolo moído de
alta densidade, constituído principalmente por sílica e alumina. Os agregados utilizados para
produção de concretos refratários leves com função de isolantes térmicos são: escória leve de
alto forno, argila expandida, cinzas volantes sinterizadas, ardósia expandida, pumicita, terras
diatomáceas calcinadas e alumina globular (BAZANT e KAPLAN, 1996). A alumina
globular pode ser observada na figura 2.
Figura 2. Alumina globular
(Asmil Minerais Ltda., 2007)
12
A presença de calcário deve ser evitada em concretos refratários devido ao processo de
descarbonatação. Esta reação ocorre entre 600 e 900°C. Ao ser resfriado, o concreto refratário
irá possuir grande quantidade de cal livre (CaO) formada durante a descarbonatação. A cal irá
reagir com a umidade atmosférica formando hidróxido de cálcio (Ca(OH)2). A formação deste
composto promove um crescimento volumétrico de 44%. Esta reação pode provocar danos e
rupturas no concreto (PETZOLD e RÖHRS, 1970 apud BAZANT e KAPLAN, 1996).
Segundo Bazant e Kaplan (1996), os fatores que devem ser considerados na seleção dos
agregados para produção de refratários são:
•
mudanças na composição química e na estrutura física que ocorrem em altas
temperaturas;
•
alterações volumétricas devido à retração e expansão;
•
resistência à ambientes agressivos e à abrasão;
•
capacidade do agregado em formar ligações cerâmicas tanto com aglomerantes
hidráulicos como não-hidráulicos, em temperaturas maiores que 1000°C;
•
granulometria e dimensão máxima do agregado.
A dimensão máxima, assim como em concretos convencionais, irá influenciar a quantidade de
água, a trabalhabilidade, peso unitário, deformação linear e porosidade do concreto refratário.
O concreto refratário adequado deve possuir agregados densos com a fração superfina
dispersa no líquido. Agregados de alumina fundida possibilitam esse efeito (MYHRE, 1996).
Os valores máximos para a dimensão do agregado variam de acordo com o tipo de agregado.
O valor máximo não deve ser superior a 3,81 cm, sendo que para argila expandida deve ser
inferior a 1,27 cm (BAZANT e KAPLAN, 1996).
Os agregados são os responsáveis pelo desempenho quanto à isolação e expansão térmica do
concreto, pois estão presentes em grandes quantidades. A sua seleção deve ser realizada de
acordo com o material que estará em contato direto com o concreto refratário, como por
exemplo, metais em fusão em indústrias metalúrgicas ou coque em indústrias petroquímicas.
Muitos tipos de agregados podem reagir com esses materiais ou serem atacados
quimicamente, comprometendo a durabilidade do concreto. Além desse aspecto, é necessário
conhecer a resistência mecânica que o agregado pode proporcionar ao concreto, bem como
sua capacidade de isolamento térmico.
13
2.1.3 Aditivos químicos e adições minerais
Os aditivos, de forma análoga ao concreto convencional, promovem um aumento do
desempenho dos concretos refratários. As adições minerais, também conhecidas como
estabilizadores cerâmicos, são materiais que apresentam granulação fina. De acordo com
Bazant e Kaplan (1996), as adições são utilizadas em concretos refratários submetidos a altas
temperaturas produzidos com cimento Portland com objetivo de evitar a formação de cal
livre. Conseqüentemente, ocorre um aumento da resistência em altas temperaturas. Exemplos
de adições são: chamota, argila calcinada, cromita, pó de quartzo, escória, cinza volante e
magnésia sinterizada.
Em concretos refratários também são utilizados aditivos químicos, que correspondem a
plastificantes, aceleradores de pega e agentes sinterizantes. Os plastificantes proporcionam
um aumento da trabalhabilidade e da resistência, redução do teor de água e da
permeabilidade.
A seleção de aditivos químicos exerce grande influência nas características de processamento
dos concretos, tais como: estado de dispersão das partículas, homogeneidade, propriedades
reológicas, comportamento de pega e consumo de água. É essencial conhecer o estado de
dispersão das partículas do concreto. Desta forma, é possível determinar a fluidez desses
materiais (OLIVEIRA e PANDOLFELLI, 2007).
2.2 Produção de Concretos Refratários
No Brasil, existem atualmente, 24 fabricantes de concreto refratário (Guia NEI Brasil, 2008).
Estes concretos já são comercializados com todos os elementos sólidos necessários para a
mistura: aglomerante, agregados e/ou aditivos. Dessa forma, o concreto refratário é fornecido
com os materiais constituintes pré-misturados sendo que, no local da moldagem, adiciona-se
apenas água.
Ao contrário do concreto convencional, o concreto refratário apresenta as seguintes etapas de
produção: dosagem e mistura, moldagem/ aplicação, cura, secagem e sinterização. A cura
14
pode ser realizada a baixas ou altas temperaturas, a depender das propriedades desejadas e
da posterior utilização do concreto. A secagem tem como objetivo remover o excesso de água
que é prejudicial ao concreto, enquanto que a sinterização visa formar fases estáveis, como
será visto posteriormente.
De acordo com a Portland Cement Association (1979) citado por Bazant e Kaplan (1996), a
dosagem do concreto refratário tem como objetivo fornecer a mistura mais econômica e
viável de materiais necessários para a produção de um concreto que atenda aos requisitos de
desempenho em condições particulares de uso. Entretanto, não é possível desenvolver uma
mistura capaz de satisfazer todas as condições de uso.
De modo semelhante ao concreto convencional, a quantidade de água presente no concreto
refratário influencia a trabalhabilidade do concreto fresco assim como as propriedades
mecânicas e a retração volumétrica (BAZANT e KAPLAN, 1996). O teor de água varia de
acordo com o tipo e granulometria do agregado e com as recomendações fornecidas pelos
fabricantes. A água deve ser isenta de contaminantes, principalmente sulfatos.
A mistura é de fundamental importância durante a aplicação dos concretos refratários, pois
afeta diretamente o tempo de parada de equipamentos durante operações de reparo ou
substituição do revestimento. Concretos que sejam rapidamente misturados e que exijam
misturadores de menor potência são sempre os mais adequados (STUDART et al., 2001).
Além de cuidados tomados durante a mistura, atenção também deve ser dedicada ao
transporte e à aplicação do concreto.
2.2.1 Métodos de Instalação do Concreto Refratário
Após a mistura, realiza-se a moldagem dos concretos refratários de acordo com o tipo de
aplicação. Existem vários métodos para instalação do concreto refratário. Nestes métodos, o
concreto pode ser lançado e vibrado (casting), projetável (shotcreting ou gunning), bombeado
(pumping), auto-escoantes (self-flowing ou self-compacting), socáveis (dry packing)
(BAZANT e KAPLAN, 1996). Os métodos mais utilizados são: vibração e projeção. A
figura 3 mostra uma representação destes métodos.
15
Figura 3. Representação esquemática do processo de instalação de concretos refratários.
(a) lançamento e vibração, (b) projeção a seco e (c) projeção a úmido (LEE e MOORE, 1996).
O emprego da técnica de lançamento e vibração iniciou-se em concretos com cimento
Portland e começou a ser utilizada em refratários a partir de 1920. Os fatores que influenciam
este processo são a fluência e as condições de cura do concreto (LEE e MOORE, 1996). Este
deve ser lançado imediatamente após a mistura e devem ser tomados cuidados para evitar
explosões, possíveis em concretos com cimento com alto teor de alumina, se estes forem
lançados e curados em temperaturas inferiores a 21°C (BANZANT e KAPLAN, 1996).
Os concretos vertidos, apesar de serem utilizados por gerar menores porosidades e melhores
homogeneidades microestruturais, elevando o desempenho em serviço, apresentam maior
tempo de instalação e secagem (VALENZUELA et al., 2008). Por este motivo, os concretos
projetáveis são utilizados. O concreto projetado pode ser aplicado através de duas técnicas,
como mostra as figuras 3.b e 3.c: projeção a seco (dry gunning) e projeção a úmido (wet
gunning ou wet-shotcrete). Na projeção a seco, a água é misturada com as partículas sólidas e
lançada sobre a superfície através de um mangote.
16
Comparada à técnica da projeção a seco, a projeção a úmido tem sido largamente utilizada
devido à necessidade de reduzir a emissão de partículas sólidas no local de trabalho, pois estas
partículas prejudicam a saúde dos operários. Neste processo, o material sólido é pré-misturado
à água e, sob pressão, projetado no local através de um mangote. É uma técnica também
utilizada em reparos, pois o concreto pode ser lançado e distribuído diretamente sobre a
parede e piso. Além disso, é necessária a realização de um controle reológico, pois a mistura
deve ser fluida quando submetida à pressão para então ser bombeada (LEE e MOORE, 1998).
A técnica de projeção a úmido proporciona uma boa homogeneidade da microestrutura.
Entretanto, esta técnica apresenta custo elevado devido à complexa logística de aplicação. Já a
projeção a seco possui custos inferiores, mas promove a formação de uma microestrutura
menos homogênea e mais porosa. Além disso, o concreto projetado a úmido possui maior
resistência ao dano por choque térmico cíclico, maior resistência à flexão e à erosão a quente,
menor retração (VALENZUELA et al., 2008). Dessa forma, o concreto refratário projetado a
úmido apresenta melhor desempenho que o concreto projetado a seco.
Concretos refratários lançados, projetados ou socados devem ser ancorados através de
dispositivos de fixação. No caso de paredes de concreto refratário, a fixação influencia na
durabilidade do revestimento, uma vez que, se for mal executada, pode promover o
surgimento de fissuração, facilitando a penetração de agentes corrosivos e posterior queda de
parte do concreto refratário (DENISOV et al., 2007).
A ancoragem pode ser realizada por meio de malhas (figura 4.a e 4.b) ou grampos metálicos
soldados. São encontrados no mercado diversos tipos de grampos tais como: “Y” (figura 4.c e
4.d), “V”, “G”, grampos de chapa, etc. Quando o concreto refratário precisa resistir a altas
temperaturas e alta resistência à abrasão, o uso de apenas uma camada de revestimento não é
indicado. O revestimento deve possuir duas camadas, como mostra a figura 4.d. A camada
interna é constituída por concreto refratário isolante e a externa, por concreto refratário com
alta resistência térmica (alta densidade) (DENISOV et al., 2007).
17
a
b
c
d
Figura 4. Dispositivos de fixação de concretos refratários
(DENISOV et al., 2007)
2.2.2 Cura do Concreto Refratário
Fatores como a qualidade da água, temperatura, umidade e métodos de mistura exercem
grande impacto no processo de cura de uma estrutura monolítica (LEE e MOORE, 1998). A
cura adequada é essencial para que o concreto possa desenvolver suas propriedades e reduzir
a retração por secagem.
A taxa de hidratação de cimentos com alto teor de alumina, usado frequentemente em
concretos refratários é superior à taxa de hidratação de cimentos Portland comuns. Banzant e
Kaplan (1996) mostram que a hidratação do cimento de aluminato de cálcio pode estar
praticamente completa em 24 horas após a mistura, assim como o desenvolvimento da
resistência pode alcançar 80% da resistência máxima.
O processo de hidratação é uma reação exotérmica. Há um crescimento brusco de temperatura
durante o endurecimento do concreto. Por este motivo, a superfície do concreto deve ser
mantida úmida, uma vez que o cimento possuirá água suficiente para a hidratação satisfatória.
A evaporação também promove um resfriamento proporcionando a dissipação de calor
causada pela hidratação (BANZANT e KAPLAN, 1996).
18
A cura pode ser realizada a baixas ou altas temperaturas. A realização da cura a baixas
temperaturas, menores que 20°C, é um dos fatores que provocam a ocorrência de explosões
devido à baixa permeabilidade dos concretos. Esta propriedade não está associada apenas à
dificuldade de saída de vapor da estrutura do refratário, como também a taxas de aquecimento
mais severas na superfície e maior quantidade de hidratos que se decompõem em
temperaturas próximas à de saída da água livre. Além disso, a temperatura de cura influencia
a resistência mecânica, a permeabilidade e a condutividade térmica do concreto refratário
(AKIYOSHI et al., 2004).
Concretos refratários contendo cimento de aluminato de cálcio possuem maior tendência à
explosão durante o período de cura. Akiyoshi et al. (2002) apresentam como causas os
seguintes itens: fases de cimento com baixas densidades que retém grande quantidade de água
combinada no interior de sua estrutura; dificuldade imposta à saída de água livre, que ocorre
devido à densidade de empacotamento do concreto, nível de permeabilidade, taxa de
aquecimento, volume do corpo, etc.
De acordo com o ACI (1979) citado por Bazant e Kaplan (1996), sempre que possível, o
concreto refratário deve ser resfriado e submetido ao processo de cura em temperaturas
inferiores a 99°C devido aos seguintes fatores:
•
a temperatura máxima de serviço do concreto refratário ainda não foi obtida;
•
o emprego de altas temperaturas durante o endurecimento pode produzir tensões
térmicas suficientes para fissuras durante o resfriamento.
Por este motivo, o processo de cura deve ser empregado com muito cuidado, com atenção
especial durante as primeiras 24h após a moldagem. A cura deve ser iniciada após o fim de
pega do concreto e a superfície deve ser mantida úmida por 24 horas ou mais, espalhando-se
água sobre a superfície ou aplicando-se um líquido capaz de reter a umidade na superfície do
concreto (BANZANT e KAPLAN, 1996).
2.2.3 Processo de Secagem e Sinterização
O processo de secagem é uma das etapas mais complexas do processamento dos concretos
refratários, pois envolve gastos com energia, tempo de parada de equipamentos e, caso sua
19
execução não seja realizada de forma cuidadosa, pode acarretar graves acidentes e
explosões (AKIYOSHI et al., 2004).
Arnosti Jr et al. (1999) definem o processo de secagem como a etapa do processamento de
concretos refratários onde a água indesejável do material é extraída da forma mais rápida e
com o menor gasto de energia possível. Além disso, o processo de secagem engloba desde a
etapa de conformação do corpo até a sinterização.
A secagem de concretos refratários é normalmente realizada em três etapas: aquecimento, que
ocorre entre a temperatura ambiente até cerca de 100°C, onde ocorre a evaporação da água
livre. No segundo estágio ocorre a ebulição da água livre e a formação de vapor influenciada
pelo aumento da temperatura. Já no terceiro estágio, verifica-se que em sistemas contendo
CAC, ocorre a decomposição da água combinada na forma de hidratos tais como C3AH6 e
AH3 (ISMAEL et al., 2006).
Devido à presença de água livre e à baixa permeabilidade da maioria dos concretos
refratários, a taxa de calor durante o primeiro ciclo de aquecimento após a secagem do
concreto deve ser baixa o suficiente para prevenir a fissuração (BAZANT e KAPLAN, 1996).
Os processos lentos de secagem têm como objetivo evitar danos e a tendência à explosão do
concreto durante a fase inicial de aquecimento, provocados pela ruptura das ligações
hidráulicas do material. Por este motivo, são necessários longos ciclos de secagem que
interferem na retomada da produção nas indústrias (AKIYOSHI et al., 2002).
Existem diferentes técnicas de secagem empregadas na produção de concretos refratários.
Arnosti Jr. et al. (1999) apresentam as seguintes técnicas: secagem em estufa, sublimação
(liofilização), microondas, adição de solvente e secagem supercrítica. Devido à simplicidade
de operação, a técnica mais utilizada é a secagem em estufa.
Após a secagem, os concretos refratários são sinterizados. Esta etapa é fundamental durante o
processo de fabricação de produtos cerâmicos, uma vez que ocorre a substituição das ligações
hidráulicas por ligações cerâmicas. O objetivo da sinterização é aglomerar as partículas
formando uma massa coerente e promovendo alterações como a redução da área específica
total, redução do volume aparente total e aumento da resistência mecânica (VAN VLACK,
1973). A temperatura de sinterização varia de acordo com o tipo de aglomerante e agregados
utilizados para a produção do concreto.
20
O processo de sinterização proporciona diversos benefícios para o refratário. As principais
vantagens de uma peça pré-queimada são maiores resistências mecânica e anti-corrosiva e
maior estabilidade dimensional (MIYAJI, 2007).
2.3 Propriedades
É imprescindível conhecer o comportamento térmico, físico, químico e mecânico (resistência
à tração, à compressão, à flexão, fadiga, fluência, retração, erosão, ataque por substâncias
corrosivas) do concreto refratário, diante das solicitações termomecânicas em altas
temperaturas. Através deste conhecimento, torna-se possível produzir concretos refratários de
melhor qualidade e aprimorar os processos de aplicação, cura e secagem.
As informações fornecidas pela literatura técnica quanto às propriedades do concreto
refratário possuem grande variação, uma vez que estas propriedades variam de acordo com a
composição química do cimento, o tipo de agregado utilizado e o modo de cura e secagem do
material. Além disso, as propriedades do concreto geralmente são medidas a frio e, dessa
forma, não correspondem às reais características do material quando em temperatura de
serviço (MEDEIROS et al., 2002).
As características que determinam o desempenho de um concreto refratário estão diretamente
relacionadas ao conteúdo da mistura, ao teor de água e ao processo de moldagem. Estes
fatores irão influenciar a porosidade e as propriedades físico-quimicas do concreto. A fluidez,
por exemplo, é uma das propriedades que determinam o comportamento reológico do
concreto refratário e, consequentemente, o seu escoamento. Este é favorecido pela distância
de separação entre os agregados (STUDART et al., 2001).
O concreto refratário está exposto constantemente a tensões térmicas e mecânicas. Por este
motivo, ele deve possuir elevada resistência mecânica, alta estabilidade térmica e vítrea e
deve manter a temperatura do produto homogênea (ROSSIKHINA et al., 2006). Além desses
fatores, o comportamento deste material durante a sua vida útil depende das variações bruscas
de temperatura, o que exige alta refratariedade, valores mínimos de dilatação e retração, boa
maleabilidade, baixa condutibilidade térmica no caso de concretos isolantes, baixa
permeabilidade e estabilidade química e dimensional. Essas propriedades devem ser
21
determinadas de acordo com as condições de operação do concreto refratário e
especificações técnicas para cada aplicação.
Neste tópico, serão abordadas as principais características e propriedades termomecânicas do
concreto refratário. O conhecimento do comportamento deste material possibilita prever o seu
desempenho ao longo de sua vida útil.
2.3.1 Propriedades Térmicas
2.3.1.1 Calor Específico
O calor específico pode ser definido como a quantidade de calor necessária para aumentar a
temperatura de uma unidade de massa de um material em um grau (MEHTA, 1994). A
determinação do calor específico do concreto é necessária para o conhecimento de sua
capacidade térmica.
Os agregados, por ocuparem a maior parte do volume do concreto, determinam em grande
parte o seu calor específico. Agregados como chamota, magnésia e cromita possuem valores
de calor específico variando entre os seguintes valores, respectivamente: 0,20 a 0,25, 0,10 a
0,30 e 0,18 a 0,22 cal.g-1.°C-1. Entretanto, o calor específico tende a aumentar com as
temperaturas (BAZANT e KAPLAN, 1996).
2.3.1.2 Condutividade Térmica (λ) e Difusividade
De acordo com a NBR 8826 (1997), a condutividade térmica pode ser definida como a
propriedade de um material transmitir calor através de sua massa, de uma região de alta
temperatura para uma mais baixa. Os valores correspondentes a esta propriedade são
expressos em watts por metro vezes Kelvin (W/(m.K)).
A condutibilidade térmica é uma das principais propriedades que devem ser consideradas
durante funcionamento de estruturas de concreto refratário, sendo influenciada pelo teor de
22
água adsorvida presente na mistura, pela densidade do concreto, pela quantidade de poros e
pela condutibilidade térmica de seus constituintes. Bazant e Kaplan (1996) ressaltam a
importância da condutividade térmica do agregado e do teor de umidade durante o
aquecimento.
Em geral, a condutibilidade do concreto cresce com o aumento da temperatura. Concretos
isolantes leves, entretanto, apresentam baixa condutibilidade térmica, pois possuem grande
quantidade de poros (BAZANT e KAPLAN, 1996). Concretos refratários aplicados na
construção de fornalhas e fornos devem apresentar baixos valores de condutividade com
objetivo de reduzir as perdas de calor.
Por outro lado, em regiões específicas dos fornos, a presença do calor seria prejudicial e a sua
remoção deve ocorrer o mais rápido possível através de materiais que apresentem alta
condutividade térmica (LEE e MOORE, 1998). Por este motivo, a transferência de calor,
necessária para as operações de aquecimento, em alguns casos é obtida através do emprego de
agregados de condutibilidade térmica mais elevada. Esta característica é essencial para
impedir o surgimento de falhas provocadas pelo choque térmico. A alta condutividade térmica
pode ser obtidas através da utilização de refratários densos (MIYAJI, 2007).
Lee e Moore (1998) afirmam que não há métodos para a determinação da condutividade
térmica em temperaturas acima de 2200°C. Para temperaturas menores, os métodos
freqüentemente utilizados são: uso do calorímetro, comparação, dentre outros.
Bazant e Kaplan (1996) mostram que a condutividade térmica de um concreto refratário
depende de uma quantidade relativa de cimento hidráulico e da presença de ligações
cerâmicas. No concreto refratário, há três regiões que apresentam comportamentos diferentes
que correspondem a níveis de temperatura. Estes comportamentos são:
•
manutenção do material hidratado;
•
perda de água quimicamente combinada;
•
desenvolvimento de ligações cerâmicas.
A existência destas zonas depende do tempo, uma vez que o processo de desidratação e a
formação de ligações cerâmicas dependem do tempo e da temperatura (BAZANT e
KAPLAN, 1996).
A presença de gases também exerce influência sobre o comportamento térmico do concreto
refratário. Os gases alteram a transferência de calor e podem provocar rupturas se a sua
23
influência não for considerada (LEE e MOORE, 1998). Gases como hidrogênio e hélio
aumentam a condutividade, principalmente em concretos isolantes com alta porosidade
(WYGANT e CROWLEY, 1958 apud BAZANT e KAPLAN, 1996).
Concretos refratários com 70% de Al2O3, produzidos através de técnicas como projeção a
seco e projeção a úmido, podem atingir valores equivalentes a 2,03 e 2,13 W/mK a 1250°C,
respectivamente. Estes valores de condutividade auxiliam na resistência ao choque térmico,
entretanto, requerem bom isolamento térmico com objetivo de evitar perdas excessivas de
calor (VALENZUELA et al., 2008).
A difusividade térmica é a relação entre a condutividade térmica e o calor específico e a
massa específica do concreto, conforme a equação abaixo:
κ=
K
c.ρ
Onde,
κ – difusividade, em m²/h.
K – condutividade térmica, J/m.h.K.
c – calor específico do concreto, J/kg. K.
ρ – massa específica do concreto, kg/m³.
De acordo com esta equação, é possível observar que o calor irá se difundir com facilidade em
um concreto com uma difusividade térmica mais elevada, uma vez que a condutividade
térmica é diretamente proporcional à difusividade (MEHTA, 1994). Além disso, concretos
com difusividade alta podem ser submetidos a tempos menores de pré-aquecimento, o que
representa uma grande vantagem operacional (MIYAJI, 2007).
2.3.1.3 Expansão Térmica (α)
A expansão térmica exerce grande influência sobre o comportamento do concreto refratário
em relação ao choque térmico. Segundo Bazant e Kaplan (1996), as alterações dimensionais
irreversíveis ocorrem devido à fatores relacionados às propriedades dos constituintes do
concreto, tais como cimento, agregados, presença de umidade e temperatura máxima de
aquecimento.
24
Agregados porosos apresentam uma expansão térmica menor do que agregados densos.
Além do aspecto físico, a constituição química dos agregados influencia o seu comportamento
térmico. Agregados silicosos, por exemplo, quando submetidos a temperaturas de 1000°C e
resfriados em seguida, apresentam uma expansão residual. Já concretos com agregados de
escória exibem uma contração residual. Estas alterações irreversíveis na dimensão ocorrem
devido a mudanças na constituição química e física que ocorrem quando o concreto é
aquecido (BAZANT e KAPLAN, 1996).
Em concretos contendo cimento de aluminato de cálcio, observa-se que a temperatura de cura
influencia de forma significativa na expansão térmica do concreto. Davido e Whittemore
(1969) citado por Lee e Moore (1998) mostram que concretos com temperaturas até 500°C,
sofrem um aumento significativo da retração quando submetidos à temperatura de cura de
22°C a 60°C.
Valenzuela et al. (2007), determinaram o coeficiente de expansão térmica linear médio de
concretos refratários alumino-silicosos com 70% de Al2O3, projetados a úmido e a seco. Os
valores encontrados foram, respectivamente, de 6,0 x 10-6 °C-1 e 6,3 x 10-6 °C-1. O concreto
projetado a úmido possui um valor menor devido às fases de menor expansão, presentes em
sua composição, a exemplo da mulita, e que auxiliam na resistência ao choque térmico
(VALENZUELA et al., 2008).
2.3.2 Propriedades Mecânicas
O atual conhecimento das propriedades mecânicas dos concretos refratários é restrito.
Entretanto, o conhecimento limitado não inviabilizou a utilização deste material. Bazant e
Kaplan (1996) mostram que o concreto refratário pode ser empregado na indústria química,
como revestimento, devido aos seguintes fatores:
•
os revestimentos são testados em escala integral, dessa forma, o projeto é
desenvolvido após vários experimentos;
•
os revestimentos não são submetidos a carregamentos, por este motivo, os problemas
decorrentes de suas falhas não chegam a ser catastróficos;
25
•
os projetos destes revestimentos especificam uma vida útil limitada e posterior
substituição.
O desempenho mecânico do concreto é fortemente influenciado pela temperatura. Em altas
temperaturas, o concreto refratário apresenta um comportamento visco-plástico, que pode
representar uma vantagem no que diz respeito à fragilidade do concreto. O desenvolvimento
das propriedades à temperatura ambiente é complexo, pois depende da temperatura de
tratamento térmico (THUMMEN et al., 2006).
Em concretos refratários submetidos à altíssimas temperaturas observa-se um crescimento da
ductilidade, e conseqüente redução da fragilidade, associada com um crescimento da fluência
específica (razão do deslocamento medido pelo referencial de espaço deslocado – m/m),
quando se aproxima do ponto de fusão (BAZANT e KAPLAN, 1996).
2.3.2.1 Módulo de Elasticidade
Em temperaturas normais, o módulo de elasticidade (E) de concretos refratários com cimento
de aluminato de cálcio está compreendido entre os valores de 29 a 39 GPa. Quando aquecidos
sem sofrerem processo de queima, o valor do módulo de elasticidade, em temperaturas de
800°C, decresce em torno de 5 a 25%. Estas alterações no módulo de elasticidade ocorre
devido a variações nas ligações cerâmicas, à formação de novas fases minerais e à processos
de recristalização (BAZANT e KAPLAN, 1996).
2.3.2.2 Resistência à Compressão e Módulo de Ruptura
A resistência à compressão uniaxial de concretos refratários resfriados em temperatura
ambiente, após terem sido aquecidos a uma determinada temperatura, nem sempre equivale à
resistência deste mesmo concreto quando aquecido. Vários fatores influenciam a resistência à
compressão de concretos refratários tais como: o tipo de agentes ligantes, tipo e granulometria
dos agregados, proporções da mistura, dentre outros (BAZANT e KAPLAN, 1996).
26
Bazant e Kaplan (1996) afirmam que, em concretos de cimento de aluminato de cálcio, à
medida que ocorre um crescimento da temperatura, ocorre uma redução da resistência à
compressão. Os autores justificam este fato devido, principalmente, às alterações químicas
que ocorrem nos minerais hidratados do cimento hidráulico com o aumento da temperatura.
Como resultado, ocorre a desidratação ou perda de água quimicamente combinada e a redução
de ligações químicas e conseqüente queda da resistência. No caso de concretos refratários
com baixo ou ultra-baixo teor de cimento, a resistência continua constante até temperaturas de
1500°C. Após a queima e desenvolvimento das ligações cerâmicas, estes concretos não
apresentam alterações volumétricas consideráveis.
Concretos refratários com grande quantidade de material ligante apresentam elevada
resistência mecânica após a secagem. Entretanto, ocorre uma redução da refratariedade. Por
outro lado, concretos refratários projetados a seco possuem melhor capacidade de suportar
maiores espessuras projetadas, porém, quanto maior a espessura, maior será a taxa de fluência
quando a resistência mecânica for reduzida na decomposição do ligante hidráulico
(VALENZUELA et al., 2008).
A resistência à compressão a frio de concretos refratários convencionais está compreendida
entre os valores de 6,9 a 55,2MPa. Já concretos refratários leves, com densidades de até 800
kg/m³, a resistência varia entre 1,4 a 3,5MPa. Para densidades entre 1200 a 1600kg/m³, a
resistência de concretos refratários varia entre 6,9 a 17,3MPa (ACI, 1979 apud BANZANT e
KAPLAN, 1996).
A resistência à flexão ou módulo de ruptura é obtida através de ensaios de flexão onde se
determina a resistência à tração. Bazant e Kaplan (1996) citam exemplos de valores da
resistência à flexão após o resfriamento. Em concretos aquecidos à temperaturas próximas a
1371°C, a resistência à frio do concreto com cimento de alumina de alta pureza e de pureza
intermediária, foram, respectivamente, 15,8MPa e 10,3MPa. A resistência à quente
correspondeu a 3,4MPa e 1,4MPa, respectivamente. Desse modo, é possível observar uma
redução na resistência. Esta redução ocorre devido à fase vítrea que se forma em altas
temperaturas e conseqüente aumento da viscosidade (BAZANT e KAPLAN, 1996).
27
2.3.3 Porosidade e Permeabilidade
Segundo Bazant e Kaplan(1996) a porosidade de um concreto refratário é influenciada pela
temperatura e pela formação de ligações cerâmicas entre o aglomerante e o agregado.
Alterações na porosidade e densidade de concretos fabricados com cimento de aluminato de
cálcio ocorrem em baixas temperaturas e estão associadas às reações de conversão que
ocorrem em temperaturas menores que 100°C.
Um aumento da porosidade aumenta a probabilidade de ataque químico no concreto. A
importância desta propriedade, assim como da permeabilidade, foi relatada por Neville (1981)
apud Bazant e Kaplan(1996):
Em um concreto refratário existem dois tipos de porosidade, a aberta e a fechada. A
porosidade aberta está relacionada aos poros que estão em contato com a atmosfera.
[...] A princípio, o concreto refratário pode ser considerado um material de
porosidade aberta. A permeabilidade fornece a melhor indicação da porosidade no
que diz respeito ao movimento de gases e líquidos através do concreto refratário.
Entretanto, a permeabilidade do concreto não é em função simplesmente da sua
porosidade do concreto, ou seja, depende de outros fatores tais como o diâmetro,
distribuição e continuidade dos poros. Dessa forma, permeabilidade e porosidade
não estão necessariamente relacionadas de forma direta.
A permeabilidade pode ser utilizada como uma forma de previsão da vida útil de concretos
refratários, uma vez que a resistência do concreto refratário à penetração de agentes
corrosivos depende de sua permeabilidade e de outros fatores. A permeabilidade está
associada de forma direta ao processo de secagem. Pardo et al. (2001) citam, como exemplo,
o caso de dois meios porosos semelhantes. O mais permeável seca em um intervalo de tempo
menor, sem prejudicar suas propriedades. Como conseqüência, o custo de processamento do
concreto será menor, assim como o risco de explosões, uma vez que os vapores sairão do
concreto com maior facilidade.
2.3.4 Refratariedade
Segundo Lee e Moore (1998), a refratariedade é o amolecimento ou abatimento do material
devido à fusão das fases presentes no material em uma faixa de temperatura. Concretos com
alto teor de cimento em sua formulação (>3%-p CaO) possuem menor refratariedade devido à
formação de fases de menor ponto de fusão no sistema Al2O3-Si2O-CaO (VALENZUELA et
al., 2008).
28
A refratariedade é determinada através de um ensaio conhecido como cone pirométrico
equivalente. Este ensaio avalia o ponto de amolecimento do agregado, ou seja, a temperatura
em que ocorre o processo de fusão. Dessa forma, este ensaio mede a temperatura e o tempo de
exposição necessários para o desenvolvimento uma viscosidade crítica de um cone padrão.
A NBR 6222 – Material refratário – Determinação do cone pirométrico equivalente especifica
a metodologia para a determinação da refratariedade de um material. A refratariedade simples
mínima ou cone pirométrico equivalente mínimo para que um material possa ser considerado
refratário, corresponde ao CONE ORTON 15 (1435 °C - ABNT) (IOPE, 2008).
2.4 Mecanismos de Degradação Concretos Refratários
O concreto refratário pode sofrer processos de degradação ao longo de sua vida útil. Existem
diversos fatores que influenciam esses processos. Um acabamento de baixa qualidade, por
exemplo, prejudica o desempenho do concreto refratário, uma vez que a presença de defeitos
superficiais atua como catalisador para nucleação de trincas, degradando as propriedades
mecânicas (VALENZUELA et al., 2008).
Há várias formas de degradação em concretos refratários provocadas por processos físicos,
mecânicos e químicos. Quando um concreto refratário é submetido a altas temperaturas, pode
ocorrer a formação de trincas térmicas, fenômeno conhecido como spalling térmico. Este tipo
de degradação ocorre devido a choques térmicos ou devido ao crescimento de tensões dos
vapores presentes nos poros do concreto que se tornam superiores à tensão máxima que o
concreto é capaz de resistir.
Além do spalling térmico, outros processos de degradação podem ocorrer como a ruptura
estrutural, resultante de forças externas e internas de natureza físico-química, e a ruptura
mecânica, causada pela aplicação de forças externas ao refratário ou devido à combinação de
esforços de compressão, flexão ou tração com esforços dinâmicos que provocam o surgimento
de fissuras. Há também desgaste por abrasão e por erosão nos revestimentos em concretos
refratários.
Outro fenômeno que pode ser observado em concretos refratários ao longo de sua vida útil é o
ataque químico por agentes agressivos como álcalis, coque, cinzas de combustível, compostos
29
de enxofre, dentre outros. Estas substâncias desencadeiam o processo de corrosão nestes
concretos. Segundo Pardo et al. (2001), para reduzir a corrosão, é desejável que o concreto
seja o menos permeável possível aos agentes corrosivos. Entretanto, o concreto deve ser
permeável o suficiente para permitir a eliminação de água durante a secagem e ao mesmo
tempo dificultar a corrosão durante o seu uso.
De acordo com Thummen et al. (2006) a medição da degradação em concretos é possível. Os
autores mostram, através de análises detalhadas do comportamento mecânico de concretos
refratários, um aumento da difusão do processo de degradação seguida pela sua concentração
ao redor de uma área fraturada. Como conseqüência, ocorre o surgimento e a propagação de
macrofissuras. O início da concentração de regiões danificadas pode ser um indicador
importante para a determinação da vida útil do concreto. A identificação destes danos pode
ser realizada através de um dispositivo de emissão acústica.
Materiais refratários geralmente contêm gases que podem alterar de forma significativa a
transferência de calor e têm provocado inúmeras falhas devido à negligências ocorridas
quando este fato não é levado em consideração (LEE e MOORE, 1998). Para o normal
funcionamento do concreto refratário, é necessário o conhecimento e acompanhamento do
todo o processo de produção.
Como conseqüência dos processos de degradação, ocorrem o surgimento de manifestações
patológicas como por exemplo, infiltração (figura 5), fissuras, trincas (figura 6),
desplacamento do concreto, desgaste provocado por abrasão e/ou erosão (figura 7), dentre
outros. A seguir, serão abordados os mecanismos de degradação mais freqüentes em
concretos refratários.
Figura 5. Infiltração de alumínio no concreto refratário
(MIYAJI, 2007)
30
Figura 6. Trincas em concreto refratário
(MIYAJI, 2007)
Figura 7. Desgaste em concreto refratário devido à erosão
(MIYAJI, 2007)
2.4.1 Abrasão e Erosão
O concreto refratário está sujeito à deterioração física em vários processos industriais. A
abrasão e a erosão são exemplos de deterioração. Santos et al. (2006) diferenciam estes dois
fenômenos da seguinte forma: a abrasão está relacionada ao desgaste ocorrido quando
partículas duras se movimentam paralelamente à superfície de um material. A erosão, no
entanto, é a perda progressiva de material de uma superfície devido ao impacto de um fluido,
que pode ser um líquido e/ou partículas sólidas. O impacto causado por estas partículas
promove o surgimento de trincas prejudicando a resistência mecânica do concreto. A figura 8
mostra crescimento de trincas no concreto refratário, ao sofrer o impacto de uma partícula.
31
Figura 8. Crescimento de trinca durante o impacto da partícula.
O sinal (+) representa a superfície sob carregamento e o (-) indica a retirada de carga por parte
da partícula. A região escura denota deformação irreversível (SANTOS, 2006).
A figura 8 mostra a formação de trincas radiais quando a superfície está sob carregamento
durante o impacto. Estas trincas estão orientadas perpendicularmente à superfície e promovem
a redução da resistência mecânica do concreto. Após a retirada da partícula ocorre a formação
de trincas laterais, paralelas à superfície do material e estão relacionadas ao desgaste por
erosão (SANTOS et al., 2006).
A resistência à abrasão pode ser identificada através de ensaios que medem o volume de
crateras formadas durante a ação de um jato de carbeto de silício em pó sobre a superfície de
um corpo-de-prova, método padronizado pela ASTM – American Society for Testing and
Materials (DENISOV et al., 2007).
Os concretos refratários com alta densidade e resistência térmica geralmente possuem boa
resistência à abrasão. Por outro lado, concretos com alto teor de água apresentam resistência à
abrasão menores. A utilização de concretos com baixo teor de cimento (< 10%) associados
com o emprego de materiais finos, plastificantes, defloculantes e aditivos reguladores de pega
e endurecimento, evitam a redução da resistência durante o aquecimento, além de
apresentarem alta densidade, resistência à abrasão e a quedas de temperaturas (DENISOV et
al., 2007).
32
O aumento da resistência à erosão pode ser obtido através da utilização de concretos
fabricados com cimento de alto teor de alumina e de concretos refratários com altas
temperaturas de amolecimento e refratariedade (VALENZUELA et al., 2008). Além disso, o
processo de erosão pode ser minimizado através da redução da velocidade das partículas
(BANZANT e KAPLAN, 1996).
Em revestimentos de concretos refratários, a resistência à abrasão é um dos principais
parâmetros que definem a qualidade do material, uma vez que este revestimento tem como
função, proteger o equipamento contra o desgaste. Denisov et al. (2007), recomendam a
utilização de dispositivos de fixação do revestimento para aumentar a resistência à abrasão,
como visto no subitem 2.2.1 deste trabalho.
2.4.2 Choque Térmico
O choque térmico ocorre quando a superfície do corpo cerâmico é subitamente exposta a
mudanças elevadas de temperaturas. Durante o choque térmico, ocorrem dois fenômenos:
contração e expansão que possibilitam, como conseqüência, o surgimento de tensões
mecânicas. Se estas tensões forem superiores às tensões de ruptura do material, ocorre a
fratura. Caso contrário, podem surgir trincas, cuja velocidade de propagação depende das
propriedades do material (MIYAJI, 2007).
O choque térmico em um concreto refratário pode ser influenciado pelo tipo de agregado.
Concretos contendo agregados de alumina são mais resistentes a freqüentes choques térmicos
do que agregados contendo magnésia e minério de cromo. Outros fatores que podem
influenciar a estabilidade de concretos refratários submetidos a flutuações de temperatura são
o teor de cimento e a presença de adições contendo boro. Além disso, a realização do préaquecimento em concretos refratários proporciona uma capacidade maior dos refratários
resistirem a ciclos térmicos, uma vez que a temperatura de pré-aquecimento é suficientemente
alta para promover uma maior formação de ligações cerâmicas (BAZANT e KAPLAN,
1996).
De acordo Miyaji (2007), a tensão térmica alta pode promover o surgimento de trincas
durante as fases de pré-aquecimento e resfriamento. Refratários densos com 90% de Al2O3 e
33
adições de cromo são resistentes ao início da formação de trincas provocadas pelo choque
térmico. Entretanto, a expansão deste material com a temperatura pode ser diferente ao
material de contato, provocando um trincamento pela tensão gerada na interface entre os dois
materiais quando submetidos a altas temperaturas. Por outro lado, essa região pode apresentar
defeitos, antes de sofrerem choque térmico, originados durante a moldagem e que se
intensificam ao longo da vida útil do equipamento.
A abertura de trincas é um dos fatores que promovem a redução da vida útil do concreto
refratário, uma vez que aumenta o número de regiões propícias ao processo de corrosão, como
será visto a seguir.
2.4.3 Comportamento quanto à Corrosão
Como foi mencionado nas seções anteriores, os concretos refratários sofrem ataques
provocados por um conjunto de fenômenos que envolvem o desgaste físico-mecânico, tais
como erosão e abrasão, processos térmicos, a exemplo do choque térmico e spalling. Além
destes fenômenos, o concreto refratário sofre desgaste químico, provocado pela corrosão.
A durabilidade de um concreto refratário está diretamente associada à facilidade com que
gases e líquidos corrosivos penetram em sua estrutura porosa (INNOCENTINI, 2001). De
acordo com o tipo de processo industrial e do equipamento, a presença de gases e líquidos
corrosivos, tais como escória, vidro líquido, metais fundidos, etc., podem promover a
deterioração de concretos refratários devido a este contato.
Devido à necessidade de desenvolver produtos de boa qualidade, é necessário que o concreto
refratário seja resistente à corrosão. Esta propriedade depende de fatores tais como:
composição química e mineralógica e aspectos estruturais do concreto refratário, composição
química e viscosidade do material e tensão superficial na interface entre o material e o
concreto refratário (ROSSIKHINA et al., 2006).
De forma análoga à reação química entre um corpo sólido e um líquido, a corrosão de
refratários por líquidos fundidos envolve os seguintes elementos: contato com o reagente, que
faz com que a reação ocorra, e transporte do produto, que faz com que a reação prossiga. O
contato com o reagente depende de fatores como a composição do refratário, a textura física,
34
incluindo a porosidade, e especialmente, a natureza das ligações, que é a primeira região
onde o líquido penetra. Os fatores que determinam o transporte do produto são características
de fusão e reação dos produtos, que definem a extensão da reação (LEE e MOORE, 1998).
Para entender o mecanismo da corrosão, Lee e Moore (1998), ressaltam que devem ser
analisados simultaneamente, os seguintes critérios:
•
microestrutura do refratário, em particular, a composição e textura dos grãos, e as
ligações químicas;
•
propriedades de fusão, especialmente composição e viscosidade como função da
temperatura;
•
molhabilidade;
•
interação sob altas temperaturas.
A molhabilidade é um fator indispensável para que uma reação química entre o refratário e
um metal líquido possa se desenvolver. Ou seja, para que o ataque químico ocorra, o metal
líquido deve molhar o refratário. O estudo da molhabilidade auxilia no entendimento dos
fenômenos envolvidos no contato do metal com o refratário (MIYAJI, 2007). Além disso,
através da molhabilidade é possível identificar a penetração, caracterizada pela infiltração via
porosidade aberta sem reação química. A molhabilidade depende da temperatura, da
composição química, da aspereza da superfície de contato e do tempo de exposição (LEE e
MOORE, 1998). A figura 9 mostra a influencia do acabamento superficial na capacidade de
penetração do vidro líquido em refratários.
Cavidade
preenchida por
vidro líquido
refratário
Superfície lisa
Superfície rugosa
Estágio Inicial
Superfície rugosa
Próxima ao equilíbrio
Figura 9. Efeito da rugosidade da superfície no ângulo de contato do refratário com o vidro
líquido
(LEE e MOORE, 1998)
35
Na figura 9, foi traçada uma reta tangente imaginária à gota até o ponto de contato da
superfície do sólido com a superfície do líquido, formando um ângulo com o plano horizontal
do substrato, que corresponde ao ângulo de molhamento. Um substrato pode ser considerado
molhável quando θ < 90° e não molhável quando θ > 90° (MIYAJI, 2007).
A corrosão pode ser reduzida através da utilização de concretos refratários resistentes à
corrosão, o que permite um aumento de intervalos maiores entre recuperações e aumenta a
eficiência durante a operação destes equipamentos. A seleção da constituição do concreto
refratário deve ser baseada no tipo de equipamento e do produto final. Por exemplo, concretos
refratários submetidos à presença de escória, podem ser fabricados com agregado de alumina
tabular e com cimentos com alto teor de alumina, ou seja, com alto percentual de Al2O3, pois
possuem boa resistência à escórias (BAZANT e KAPLAN, 1996).
Por outro lado, concretos em contato direto com vidro fundido, devem possuir baixo teor de
cimento e um percentual maior de coríndon ou com coríndon-zircônia em sua composição.
Estes concretos são mais resistentes à corrosão devido à ausência de compostos de baixo
ponto de fusão que se formariam na zona de contato destes refratários com o vidro. Como
conseqüência, ocorre baixa dissolução neste meio (ROSSIKHINA et al., 2006).
2.5 Concretos Refratários Especiais
Com objetivo de prolongar a vida útil do concreto refratário, foram desenvolvidos novos tipos
de concreto, como por exemplo, concreto reforçado com fibras de aço, fibras poliméricas,
com elevado teor de metacaulim, elevado teor de carbono, dentre outros. Cada tipo destes
concretos foi produzido visando atender a um determinado equipamento ou aplicação destes
materiais.
A utilização de fibras no concreto refratário tem como objetivo aumentar o seu desempenho
em serviço. As fibras, de forma análoga ao concreto convencional, proporcionam um reforço
mecânico. As fibras metálicas aumentam consideravelmente a energia de fratura, entretanto é
pouco eficiente na contenção do dano de secagem. Por outro lado, fibras de aço-carbono e
36
inoxidável promovem alta resistência à propagação de trincas (PERET e PANDOLFELLI,
2005).
Bazant e Kaplan (1996) mostram um comparativo das propriedades mecânicas de um
concreto refratário de cimento de alta alumina sem fibras de aço e com 2%, em volume, de
fibra de aço, que podem ser observados na tabela 1. De acordo com esta tabela, é possível
observar que os concretos com fibra apresentaram resistências superiores aos convencionais.
Tabela 1. Propriedades mecânicas de concretos refratários comuns e reforçados com fibras
(BAZANT e KAPLAN, 1996)
CRC (1)
CRF (2)
6,9
12,4
1093°C
1,4
6,9
temperatura
34,5
55,2
20,7
34,5
Propriedades Mecânicas
temperatura
Módulo de Ruptura– MPa
Resistência à Compressão – MPa
ambiente
ambiente
1093°C
(1)
(2)
Concreto refratário comum
Concreto refratário com 2% em volume de fibras de aço
As fibras metálicas melhoram a tenacidade e a resistência à flexão de concretos refratários e
alteram seu comportamento, ou seja, o refratário deixa de ser um material frágil e se torna
mais rígido (TOLEDO FILHO et al., 2007). Concretos refratários com adição de fibras
metálicas de comprimento de 2 a 3cm, com seção de 0,5mm² são indicados para
revestimentos de gasodutos e canais, protegendo-os contra o desgaste por abrasão (DENISOV
et al., 2007).
Por outro lado, a adição de fibras poliméricas é um meio eficaz de aumentar a resistência do
concreto ao dano provocado pela secagem, o que permite a adoção de condições mais severas
de aquecimento com um risco menor de explosões. Segundo Peret e Pandolfelli (2005) há
37
dois mecanismos responsáveis pelas vantagens proporcionadas pelas fibras poliméricas que
é o aumento de permeabilidade proporcionado pela fusão, degradação ou retração das fibras, a
exemplo de fibras de polipropileno, e o reforço mecânico, devido ao aumento da energia
dissipada durante a propagação de trincas, no caso de fibras de poliaramida. A fusão das
fibras promove o aumento da permeabilidade e, conseqüentemente, ocorre a formação de
pequenos canais para a passagem dos vapores originados durante o processo de secagem sem
provocar grandes tensões no concreto refratário.
Outro material utilizado em concretos refratários é o carbono (grafite ou coque), adicionado
visando aumentar a resistência ao ataque por escória e metal fundido. Entretanto, a utilização
destes materiais tem sido dificultada, pois as partículas de carbono são suscetíveis ao processo
de oxidação, em temperaturas superiores a 600°C. Após a oxidação do carbono, ocorre o
aumento da porosidade, reduzindo assim, a resistência mecânica e a resistência à penetração
de escória e metal fundido (DOMICIANO et al., 2006).
38
3 ESTUDO DE CASO
Com objetivo de detectar e analisar as degradações em concretos refratários, a princípio,
foram selecionadas três indústrias. Entretanto, o acesso aos dados não foi autorizado em duas
destas. Por este motivo, o estudo de caso foi desenvolvido em apenas uma indústria,
localizada em Feira de Santana.
Foram realizadas algumas visitas à indústria e feitos questionamentos ao engenheiro
coordenador do setor de manutenção, com intuito de esclarecer os intervenientes do processo
(anamnese). O roteiro da entrevista aplicada se encontra no anexo. Esta indústria atua na
cidade há cerca de 30 anos e é responsável pela produção de sais de bário (carbonato, sulfato
e cloreto de bário) e sulfeto de sódio. A matéria-prima utilizada é o mineral barita, rico em
sulfato de bário que reage com o carvão (coque) que, por sua vez, é rico em carbono fixo. Os
gases resultantes são: CO2, SOx e H2S.
Esse processo ocorre em um forno rotativo de redução a 1000°C, como mostra a figura 10.
Figura 10. Forno rotativo
39
Este forno possui 2,0m de diâmetro e 30,0m de comprimento e está em serviço há 30 anos.
O forno opera em rotação lenta, 1/4rpm.
Foram utilizados dois tipos de concreto refratário: um para a região de alimentação e o outro
na descarga do forno. O concreto foi aplicado na superfície do forno através de moldagem e
vibração. As especificações técnicas fornecidas pelo fabricante podem ser observadas na
tabela 2.
Tabela 2. Propriedades dos concretos refratários utilizados no forno rotativo
Propriedades
Concreto
Refratário 1
Concreto
Refratário 2
Percentual de alumina (Al2O3) – base calcinada
41,70
94,20
Densidade
Aparente
(g/cm³)
seco a 110°C
2,00
2,90
cozido a 1.000°C
1,95
2,80
cozido a 1.400°C
1,90
2,80
seco a 110°C
0,0
0,0
cozido a 1.000°C
-0,1
-0,1
cozido a 1.400°C
0,0
-0,2
seco a 110°C
28
60
cozido a 1.000°C
17
32
cozido a 1.400°C
23
45
1.400
1.600
Variação
Linear (%)
Resistência à
compressão
(MPa)
Temperatura Máxima de Serviço (°C)
Com base na tabela 2, observa-se que os dois tipos de concretos utilizados no forno são
densos, sendo que o concreto 2 apresenta alto teor de alumina, o que lhe confere alta
refratariedade.
A figura 11 mostra um esquema da alimentação do forno, submetida a uma temperatura de
800°C. Esta região foi revestida com o concreto refratário 1, ancorado com grampos do tipo
Y. Já a figura 12 corresponde à região de descarga, submetida a uma temperatura de 1000°C,
onde foi utilizado o concreto 2.
40
Figura 11. Alimentação do forno
A – grampos do tipo “Y”; B – concreto refratário 1;
C – tijolo refratário
Figura 12. Descarga do forno
A – tijolo refratário; B – concreto refratário 2
Antes do início da operação do forno, foi utilizada uma curva de aquecimento, conforme a
figura 13. Nas cinco primeiras horas, a taxa de aquecimento corresponde a 20°C/h, seguida
41
por um intervalo de 12 horas com a temperatura constante. O tempo de pré-aquecimento
tem como finalidade fornecer calor suficiente ao concreto refratário, reduzindo as perdas
térmicas.
900
aquecimento
até a temperatura
de operação
800
Temperatura (°C)
700
50°C/h
600
6h
500
400
50°C/h
8h
300
200
30°C/h
12 h
100
20°C/h
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Tempo (h)
Figura 13. Curva de aquecimento para concretos densos
A programação de curvas de aquecimento tem como objetivos evitar alterações bruscas de
temperatura, minimizar o choque térmico e retirar a umidade do concreto refratário. De modo
similar, quando ocorre parada de operação do forno, é utilizada a curva de resfriamento.
Os dois tipos de concreto refratário deste forno estão em um ambiente agressivo e sob altas
temperaturas. Estes dois aspectos são fatores que influenciam a degradação do concreto
refratário. As formas de degradação podem ser do tipo física e/ ou química. Neste caso, os
dois tipos de concreto refratário utilizados podem ser atacados por coque. Além disso, gases
resultantes do processo de fabricação dos sais de bário também podem atacar o concreto,
modificando sua constituição química e promovendo a corrosão do mesmo. Entretanto, de
acordo com o questionário aplicado ao engenheiro, as degradações que predominaram nos
concretos foram físicas.
42
As inspeções para verificação de regiões degradadas são realizadas anualmente e são
visuais. Durante o tempo de serviço, a temperatura no forno é controlada por termografia
(medição da temperatura externa do forno). As manifestações patológicas comumente
apresentadas são trincas e perda de parte do concreto apresentando baixa rugosidade
superficial provocada, provavelmente, por ataque químico. A figura 14 ilustra um aspecto de
fissura observada no concreto refratário do sistema de alimentação do forno. As áreas que são
constantemente recuperadas são as que são submetidas a temperaturas maiores.
trincas
longitudinais
Figura 14. Trincas paralelas à superfície do concreto refratário.
A perda de parte do concreto foi provocada pela abrasão devido ao movimento das partículas
sólidas (barita e carvão) sobre o concreto refratário, promovendo o desgaste superficial.
Quanto à formação de trincas, a causa principal foi o choque térmico, conforme a entrevista
realizada com o engenheiro do setor de manutenção, apesar da preocupação com a realização
de uma programação para o aquecimento do forno. Na literatura essa é apontada como causa
principal. Além do choque térmico, o trincamento também pode ter sido provocado pela
tensão gerada na região de contato entre o concreto e a estrutura metálica externa do forno.
A forma de recuperação, a depender do grau de deterioração, pode abranger desde a utilização
de tintas ou argamassas hidrofugantes, para o caso de trincas, proteção superficial, em caso de
desgaste, ou até mesmo substituição total ou parcial do concreto refratário. A recuperação dos
trechos em concreto refratário no forno rotativo ocorre a cada três anos.
43
4 CONCLUSÃO
É, de fato, de fundamental importância o conhecimento da composição e das propriedades
térmicas e mecânicas para a produção do concreto refratário mais adequado para uma
condição específica de uso. Por outro lado, torna-se complexo determinar um concreto
refratário que atenda todos os requisitos e especificações para cada equipamento ao qual será
destinado. Por este motivo, o concreto refratário deve possuir condições mínimas de
desempenho principalmente do ponto de vista da resistência à abrasão e resistência térmica.
Concretos contendo alumina, por exemplo, apresentam bom desempenho quanto à abrasão e
ao choque térmico.
O estudo de caso deste trabalho enfrentou limitações como por exemplo, a falta de abertura
por parte das indústrias que utilizam o concreto refratário. A identificação e análise dos
mecanismos de degradação neste tipo de material ficaram restritas apenas a estrutura de um
forno de uma indústria. Além disso, o estudo foi baseado apenas nos documentos e
informações fornecidas pela indústria, uma vez que, o acesso ao forno rotativo não foi
viabilizado.
Constatou-se, através do estudo de caso, que fissuras, desplacamentos e desgaste superficial
são as incidências mais freqüentes de manifestações patológicas em concretos refratários.
Sugere-se para trabalhos futuros um estudo mais detalhado sobre o comportamento do
concreto refratário através da análise dos fatores que interferem em seu desempenho em
serviço. Além de detectar as causas das manifestações patológicas incidentes, estes fatores
são: a constituição dos materiais utilizados na produção do concreto, falhas no projeto e na
execução do refratário, cargas não previstas, influências externas, tais como incêndios, dentre
outros. Desta forma, com estas informações é possível evitar ou minimizar as formas de
degradação, prolongando a vida útil e, conseqüentemente, reduzindo os gastos de
manutenção.
44
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47
ANEXO – ROTEIRO DE ENTREVISTA
Questionário
1. Nome do equipamento
2. Qual o tipo de aplicação e o tipo de concreto refratário utilizado (isolante, condutor,
semi-isolante)?
3. Qual a composição do concreto refratário?
4. Como foram realizados os processos de produção e instalação do concreto refratário
(vibração, projeção, socagem, etc)?
5. Qual o tipo de produto que esteve/ está em contato com o concreto?
6. Qual a temperatura máxima de serviço? O concreto refratário passou por um processo
de pré-aquecimento?
7. O concreto refratário foi submetido a ciclos térmicos?
8. Qual o período de manutenção? Existem áreas recuperadas?
9. Quando surgiram as manifestações patológicas?