A AVALIAÇÃO TÉRMICA E ESTRUTURAL DE UMA PORTA SECA UTILIZADA EM FORNOS DE REAQUECIMENTO PARA LAMINAÇÃO DE TIRAS A QUENTE

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AVALIAÇÃO TÉRMICA E ESTRUTURAL DE UMA PORTA SECA UTILIZADA EM FORNOS DE REAQUECIMENTO PARA LAMINAÇÃO DE TIRAS A QUENTE*

Lays Augusta Leal Carvalho1

Alex Milton Albergaria Campos2

Sebastiana Luiza Bragança Lana3

Paulo Santos Assis4

Resumo

Os materiais refratários são amplamente utilizados em indústrias siderúrgicas pois além de resistirem a situações que envolvem elevadas temperaturas, são desenvolvidos para atenderem as demandas associadas à resistência mecânica. Assim, para que estes equipamentos tenham uma boa performance, é necessário que sejam revestidos com materiais refratários apropriados, numa instalação economicamente viável. Na laminação de tiras a quente, os fornos de reaquecimento de placas utilizam refratários de várias composições compatíveis com as solicitações de uso. As portas de desenfornamento destes fornos requerem atenção especial por se encontrarem em um ambiente agressivo quimicamente, de temperaturas e de tensões variadas. A metodologia inclui análise térmica e estrutural realizada através de modelagem computacional utilizando Heat Flow e Ansys, com base nas temperaturas em que as portas de desenfornamento estão submetidas e outras variáveis do sistema de refratamento adotado. Assim de posse de informações como densidade, temperatura interna do forno, temperatura ambiente, coeficiente de convecção entre a porta e o ambiente e emissividade da estrutura, foi possível adequar os materiais de revestimento para o forno de reaquecimento para laminação de tiras a quente de forma econômica e sustentável.

Palavras-chave: Refratário, Porta seca, Laminação de tiras a quente, Metalurgia.

THERMAL AND STRUCTURE EVALUATION OF DRYDOORS USED IN REHEATING FURNACES FOR HOT STRIP ROLLING

Abstract

Refractory materials are widely used in the steel industry because, in addition of their resistance at high temperatures, they are developed to meet the demands associated to mechanical resistance. Thus, in order to ensure a good performance, some equipment must use an appropriate refractory material, in a feasible way. In hot strips rolling, the reheating furnaces use refractories of different compositions compatible with the use requirements. The doors of these furnaces require special attention because they are in a chemically aggressive environment, which has different kind of temperatures and stresses. Therefore, this methodology includes thermal and structural analysis carried out through computational modeling using Heat Flow and Ansys, related to the information of temperatures that the doors are subjected and other variables of the refracting system. It was possible to adapt the coating materials for the reheating furnace for hot strip lamination in a more economical and sustainable way using some information as density, internal furnace temperature, convection coefficient between the door and the internal part, and the emissivity of the structure.

Keywords: Refractory, Drydoor, Hot strip lamination, Metallurgy.

1. Graduada em Engenharia Metalúrgica-UFOP. Aluna de mestrado em Engenharia de Materiais-REDEMAT/UFOP, Ouro Preto, MG, Brasil.
2. Graduado em Engenharia Metalúrgica-UFOP. Aluno de doutorado em Engenharia de Materiais-REDEMAT/UFOP, Ouro Preto, MG, Brasil. 
3. Professora Doutora na REDEMAT e UEMG, Belo Horizonte MG, Brasil.
4. Professor Doutor Titular na REDEMAT e UFOP - Escola de Minas. Pesquisador CNPq. Conselheiro da ABM e EcoEnviroX, Ouro Preto, MG, Brasil.

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1 INTRODUÇÃO

Os materiais refratários abrangem uma ampla gama de produtos cuja finalidade é resistir a altas temperaturas, sem se fundirem ou decomporem, em condições específicas do processo e operação de equipamentos industriais. Estes processos geralmente envolvem variações bruscas de temperatura, tensões mecânicas, ataques químicos, entre outras solicitações. Além disso, devem permanecer não reativos ou inertes quando expostos à ambientes severos. A utilização desses materiais está diretamente relacionada com estas características e outro fator de considerável importância é a capacidade destes de proporcionar isolamento térmico [1]. Muitos tipos de produtos foram desenvolvidos a partir de diferentes matérias-primas ou uma mistura delas para atender a essas demandas. Desta forma, é possível classificar os produtos refratários de acordo com o principal componente químico ou de diferentes matérias-primas. Os materiais refratários são classificados em: sílica, sílico aluminoso, aluminoso, mulita, cromítico-magnesiano, grafita, carbeto de silício, grafita, carbono, zircônia, zirconita, espinélio, entre outros [2].

Os materiais refratários compreendem uma vasta gama de materiais, como: óxidos, carbetos, boretos, carbono e suas misturas, que possuem propriedades superiores como térmicas, físico-químicas e estruturais, quando comparadas as de outros materiais. Quando utilizados em elevadas temperaturas (>1580°C) apresentam a capacidade de resistir a variações ambientais em meios agressivos, neste caso resistem ao aço, gusa e escória por determinado período de tempo [3].

Os materiais refratários apresentam como finalidade armazenar, manter e ceder calor, conter fluídos, resistir a solicitações térmicas, mecânicas e químicas, e suportar cargas líquidas e/ou sólidas, estáticas ou dinâmicas. A principal matéria-prima para fabricação de refratários básicos é a magnésia sinterizada, ela advém do processo de calcinação e sinterização da magnesita em altas temperaturas de aproximadamente 1.800 a 2.000°C. Também é de grande importância o consumo da magnésia eletrofundida entre os refratários básicos (magnésia fundida visando melhorar as propriedades refratárias com o aumento do tamanho dos grãos) e da doloma (dolomita, carbonato de cálcio e magnésio, calcinada e sinterizada).

As matérias primas essenciais para a produção de refratários não básicos são as inúmeras fontes de alumina (Al2O3) entre elas argilas (baixo teor de alumina), chamotes (intermediário teor de alumina) e bauxitas (alto teor de alumina).

Destaca-se como a principal consumidora de refratários a indústria siderúrgica, que absorve aproximadamente 70% da produção de refratários. Algumas outras indústrias que apresentam consumo de refratários considerável também são fundição de ferro e aço, metalurgia de metais não ferrosos como alumínio, cimento e cal, vidro, química e outros. Existe alta deficiência nos dados estatísticos do setor. Os índices apresentados foram obtidos através da fonte do Projeto Estal / MME – consultor Emílio Lobato, agosto de 2009, que apontou a produção brasileira de 2008 de 543 mil toneladas, e destaca a Magnesita e IBAR como as maiores produtoras nacionais. A partir do levantamento do comércio exterior do setor de refratários dos últimos seis anos realizado pelo Departamento de Transformação e Tecnologia Mineral – DTTM da Secretaria de Geologia, Mineração e Transformação Mineral – SGM, nota-se certa dependência do mercado externo desses produtos até 2015. Entretanto, a balança desse comércio apontou saldo positivo da ordem de US$ 6,4 milhões promovido principalmente pelo crescimento das exportações de produtos provenientes da magnesita, e em 2017 e 2018 retorna-se ao patamar histórico da dependência brasileira do mercado externo [4].