Tpicos sobre Fenomenologia e os Mecanismos de Desgaste do Cadinho de um Alto-forno

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Uma Anlise sobre a Fenomenologia e os Mecanismos de Desgaste do Cadinho de um Alto-forno

Prof. Itavahn Alves da SilvaProf. Carlos Antnio da Silva

Departamento de Engenharia Metalrgica e Materiais

Escola de Minas UFOP

Setembro / 2008

RESUMOEsta minuta tecnolgica visa fornecer ao estudante de Engenharia Metalrgica e Materiais uma breve compreenso dos fenmenos e mecanismos de desgaste do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno. So discutidos os efeitos das condies hidrodinmicas e operacionais - tamanho, posicionamento, grau de inatividade do homem morto; tamanho da zona livre de coque, distribuio de gases, entre outras - sobre a degradao do cadinho. No decurso do texto fica demonstrado que a campanha do cadinho e, portanto do alto-forno, estipulada pelo modus operandi, distribuio e deteriorao da carga slida, distribuio e degradao do homem morto, ciclo de drenagem, condies de sopro, entre outras, os quais determinam as distribuies trmicas, qumicas, velocidades e de presses ao longo de todo o reator. INTRODUOO alto-forno, por natureza, um reator metalrgico que opera em regime de contracorrente, isto , a carga slida (pelota, snter, minrios, fundentes, coque ou carvo vegetal) descende ao longo do reator, enquanto que o fluxo gasoso ascende desde a zona de combusto at o topo do forno, provocando interaes trmicas, fsicas e qumicas mutuamente. A eficincia metalrgica e a campanha de um alto-forno dependem intrinsecamente da conjuminao das interaes trmicas, qumicas e fsicas. A figura 1 ilustra detalhes e terminologia de um alto-forno.

Figura 1 Vista interna e nomenclatura utilizada para a descrio de um alto-forno

A campanha do alto-forno, nas ltimas dcadas, tem sido substancialmente prolongada. Usualmente, a campanha de um alto-forno estimada pela longevidade de seu cadinho, atualmente em torno de 20 anos ou mais. Ocorrncias de eroses severas encurtam a campanha de um alto-forno, alm de contribuir para uma m qualidade de gusa produzido. Teores de enxofre e de carbono causam problemas severos como entupimento do cadinho, causado por diversos eventos primrios.

Um bom desempenho de um alto-forno est forte e intimamente associado boa qualidade das matrias-primas e do bom controle do processo, especialmente no que concerne distribuio dos gases e distribuio da carga ao longo da operao. Mudanas na permeabilidade da carga, por exemplo, advindas da crepitao, deteriorao e segregao dos componentes da carga, alteram as dimenses e posicionamento da zona coesiva, modificam a distribuio radial do fluxo gasoso e o descimento da carga slida, na zona de preparao, alterando os mecanismos de desgaste do revestimento refratrio nas diversas zonas do alto-forno. Mudanas na permeabilidade da carga, por sua vez, afetam as distribuies de gases e de lquidos, e, por conseguinte, os perfis de temperatura e o fluxo de gotejamento de gusa e de escria; e por carona, a intensidade de desgaste do revestimento refratrio do cadinho. A figura 2 ilustra um panorama estrutural ou constitucional da zona de elaborao e o estado trmico a vigente.

Figura 2 Estado trmico na regio do cadinho de um alto-fornoUma das causas de desgaste do revestimento refratrio de um alto-forno advm da distribuio de temperaturas junto s paredes internas (cuba, ventre, rampa, cadinho), figura 5, a qual estimula da degradao por choque trmico, fadiga por expanso / contrao de volume; infiltrao de lquidos e de gases; reaes qumicas, deposio de carbono e de compostos alcalinos. Uma distribuio anormal de temperatura causada por uma distribuio anormal de carga distribuio granulomtrica e permeabilidade heterogneas, o que por sua vez incorre em uma distribuio anormal fluxos de gs e de carga slida descendente, e por tanto, distribuio anormal de composio dos gases ao longo de todo o alto-forno. Estas distribuies anormais de fluxos e de temperatura incorrem em solicitaes trmicas, qumicas e mecnicas diferentes (muitas vezes errticas), resultando em diferentes perfis de desgaste do revestimento interno do alto-forno, especialmente, na regio do cadinho. Por exemplo, uma situao de distribuies anormais de temperatura e de massa causa uma distribuio de recirculao de lcalis, enxofre e zinco tambm anormal, provocando distribuies anormais de degradao do revestimento refratrio. Logo, o compromisso de minimizar o perfil de desgaste do revestimento refratrio das diversas regies de um alto-forno, deve estar atrelado ao controle e uniformizao da distribuio radial de temperatura e de fluxos de gases, de modo a garantir uma distribuio central de fluxos; descimento estvel das camadas de material ferrfero e de coque; recomposio da estatura e permeabilidade do homem morto. Tudo isto importante, para que a temperatura e composio de corrida de gusa e de escria sejam estveis, o que denota a estabilidade operacional do alto-forno.

Figura 3 - Distribuio de temperatura ao longo de um alto-fornoAo longo de topo o corpo do alto-forno, as diferentes condies de temperatura , presso e composio patrocinam a ocorrncia de reaes e interaes qumicas diferentes. Por isso, mudanas nos perfis radial e longitudinal de temperatura (composio e velocidade dos gases) alteram as eficincias metalrgicas das zonas de preparao e de elaborao (mudanas nos mecanismos de transferncia de calor e sobre a cintica das reaes qumicas envolvidas); influindo sobre as distribuies de fluxos de escria e de gusa (zona de gotejamento) e consequentemente, sobre a intensidade de desgaste do revestimento refratrio, especialmente nas regies do cadinho e das zonas de combusto.

Figura 4 Perfis de temperatura e grau de oxidao da carga, ao longo das zonas de prepaprao e de elaborao. Do exposto acima, pode-se inferir que o revestimento refratrio de um alto-forno, em cada regio do reator, interage diferentemente com a carga descendente e com o fluxo gasoso em contracorrente (tanto fsica como quimicamente); o que justifica a escolha e emprego de diferentes materiais para as diversas regies do alto-forno cuba, ventre, rampa, cadinho, furo de corrida de gusa e de escria. Portanto, o revestimento refratrio de um alto-forno deve essencialmente apresentar as seguintes caractersticas fsico-qumicas: resistncia a choques trmicos e ao cisalhamento; resistncia aos efeitos abrasivos da carga slida, poeiras e gases; resistncia ao ataque dos lcalis e gases gerados; baixas deformaes a quente; resistncia a infiltrao de lquidos (escria e gusa); resistncias eroso e dissoluo pela escria e gusa lquidos. Nas diversas regies de um alto-forno, o refratrio (figura 5) encontra-se submetido a intensidades de desgaste distintas, em decorrncia de fenmenos de deposio de carbono, abraso, eroso, choques trmicos, ataque severo de lcalis e escria; formao, crescimento e desprendimento de casces; penetrao (figura 6) de vapores, metal e escria lquidos atravs das juntas, trincas, poros abertos e conexos, entre outros.

Figura 5 Zonas e tipos de desgaste do revestimento refratrio do alto-fornoOra, como as diversas zonas do alto-forno (goela, cuba, ventre, rampa, cadinho, ventaneiras e furos de corrida, incluindo o(s) furo(s) de corrida(s) exibem solicitaes qumicas, trmicas e mecnicas diferentes; o revestimento refratrio de cada regio do forno, figura 7, dever ser construdo por materiais refratrios especficos capazes de resistir s agresses vigentes em cada zona do reator (temperatura, presso, composio qumica dos gases e da carga, permeabilidade da carga). Esta filosofia tecnolgica torna o projeto global do revestimento refratrio de um alto-forno merc das caractersticas especficas do alto-forno (tamanho, produtividade, condies operacionais, tipo e mtodo de carregamento dos componentes da carga no topo do forno; ciclo de drenagem, entre outros). Por isso, espervel que no exista um projeto nico de revestimento refratrio de um alto-forno. No entanto, a arquitetura do revestimento refratrio de um alto-forno deve ser aquela que permita maior resistncia aos diversos mecanismos de desgaste especficos a cada regio do reator metalrgico. Por exemplo, na regio do cadinho, o revestimento refratrio deve resistir ao ataque qumico da escria, gusa, gases e vapores; bem como aos ataques provocados pelos gradientes de presso, temperatura e de velocidades.

Figura 6 Construes tpicas do revestimento refratrio de um alto-forno (The Making, Shaping and Treatment of Steel, AISE, Edit by Lankford et al. 1984)A figura 8 encerra algumas as causas e tipos de desgaste do revestimento refratrio do alto-forno: choque trmico, carga trmica, ataque pela ao de lcalis e zinco, reaes de oxidao e processos de abraso e eroso. Uma distribuio perifrica de gases exacerba o perfil de desgaste do revestimento refratrio em virtude do aumento da carga trmica e das agresses qumicas e mecnicas; enquanto que uma distribuio central preserva-o contra as agresses trmicas e qumicas. Como a distribuio radial de gases depende da distribuio dos componentes da carga no alto-forno, o controle da distribuio granulomtrica, inclinao (angulao), espessura e disposio das camadas alternadas da carga slida de suma importncia para assegurar uma distribuio central dos gases.

Figura 7 - Tipos de desgaste do revestimento refratrio em altos-fornos.

REVESTIMENTO DO CADINHO DE UM ALTO-FORNOOs projetos do cadinho de um alto-forno dependem da filosofia adotada. No caso dos altos-fornos brasileiros, os cadinhos so construdos conforme a filosofia japonesa, a qual utiliza materiais carbonosos com alta condutividade trmica. De modo geral, o cadinho de um alto-forno edificado com carbono, por causa de sua alta condutividade trmica, o que favorece o resfriamento forado - por meio de staves, filmes de gua e placas de refrigerao - resultando na solidificao de agregada aderida superfcie da parede interna do cadinho. Para tal propsito, a melhoria dos sistemas de refrigerao e o aumento da resistncia ao desgaste dos materiais que participam da arquitetura do cadinho so de suma importncia. A primazia dos materiais componentes da estrutura do cadinho prima-se na garantia de alta resistncia ao ataque de escria, gusa e gases, alm de resistir a grandes variaes de temperatura e de presso. Na verdade a escolha da estrutura do cadinho baseia-se na resistncia ao ataque induzido pela infiltrao e dissoluo pelo gusa e resistncia trmica.

Na siderurgia moderna, as dimenses dos altos-fornos tendem a aumentar e uma produtividade crescente requerida. Para tanto, a campanha do revestimento refratrio nas diversas zonas de uma alto-forno, especialmente, na do cadinho, tem que ser estendida, e o nmero de reformas para reparo do refratrio deve ser minimizado. Para satisfazer tais exigncias, a escolha adequada de materiais refratrios tm sido crucial. Entre alguns projetos de alto-fornos, existem diferenas grandes em dimenses, processos, capacidades, tipos e natureza qumica dos materiais refratrios, entre outros. Isto denota a no existncia de um projeto nico do revestimento refratrio do alto-forno.

Pode-se preconizar que a campanha do revestimento refratrio do alto-forno determinada atravs do projeto, construo, qualidade, manuteno e operao. No caso do cadinho, como ser demonstrado posteriormente, o desenvolvimento e estabilizao de camada slida agregada na face quente do refratrio atravs do processo de extrao forada de calor, por meio de elementos refrigerantes como stave, filme de gua e placas de refrigerao para proteger contra desgaste do banho em contato.

Materiais cermicos tm sido utilizados com vistas na minimizao do efeito deletrio causado pela infiltrao de gusa atravs de poroso abertos interconectados, fissuras, trincas e juntas do revestimento refratrio do cadinho, especialmente na regio do furo de corrida e da soleira do cadinho. A tabela I mostra propriedades dos materiais do cadinho do alto-forno.

Tabela I Propriedades de alguns materiais do cadinho (ARAJO, 1997)

Classificao do produtoTemperatura de queima oCPartculasLigante

Carbono800-1400carbonocarbono

Carbono prensado a quente< 1000carbonocarbono

Grafita2400-3000grafitagrafita

Semi-grafita800 1400grafitagrafita

Semi-grafita prensada a quente< 1000grafitacarbono

Semi-grafitizado1600-2000Carbono semi-grafitizadoCarbono semi-grafitizado

Tabela II Propriedades de alguns materiais cermicos utilizados na feitura de refratrios

PropriedadesUnidadeAlumina queimada super-duty60% de alumina

Densidadeg/cm32,242,4

Resistncia ao esmagamentoKPa31.00035.000

Porosidade%1322

Condutividade a 500 CW/moK1,92

Condutividade a 1000 CW/moK0,91,7

Tabela III - Propriedades de alguns materiais cermicos utilizados na feitura de refratrios da Nippon Steel Corporation (Omatsu et al. 2003).

Tabela IV - Propriedades de alguns materiais cermicos utilizados na feitura de refratrios (McNALLY et al. 2000)

A constituio fsica formato, composio qumica, disposio e dimenses das peas: (tijolos, blocos); distribuio de tamanhos e formatos dos gros (macro e micro-estrutura); distribuio, tamanhos e interconexo dos poros; exercem fortes efeitos sobre a resistncia efetiva ao desgaste do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno. Esta constituio fsica afeta

A penetrabilidade lquidos (gusa, escria) e de gases (CO, H2, valores alcalinos e de zinco).

A cintica da dissoluo das partculas do revestimento refratrio em contato com a escria e gusa lqidos;

As cinticas das reaes qumicas entre o refratrio da face quente com os gases, vapores, e lquidos;

Mediante tal assertiva, pode-se estabelecer que, o controle e uniformizao da distribuio espacial de tamanhos dos poros e da microestrutura do material matriz do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno, durante a confeco das peas (tijolos ou blocos de carbono) so vitais para o controle e minimizao da habilidade de infiltrao de gusa, gases e de vapores alcalinos; os quais sabidamente causam a degradao do cadinho. Existem, portanto, inmeros projetos do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno, figuras 9, 10, 11, 12 e 13. Por exemplo, a parede lateral do cadinho usualmente pode ser construda com blocos de carbono microporoso e supermicroporosos, travados em posio, para que permaneam fixados e no flutuem em presena de escria e de gusa ou em virtude de fenmenos termomecnicos. De modo cannico, a arquitetura e constituio do revestimento refratrio do cadinho devem ser aquelas que minimizem as agresses trmicas, mecnicas e qumicas vigentes nesta regio do alto-forno. Uma alternativa de engenharia para a obteno destes propsitos a de construir o revestimento do cadinho por materiais distintos e com tamanhos e formatos especficos, de modo a minimizar a taxa efetiva de desgaste nas diversas regies do cadinho.

Figura 8 Representao estrutural das camadas do revestimento refratpario do cadinho de um alto-forno.

Figura 9 Construes tpicas do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno

Figura 10 Mudanas no projeto do cadinho dos altos-fornos da Thyssen segundo Ruther et al (2004).

Figura 11- Construes tpicas do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno

Figura 12 - Projetos estruturais de copo cermico empregados nos revestimentos do cadinho do alto-forno (McNally et al. 2000).A utilizao de resfriamento forado, na regio do cadinho, baseia-se no compromisso de provocar o desenvolvimento de uma camada sobre a parede lateral e soleira do cadinho, a qual dever evitar o contato do refratrio com o gusa, escria e gases. A camada agregada aderida face quente do cadinho constituda principalmente por carbono, zinco e lcalis. Na base a camada constituda principalmente de ferro, escria e carbono, figura 13. A escria constituda basicamente por sulfeto de clcio, alumina, magnsia e slica. A condutividade trmica da parede encontrada foi entre de 5 e 6 W/m.k e da base estava entre 5 e 50 W/m.k. A grande variao da condutividade trmica da base devido grande variao da composio da camada agregada. A formao e crescimento de acrees slidas sobre a superfcie interna do cadinho favorecida quando a temperatura do gusa e escria baixa ou quando as taxas de gotejamento de escria e de gusa so insuficientes, o que incorre em insuficincia de abastecimento do cadinho em lquidos.

Figura 13 - Localizao e estrutura da camada agregada ao revestimento do cadinho de um alto-forno (Huang et al., (2005).

A espessura e formato da camada agregada variam com o tempo e dependem da distribuio de desgaste, figura 14, onde locais com menores espessuras do revestimento refratrio devero implicar em maiores espessuras da camada agregada.

Figura 14 Evoluo da espessura da camada agregada sobre a parede interna do cadinho de uma alto-forno

O crescimento de acreses (camada agregada) sobre as paredes laterais e soleira do cadinho; provocado pelo resfriamento forado das paredes do cadinho, atua como camadas protetoras da integridade do revestimento refratrio, impedindo o contato cadinho-lquidos (gusa e escria), cadinho-vapores (lcalis e zinco), cadinho-gs (monxido de carbono, hidrognio, oxignio), figuras 15. A camada agregada estabelecida no fundo do cadinho, abaixo do sop do homem morto, comumente denominada de salamandra. A estatura, morfologia e espessura da camada agregada variam conforme as condies trmicas e hidrodinmicas vigentes na regio do cadinho do alto-forno. As situaes de homem morto assentado ou flutuante; o estado de degradao do homem morto e dos componentes da carga; arreamento do leito; mudana nas distribuies radiais de temperatura e de fluxo gasoso modifica as condies trmicas na regio do cadinho, alterando a estatura ou constituio da camada agregada, e, portanto, o perfil de desgaste do cadinho pelos diversos mecanismos; infiltrao de gusa atravs de poros abertos, trincas e contornos de gros; dissoluo de gros de material carbono no gusa lquida; infiltrao de gases redutores (CO e H2), vapores alcalinos e de zinco atravs dos poros, juntas, trincas e contornos de gros de carbono; precipitao de carbono pela degradao do monxido de carbono, ente outros.

Figura 15 Salamadra de Compostos de titnio (NARITA et al. 1977 )A presena de salamandra slida, sendo resultado do desgaste da soleira e de parte da parede lateral do cadinho, pode exercer proteo do refratrio do fundo do cadinho desde que no tenha ocorrido infiltrao de gusa lquida na estrutura do cadinho. A camada slida agregada (aderida) sobre a soleira e parede lateral do cadinho, atua como um revestimento improvisado, causado pelo resfriamento forado, protegendo o substrato de carbono contra os processos de desgaste. Maiores volumes de salamandra resultam naturalmente de maiores profundidades de desgaste do revestimento refratrio do cadinho, especialmente, o fundo. comum, antes da interrupo da campanha de um alto-forno (cerca de 20 anos), figura 16, proceder a drenagem da salamandra lquida, em proveito da produo.

Figura 16 drenagem da salamandra

UMA DISCUSSO SOBRE A SEVERIDADE DE DEGRADAO DO REVESTIMENTO REFRATRIO DO CADINHO DE UM ALTO-FORNOO revestimento refratrio do cadinho, como j salientado, pode ser substancialmente danificado por diversas razes: eroso na soleira do cadinho provocada pelos fluxos de escria e de gusa e pela abraso do homem morto; eroso na parede lateral do cadinho induzida pelo fluxo perifrico de gusa e de escria em ocasio da baixa permeabilidade do homem morto; desgaste da regio em torno e abaixo do furo corrida; agresses qumicas pelos o gusa, escria e lcalis; danificao pela penetrao do gusa lquido nas trincas e fendas dos blocos de carbono; degradao advindas das aes de tenses trmicas e termomecnicas nos blocos de carbono; zonas das ventaneiras, entre outros. As figuras 17 e 18 mostram a evoluo da eroso e crescimento da camada agregada sobre a parede do cadinho ao longo da campanha do alto-forno. A formao de trincas e fragmentao do revestimento, formadas por tenses termomecnicas, conduzem penetrao preferencialmente de gusa lquido causando variaes abruptas de temperatura do revestimento do cadinho podendo resultar em breakouts de grandes propores. A mesma figura explicita ainda que a distribuio de desgaste do refratrio do cadinho de um alto-forno irregular e assimtrica em virtude da irregularidade e assimetria dos fluxos de lquido reinantes.

Figura 17 Perfis de eroso e crescimento de acreo no cadinho por um perodo de 15 dias, TORRKULLA & SAXN(1999)

Figura 18 Um perfil de desgaste por eroso do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno (Shinotake et al., 2003).As causas ordinrias do desgaste do revestimento refratrio, no cadinho e canal de corrida do alto-forno, so: altas temperaturas de corrida; eroso pelos fluxos de metal e escria lquidos; aumento do tempo de reteno; corroso pelo gusa e pela escria, trinca termomecnicas e ciclo trmico. Os refratrios do alto-forno devem essencialmente apresentar as seguintes caractersticas: resistncia a choques trmicos e ao cisalhamento, ataque dos lcalis; deformaes a quente; infiltrao de lquidos; eroso pela escria e gusa. A figura 19 explicita a regio deteriorada no revestimento refratrio no fundo do cadinho do alto-forno da usina de Kawasaki.

Figura 19 - Perfis de desgaste do refratrio do cadinho de alto-fornos da Kawasaki Steel, Japo

A distribuio ou perfil de desgaste do revestimento refratrio varia de alto-forno a alto-forno, figura 20, em decorrncia das diferentes condies operacionais; diferentes tamanhos e estruturas fsicas dos cadinhos; diferentes ciclo de drenagens, os quais conferem diferentes distribuies de temperatura, velocidades e presses, o que naturalmente deve estimular avanos distintos da linha de desgaste.

Figura 20 Degradao dos blocos de carbono do cadinho em altos-fornos da Nippon Steel Coorporation, (ANAN et al. 2003).

Os tipos e causas de degradao do revestimento refratrio do cadinho do alto-forno, figura 21, podem ser diversos, tais como: agresses qumicas por vapores de lcalis, gusa, escria e gases gerados; infiltrao de gusa e escria; eroso; dissoluo; choques termomecnicos; fadiga termomecnica; deformao por amolecimento; desprendimento da estrutura;

Figura 21 Vista de desgaste do cadinho de um alto-forno

Descolamentos ou desprendimentos dos blocos ou tijolos de refratrio, figura 22, associadamente aos processos de eroso das paredes do cadinho, na rea do furo de corrida, permitem a elevao da temperatura e conseqentemente, a intensidade de desgaste do cadinho. Ademais, deslocamentos dos blocos de refratrio ocasionam a formao de trincas, frestas e espaamentos entre os blocos, encorajando a infiltrao de gusa e de gs, estimulando a danificao local do refratrio e/ ou do furo de corrida. Lminas de gusa de grandes espessuras podem ser encontradas entre as frestas e frente aos dos blocos de refratrio do furo de corrida.

Figura 22 Vista da degradao do cadinho de carbono microporo do alto-forno n 3 da Usina de Newcastle (Fraser, 2004)Ora, a integridade do revestimento refratrio ao derredor dos furos de corrida de escria e de gusa facilmente comprometida pela ocorrncia de danos ou panes naqueles. Por isso, panes ocorrentes nos furos de corrida de gusa ou de escria tambm cooperam com a degradao do revestimento refratrio do cadinho. A presena de trincas nos furos de corrida, por exemplo, permitem a infiltrao de lquidos, vapores e gases, mudanas bruscas de temperatura e de presso, estimulando a degradao do revestimento refratrio circundante aos furos de corrida. A figura 23a ilustra trs regies distintas de desgaste do cadinho do alto forno, sendo que a zona intermediria 2 apresenta-se mais fraca do que a regio da face fria do revestimento do cadinho. A figura 23b mostra a presena de trinca, demolio localizada e acreo ou ocluso de gusa slido no interior do furo de corrida do cadinho de um alto-forno. A existncia de trincas no canal de corrida estimula a infiltrao de gusa ou de escria degradando a estrutura do revestimento refratrio nas cercanias das mesmas. Similarmente, eroses na superficie da parede interna do furo de corrida modifica a distribuio de temperatura na estrutura do cadinho adjacente areas erodidas aumentando a possibilidade de degradao localizada da parede do cadinho.

Figura 23 a) Vista do estado de desgaste da parede do cadinho, FRASER et al.(2004); b) Estado de destruio da rea do furo de corrida do alto forno, TRE Services Incorporation, STACKHOUSE et al.(2005)

Tcnicas computacionais tm sido amplamente utilizadas para tal propsito. Resultados tm mostrado os efeitos fortes das distribuies de lquidos e de transferncia de calor sobre a longevidade do revestimento refratrio do cadinho, sob diversas condies operacionais. Pode-se preconizar que alm, da estabilidade da marcha do alto-forno, fatores tais como: dimenses e produo do alto-forno; ciclo de drenagem, vazo, grau de enriquecimento e temperatura de sopro; distribuio granulomtrica, ngulo de repouso e espessuras das camadas da carga no topo do forno; permeabilidade, posicionamento e integridade do homem morto; taxa de refrigerao da regio da cadinho. A infiltrao de gusa pelas juntas, trincas e poros abertos interconectados, figura 24, outro causador da degradao do revestimento refratrio do cadinho.

Figura 24 Separao dos tijolos refratrios entre duas ventaneiras covizinhas (SPALECK et al. 2006)O fundo do cadinho est sujeito a intenso processo de eroso em virtude do fluxo de gusa, variaes de temperatura e abraso induzida pelo atrito com a base do homem morto. Esta categoria de desgaste, alm da permeabilidade e grau de inatividade do homem morto, substancialmente influda pelo posicionamento radial e longitudinal do mesmo, o que afeta a distribuio do campo de velocidades e de temperatura. Por exemplo, um fluxo perifrico excessivo de gusa lquido solapa o revestimento da soleira e da parede lateral do cadinho, particularmente, na regio do furo de corrida e das ventaneiras, formando um tipo de desgaste denominado p ou pata-de-elefante, figura 25.

Figura 25 Vista do tipo de desgaste pata-de-elefante (DOBEK et al., 2004)

A figura 26a, a guisa apenas de ilustrao, demonstra a estatura do homem morto apoiado sobre os blocos de carbono da soleira do cadinho. J a figura 26b explicita a fragilizao da parede lateral do cadinho do alto-forno.

Figura 26 a) Vista da parte inferior do homem morto sobre a soleira do cadinho (The Latest Trend of IronmakingTechnology in Japan13 Sept. 2004 Nippon Steel Corporation, internet); b) fragilizao do revestimento refratrtio da parede lateral do cadinho de um alto-forno (DANIELI CORUS, internet)

Durante a operao de drenagem do cadinho os fluxos de escria, gusa e de gases geram gradientes de temperatura e de presses induzindo tenses trmicas e termomecnicas nas paredes internas dos furos de corrida de gusa e de escria, resultando na nucleao e crescimento de trincas e esboroamento da estrutura, reduzindo a campanha do mesmo bem como de suas circunvizinhanas na parede do cadinho. A existncia de trincas no canal de corrida estimula a infiltrao de gusa, gases ou de escria degradando a estrutura do revestimento refratrio nas cercanias das mesmas. Similarmente, eroses na superficie da parede interna do furo de corrida modifica a distribuio de temperatura na estrutura do cadinho adjacente areas erodidas aumentando a possibilidade de degradao localizada da parede do cadinho. A figura 27 mostra a presena de trinca, demolio localizada e acreo ou ocluso de gusa slido no interior do furo de corrida do cadinho de um alto-forno.

Figura 27 Degradao do furo de corrida do cadinho do alto-forno, usina da TRE Services Incorporation, STACKHOUSE et alli(2005), TALAAT et al. (2005)O projeto e configurao do furo de corrida so importantes para o prolongamento da vida til do cadinho. O grau de desgaste do furo de corrida do alto-forno, alm da natureza qumica e concepo do mesmo, ainda depende das caractersticas operacionais do forno e de problemas eventuais decorrentes do dia-a-dia da planta industrial. A figura 28a mostra a rea de desgaste do refratrio do cadinho entre o furo de corrida e a jaqueta do cadinho, da Burns Harbor, 2003, resultando em danificao severa da carcaa do alto-forno. A presena de fissuras no revestimento refratrio do cadinho bem como do furo de corrida propicia a penetrao de lquidos promovendo a deteriorao do refratrio solidrio ao local de inflitrao. Vapores de lcalis e de zinco podem penetrar pelas trincas, particularmente aps a operao de drenagem do cadinho, deteriorando o revestimento refratrio covizinho trinca, acelerando o calapso local da estrutura. A figura 28b mostra a presena de trinca na parede interna do furo de corrida de um alto-forno.

Figura 28- Breakout em um furo de corrida do alto-forno D da usina de Burns Harbor (FELTON, 2005); b) - Trinca no furo de corrida de um alto-forno, (BELL et al.2004).

CONDIES FLUIDODINMICAS E TRMICAS NA REGIO DO CADINHOO homem morto consiste de coque, fundentes e ferro reduzido, encontrando-se suspenso pela sobre a poa de gusa e escria ou assentado sobre o fundo do cadinho. O volume do homem morto pode ser subdividido em duas regies distintas: zona morta e zona de coque, figuras 20 e 30. A poro central que no permevel aos lquidos denominada de zona morta. A zona de coque pode ser permevel ao gusa lquido e escria. A regio externa ao homem morto (entre a parede interna do cadinho e a do homem morto) denominada zona livre de partculas de coque ou gap, sendo permevel ao fluxo de gusa e de escria.

Figura 29 Formas do homem morto e vrias porosidades, YAN et al. (2004).

Figura 30 - Formas possveis de espao livre de coque no cadinho (Shibata et al. 1990)

Durante o ciclo de drenagem, arreamento da carga causado pelo rompimento de casces; oscilaes do leito induzida pelas flutuaes de sopro; descimento errtico da carga causado, queda de presso (figura 31), por exemplo, pela degradao dos componentes da carga coque, material ferrfero posicionamento radial e longitudinal do homem morto pode ser alterado, modificando os esforos termomecnicos sobre as paredes laterais e soleira do cadinho. Uma situao de homem morto suspenso ou assentado gera solicitaes termomecnicas e qumicas distintas, alterando o campo de velocidades dos lquidos (escria e gusa) e de temperatura, e consequentemente, sobre a taxa de desgaste da parede do cadinho.

Figura 31 - Perda de presso durante a dreangem do cadinho (parte superior, homem morto assentado sobre o fundo do cadinho; parte inferior homem morto fluante) (TORRKULLA & SAXEN, 2000)

O monitoramento do perfil de temperatura do revestimento refratrio do cadinho um instrumental eficiente para o diagnstico do grau e avano do desgaste lateral e soleira do revestimento refratrio do cadinho, bem como para inferir sobre o comportamento fsico da camada agregada sobre aquele. A figura 32 ilustra o posicionamento de termopares, da linha de eroso e da linha de deposio do material agregado sobre a face quente do revestimento refratrio do cadinho. A deteco e monitoramento constante da distribuio de desgaste do cadinho constituem uma ferramenta preciosa e imprescindvel para o entendimento e controle do processo de desgaste e proteo do cadinho. O mtodo mais popular de detectao do nvel de desgaste conduzido pela medida da taxa de transferncia de calor, atravs de medies da distribuio de temperaturas por meio de termopares alocados em diferentes posies nas paredes do cadinho.

Figura 32 a) Distribuies de termopares na parede lateral e no fundo do cadinho para monitoramento dos perfis de temperatura, b) prefil tpico de temperatura Em suma, o perfil de desgaste do revestimento refratrio cadinho do alto-forno est intimamente associado distribuies de temperatura deste a face quente face fria, uma vez que o perfil de temperatura influencia sobre a habilidade de penetrao do gusa lquido, vapores e gases atravs de poros abertos interconectados, contornos de gros, trincas e fissuras. A figura 33 ilustra um perfil trmico tpico no cadinho de um alto-forno.

Figura 33 Perfil esquemtico da parede do cadinho do alto-forno (CARNEIRO, 1999)

Solicitaes termomecnicas, qumicas, entre outras, especialmente durante o ciclo de drenagem, tambm influem substancialmente sobre a distribuio de desgaste do revestimento refratrio do cadinho. Deformaes axiais e longitudinais causadas pelas variaes de temperatura e de esforos mecnicos so estimuladoras potenciais para a nucleao, crescimento e propagaes de trincas, tanto nos contornos de gros, poros, juntas, fissuras pr-existentes. Estes efeitos termomecnicos so pronunciados e comportam-se diferentemente quando dos perodos de enchimento ou esvaziamento do cadinho ciclo de drenagem, o que caracterstico das condies operacionais, capacidade e estabilidade da marcha de um dado alto-forno. A figura 34 ilustra o estado de tenses no revestimento refratrio junto s ventaneiras.

Figura 34 Expanso e tenses axiais do material carbonoso do cadinho do alto-forno Alteraes na espessura da parede lateral e do fundo do cadinho modificam substancialmente o perfil trmico nesta regio do alto-forno, figuras 35 e 36, requerendo maiores taxas de refrigerao, alm da possibilidade de pane catastrfica da parte vital do reator metalrgico. No entanto, com o avano da linha de desgaste, o crescimento forado da camada agregada pode retardar a destruio do revestimento refratrio. Contudo, flutuaes trmicas, na regio do cadinho, podem provocar o afinamento parcial da camada agregada e mesmo incentivar a penetrao de metal lquido pelos poros, trincas, juntas e fissuras da parede carbonosa, causando a sua degradao.

Figura 35 Influncia do desgaste do refratrio do cadinho sobre a distribuio de temperatura no interior do cadinho, PANJOVICK & TRUELOVE(1999)

Figura 36 Efeito da eroso do revestimento refratrio do cadinho sobre a distribuio de temperatura no interior do cadinho, PANJOVICK & TRUELOVE(1999)

Altos-fornos diferentes exibem perfis de desgaste do revestimento refratrio, especialmente no cadinho, tambm diferentes, figura 37. Pois o perfil de desgaste do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno, alm das condies operacionais distribuio granulomtrica, composio e tipo da carga (material ferrfero, fundentes, combustvel slido); condies de sopro (vazo de ar, enriquecimento de oxignio, temperatura de sopro); prtica de injeo de combustveis auxiliares; ciclo de drenagem do cadinho; modo de carregamento da carga no topo do forno; posicionamento e permeabilidade do homem morto (inatividade, espao livre de coque), entre outros, os quais afetam os fluxos de gusa e de escria na poro inferior do alto-forno. Estas influncias sobre as distribuies de fluxos de velocidades e de temperatura afetam a cintica dos mecanismos de desgaste do revestimento refratrio do cadinho. Pode-se ressalvar ainda, que os perfis de desgaste do revestimento refratrio dependem do tipo, acomodao e espessura das camadas que conformam o revestimento de trabalho. Na figura 10, guisa de exemplo, explicitam-se comparaes entre os perfis de desgaste do refratrio do cadinho para trs usinas siderrgicas japonesas resultados previstos por modelagem matemtica e resultantes de dissecao de altos-fornos.

Figura 37 Perfis de eroso do alto-forno da Usina de Wakayama, Kashima, Kokura, Japo (TAKATANI et al. 2001)Mudanas na altura ou dimenso da zona livre de coque tambm devero influenciar o perfil de desgaste do revestimento refratrio do fundo do cadinho, figuras 38 e 39, uma vez que alteram o campo de velocidades e de temperatura na face quente do revestimento refratrio. Em ausncia da camada livre de coque, a taxa de eroso, de acordo com TAKATANI et al. (2001) mostrou-se pequena (a) (b), no entanto, no caso de uma camada livre de coque, a taxa de desgaste mostrou-se considervel, em virtude de maiores velocidades de gusa lquido entre o refratrio do cadinho e o leito de coque do homem morto. Por isso, importante assegurar a camada livre de coque com tamanho e altura desejvel reduo na taxa de degradao do coque, manuteno de uma boa permeabilidade do homem morto, reduo do volume de coque inativo - de modo que o desgaste de eroso causado pelo campo de velocidades seja mnimo. O aumento da resistncia ao fluxo gotejante de gusa e de escria, atravs do leito de coque, na regio do cadinho, influi consideravelmente sobre o perfil de desgaste do revestimento refratrio do cadinho (paredes laterais e soleira). Em conseqncia, o fluxo de escria e gusa torna-se mais pujante na periferia do cadinho, incentivando os mecanismos de desgaste daquele (figura 40).

Figura 38 - Efeito sobre o espao livre de coque sobre o campo de velocidades no cadinho do alto-forno (TAKATANI et al. (2001))

Figura 39 Efeito sobre o espao livre de coque sobre o perfil de temperatura no cadinho do alto-forno (TAKATANI et al. (2001))

Figura 40- Efeito da resistncia ao fluxo de gusa gotejado pelo leito de coque sobre o perfil de desgaste por eroso (TAKATANI et al. 2001)

Mudanas no volume do espao vazio entre o cadinho e o homem morto implicam em variaes na quantidade de acrees formadas e desenvolvidas sobre a parede interna do cadinho. Por exemplo, a diminuio deste espao vazio causa o aumento da quantidade de acreso, o que pode demonstrar que o homem morto tornou-se inativo Por isso, a distribuio de fluxos na regio central do cadinho deve ser dificultada, o que poder facilitar a solidificao do metal lquido, figura 41, escria, na soleira do cadinho, sob a base do homem morto.

Figura 41 Efeito do volume de espao vazio do cadinho sobre a quantidade de camada agregada sobre a parede interna do cadinho (NIGHTGALE et al. 1997, apud TORRKULLA et al. 2000)

A espessura e localizao temporais da camada agregada (casco) formada e desenvolvida sobre a superfcie interna do cadinho dependem intrinsecamente das dimenses e condies operacionais do alto-forno, figura 42. Notam-se em ambos os altos-fornos, linhas de eroso e de casces diferentes, em virtude de diferentes perfis de temperatura desde a face quente e a face fria provocada por muitos fatores, tais como: diferentes volumes da zona livre de coque, diferentes ciclos de drenagem do cadinho, diferentes intensidades do fluxo perifrico de lquidos; entre muitos outros. Da figura nota-se que os perfis de eroso e de espessura da camada agregada no cadinho do alto-forno 2 so mais suaves comparativamente com o alto-forno 1 da mesma usina siderrgica, o que pode indicar uma marcha operacional mais estvel do alto-forno 2 em comparao com o alto-forno 1..

Figura 42 Evoluo da espessura da camada agregada obre a parede interna e soleira de dois altos-fornos da usina de Rautaruukki (TORRKULLA et al. 2000)O aumento do espao livre de coque decresce o nvel mximo de lquido dentro do cadinho, causando a diminuio do tempo de corrida atravs da zona compacta. Diferentes permeabilidades e posicionamentos do homem morto devero implicar necessariamente em diferentes distribuies de fluxos e, conseqentemente, diferentes perfis de desgaste do revestimento refratrio do cadinho. A figura 43 ilustra o estado estrutural da regio do cadinho do alto-forno no 4 da usina de Mizushima, Japo, ps congelamento e dissecao do reator metalrgico. Nota-se a situao de flutuao ou suspenso do leito de coque, empuxado pela escria e gusa lquido. O espao livre do coque completamente ocupado pelo gusa lquido. Observa-se a existncia de uma regio de baixa permeabilidade, construda por partculas de coque de diferentes tamanhos, no fundo do cadinho. A distribuio de fluxos governada ainda pela zona livre do coque, homem morto e zona de baixa permeabilidade, o que por sua vez tambm influencia sobre o processo de acumulao e drenagem de gusa e de escria. Aps o esgotamento do cadinho, em gusa, ocorre a sada de gases do alto-forno pelo furo de corrida, o que modifica o perfil trmico e de velocidades do refratrio do cadinho, e conseqentemente, o perfil de desgaste.

Figura 43 Perfil interno do cadinho do alto-forno no 4 da usina de Mizushima, Japo. (NOUCHI et al. 2003)Um aumento na produo de gusa, requer aumento da taxa de gotejamento de gusa e de escria, afetando o campo de velocidades e distribuies de temperatura, o que exacerba a taxa de eroso do revestimento refratrio do cadinho do alto-forno, figura 44.

Figura 44- Efeito da produo de gusa sobre o perfil de eroso do cadinhho (Takatani et al. 2001)

Resultados computacionais, obtidos por TAKATANI et al. (2001) mostram que a produo de gusa influencia sobre a taxa de desgaste do revestimento refratrio do cadinho, figura 45. O aumento da produo de gusa aumenta a taxa efetiva de eroso do cadinho preferencialmente na parede lateral em comparao com o fundo do cadinho, em virtude do aumento do aporte trmico.

Figura 45 Efeito da produo de gusa sobre a distribuio de temperatura, velocidades do gusa lquido e o perfil de desgaste do cadinho do alto-forno, Problemas resultantes da degradao do leito de coque, durante o descimento da carga ou ante s zonas de combusto, tanto pela de lcalis, ao do enxofre recirculado; choque trmico e abraso de correntes de arreamentos da carga, interao fsicas e qumicas com as partculas de combustveis auxiliares injetados pelas ventaneiras, entre outros,ou outros, podem diminuir a permeabilidade do homem morto, podendo ainda torn-lo inativo. RAIPALA (2003) ressalta que a inativao do homem morto pode ser identificada pelos seguintes sintomas: Declnio da temperatura no fundo do cadinho;

Aumento da temperatura nas paredes laterais do cadinho;

Aumento do potencial de oxignio devido ao aumento das concentraes de FeO e MnO na escria, decrescendo a taxa de dessulfurao do gusa no interior do alto-forno;

Decrscimo no teor de carbono no gusa lquido;

Decrscimo na relao massa de escria/massa de gusa lquidos;

Encurtamento do tamanho e densificao da zona de combusto;

Encurtamento do tempo de corrida ou drenagem do cadinho.

Deste modo, a inatividade do homem morto causa mudanas nas taxas de gotejamento de escria e de gusa (intensificao do fluxo perifrico de lquidos); mudanas nas distribuies espaciais de temperatura e de gases; descimento errtico da carga; mudanas no formato e espessura da zona coesiva; degradao anormal do cadinho, figura 46, o que altera substancialmente o perfil de desgaste do revestimento refratrio do cadinho do alto-forno.

Figura 46 Influncia das condies operacionais sobre a degradao do coque no interior do alto-forno (SUNAHARA et al.)Com o decremento da permeabilidade do homem morto, o fluxo gasoso e o de lquidos gotejantes tendem a movimentarem rente a parede do forno, aumentando os riscos de desgaste do revestimento refratrio abaixo e acima das ventaneiras. E, por conseguinte, a altura e formato da zona coesiva podem ser alterados, tornando o fluxo de escria e de gusa lquidos ainda mais perifrico. Estes sintomas devem incorrer em maiores taxas efetivas de desgaste do revestimento refratrio acima e abaixo das ventaneiras em comparao com uma condio de homem morto norma. A figura 47, a guisa de exemplo, ilustra o efeito da inatividade do homem morto sobre o perfil radial de temperatura na regio do cadinho, mostrando uma situao de baixa temperatura na regio central do homem morto.

Figura 47 a) condio normal do homem morto; b) homem morto inativo. (NICOLLE et al. 1990)Ora, a situao de inatividade do homem morto um fenmeno prejudicial uma vez que est relacionado m qualidade do gusa com baixo teor de carbono e altos teores de enxofre. Esta condio de inatividade do homem morto aumenta o risco de formao de p-de-elefante ou pata-de-elefante reduzindo sobremaneira a campanha do alto forno. importante a ativao rpida do leito de coque. Como citado anteriormente, um aumento da quantidade de finos no interior do alto-forno eleva gradualmente a capacidade do homem morto em tornar-se inativo. As interaes do coque com lcalis recirculantes no alto-forno aceleram a taxa de degradao das partculas do leito de coque, alterando deste modo, a permeabilidade do homem morto, posicionamento, aumenta o consumo de combustvel; favorece a formao e desenvolvimento de acrees slidas sobre o revestimento refratrio da cuba; espessura e formato da zona coesiva, distribuies radial e longitudinal de temperatura e de gases, o que redunda em exacerbao do fluxo perifrico de escria e de lquidos, na zona de gotejamento, acelerando o desgaste das camadas de refratrio do cadinho. A conjuminao destes efeitos redundam em mudanas drsticas no perfil de desgaste do revestimento refratrio do cadinho. A figura 48 mostra esquematicamente os conceitos bsicos para a degradao do coque no interior do alto-forno.

Figura 48 - Conceitos bsicos da degradao do coque, RAIPALA()Mudanas na permeabilidade da carga, especialmente, no leito de coque abaixo da zona de amolecimento e fuso, cooperam com heterogeneidades nas distribuies de gases e lquidos, influindo sobre as distribuies de desgaste nos revestimentos refratrios do alto-forno. Por exemplo, um aumento na taxa de injeo de leo exerce efeitos sobre o grau de degradao do coque, e consequentemente, sobre a permeabilidade do homem morto, na regio do cadinho. A gerao de CO e H2, no front zona de combusto, aumenta a velocidade do gs, que por sua vez eleva a taxa de gerao de finos de coque, inclusive aumentando a quantidade de finos arrastados pelo fluxo gasoso na goela do alto-forno. Altas taxas de injeo de leo combustvel no alto-forno provoca decrscimo na temperatura de chama e do consumo de coque; decresce a velocidade da reao de Bourdouard; degrada do homem morto e aumenta a taxa de gerao de findos, figura 49. Uma taxa excessiva de injeo de leo retarda o consumo de finos de coque (coke breeze) na zona de combusto, gerando ninhos de passarinhos, figura 50, fazendo que o fluxo de gs quente suba rente a parede da rampa. Estes efeitos alteram os perfis de temperatura, velocidades, presses na parte inferior da zona de elaborao e, por conseguinte, sobre a integridade do revestimento refratrio nesta localidade do reator metalrgico;

Figura 49 Efeito da injeo de leo sobre o comportamento interno de um alto-forno (RAIPALLA, 200)

Figura 50 - fisionomia do leito de coque junto zona de combustoO perfil trmico do cadinho depende da produo do forno; ciclo de drenagem e das condies operacionais, entre elas do ciclo de drenagem do cadinho. A existncia de reas degradadas no refratrio do cadinho altera significativamente o perfil trmico e, conseqentemente, sobre a espessura da camada agregada sobre a face quente do cadinho. A figura 51 ilustra um perfil tpico de temperatura no cadinho de um alto-forno, onde o revestimento refratrio apresenta a integridade fsica original.

Figura 51 a) Isotermas no plano simtrico do cadinho considerando o revestimento refratrio original, PANJOVICK & TRUELOVE(1999), b) Distribuies tpicas de temperaturas no gusa lquido e no revestimento refratrio do cadinho do alto-forno, WRIGHT et alli.(2003)

Um outro fator que influi sobre as distribuies de temperatura e de velocidades, logo sobre o perfil de desgaste, o tamanho do homem morto. Como o fluxo de gusa e de escria, que gotejam da zona de coesiva preferencialmente perifrico, o estatura do homem morto altera a dimenso e forma do espao livre de coque, situado entre as paredes internas do cadinho e o corpo do homem morto - base e lateral. A figura 52 denota uma comparao quantitativa entre diferentes tamanhos do homem morto. O perfil radial da velocidade vertical mostra o fluxo dirigido do fundo para a direo do furo de corrida. Locado a 2m em relao ao fundo do cadinho. A figura 52a mostra o perfil de velocidades, de modo que o valor de velocidade mximo ocorre no lado do furo de corrida. Maiores dimenses do homem morto implicam em menores velocidades do gusa embora a velocidade na entrada do furo de corrida seja maior. Tal fato advm da maior resistncia ao fluxo de gusa lquido do fundo para a direo do furo de corrida. Maiores pores de lquido fluem atravs do furo de corrida e do anel de escoamento formado junto s paredes do cadinho. A figura 52b mostra a distribuio radial de temperatura. Observa-se que a temperatura, na regio central do homem morto, relativamente baixa e maior junto s paredes do cadinho. A temperatura do gusa lquido decresce com o aumento da dimenso do homem morto, sendo que o perfil de temperatura tem maior variao no caso de homem morto com maiores dimenses. Para todos os casos investigados, as temperaturas na parede do cadinho oposta ao furo de corrida foram prximas em magnitude. Para um homem morto de grande dimenso, a temperatura no interior da estrutura de coque e junto ao furo de corrida foram consideravelmente baixas. A figura 52c mostra que pequenos tamanhos do homem morto resultam em uma variao na temperatura de sada do gusa devido baixa perda de calor durante a operao de drenagem do cadinho.

Figura 52 - Efeito do tamanho do homem morto sobre a velocidade e a temperatura na regio do cainho, ZHOU et alli.(2004)

A figura 53 exemplifica e corrobora este fenmeno. Os vetores velocidades no plano vertical central so mostrados. A distribuio de velocidades dominada pela distribuio de porosidades no leito de coque na regio do cadinho e a impermeabilidade da regio central do homem morto no permite o fluxo direto de gusa e de escria para o furo de corrida. A velocidade na regio central do homem morto nula. A velocidade do gusa lquido, junto parede lateral do cadinho, abaixo do furo de corrida grande, de modo que o gusa lquido sugado pelo furo de corrida durante o processo de drenagem do cadinho. Em contraste, as velocidades do gusa lquido e da escria so baixas na regio do homem morto e na quina oposta ao furo de corrida.

Figura 53 vetores velocidade na seo transversao do furo de corrida, ZHOU et alii.(2004)As figuras 54 e 55 mostram os contornos de temperatura nas sees vertical e horizontal no furo de corrida. Quando o gusa escoa para o fundo do cadinho, ele resfriado pelas paredes laterais e pela soleira do cadinho do alto-forno. As distribuies de temperaturas correspondem bem distribuio de velocidade do gusa lquido nestas regies do cadinho. A temperatura alta nas paredes laterais e na quina do cadinho sob o furo de corrida onde a velocidade alta. Na quina do cadinho oposta ao furo de corrida, onde a velocidade baixa, a temperatura do gusa por sua vez baixa.

Figura 54 Temperatura do lquido na seo vertical do furo de corrida, ZHOU et al.(2004)

Figura 55 Distribuio de temperatura na seo horizontal ao nvel do furo de corrida, para um homem morto de grande porte e de pequeno porte, ZHOU et al.(2004)

A figura 56 e 57 mostram esquematicamente um ciclo tpico de drenagem do cadinho de um alto-forno dotado de um furo de corrida. Quando o furo de corrida fechado, ocorre a acumulao de escria e de gusa lquidos em virtude do progresso das reaes de reduo e de gotejamento de escria e de gusa desde a zona de amolecimento e fuso. A acumulao de escria e de gusa lquidos ocorre de maneira estratificada: gusa ao fundo e escria sem sobrenado. O furo de corrida aberto de 20 a 30 minutos, ao mnimo. Ao incio da corrida a interface metal-escria descende, durante a drenagem do gusa lquido. Quando o nvel de gusa ou a interface metal-escria atinge o nvel do furo de corrida d-se o drenamento da escria.

Durante a operao de drenagem apenas do gusa lquido, o volume de escria progressivamente aumentado, at que se inicie o vazamento da escria, aps a interrupo natural do fluxo de metal lquido. Desde que a escria quimicamente mais agressiva do que o metal lquido, o furo de corrida sofre desgaste por eroso, o fluxo de escria aumentado naturalmente. Este movimento de enche e esvazia, alternadamente, causa os estados de flutuao e de assentamento do homem morto sobre a soleira do cadinho. Este movimento de sobe-e-desce do homem morto e o escoamento de gusa e de escria estimulam o desgaste do revestimento refratrio do cadinho

Figura 56 Evoluo dos nveis de escria e de gusa lquidos no interior do cadinho durante o ciclo de drenagem ou de corrida (BRNNBACKA & SAXN, 2003)

Figura 57 Evoluo dos nveis de escria e de gusa no cadinho de uma alto-forno; Caso 1 = Homem morto assentado, = 0,35; linhas pretas, Caso 2 = decrscimo na permeabilidade do homem morto, = 0,28; linhas tracejadas (BRNNBACKA & SAXN, 2003)A acumulao e esgotamento do cadinho de um alto-forno provocam variaes no posicionamento do HOMEM MORTO e, por conseguinte, mudanas na distribuio de permeabilidade do mesmo. O movimento errtico das partculas de coque defronte as ventaneiras modifica a distribuio da permeabilidade do HOMEM MORTO e do espao livre de coque junto s bordas do cadinho de acordo com a operao de acumulao ou esgotamento de gusa do cadinho. Na etapa de acumulao de gusa as partculas de gusa acumulam-se na parte inferior do cadinho e so descarregadas no front das ventaneiras ou nas zonas de combusto. Como resultado deste movimento de ascenso, o espao livre de coque formado entre a parede interna do cadinho e a poro inferior do homem morto. Ao contrrio, no estado de drenagem ou esgotamento do cadinho, as partculas compactadas de coque, abaixo da zona de combusto, movimentam-se junto parede do cadinho, decrescendo o gradiente de espao livre de coque. FATORES QUE INFLUEM SOBRE O PERFIL DE DESGASTE DO CADINHO DO ALTO-FORNOA intensidade de desgaste do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno depende da conjuminao de mltiplas variveis e parmetros operacionais, entre os quais podem ser destacados: composio e temperatura de corrida de gusa e de escria; distribuio granulomtrica, tipo e ndice de crepitao dos componentes da carga (snter, pelota, minrios, fundentes, coque ou carvo vegetal); condies de sopro (vazo, enriquecimento em oxignio, temperatura, umidade); efetividade dos sistemas de refrigerao das paredes do alto-forno; caractersticas do ciclo de drenagem do cadinho; posicionamento e comprimento dos furos de corrida de escria e de gusa; posicionamento, permeabilidade, degradao e velocidade de renovao do homem morto; prtica, local e condies de injeo de combustveis auxiliares (slidos, lquidos, gasosos); formao e desenvolvimento de casces na cuba; engaiolamentos, arreamentos e descimentos errticos da carga, figura 58; entre outros.

Deve-se ressaltar ainda que a ocorrncia de arreamentos da carga, quer pelo rompimento de casces ou mesmos descimentos errticos daquela, exercem distrbios termomecnicos e fluidodinmicos na regio do cadinho, alm de mudanas na intensidade de gotejamento perifrica de gusa e de escria lquidos, o que pode acelerar os mecanismos de desgaste errtico do mesmo. Entre os mltiplos fenmenos ocorrentes, a degradao do coque, ainda na zona de preparao, bem como a degradao e inativao do homem morto, altera a distribuio de fluxos de gases e descimento da carga, modificando o posicionamento da zona coesiva, distribuio e intensidade de gotejamento de gusa e de escria, o que coopera com o perfil de desgaste do revestimento refratrio do cadinho parede lateral e soleira.;

Figura 58 Eventos ocorrentes no interior do alto-forno, edenciando o deslocamento da zona coesiva e modficao do volume da regio de coque ativo

A resistncia ao fluxo de gases causado pela zona de amolecimento e fuso influencia sobre a carga trmica e sobre o comportamento fluidodinmico na zona de elaborao do alto-forno, particularmente na regio do cadinho, pois modifica as quantidades de vapores alcalinos e de gases (presses parciais e composio qumica); influem sobre a taxa de gotejamento de escria e de gusa; modificam a distribuio radial de gotejamento; o que exercem solicitaes trmicas, mecnicas e qumicas no revestimento refratrio da zona de elaborao (cadinho, furo de corrida, ventaneiras, rampa, ventre). A figura 59 mostra o efeito da geometria da zona de amolecimento e fuso sobre a distribuio do fluxo gasoso na regio da cuba de um alto-forno. Sabe-se que a espessura e forma das camadas, na zona coesiva, determinam a distribuio do fluxo gasoso na poro inferior da inferior do cuba e o fluxo de gotejamento de escria e de gusa (preferencialmente perifrico). No caso A, o formato de V invertido da zona coesiva favorece a distribuio central do fluxo gasoso. Observa-se a distribuio do fluxo gasoso preferencialmente na zona de coque ativo, representada pelo ponto (1) , situada entre a superfcie inferior limtrofe da zona coesiva e a superfcie do dorso do homem morto. No caso B, o formato de W da zona coesiva, parece favorecer a distribuio do fluxo gasoso preferencialmente junto parede da cuba, em virtude da menor espessura da raiz da zona de amolecimento e fuso. O posicionamento empinado da raiz da zona coesiva, no caso da forma de W, facilita a formao de uma zona de coque livre, entre o vale e a parede da zona coesiva. Nota-se neste espao (regio 5). No entanto, as janelas de coque, na regio do vale da zona coesiva, (regio 3), apresentam-se mais extensas do que no caso da zona coesiva com formato de V invertido. Nota-se neste espao, a possibilidade de retorno do fluxo gasoso junto parede, acima da zona de combusto. A possibilidade de formao de acrees sobre a raiz da zona coesiva, no caso B, maior. A zona de coque ativo, neste caso, mais estreita em comparao com a zona coesiva com formato de V invertido. Esta diminuio da extenso da zona de coque ativo decresce o volume da zona de gotejamento. Observa-se uma maior tendncia do fluxo gasoso, sante da zona de combusto, concentra-se junto parede do forno, acima da zona de combusto, favorecendo maior intensidade de desgaste do revestimento refratrio nesta poro do forno e, outrossim, maior exigncia do sistema de refrigerao, em comparao com a situao da zona coesiva com formato de V invertido.

Figura 59 - Detalhes do estado interno em um alto-forno morfologia da zona coesiva e distribuio do fluxo gasoso.

Estes fatores afetam as distribuies radiais e longitudinais de temperatura, de massa e de velocidades; na regio do cadinho, e naturalmente, influindo sobre a integridade do mesmo, figura 60. Regies de altas temperaturas e velocidades, particularmente na regio livre de coque, so mais susceptveis ao desgaste por eroso, ataque qumico e infiltrao de escria e de gusa lquidos.

Figura 60 Perfis de temperatura e de velocidades no interior do cadinho do alto-forno (POST et al. 2003)Mudanas eventuais que causam aumento do aporte trmico ou no campo de velocidades na regio do cadinho contribuem para a degradao deste. A espessura e localizao da zona degradada variam com o tempo, sendo afetadas pelas distribuies de temperatura e de velocidades, alm do tamanho da zona livre de coque, posicionamento e grau de inatividade do homem morto e pelo ciclo de drenagem do cadinho, entre outros. Ademais, o perfil ou avano da linha de desgaste do revestimento refratrio influencia de pronto sobre a distribuio de temperaturas neste, figura 61, e, logicamente, sobre a espessura e localizao da camada agregada (gusa solidificado sobre as paredes internas do cadinho), em virtude da maior intensidade do resfriamento forado.

Figura 61 - Zona de degradao do cadinho do alto-forno e seu efeito sobre o perfil trmico do revestimento refratrio da parede lateral do cadinho do alto-forno.

O movimento vertical do homem morto, por exemplo, influencia sobre o campo de velocidades e de temperatura na regio inferior da zona de elaborao do alto-forno. Por exemplo, quando o homem morto flutua pode causar a deformao da zona de combusto e possivelmente perturba a regio de coque ativo, influenciando sobre a distribuio radial de temperatura, presso e de fluxos, figura 62, alm da permeabilidade do homem morto bem como a velocidade de descimento da carga. Com isto, mudanas nos perfis de temperatura, de presses e de velocidades na regio do cadinho podem causar distribuies errticas do desgaste do revestimento refratrio. Ademais, variaes na queda de presso do gs e a velocidade de descimento da carga causado por engaiolamento ou arreamento da carga, influenciam tambm sobre as habilidades de infiltrao de metal, gases e vapores alcalinos na estrutura do revestimento refratrio do cadinho, modificando a cintica de desgaste deste.

Figura 62 - Evoluo esquemtica da queda de presso e a velocidade de descimento da carga durante o ciclo de corrida do cadinho, assumindo-se o homem morto parcialmente suspenso (TORRKULLA et al. 2002)Sabe-se ainda que, alm das quantidades volmicas, as composies e temperaturas do gusa e da escria influenciam sobre a molhabilidade e tenses interfaciais metal-cadinho e escria-cadinho (influenciando a penetrabilidade do gusa lquido atravs dos poros abertos, juntas, trincas do material carbonoso; modificando as magnitudes dos coeficientes de difuso e solubilidade do carbono no gusa; ente outros, podendo acelerar ou retardar a cintica de desgaste do revestimento refratrio do cadinho e das regies prximas s ventaneiras. Por exemplo, o enxofre presente no gusa retarda a cintica de dissoluo do carbono no gusa; eleva o coeficiente de atividade do carbono no gusa; decresce o coeficiente de difuso do carbono dissolvido no gusa lquido; por ser tenso-ativo, acumula-se positivamente na interface metal-escria; metal-coque, metal-cadinho; aumenta o ngulo de molhamento da escria, reduzindo a rea da interface carbono-gusa lquido;decresce o ngulo de molhamento entre o gusa lquido e carbono. Logo, gusas com composies diferentes exibiro comportamentos diferentes no que de refere habilidade de penetrao ou infiltrao nos poros abertos, trincas, fissuras e contornos de gros; habilidade de dissoluo das partculas de carbono do coque e do refratrio do cadinho, entre outras. As figuras 63 e 64 mostram a distribuio e recirculao de enxofre ao longo de um alto-forno, denotando a alta concentrao deste elemento na parte inferior da zona de elaborao do alto-forno.

Figura 63 Distribuio de enxofre no alto-forno no 1 da usina de Hirohata, Japo (OMORI, 1987)

Figura 64 b) recirculao de enxofre no alto-forno no 1 da usina de Hirohata, Japo (OMORI, 1987

J a figura 65, a guisa de ilustrao, explicita que o aumento da concentrao de enxofre no gusa lquido retarda a taxa de dissoluo do carbono no gusa, o que pode ser um indicativo que o gusa mostra-se menos hbil a dissolver o carbono do coque e do refratrio do cadinho.

Figura 65 Efeito do teor de enxofre sobre a taxa de dissoluo de carbono no gusa lquido (SAHAJWALLA & KHANNA, 2003)

Por outro lado, compostos alcalinos (de sdio e potssio) distribuem-se e recirculam-se dentro do alto-forno, figuras 66 e 67, sendo abundantes na regio do cadinho, onde a carga trmica exacerbadamente elevada. Estes compostos e os de zinco favorecem a formao e desenvolvimento de casces na parte alta da cuba, o que modifica a velocidade de descimento da carga e de distribuio do fluxo gasoso, alternado substancialmente o perfil trmico e qumico do alto-forno.

Os lcalis e o zinco destroem a resistncia de refratrio de carbono do cadinho do alto-forno e agridem as propriedades qumicas dos sistemas de cimentao. Os mecanismos de desgaste das paredes de refratrio do cadinho so por corroso e eroso. A corroso das paredes laterais do cadinho, acima do furo de corrida, pode ser decorrente do ataque de lcalis e zinco. Na parte inferior das paredes laterais e soleira do cadinho o processo de eroso estimulado. Com a prtica de injeo de finos, o tempo de residncia do coque, na parte baixa do alto-forno aumenta e o grau de gaseificao do forno cresce, resultando em menor resistncia das partculas de coque. Sob condies de altas temperaturas, a perda de lcalis, slica e grafitizao das partculas de coque, conjugadamente com os fenmenos abrasivos na zona de combusto, conduzem a uma considervel gerao de finos. Altas velocidades de sopro fazem com que a zona de combusto aja como um jet mill.

Os vapores de K2O e de potssio podem infiltrar nos poros abertos, trincas, fissuras, contornos de gros e juntas, degradando substancialmente a camada de revestimento de carbono ou de grafita. Os xidos alcalinos K2O e Na2O podem reagir com a Al2O3 e SiO2, em particular da cinza dos blocos de carbono e de grafita, resultando na degradao do revestimento refratrio, devido formao de fases lquidas, a temperaturas inferiores a 1095C (no caso do Na2O). No caso do K2O, compostos tais como: K2O.Al2O3.SiO2, K2O.Al2O3.2SiO2 (leucita) podem ser formados, figura 68, causando tenses na estrutura do refratrio bem como a escorificao da cinza da material carbonoso. O mecanismo de desgaste do revestimento refratrio do cadinho por ao de vapores de compostos de potssio ser discutido posteriormente. Por isso, o emprego de refratrios base de SiO2-Al2O3 no aconselhvel para o revestimento da face quente do cadinho do alto-forno.

Figura 66 b) Distribuio de lcalis no alto-forno no 1 da usina de Hirohata, Japo (OMORI, 1987)

Figura 67 - recirculao de lcalis no alto-forno no 1 da usina de Hirohata, Japo (OMORI. 1987)

Figura 68 Sistema ternrio K2O-SiO2-Al2O3A figura 69 mostra a zona de degradao do bloco de carbono por ao de lcalis, entre .a face quente e a face fria.

Figura 69 - Efeito da degradao de componente do cadinho por ao de lcalis, FRASER et al.(2004Uma outra causa de desgaste do revestimento refratrio do cadinho de um alto-forno procede da dissoluo de carbono daquele no gusa. A taxa de dissoluo depende do campo de velocidades, composio e temperatura do gusa, alm da rea de contato metal-refratrio. Mudanas no posicionamento e permeabilidade do homem morto flutuante ou assentado, influem sobremaneira o volume da regio livre de coque e, por conseguinte, sobre a magnitude da rea de contato metal lquido-refratrio, na regio do cadinho. Componentes que reduzem a solubilidade do carbono no gusa lquido, tambm devero dificultar a cintica de dissoluo do material carbonoso do cadinho, reduzindo, destarte, a taxa de desgaste do revestimento refratrio do cadinho. O aumento do teor de silcio no gusa lquido, por exemplo, decresce a solubilidade do carbono no banho metlico, figura 70, o que, portanto, deve interferir sobre a longevidade do cadinho, pelo mecanismo de dissoluo de carbono. No entanto, maiores temperaturas e maiores teores de silcio no gusa implicam em maiores cargas trmicas na regio do cadinho, o que e favorece a ocorrncia de outros mecanismos de desgaste, tais como: aumento do gradiente trmico; intensificao da taxa de infiltrao do metal lquido pelos poros abertos e interconectados, contornos de gros, juntas e fissuras, alm de acelerar a infiltrao de vapores potssio e de zinco, penetrao gases -oxignio, monxido de carbono CO, hidrognio - escorificao de compostos das cinzas do coque; associadamente degradao e inativao do homem morto. Estes fenmenos que estimulam a degradao do revestimento refratrio.

Figura 70 Efeito do teor de silcio sobre a concentrao de carbono no gusa lquido, no interior do alto-forno (ELLIOT et al. 1963)A elevao do nvel de gusa e de escria, no cadinho, figura 71, altera o perfil trmico do refratrio, aumenta a rea de contato, altera o campo de velocidades, modificando a taxa de desgaste por eroso e corroso. Maiores volumes de lquidos, no cadinho, devem implicar em aumento do grau de desgaste por penetrao de lquidos pelos poros, juntas, fendas e trincas bem como pelo mecanismo de dissoluo dos gros de carbono no gusa, acelerando a taxa de degradao do revestimento refratrio, por eroso, corroso e dissoluo.

Figura 71 Nveis de escria e de gusa no cadinho durante um ciclo de drenagemPor outro lado, para baixos volumes de lquidos, no cadinho, a ocupao do espao pelos gases de combusto e vapores alcalinos tambm contribuem para o desgaste do revestimento refratrio. Ora, as situaes de cadinho cheio ou vazio de lquidos, alteram o posicionamento do homem morto (assentado ou flutuante) intervindo tambm sobre o ndice de degradao do revestimento refratrio do cadinho, especialmente na soleira, e tambm sobre a espessura da camada agregada em virtude do perfil temporal de temperatura e de presso. Assim, se esperar que, para uma dada operao do alto-forno, o ciclo de drenagem do cadinho influencia sobremaneira sobre a distribuio dos campos de velocidades e de temperatura nesta parte do alto-forno, influindo de maneira errtica sobre o perfil de desgaste do cadinho. A figura 72 ilustra uma situao de enchimento do cadinho.

Figura 72 Nveis de escria e de gusa no cadinho, explicitando a zona livre de coque sob a base do homem morto e o desgaste tipo pata-de-elefante.

O movimento errtico, especialmente, de gusa lquido entre o homem morto e o revestimento refratrio do cadinho paredes laterais e soleira (zona livre de coque) o principal causador de desgaste do cadinho por eroso em virtude das distribuies de velocidades e de temperatura. Os gradientes de velocidades lquido e de temperatura so afetados pelo ciclo de drenagem do cadinho (acumulao e esvaziamento de lquidos), e consequentemente, pelo modus operandi do alto-forno.

O grau de degradao do cadinho pela penetrao do gusa e de compostos alcalinos funo da espessura, localizao e distribuio de temperatura na zona degradada, figura 73a; distribuio e tamanhos de trincas formadas pela expanso e contrao trmicas, figura 73b, e da distribuio espacial e de tamanhos dos poros abertos, 74..

Figura 73 a) Penetrao de gusa lquido e de lcalis no bloco de carbono do cadinho do alto-forno b) Expanso trmica em funo da penetrao de ferro da amostra de bloco de carbono (FUJIHARA ET AL.1989).

Figura 74 - distribuio dos poros no maretial carbonoso do cadinho do alto-forno (Fujihara et al.1989).

Enfim, o conhecimento do perfil de desgaste do revestimento refratrio do cadinho, ao trmino da campanha de um alto-forno, atravs de exames post mortem, de suma importncia para o estabelecimento da poltica e estratgias de controle, monitoramento e reparos. MECANISMO DE DESGASTE DO CADINHO DE UM ALTO-FORNODo exposto anteriormente, vrios parmetros operacionais influem sobre o perfil de desgaste do revestimento refratrio de uma alto-forno, especialmente no que tange ao cadinho. Pode-se antecipar que a estabilidade estrutural do cadinho determina a longevidade do alto-forno. Nesta regio do alto-forno, a escria, gusa, gases (CO, H2, CO2) e vapores (K, K2O, Zn, ZNO), associadamente outros fenmenos hidrodinmicos e tenses termomecnicas, agridem severamente o revestimento refratrio da face quente do cadinho.

A presena de poros e trincas no revestimento refratrio do cadinho uma das causas facilitadoras da degradao do mesmo. Poros de pequenas dimenses covizinhos, por coalescimento, podem-se tornar poros de maiores dimenses, permitindo a penetrao de gusa, escria e vapores. FUJIHARA (1989) salienta que a penetrao de gusa lquido, atravs de poros com dimetros maiores do que 1m, acelera a taxa de desgaste do cadinho, fragilizando o revestimento refratrio. De acordo com este autor, a tcnica de transformao dos poros em whiskers reduz o desgaste por corroso de 30 a 40%, quando o tamanho dos poros for inferior a 1m, o que, consequentemente, prolonga a campanha do revestimento refratrio do cadinho. A figura 75 ilustra um perfil de desgaste tpico do cadinho de um alto-forno, a partir de exame post mortem.

Figura 75 Perfil de desgaste tpico do revestimento refratrio do Cadinho do alto-forno (PASKOCIMAS)Pode-se observar, na figura 75, um conjunto de 06 camadas ou regies distintas de desgaste do revestimento refratrio, com espessuras distintas, a partir da face quente do cadinho:

i. Camada desgastada ou perdida, em virtude da eroso induzida pelo fluxo de gusa e escria lquidos e dissoluo de carbono no gusa;ii. Camada agregada ou de proteo, depositada sobre a parede interna do cadinho bloco de carbono, motivada pelo resfriamento ou solidificao forada;iii. Camada penetrada pelo gusa atravs dos poros abertos ou conexos, onde o metal lquido pode ser solidificado;iv. Zona ou regio frgil, na qual os blocos de carbono so desintegrados;v. Zona ou regio levemente alterada, na qual as propriedades fsico-qumicas apresentam pequenas alteraes;vi. Camada inalterada ou intacta, na qual as propriedades fsico-qumicas originais so preservadas.

MECANISMO DE EROSO E DISSOLUO DO CARBONO DO CADINHO PELO GUSA LQUIDONa interface gusa-cadinho, o processo de desgaste do revestimento refratrio pode ser decomposto em dois estgios distintos e consecutivos:

I. Estgio I infiltrao do gusa lquido pelos poros abertos e nos contornos de gros; figura 76, encetando o processo de dissoluo dos gros de carbono. Gros de menores dimenses, para uma mesma zona trmica, dissolvem-se mais rapidamente do que gros maiores.II. Estgio II Dissoluo dos gros de carbono no gusa lquido, enquanto que a matriz de ligante, de baixo grau de cristalizao, resiste ao ataque ao metal lquido. O excesso de carbono dissolvido no gusa, durante o processo de degradao do revestimento refratrrio, precipita-se a forma de grafita, conforme mostrado no diagrama ferro carbono.

Figura 76 Mecanismo de eroso e dissoluo de carbono no gusa lquido (PASKOCIMAS)

SHINOTAKE ET AL (2003) salienta que quando certa regio de refratrio sofre desgaste, o gusa lquido penetra pelos poros do refratrio remanescente provocando a formao da camada frgil. O metal lquido alojado entre a camada s do bloco de carbono e a camada frgil, at que o fluxo de lquidos do cadinho, especialmente o gusa, remova toda a camada frgil. O processo de deteriorao avanado com uma nova penetrao do gusa pela estrutura do cadinho, figura 77, onde ocorre a infiltrao do gusa nos poros de refratrio e os blocos carbono so dissolvidos; Trincas finas so formadas atrs da regio penetrada pelo metal e a camada frgil, resultando na desintegrao do refratrio. Para o perfil eroso da base do forno, o tipo de taa e o tipo em forma de cogumelo ou pata de elefante so os perfis de eroso mais tpicos. FUJIHARA ET AL (1989) reporta que o desgaste dos refratrios enceta-se na poro mediana do fundo do cadinho e depois na interface fundo/parede cadinho. Pode-se preconizar que a distribuio de fluxos de lquidos no cadinho (condio de homem morto suspenso ou assentado, portanto, mudanas no volume e forma da regio livre de coque), causa o desgaste do fundo e canto do cadinho. A figura 78 ilustra a degradao do cadinho ao termo da campanha do alto-forno (Tobata, Japo)

Figura 77 Mecanismo de eroso dos refratrios do cadinho (Shinotake et al. 2003).

Figura 78 Comportamento do cadinho ao trmino da campanha (SHINOTAKE et al. 2003)Uma vez que as distribuies de velocidades, presses e de temperaturas influem sobre a campanha do cadinho, na atualidade, muitos alto-fornos so projetados de modo a garantir que homem morto flutua o tempo todo, (o que implica no controle da altura, forma e volume da zona livre de coque posicionamento do homem morto - figuras 79 e 80), o que requer que a distncia entre o fundo do cadinho e os furos de gusa aumentada. Todavia, no caso de altos-fornos com cadinho fundo (rebaixado), o fluxo de lquidos em toda base do cadinho aumenta, mas o fluxo da interface parede/fundo diminudo, o que torna o nvel de maior desgaste na regio intermediaria entre os furos de gusas e quina do fundo.

Figura 79 Diferentes formas da zona livre de coque: a) altura uniforme; b) coke-fre gutter; c) altura varivel (WRIGTH et al, 2003)

Figura 80 Distribuio tpica de temperatura (em Kelvin) no gusa lquido e no revestimento refratrio do cadinho, campo de velocidades no lquido, para vrias posies do leito de coque (dimenses em metros) (WRIGTH et al. 2003)MECANISMO DE FORMAO DA CAMADA PENETRADA DE GUSA NO REVESTIMENTO REFRATRIOA existncia de poros abertos interconectados permite a infiltrao de gusa lquido por aqueles, causando a dissoluo do carbono na matriz do revestimento refratrio, figuras 81, 82 e 83. Com a evoluo do desgaste por infiltrao, a isoterma movimenta-se na direo da face fria devido mudanas no perfil trmico do revestimento refratrio do cadinho. A evoluo ou avano da linha de desgaste depende da inteconecticidade, numero e tamanhos dos poros e a existncias de novas fissuras.

Figura 81 - Mecanismo de formao da camada penetrada por gusa lquido, estgio 1 (PASKOCIMAS)

Figura 82 - Mecanismo de formao da camada penetrada por gusa lquido, estgio 2 (PASKOCIMAS)

Figura 83 Mecanismo de formao da camada penetrada por gusa lquido, estgio 3 (PASKOCIMAS)A habilidade de infiltrao do metal lquido, pelos poros abertos, contornos de gros, trincas e fissuras, depende da composio e temperatura do gusa lquido, e prevalece at que a temperatura daquele atinja 1150oC, o que corresponde a ocorrncia da reao euttica, figura 84,

L ( (austenita) + grafita

Figura 84 Diagrama Ferro-carbono

Nestas condies, a penetrabilidade do gusa interrompida em virtude da ocorrncia da transformao euttica, a qual gera duas fases slidas (austenita e grafita) temperatura de 1150C. Uma vez que perfil de desgaste altera-se com o tempo, a distribuio de temperatura no revestimento refratrio, figura 85, tambm alterada. Esta alterao espacial da distribuio trmica do revestimento refratrio do cadinho (movimento da isoterma de 1150C, provoca o aumento da profundidade de penetrao do gusa atravs de gusa pelos poros, trincas e contornos de gros, avanando a linha de degradao do cadinho.

Figura 85 Perfil trmico e de desgaste tpico do cadinho do alto-forno

MECANISMO DE FORMAO E DESENVOLVIMENTO DE ZONA FRGIL Poros abertos interconectados, alm de permitir a infiltrao de gusa, permitem tambm infiltrao de vapores alcalinos e de zinco, figuras 86 e 87, especialmente, estgio 1, durante aps a etapa de drenagem, situao esta em que o cadinho encontra-se esvaziado. Mesmo aps a solidificao do gusa penetrado pelos poros, trincas e fissuras, o espao vazio resultante da contrao devido solidificao do metal, permite a permeao de vapores alcalinos e de zinco, estgio 2, que reagem, prximo da isoterma 800oC, figura 88 (diagrama de estabilidade de xidos), segundo as reaes,2K(g) + CO2(g) ( K2O(s, l) + CO(g)Zn(g) + CO2(g) ( ZnO(s, l) + CO(g)

Figura 86 Condensao de vapores metlicos alcalinos e de zinco (PASKOCIMAS)Em um terceiro estgio, os lcalis reagem com a alumina e slica das cinzas do bloco de carbono, formando fases lquidas de aluminossilicatos de potssio e de zinco, segundo as reaes qumicas:

K2O(s,l) + Al2O3(s) ( K2O.Al2O3.2SiO2(l) (caliofilita)K2OAl2O3.2SiO2(l) + 2SiO2(s) ( K2O.Al2O3.4SiO2(l) (leucita)ZnO(s,l) + Al2O3(s) ( ZnAl2O4.(l) (aluminato de zinco)ZnO(s,l) + SiO2(s) ( ZnSiO3(l) (silicato de zinco)Esta fase escorificada (lquida) dentro dos poros abertos, prximo isoterma de 800oC, provoca o colapso da estrutura do revestimento refratrio (quarto estgio), tornando-a pulverulenta, deste modo, desintegrada, fragilizada. Por causa disso, o aumento de temperatura, desloca a isoterma de 1150C, na direo da face fria, resultando em mais infiltrao de gusa lquido, acelerando processo de desgaste do revestimento refratrio do cadinho, aproximando a camada frgil e da camada de gusa penetrado solidificado. Para temperaturas inferiores a 800C, a estrutura dos blocos de carbono permanece preservada, conservando as propriedades fsico-qumicas originais. Entretanto, entre as isotermas de 500C e a da zona frgil, o revestimento refratrio pode apresentar ligeiras alteraes em suas propriedades fsico-qumicas, devido aos mecanismos de oxidao e desintegrao do monxido de carbono.

Figura 87 Zona frgil (PAKOSCIMAS, 1999)

Figura 88- Diagrama de estabilidade de xidosA descontinuidade trmica causada pela fragilizao do revestimento do cadinho prejudica o processo de transferncia de calor do cadinho para o sistema de refrigerao, de modo que, o gradiente de temperatura reduzido nos blocos de carbono, junto face quente, acelerando a taxa de infiltrao de gusa e de degradao da estrutura refratria.

MECANISMO DE OXIDAO DOS BLOCOS DE CARBONOA porosidade aberta poros, trincas, espaos vazios nos contornos de gros - na face quente dos blocos de carbono permite ainda a permeao de oxignio (estgio I). O oxignio penetrado adsorvido nas paredes dos poros e trincas, a temperaturas superiores a 500C, formando CO e consequentemente, consumindo a estrutura do cadinho, figura 89. C(s) + O2 ( CO(ad)

CO(ad) ( CO(g)CO(g) + 1/O2 ( CO2As molculas de CO sofrem desoro das paredes dos poros (estgio III), ficando disponveis para interagir quimicamente com os compostos alcalinos e de zinco, inclusive liberando vapores metlicos, ou ainda as molculas do monxido podem ser desintegradas, precipitando grafita. Por outro lado, o CO2, possvel de ser gerado, pode reagir com os vapores de potssio e de zinco, produzindo K2O e ZnO, conforme as reaes qumicas:

2K(g) + CO2(g) ( K2O(s, l) + CO(g)Zn(g) + CO2(g) ( ZnO(s, l) + CO(g)

Figura 89 Mecanismos de oxidao (PASKOCIMAS)

Os compostos K2O(s, l) e ZnO(s, l) formados podem reagir com componentes da cinza do material carbonoso,

K2O(s,l) + Al2O3(s) ( K2O.Al2O3.2SiO2(l) (caliofilita)

K2OAl2O3.2SiO2(l) + 2SiO2(s) ( K2O.Al2O3.4SiO2(l) (leucita)ZnO(s,l) + Al2O3(s) ( ZnAl2O4.(l) (aluminato de zinco)ZnO(s,l) + SiO2(s) ( ZnSiO3(l) (slicato de zinco)exacerbando o perfil de desgaste do refratrio do cadinho.

MECANISMO DE DESINTEGRAO DO REFRATRIO CARBONO PELO MONXIDO DE CARBONODa mesma forma, o monxido de carbono penetra pelos poros abertos, trincas, fissuras (estgio I), reduzindo o xido de ferro presente na cinza do material carbonoso, segundo as reaes qumicas (estgio II):

3Fe2O3 + CO ( 2 Fe3O4 + CO2Fe3O4 + 4CO ( 3Fe + 4CO2Parte do CO pode ser adsorvida na superfcie do ferro metlico, (estgio III), figura 90, formando carbetos de ferro, liberao de oxignio e dixido de carbono, (Fe..CO)adsorvido ( FeC + O23Fe + 2CO ( Fe3C + CO22FeC ( Fe2C + Cgrafita3Fe2C ( 2Fe3C + CgrafitaFe3C ( 3 Fe + Cgrafitaalm de deposio de carbono, pela reao (estgio IV) pela inverso da reao de Bourdouard:2CO ( CO2 + Cgrafita

Figura 90 - Mecanismo de desintegrao por CO, estgio 3 (PASKOCIMAS)Finalmente, os depsitos de carbono (estgio V, figura 91) geram tenses na microestrutura, resultando na iniciao e propagao de trincas, causando a desintegrao do revestimento refratrio carbono,

Figura 91 - Mecanismo de desintegrao por CO, estgio 5 (PASKOCIMAS)

RESUMO Danos termomecnicos, qumicos, entre outros, responsveis pelo desgaste errtico ou assimtrico do refratrio do cadinho, uma vez que no podem ser inibidos, em virtude da prpria natureza estrutural e funcional do alto-forno, devem ser corretamente minimizados, tanto pelo controle e otimizao dos sistemas de refrigerao; controle adequado da distribuio da carga do alto-forno para controle da distribuio de fluxos e de temperatura, alm da velocidade de descida da mesma; controle e otimizao do ciclo de drenagem, entre outros. Pode-se enfatizar que o cadinho constitui-se na regio mais critica de um alto-forno e cuja vida til, definida principalmente pela distribuio de desgaste dos refratrios do cadinho parede, soleira, furo de corrida e canal de corrida determina a campanha do reator industrial. A distribuio de desgaste do refratrio de carbono derivada de conjuminao de fenmenos qumicos, hidrodinmicos e termomecnicos. O controle das distribuies de fluxos de escria e gusa lquidos bem como as de temperatura, na estrutura do leito de coque, so vitais para a determinao da campanha do alto-forno, uma vez que afetam consideravelmente o perfil de eroso do cadinho.

A regio do cadinho de altos fornos se encontra submetida a elevados gradientes trmicos, a esforos de abraso e, eventualmente choques. Refratrios se encontram tambm sob ao de metal e escria a altas temperaturas bem como a gases sobre-aquecidos que contm elementos deletrios como os lcalis.

Da a preocupao com o estado trmico e fluidodinmico nesta regio no ser surpresa. A vida til ( 10 a 20 anos a depender da concepo) e a produtividade do aparelho esto interligadas de modo que pode ser necessrio pagar um preo nesta escolha. Tal escolha particularmente difcil no contexto atual que envolve competio acirrada entre blocos de vrios continentes e plantas enxutas , em termos de maquinrio e pessoal. Ressalte-se ainda a tendncia segundo a qual a produo de gusa seja concentrada em algumas poucas unidades que devem apresentar alta taxa de utilizao e alta confiabilidade.

Perodos de downtime devem ser curtos e programados. Paradas longas, por exemplo, para troca de refratrios de um cadinho, podem comprometer a sade financeira do empreendimento.

Termo-eroso devido movimentao dos fluidos (gusa e escria) no cadinho representa um dos principais mecanismos de desgaste dos refratrios. O fluxo se d nos interstcios entre as partculas do homem morto e/ou entre o homem morto e o revestimento. O fluxo ainda complexo e transiente. O homem pode repousar ou flutuar a depender do balano entre peso, empuxo e fora de arraste provida pelos gases; este balano se altera durante o processo em regime (pseudo) permanente. Em geral as unidades maiores dispem de dois ou mais furos de corrida que so acionados alternamente de modo a melhor esgotar o cadinho. Em virtude da combinao entre viscosidade dos fluidos e permeabilidade do homem morto, o esgotamento no se mostrara completo. Este fator adiciona complexidade transincia.

O revestimento refratrio do cadinho pode ser substancialmente danificado por diversas razes:

Eroso na soleira do cadinho provocada pelos fluxos de escria e de gusa e pela abraso do homem morto;

Eroso na parede lateral do cadinho induzida pelo fluxo perifrico de gusa e de escria em ocasio da baixa permeabilidade do homem morto;

Desgaste da regio em torno e abaixo do furo corrida;

Agresses qumicas pelo gusa, escria e lcalis;

Danificao pela penetrao do gusa lquido nas trincas e fendas dos blocos de carbono;

Degradao advindas das aes de tenses trmicas e termomecnicas nos blocos de carbono; zonas das ventaneiras, entre outros.

O desgaste do refratrio de carbono ocorre principalmente por eroso, auxiliada pela combinao de fenmenos qumicos e termomecnicos. O conhecimento das distribuies de fluxos no interior do cadinho do alto-forno importante para a estima, solues e minimizao do desgaste do cadinho. Uma passagem excessiva de gs pelo furo de corrida conduz a elevao da temperatura na poro do refratrio circundante ao furo de gusa. Por outro lado, instabilidades operacionais do alto-forno tambm podem provocar a degradao da regio do furo de corrida. Descolamentos dos blocos de refratrio, associadamente aos processos de eroso das paredes do cadinho, na rea do furo de corrida, permitem a elevao da temperatura e conseqentemente, a intensidade de desgaste do cadinho. Ademais, deslocamentos dos blocos de refratrio ocasionam a formao de trincas, frestas e espaamentos entre os blocos, encorajando a infiltrao de gusa e de gs, estimulando a danificao local do cadinho e/ ou do furo de corrida. Lminas de gusa de grandes espessuras podem ser encontradas entre as frestas e frente aos dos blocos de refratrio do furo de corrida.

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