Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de...

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Esco la de Engenhar ia de Lorena -EEL

ANA LUIZA CARVALHO BARQUETE

AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA À EROSÃO DE UM CONCRETO REFRATÁRIO

ANTIEROSIVO COM APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA PETROQUÍMICA

Lorena 2012

ANA LUIZA CARVALHO BARQUETE

AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA À EROSÃO DE UM CONCRETO REFRATÁRIO ANTIEROSIVO COM APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA PETROQUÍMICA

Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena – EEL-USP como requisito parcial para a conclusão de Graduação do curso de Engenharia Química. Orientador: Sebastião Ribeiro

Lorena

2012

DEDICATÓRIA

Em especial aos meus queridos pais, Ana Isabel e Carlos Henrique.

A minha irmã e amiga Ana Cláudia e ao meu amável sobrinho Vitor Hugo.

Aqueles que mesmo de longe estiveram comigo, sempre me dando apoio e todo

suporte que precisei.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, em primeiro lugar, pela vida, saúde e pelo seu

encaminhamento em todas as coisas durante a elaboração deste trabalho.

Aos meus pais, Ana Isabel e Carlos Henrique, os quais sempre me deram

todo apoio, carinho e amor e também sempre acreditaram na minha

capacidade.

A minha irmã Ana Cláudia pelo amor, carinho e amizade de toda a vida.

Ao professor Sebastião Ribeiro, pela orientação e acompanhamento durante a

realização do trabalho e por transmitir os conhecimentos necessários para a

elaboração do mesmo.

A Escola de Engenharia de Lorena e ao Departamento de Engenharia de

Materiais por viabilizar o desenvolvimento deste trabalho.

Ao grupo de cerâmica, colegas e amigos do DEMAR pela amizade, auxílio e

contribuição para o desenvolvimento do trabalho.

Aos técnicos do DEMAR que foram bastante prestativos na parte experimental

do trabalho, principalmente ao técnico Geraldo Prado.

A Indústria Brasileira de Artigos Refratários Ltda, pelo apoio material e técnico,

especialmente ao Dr. Waldir de Sousa Resende.

Aos amigos e colegas pela amizade e companheirismo e pela ajuda nos

momentos que precisei.

“Nem tudo que se enfrenta pode

ser modificado, mas nada pode ser

modificado até que seja

enfrentado.”

Albert Einstein

RESUMO

Os concretos refratários, devido à sua resistência a altas temperaturas e a erosão,

são aplicados como revestimento de equipamentos industriais e fornos que

processam materiais os quais requerem simultaneamente estas propriedades. Estes

equipamentos apresentam com frequência desgastes por erosão e apesar da

importância do assunto, o número de pesquisas e artigos relacionados a este tema

são limitados. Portanto, devido a isto, existe a necessidade de estudos relacionados

ao melhor entendimento do mecanismo da erosão buscando uma melhor resistência

do material. Estes estudos, contudo, poderão permitir o aumento da vida útil de

equipamentos e consequentemente a diminuição de gastos com manutenção e

paradas não programadas nas linhas de produção. Neste trabalho, o principal

objetivo foi realizar um estudo da avaliação da resistência à erosão de um concreto

refratário aluminoso antierosivo do tipo comercial PAA-G fornecido pela IBAR, o qual

tem aplicação na indústria petroquímica. Os resultados indicam que os corpos de

prova queimados a temperatura de 1000○C apresentam melhor desempenho em

relação à resistência a erosão.

Palavras-chave: Concreto Refratário, Resistência à Erosão, Petroquímica.

ABSTRACT

Refractory concrete is widely used where the environment is aggressive and it

involves high temperature and erosion. The material is applied as linings for industrial

equipment and furnaces in materials process which require good resistance to high-

temperature and erosion. Erosion is frequently detected in these equipments, despite

the importance of the subject, only few studies and articles related to this topic exist.

Studies directed towards understanding of erosion mechanism will provide better

material resistance and will extend equipment service life, reduce maintenance costs

and eliminate unscheduled stops. The main objective was to study the erosion

behavior of a commercial aluminous antierosive refractory concrete (PAA-G) provided

by IBAR, that is used in the petrochemical industry. Results indicate that the samples

thermally treated at 1000○C present better performance related to resistance to

erosion.

Keywords: Refractory Concrete, Erosion Resistance, Petrochemical.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Representação esquemática do processo de aplicação de concretos

refratários. (a) vertido e vibrado, (b) projeção a seco e (c) projeção a úmido

(adaptado de LEE; MOORE, 1998). ........................................................................... 19

Figura 2 - Dispositivos de fixação de concretos refratários (DENISOV et al., 2007). . 21

Figura 3 - Efeito da temperatura de cura no limite à explosão em concretos

contendo cimento refratário (ARNOSTI et al, 1999)................................................... 24

Figura 4 - Transformações que podem ocorrer durante o aquecimento de concretos

refratários de alumina e contendo CAC (Adaptado de RIBEIRO; RODRIGUES, 2010).

................................................................................................................................... 28

Figura 5 - Desenho esquemático de um ciclone (SOLER&PALAU, 2012). ................ 30

Figura 6 - Ciclone utilizado em craqueamento catalítico revestido com concreto

refratário (DENISOV et al, 2007)................................................................................ 31

Figura 7 - Mecanismo de Abrasão (GONÇALVES, 2011). ......................................... 32

Figura 8 - Mecanismo de Erosão (GONÇALVES, 2011). ........................................... 32

Figura 9 - Ângulo de impacto do erodente (LOCATELLI, 2009). ............................... 34

Figura 10 - Representação esquemática do efeito do ângulo de impacto na taxa de

desgaste de materiais dúcteis e frágeis (ZUM GAHR, 1987). ................................... 34

Figura 11 - Crescimento de trinca durante o impacto da partícula. O sinal (+)

representa a superfície sob carregamento e o (-) indica a retirada de carga por parte

da partícula. A região escura denota deformação irreversível (SANTOS et al, 2009).

................................................................................................................................... 37

Figura 12 – Argamassadeira Planetária de Laboratório. ............................................ 42

Figura 13 – (a) Molde e (b) Corpo de prova confeccionado. ...................................... 42

Figura 14 – Retificadora Plana utilizada no procedimento. ........................................ 44

Figura 15 – (a) Disposição dos corpos de provas durante a retificação e (b) corpo de

prova retificado........................................................................................................... 44

Figura 16 – Corpo de prova sendo preparado no equipamento utilizado para o teste

de erosão. .................................................................................................................. 46

Figura 17 - Politriz semi-automática utilizada para o lixamento e polimento. ............. 48

Figura 18 – Gráfico de análise via DRX em função da temperatura de cura (adaptado

de MACZURA et al, 1983). ........................................................................................ 50

Figura 19 - Difratograma de raios X da amostra de matriz após hidratação (SANTOS

E., 2011). ................................................................................................................... 50

Figura 20 - Difratograma de raios X da amostra de matriz após hidratação seguida de

tratamento térmico à 600○C (SANTOS E., 2011). ...................................................... 51


tratamento térmico à 800○C (SANTOS E., 2011). ...................................................... 51


tratamento térmico à 1000○C (SANTOS E., 2011). .................................................... 52

Figura 23 – Fotografia dos corpos de prova infiltrados com cola instantânea após o

teste de erosão: (a) 1000°C, (b) 800°C e (c) 600°C. .................................................. 53

Figura 24 – Resultados da resistência à erosão do concreto aluminoso antierosivo

(PAA-G) queimados a 600°C, 800°C e 1000°C. ........................................................ 54

Figura 25 – Fotografias das superfícies dos corpos de prova antes e após o teste de

erosão: (a) e (b) na temperatura de queima de 600°C, (c) e (d) 800°C e (e) e (f)

1000°C. ...................................................................................................................... 55

Figura 26 - Micrografia de MEV do corpo de prova queimados a 600ºC. .................. 56

Figura 27 - Micrografia de MEV do corpo de prova tratado a 1000ºC. ....................... 57

Figura 28 - Fotografia da superfície ampliada de um corpo de prova queimado a

600○C. ........................................................................................................................ 58

Figura 29 - Micrografia de MEV destacando um agregado de um corpo de prova

queimado a 600○C. .................................................................................................... 58


800○C. ........................................................................................................................ 59


queimado a 1000○C. .................................................................................................. 59

Figura 32 – Micrografia de MEV de um corpo de prova queimado a 1000○C. Em

destaque um agregado sendo consumido igualmente com a matriz. ........................ 61

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Composição química do PAA-G.......................................................... 39

Tabela 2 - Distribuição granulométrica do concreto PAA-G................................. 40

Tabela 3 - Especificação do grão de carbeto de silício utilizado no teste de erosão..47

Tabela 4 - Média e desvio padrão do volume erodido para cada temperatura de

queima........................................................................................................................53

Tabela 5 - Comparativo dos Volumes Erodidos Médios nas temperaturas de 600○C,

800○C e 1000○C..........................................................................................................60

12

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO, JUSTIFICATIVA E OBJETIVO ................................................. 14

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 16

2.1. Refratários ....................................................................................................... 16

2.2. Concreto Refratário ......................................................................................... 17

2.2.1. Métodos de Aplicação e Processamento do Concreto Refratário ............. 18

2.2.1.1. Métodos de Aplicação ........................................................................ 18

2.2.1.2. Processamento .................................................................................. 22

Mistura e Moldagem .................................................................................... 22

Cura do Concreto Refratário ........................................................................ 23

Processo de Secagem e Queima ................................................................ 25

2.2.1. Hidratação e Desidratação do CAC ......................................................... 26

2.3. Ciclones ........................................................................................................... 29

2.4. Desgaste por Erosão ....................................................................................... 31

2.4.1. Fatores que Influenciam na Erosão de Equipamentos Industriais ............ 33

2.4.2. Ciência da Erosão ..................................................................................... 36

2.5. Resistência à Erosão de Concretos Refratários .............................................. 38

3. MATERIAIS E METODOS .................................................................................. 39

3.1. Materiais .......................................................................................................... 39

3.2. Metodologia ..................................................................................................... 41

3.2.1. Confecção dos Corpos de Prova para Avaliação de Erosão .................... 41

Mistura e Moldagem .................................................................................... 41

Cura ............................................................................................................. 43

Secagem e Queima ..................................................................................... 43

Retificação ................................................................................................... 43

3.2.2. Avaliação das Fases Presentes na Matriz do Concreto ............................ 45

13

3.2.3. Avaliação de Resistência à Erosão ........................................................... 45

3.2.4. Avaliação Microestrutural das Superfícies Polidas ................................... 47

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 49

4.1. Avaliação das Fases Presentes na Matriz do Concreto ................................. 49

4.2. Avaliação da Resistência à Erosão do Concreto ............................................. 52

4.2.1. Avaliação do Volume Erodido ................................................................... 56

4.2.2. Efeito Sombra ........................................................................................... 57

4.3. Estudo Comparativo com os Resultados Obtidos Seguindo as Normas da

Petrobrás ................................................................................................................ 60

5. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 62

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 63

14

1. INTRODUÇÃO, JUSTIFICATIVA E OBJETIVO

Concreto refratário é uma mistura de aglomerantes e agregados. Este material

é composto por uma matriz finamente granulada e agregados mais grosseiros. O uso

deste material se faz necessário em áreas onde é requerido simultaneamente

resistência à erosão e temperaturas elevadas.

No geral, a principal aplicação dos concretos refratários é revestir fornos e

equipamentos industriais que processam materiais em elevadas temperaturas tais

como ferro, aço, cimento, vidro e petróleo. Em particular, na indústria petroquímica

os refratários são utilizados em dutos, regeneradores, caldeiras, vasos separadores

e ciclones.

Os concretos utilizados em ciclones na indústria petroquímica normalmente

apresentam com frequência desgaste por erosão, que é caracterizado pela perda

progressiva de material em uma superfície, sendo esta perda consequência do

impacto de um fluído, que pode ser um líquido e/ou partículas sólidas. Apesar da

importância do assunto, há um número limitado de pesquisas e artigos relacionados

a este tema.

O desgaste por erosão de concretos refratários é um assunto que envolve

muitas variáveis e ainda apresenta muito que ser desenvolvido, tanto relacionado à

metodologias de aplicação como à sua composição. Portanto, um estudo mais

elaborado deste material é de grande relevância e necessidade visando à melhoria

de seu desempenho através do aumento de sua resistência à erosão e, como

consequência, obter a redução de custos de manutenção e aumentar a vida útil do

equipamento.

O presente trabalho teve como objetivo principal avaliar a resistência à erosão

de um concreto refratário aluminoso antierosivo utilizado em ciclones na indústria

petroquímica. Para isso, este material foi fornecido pela Indústria Brasileira de

Artigos Refratários (IBAR) e os corpos de prova foram moldados por prensagem e

retificados após a queima. Na sequência, foi realizado um estudo comparativo entre

15

os resultados obtidos a partir deste trabalho e aqueles levantados utilizando corpos

de prova confeccionados atendendo as normas da Petrobras.

16

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Refratários

Material refratário, ou cerâmica refratária, é uma importante classe de cerâmica

que é largamente utilizada dentro da indústria para diversas aplicações como

revestimento de fornos para refino de metais, fabricação de vidro, tratamentos

térmicos metalúrgicos e geração de potência (CALLISTER, JR., 2002). Isto é

possível, devido este material apresentar como principais características resistência

a elevadas temperaturas, resistência química quando aplicado em ambientes

severos e por proporcionar o isolamento térmico. Porém, um material não vai

apresentar com facilidade todas essas características simultaneamente, então se faz

necessário um estudo da composição química e mineralógica do refratário de acordo

com a sua futura aplicação. Além disso, as propriedades deste material também são

determinadas através da granulometria das matérias-primas que o compõe e do

empacotamento resultante (GONÇALVES, 2011).

Este material possui diversas classificações dentre elas: refratários sílico-

aluminosos, de sílica, básicos e especiais, e o seu desempenho está relacionado

principalmente com a sua composição (CALLISTER, JR., 2002).

Existe uma busca constante em avanços tecnológicos na área de materiais

refratários, tanto como às metodologias de aplicação quanto à melhoria de

composição. Isto se deve a exigência de clientes, que buscam novas técnicas que

proporcionem a seus equipamentos maior vida útil, redução de custos de

manutenção e evitem paradas não programadas na produção, fatores que afetam

diretamente em seus lucros.

17

2.2. Concreto Refratário

Concreto refratário é uma mistura aglomerados e agregados refratários de

granulometria adequada (RAAD, 2008). Este material é composto por uma matriz

finamente granulada (partículas de diâmetro < 100 µm), e agregados mais grosseiros

da ordem de até centímetros (SANTOS E., 2011).

A matriz é composta por uma parte fina do agregado, por agentes ligantes

(aglomerantes) e aditivo. Os agentes ligantes são em grande parte óxidos que

possuem capacidade de se hidratar e que promovem um melhor agrupamento da

mistura, como exemplo pode-se citar os cimentos de aluminato de cálcio (CAC), que

são largamente utilizados em aplicações indústrias devido ao seu baixo custo,

disponibilidade e por ser capaz de proporcionar ao concreto uma resistência

mecânica a verde e resistência ao ataque químico severo (OLIVEIRA;

PANDOLFELLI, 2007). O aditivo, que pode ser químico ou de atuação física, é

adicionado com finalidade de otimizar o desempenho e alterar as propriedades do

concreto, apresentando grande impacto sobre as suas características químicas,

físicas, microestruturais e reológicas. Por esta razão e necessário realizar uma

escolha adequada do tipo de aditivo a ser utilizado (RAAD, 2008).

Os agregados podem ser considerados basicamente como o esqueleto da

mistura. Existem, no mercado, diversos agregados que apresentam diferentes

propriedades. O agregado deve ser escolhido de acordo com a sua aplicação e com

que material ele estará entrando em contato diretamente, como por exemplo, o

coque em indústrias petroquímicas. Esta medida é necessária e importante para

evitar que os agregados sejam atacados quimicamente ou de eles reajam com esse

material, prolongando assim a vida útil do concreto. Também e necessário o

conhecimento da resistência mecânica que ele pode oferecer ao concreto bem como

a sua capacidade de isolamento térmico (RAAD, 2008, SANTOS, 2008).

Adicionalmente, além dos agentes ligantes, agregados e aditivos, no preparo da

mistura do concreto refratário é adicionado água. A água desempenha a função de

proporcionar a hidratação dos agentes ligantes, além disto, a água também é

18

responsável pelo o aumento de fluidez do concreto fresco, facilitando assim o

envolvimento da matriz em torno do agregado (RAAD, 2008).

O concreto refratário tem sido muito utilizado em construções complexas que

possuem áreas de difícil acesso e que requerem altas temperaturas (MARTINOVIC

et al, 2012). Este material tem demonstrado vantagens de aplicação, dentre elas

estão: baixo custo de confecção, rápida instalação, manutenção de fornos

simplificada e reduzida, boa resistência a choque térmico e disponibilidade do

material (MACZURA et al, 1993). Devido a essas vantagens apresentadas, a

aplicação do material como revestimento de equipamentos na indústria metalúrgica,

química e cimenteira está sendo largamente utilizada e por isso, a melhoria do

desempenho deste material é de grande importância (GUNGOR et al, 2012).

2.2.1. Métodos de Aplicação e Processamento do Concreto Refratário

O conceito de aplicação e de processamento de um concreto refratário é um

assunto extremamente complexo devido à influência de diversas variáveis

envolvidas. Dentre as variáveis mais importantes estão: a distribuição granulométrica

do material, a relação entre a quantidade de cimento e agregado, o tipo de agente

ligante, a dosagem de água, a temperatura e o tempo envolvidos no processo de

cura, secagem e queima.

2.2.1.1. Métodos de Aplicação

A escolha do métodos de aplicação de um concreto refratário estará ligada

diretamente à circunstância que o material será exposto. Atualmente, existem

diversos métodos de aplicação, dentre eles os mais comuns o material é socado,

vertido, vertido e vibrado, auto-escoado, projetado, e bombeado (STUDART;

19

PILEGGI; PANDOLFELLI, 2001). A Figura 1 mostra dois tipos de instalação,

projetável e vibrável.

Figura 1 - Representação esquemática do processo de aplicação de concretos

refratários. (a) vertido e vibrado, (b) projeção a seco e (c) projeção a

úmido (adaptado de LEE; MOORE, 1998).

20

O método de aplicação vertido e vibrado começou a ser a utilizado em

refratários a partir de 1920, e dentro dos fatores de influência sobre o processo de

aplicação, os que são dada maior importância é a viscosidade e as condições de

cura do concreto (LEE; MOORE, 1998).

Como representado na figura 1, o método de aplicação por projeção pode ser

realizado de duas técnicas projeção a seco e a úmido. A projeção a úmido requer

menos tempo de instalação que o vertido, mantendo uma boa homogeneização

microestrutural, porém seu custo é elevado devido à logística requerida na sua

aplicação. A projeção a seco tem requerido um menor tempo de instalação e

apresentado um menor custo na sua aplicação, porém tem apresentado maior

porosidade e menor homogeneização. (VALENZUELA et al, 2008).

Atualmente, o método por bombeamento vem demonstrando o crescimento em

importância tecnológica na instalação de concretos, pois este método proporciona

baixo custo, eficiência, aproveitamento de todo material sem desperdício, rápida

aplicação para peças que seus moldes encontram-se distantes do local de mistura.

Porém, para o seu aproveitamento tecnológico adequado é necessário o

conhecimento do comportamento reológico e do tempo de pega do concreto, para

que este seja apropriado para o processo (OLIVEIRA; PANDOLFELLI, 2007).

Para a fixação dos concretos aplicados pelos métodos de lançamento e

vibração, socagem e projeção, são utilizados diversos dispositivos que auxiliam esta

etapa da aplicação. Esta etapa apresenta extrema importância, pois se realizada de

maneira equivocada prejudicará diretamente a vida útil do equipamento, facilitando a

ocorrência de erosão e abrasão e o ataque de agentes químicos corrosivos

(DENISOV et al, 2007).

Alguns dispositivos de fixação encontrados no mercado são representados na

Figura 2.

21

Figura 2 - Dispositivos de fixação de concretos refratários (DENISOV et al.,

2007).

A Figura 2(a) representa o dispositivo de fixação realizada por meio de malha

hexagonal, as Figuras 2(b), 2(c), e 2(d) representam dispositivos realizados por meio

de grampos metálicos, que podem ser de diversos modelos como: “Y”, “V”, “U”, em

G, rosqueado, de chapa, soldado, tridente, etc. Quando o concreto refratário é

requerido em ambiente que apresenta simultaneamente alta temperatura, e esta

exposto a condições que podem provocar abrasão e erosão, uma só camada de

revestimento não é o suficiente. Na Figura 2(d) pode-se observar um revestimento de

dupla camada: a camada interna é de um concreto refratário isolante e camada

22

externa de um concreto refratário com alta densidade e resistência ao desgaste por

erosão e abrasão (DENISOV et al, 2007).

2.2.1.2. Processamento

O concreto refratário, diferente do concreto para a construção civil, apresenta

as para seguintes etapas de processamento: mistura e moldagem, cura, secagem e

queima. Todas as etapas possuem sua devida importância durante o processo, e

elas em conjunto que irão definir as futuras propriedades apresentadas no material.

Na etapa de mistura e moldagem é definida a granulometria do material, a

quantidade de água a ser utilizada, a velocidade de mistura, o tipo de agente ligante

e de aditivo. A temperatura e o tempo de cura serão definidos dependendo das

propriedades desejadas e as futuras aplicações do concreto. A secagem é a etapa

que tem como objetivo a retirada do excesso de água, que é prejudicial ao material, e

a queima visa formar fases desejáveis.

Mistura e Moldagem

A etapa de mistura é fundamental para aplicação do concreto, pois a sua

composição que irá definir o tempo de parada de manutenção ou de substituição do

revestimento do equipamento (STUDART; PILEGGI; PANDOLFELLI, 2001). Uma

melhor escolha da composição do material permite ao mesmo uma melhor

homogeneidade microestrutural e a dispersão adequada do agente ligante é

fundamental para aperfeiçoar todo o processo (VALENZUELA et al, 2008, OLIVEIRA;

PANDOLFELLI, 2007).

O ajustamento da distribuição granulométrica pode ser considerado uma ótima

ferramenta para a melhoria do desempenho do concreto refratário. Segundo

23

Innocentini et al (2001) estudos têm apresentado que a distribuição adequada do

tamanho de partículas e o seu empacotamento no processamento influi diretamente

na quantidade e formato de poros na estrutura do material, assim determinando a

permeabilidade do material e consequentemente a saída água durante a secagem.

Existe, atualmente, uma grande preocupação com o menor consumo de

energia, então os concretos que exigem misturadores de menor potência e que

rapidamente são misturados, são mais apropriados (STUDART; PILEGGI;

PANDOLFELLI, 2001). Além disso, estudos para o melhor desempenho mecânico e

térmico de concretos, seja durante a sua aplicação ou o seu processamento, estão

sendo realizados. Estes estudos visam diminuir a quantidade de água e de agentes

ligantes hidráulicos à base de cálcio, e vem demonstrando uma maior resistência

mecânica e melhor refratariedade.

.

Cura do Concreto Refratário

Durante a etapa de cura, duas variáveis necessitam atenção e cuidados

especiais: o tempo e a temperatura. Segundo Cardoso et al (2004), o tempo de cura

é uma variável de grande importância no processamento de concretos refratários de

alta alumina, pois este influi diretamente na hidratação do material, processo o qual

será melhor explicado posteriormente. Este processo permite a formação de

diferentes compostos hidratáveis, e estes compostos influem diretamente nas

características e propriedades do material. A temperatura de cura é responsável pela

cinética de hidratação do material e têm influência em algumas propriedades do

material como permeabilidade, resistência mecânica e condutividade térmica

(AKIYOSHI et al, 2004, CARDOSO et al , 2004).

Baixas temperaturas de cura (menores que 20○C) têm sido descritas como

grande fator de influência em explosões do material em etapas posteriores

(AKIYOSHI et al, 2004). A Figura 3 representa o efeito da temperatura de cura no

limite à explosão. Observa-se na Figura 3, que em temperaturas de cura abaixo de

24

20○C, durante o aquecimento, independente que este seja menos elevado, a

tendência à explosão é maior.

Figura 3 - Efeito da temperatura de cura no limite à explosão em concretos

contendo cimento refratário (ARNOSTI et al, 1999).

A cura em temperaturas menores que 20 0C favorece a formação de hidratos

de baixa densidade, principalmente o CaO.Al2O3.10H2O (CAH10, ρ=1,72 g/cm3) e

alumina gel que podem gerar estruturas resistentes, mas pouco permeáveis.

Temperaturas superiores favorecem a formação de hidratos mais densos, como

2CaO.Al2O3.8H2O(C2AH8, ρ=1,95 g/cm3), 3CaO.Al2O3.6H2O (C3AH6, ρ=2,52 g/cm3) e

Al(OH)3 (AH3, ρ=2,42 g/cm3) que tendem originar estruturas mais permeáveis,

todavia, menos resistentes. Tem sido evidenciado que a ocorrência de explosão está

relacionada fortemente com a baixa permeabilidade de concretos refratários e

25

também com programas de aquecimento não otimizados (AKIYOSHI et al, 2004,

SALOMÃO; BITTENCOURT; PANDOLFELLI, 2008).

Processo de Secagem e Queima

O processo de secagem pode ser definido, como a etapa de retirada de água

indesejável do material utilizado, realizada de forma rápida e com o menor custo de

energia possível. Observando todo o processamento, pode-se concluir que é uma

etapa muito abrangente, pois esta engloba desde o processo de mistura e moldagem

até a queima do material (ARNOSTI et al, 1999). Esta etapa, é uma das mais

complexas, pois influi em vários pontos relevantes na aplicação do material na

indústria, como o gasto com energia, o tempo de parada para manutenção de

equipamentos e o cuidado e atenção para evitar acidentes e até mesmo explosões

(AKIYOSHI et al, 2004).

Segundo Arnosti et al (1999), a literatura apresenta diferentes formas de

secagem que podem ser aplicadas em concretos refratários, dentre elas: secagem

em estufa, sublimação, microondas, adição de solvente e secagem supercrítica.

Todas elas apresentam suas vantagens e desvantagens em relação a sua aplicação,

porém a secagem em estufa é a mais utilizada devido a sua simplicidade de

operação. A técnica de secagem em estufa apresenta a vantagem de garantia de

retirada total de umidade, no entanto, apresenta a desvantagem de modificar a

estrutura porosa e provocar o efeito de capilaridade, mecanismo que gera forças

internas e é prejudicial no processo.

Normalmente, o processo de secagem e de queima como um todo ocorre em

três diferentes estágios. O primeiro estágio denomina-se evaporação e envolve a

retirada da água presente nas camadas mais próximas à superfície do material.

Uma vez que a superfície seque, uma nova frente de aquecimento penetra no

material até encontrar suas camadas mais internas ainda úmidas. Este estágio é

denominado ebulição, cuidados devem ser tomados durante este estágio para que a

26

taxa de aquecimento não seja elevada e a pressão interna gerada supere a

resistência mecânica do material provocando acidentes. No terceiro estágio, ocorre

a queima do material em temperaturas elevadas, nesta etapa observa-se a

decomposição da água combinada na forma de hidratos. (SALOMÃO;

BITTENCOURT; PANDOLFELLI, 2008)

2.2.1. Hidratação e Desidratação do CAC

Os CACs são os agentes ligantes mais requeridos para o uso em misturas de

materiais utilizados no processamento de concretos refratários com aplicação

industrial. Isto é possível devido à sua disponibilidade, baixo custo, e a capacidade

de conferir alta resistência mecânica à verde e a resistência ao ataque químico

severo, quando em uso. A composição química dos CACs varia entre 40 a 80% de

Al203 e fases que estão principalmente presentes são: CaO.Al2O3 (CA), cerca de 40 a

70% do produto; CaO.2Al2O3 (CA2), que é a segunda em proporção (< 25%) e a fase

12CaO.7Al2O3 (C12A7), em teores de 3% ou menos. Os hidratos aluminato de cálcio

são formados pela reação de estas fases com a água (MACZURA et al 1993;

OLIVEIRA; PANDOLFELLI, 2007, SANTOS, 2011, LEE et al, 2001, LUZ;

PANDOLFELLI, 2011).

O processo de hidratação do cimento inicia-se a partir do primeiro contato da

água com a superfície de suas partículas. Este processo depende de vários fatores

além teor de água, como o tempo, a relação entre a concentração de íons Ca2+ e

Al(OH)4- e principalmente da temperatura, e estes fatores em conjunto determinarão

as fases dos hidratos do aluminato de cálcio que se formarão. Este processo envolve

três estágios diferentes: dissolução de íons, nucleação e precipitação de fases

hidratadas (GARCIA; OLIVEIRA; PANDOLFELLI, 2007; OLIVEIRA; PANDOLFELLI,

2009, LEE et al, 2001).

No primeiro estágio, quando as partículas de cimento entram em contato com a

água, fases anidras de aluminato de cálcio começam a dissociar e liberar íons cálcio

27

(Ca2+) e tetra hidróxido aluminato (Al (OH)4-) no meio líquido. A reação (1) seguinte

demonstra este estágio (GARCIA; OLIVEIRA; PANDOLFELLI, 2007; OLIVEIRA;

PANDOLFELLI, 2009).

Ca (AlO2)2 + 4H20 Ca2+ + 2Al (OH)4- (1)

O processo de dissolução ocorre até que a concentração de estes íons alcance

um certo nível de saturação, promovendo a sua precipitação na forma de hidratos de

aluminato de cálcio, por meio de mecanismos de nucleação e crescimento. A

precipitação dos primeiros produtos hidratados diminui a concentração de íons em

solução para níveis abaixo da condição de saturação, favorecendo a dissociação de

fases anidras. Isto resulta num processo contínuo de dissolução-precipitação que

ocorre até que a maioria (ou toda) fases anidra tenha reagido. Desde que a

nucleação heterogênea na superfície de partículas seja favorecida, as fases

hidratadas precipitadas tendem a formar fortes ligações entre partículas vizinhas,

promovendo o endurecimento ou pega do concreto (OLIVEIRA; PANDOLFELLI,

2007, SANTOS E., 2011).

A Figura 4 mostra o completo processo de hidratação, desidratação e

sinterização de um concreto refratário à base de alumina contendo CAC, indicando a

região de temperatura onde ocorre formação e transformação de fases (RIBEIRO;

RODRIGUES, 2010).

28

Figura 4 - Transformações que podem ocorrer durante o aquecimento de

concretos refratários de alumina e contendo CAC (Adaptado de

RIBEIRO; RODRIGUES, 2010).

No topo da Figura 4 é mostrado o cimento, apresentando as fases CaO.Al2O3

(CA), CaO.2Al2O3 (CA2) e 12CaO.7Al2O3 (C12A7) hidratadas com água (H), e os

agregados de alumina. Essas fases quando entram em contato com a água, se

hidratam e transformam-se em vários hidratos. A estrutura cristalina destes hidratos

depende da temperatura, à qual pode variar entre 20 e 350○C. As fases AH3, CAH10,

C2AH8 e C3AH6, representam Al2O3.3H2O (ou Al(OH)3), CaO.Al2O3.10H2O,

2CaO.Al2O3.8H2O e 3CaO.Al2O3.6H2O respectivamente. Quando as temperaturas

aumentam estes hidratos se decompõem e formam CA, CA2, C (CaO), A(Al2O3),

C12A7 e até CA6 (CaO.6Al2O3) (RIBEIRO; RODRIGUES, 2010).

Cimento não

Hidratado

Alumina Tubular

29

Transformações que ocorrem no processo de hidratação e desidratação

promovem uma modificação microestrutural podendo levar no aumento ou

diminuição da resistência mecânica do material. Segundo Santos E. (2011), alguns

trabalhos realizados de concretos ou pastas de CAC, têm mostrado que quando

estes concretos são aquecidos em temperaturas entre 200 e 300○C perdem sua

resistência mecânica quando comparados a concretos somente curados, isto ocorre

devido à saída de água na desidratação há um aumento da porosidade. No entanto,

acima de 1100○C há uma recuperação do módulo de elasticidade devido à formação

de ligações cerâmicas.

2.3. Ciclones

Os ciclones são utilizados largamente na indústria devido ao seu baixo custo de

investimento e manutenção, e também porque podem ser construídos de uma

enorme variedade de materiais (DA SILVA, BRIENS, BERNIS, 2003). Entretanto,

estes materiais devem ser adequados para cada tipo de condição de operação

envolvida tais como: altas pressões, elevadas temperaturas e gases corrosivos

(RAAD, 2008).

Como mostra a Figura 5, o corpo do ciclone é formado por uma parte cônica e

outra cilíndrica. A entrada do equipamento é usualmente tangencial a parede

cilíndrica próxima ao topo. O tubo de saída do gás, usualmente chamado de vórtex

ou finder, é fixo na parte superior dos ciclones (SANTOS E., 2011).

30

Figura 5 - Desenho esquemático de um ciclone (SOLER&PALAU, 2012).

A principal aplicação dos ciclones é como separador, que tem função de

remover partículas do ar ou dos gases em processos. Porém, os ciclones também

podem ser utilizados como reator químico, trocador de calor, para secagem de

materiais granulares e combustão de óleos. Em particular, na indústria petroquímica,

ele é responsável por reter o catalisador e dar continuidade à obtenção de gasolina,

assegurando que o catalisador não seja emitido para a atmosfera e evitando assim a

sua perda e o efeito poluente (SILVA, 2006).

A Figura 6 representa um ciclone utilizado em craqueamento catalítico revestido

com concreto refratário.

31

Figura 6 - Ciclone utilizado em craqueamento catalítico revestido com concreto

refratário (DENISOV et al, 2007).

2.4. Desgaste por Erosão

Define-se como erosão a perda progressiva de material em uma superfície,

sendo esta perda, consequência do impacto de um fluído, que pode ser um líquido

e/ou partículas sólidas (SANTOS et al , 2006). Em aplicações industriais, onde altas

velocidades de partícula e turbulência no fluxo de líquidos e gases são encontradas,

a erosão é característica, e podem conduzir a paradas não programadas da linha de

produção, estas que por sua vez geram prejuízos.

Para um melhor entendimento do mecanismo de desgaste por erosão, é

necessário diferenciar o conceito de abrasão e erosão, pois estes usualmente são

utilizados de forma imprópria. Em ambos os casos acontece a remoção de material

na superfície, porém a diferença é que no caso da abrasão a superfície é desgastada

32

como um todo, e na erosão geralmente a parte mais fraca do material é

preferencialmente desgastada (GONÇALVES, 2011).

A Figura 7 representa o mecanismo de abrasão, neste mecanismo um sólido

desliza ou derrapa paralelamente à superfície do material removendo toda a sua

superfície.

Figura 7 - Mecanismo de Abrasão (GONÇALVES, 2011).

A Figura 8 representa o mecanismo de erosão que acontece devido ao impacto

de partículas que incidem na superfície do material alvo em diferentes ângulos.

Figura 8 - Mecanismo de Erosão (GONÇALVES, 2011).

33

2.4.1. Fatores que Influenciam na Erosão de Equipamentos Industriais

Existem vários fatores que influenciam a erosão de um material, dentre eles

alguns são devido às propriedades das partículas erosivas como: a velocidade,

tamanho, forma, densidade e ângulo de impacto; e outros devido às propriedades do

material da superfície como: resistência física e mecânica, rugosidade, tamanho de

grãos e porosidade. Esses fatores serão melhor explicados a seguir (SANTOS et al ,

2006, SANTOS E., 2011).

Os fatores responsáveis pelo desgaste por erosão podem ser classificados

como:

a) Operacionais

Velocidade de impacto das partículas erodentes: este fator tem efeito

significativo sobre a taxa de erosão (∆E) de um material, dada pela

razão entre o material perdido no desgaste e a sua quantidade

original. A dependência com a velocidade é caracterizada por um

expoente p e é dada pela Equação seguinte:

(2.1)

Em que:

ΔE é a velocidade de desgaste erosivo (g/g);

V é a velocidade de impacto (m/s);

p é uma constante do material.

Α é a constante de proporcionalidade.

O valor de p para metais é aproximadamente 2, para cerâmicos 3 e polímeros 5.

Ângulo de impacto: definido como o ângulo entre a superfície do

material alvo e a trajetória da partícula impactada como mostra a

Figura 9:

34

Figura 9 - Ângulo de impacto do erodente (LOCATELLI, 2009).

A natureza do material alvo tem influência nas taxas de erosão

relacionadas com ângulo de impacto. Em materiais dúcteis, como por

exemplo os metálicos, a taxa de erosão máxima se dá próximo de 30○ e

um decressimo continuo até o ângulo de 90○.Por outro lado, para

materias frágeis a taxa de erosão máxima se dá próxima do ângulo de

90○,como mostra a figura 10:

Figura 10 - Representação esquemática do efeito do ângulo de impacto na taxa

de desgaste de materiais dúcteis e frágeis (ZUM GAHR, 1987).

Temperatura: com o aumento da temperatura há uma diminuição

no volume de material erodido, isto poderia ser explicado por meio

35

do fato dos agregados se expandirem à temperaturas elevadas

criando uma tensão compressiva residual que melhora a

resistência a erosão, além disso a altas temperaturas podem

ocorrer deformação viscoplástica.

Fluxo de partículas: quando existe um elevado fluxo de partículas,

a erosão é diminuída devido à interferência de outras partículas

(SANTOS E., 2011, LOCATELLI, 2009, YANG et al, 2012).

b) Propriedades das partículas erosivas

Tipo do material

Tamanho das partículas; quanto menor o tamanho menor o volume

erodido, isto pode ser explicado pela menor energia cinética das

partículas de menor tamanho.

Propriedades físicas e mecânicas – partículas com maior dureza tem

capacidade de provocar mais desgaste por erosão (SANTOS et al,

2006; SANTOS E., 2011).

c) Propriedades do material da superfície

Propriedades físicas e mecânicas

Rugosidade

Tamanho de grão

Porosidade: quanto maior a porosidade menor a resistência à erosão

(SANTOS E., 2011).

36

2.4.2. Ciência da Erosão

Segundo Santos et al, 2009, existem dois modelos que são mais aceitos na

descrição da erosão de cerâmicas densas que são o de Evans e o de Wiederhorn-

Lawn. Nos dois modelos, o impacto da partícula é normal à superfície do alvo e a

erosão é o resultado acumulativo do impacto de partículas isoladas, sem que haja

interação entre elas. Além disso, em ambos a ocorrência de erosão é considerada

inteiramente por propagação de trincas e quebra de partes do material. A diferença

mais importante entre os modelos é a contribuição da deformação plástica no

processo de formação de trincas.

O modelo proposto por Evans assume que a taxa de erosão é proporcional à

quantidade de material removido em cada impacto isolado. O volume erodido, V, é

calculado a partir da profundidade de penetração e do tamanho das trincas laterais

geradas durante o impacto. Assim, a equação que descreve a taxa de erosão é:

(2.2)

Em que:

V: volume erodido (m3)

vo: velocidade da partícula (m/s)

r: raio da partícula (m)

ρ: massa específica da partícula (kg/m3)

KIC: fator de intensidade de tensão crítica do alvo (MPa.m1/2)

H: dureza do material alvo (Pa) (SANTOS et al, 2009; SANTOS et al, 2006).

O modelo elasto-plástico proposto por Wiederhorn-Lawn pode ser também

aplicado em tratamentos teóricos de erosão. Este modelo assume que o tamanho da

trinca lateral é proporcional ao tamanho da trinca radial e que a profundidade das

37

trincas laterais é proporcional a penetração máxima de partícula, assim a taxa de

erosão pode ser obtida pela equação:

(2.3)

O modelo descrito na equação 2.3 melhor se aplica em altas temperaturas,

quando o desgaste ocorre tanto de maneira frágil, com formação de trincas laterais,

como dúctil, com presença de deformação viscoplástica (SANTOS et al, 2009).

A Figura 11 ilustra o crescimento de trincas durante o impacto da partícula. A

formação de trincas radiais ocorre quando a superfície está sob carregamento

durante o impacto. A sua orientação de propagação é perpendicular à superfície e

estas são responsáveis principalmente pela degradação da resistência mecânica do

material. Por outro lado, a formação de trincas laterais está mais relacionada ao

desgaste por erosão e estas ocorrem paralelamente a superfície do material.

Figura 11 - Crescimento de trinca durante o impacto da partícula. O sinal (+)

representa a superfície sob carregamento e o (-) indica a retirada

de carga por parte da partícula. A região escura denota

deformação irreversível (SANTOS et al, 2009).

38

2.5. Resistência à Erosão de Concretos Refratários

De acordo com a literatura, muitos concretos refratários demonstram que,

quando queimados a elevadas temperaturas, há uma melhora de resultados em

relação à resistência à erosão. Porém, existem alguns concretos refratários que sua

utilização possibilita a economia de energia, pois sua resistência à erosão

permanece praticamente constante para toda uma faixa de temperatura permitindo,

desta forma, sua queima em temperaturas mais baixas (SANTOS E., 2011).

Nos concretos refratários o modelo de descrição de erosão mais aceito é

conhecido como “efeito sombra”. Este modelo supõe que os agregados são

completamente resistentes à erosão e sua forma aproxima a esfera. Assim, a área

erodida é somente da matriz localizada entre as esferas. Portanto, à medida que a

erosão da matriz ocorre, os agregados se sobressaem em relação à superfície,

protegendo a matriz por meio do “efeito sombra”. Este modelo sugere que a

dependência entre o desgaste por erosão e o ângulo de impacto é determinada pelo

tamanho e espaço entre os maiores agregados presentes no concreto

(GONÇALVES, 2011, SANTOS et al , 2006, ENGMAN, 1995).

(2.4)

Em que:

A: área total exposta à erosão (mm2)

R: raio do agregado (mm)

α: ângulo de impacto.

39

3. MATERIAIS E METODOS

3.1. Materiais

Para a confecção dos corpos de prova foi utilizado um concreto refratário

aluminoso antierosivo, CASTIBAR, fornecido pela IBAR. Este concreto é aplicado

por socagem e do tipo comercial PAA-G com tamanho de partículas de

aproximadamente de 4,75 mm. Foi adicionado também para a confecção dos

corpos de prova, juntamente ao concreto refratário, água e um aditivo.

Os dados fornecidos pela IBAR sobre a composição química e a distribuição

granulométrica deste concreto estão apresentados nas tabelas 1 e 2

respectivamente.

Tabela 1 - Composição química do PAA-G

Composição Química (%)

SiO2 7,5

Al2O3 83,0

Fe2O3 0,7

TiO2 1,85

Na2O 0,28

K2O 0,13

P2O5 1,37

CaO 2,2

40

Tabela 2 - Distribuição granulométrica do concreto PAA-G

MALHA (Tyler) ABERTURA(mm) CASTIBAR PAA-G (%)

3,5 5,60 0,3

4 4,75 1,9

6 3,36 6,2

8 2,36 7,2

12 1,70 7,0

16 1,00 11,1

28 0,60 5,2

32 0,30 7,4

65 0,212 2,6

100 0,150 3,4

200 0,075 7,0

-200 < 0,075 40,7

Total: 100 100

41

3.2. Metodologia

3.2.1. Confecção dos Corpos de Prova para Avaliação de Erosão

Para realizar o estudo da avaliação do concreto refratário e posteriormente a

comparação com resultados já obtidos de acordo com a norma da Petrobras foram

confeccionados corpos de prova que seguiram as seguintes etapas do procedimento

experimental: mistura e moldagem; cura; secagem e queima; e retificação.

As etapas seguiram a instrução de confecção de corpos de prova para teste de

erosão da IBAR, TF- 049, que é baseada na norma ABNT NBR 13185. Modificou-se

apenas a etapa de mistura e moldagem em que o corpo de prova foi prensado e não

socado. Posteriormente foi realizada a etapa de retificação a qual não está descrita

na instrução.

Mistura e Moldagem

Nesta etapa o material foi misturado com 5,5% m/m de água em uma

argamassadeira Planetária de Laboratório com capacidade nominal de 5 litros,

aplicando-se as seguintes etapas: 1 minuto de homogeneização à seco a 60 rpm, 2

minutos após a adição rápida de água e 1 minuto de mistura final à 120 rpm. A

Figura 12 mostra a argamassadeira utilizada no procedimento.

42

Figura 12 – Argamassadeira Planetária de Laboratório.

Após a mistura, para a moldagem dos corpos de prova, o material foi colocado

em uma matriz, de medida 114 mm X 114 mm X 25 mm, e logo em seguida o

material foi vibrado por um vibrador de peneiras para que haja o melhor

empacotamento possível do material, tornando-o livre de poros. Na sequência, após

moldado, o material foi prensado em uma prensa hidráulica com pressão de 1,62

MPa. A Figura 13(a) mostra o molde utilizado neste trabalho e a Figura 13(b) o corpo

de prova confeccionado.

(a) (b)

Figura 13 – (a) Molde e (b) Corpo de prova confeccionado.

43

Cura

Após a moldagem os corpos de prova foram curados, em um recipiente plástico

fechado por 48 horas em atmosfera saturada de vapor de água e temperatura de

25oC, sendo que após as primeiras 24 horas houve o desmolde do material.

Secagem e Queima

Após a cura os corpos de prova foram secos por 48 horas a 110oC em estufa

com tiragem de ar natural da marca Sppencer. Os corpos de provas foram então

submetidos a tratamento térmico em um forno termoelétrico da marca INTI. As

temperaturas de tratamentos térmicos foram de 600oC, 800oC e 1000oC e todos eles

foram realizados por horas 8 horas com taxa de aquecimento e resfriamento de

2oC/minuto.

Retificação

Os corpos de prova, após a queima, foram retificados na superfície que seria

realizado o teste de erosão, em uma Retificadora Plana da marca FERMATID e

modelo T42. Esta etapa foi realizada para reduzir a rugosidade desta superfície, em

relação aos outros que anteriormente seguiram as normas da Petrobras e foram

somente socados e não retificados. A etapa de retificação é necessária para que

todos os corpos de prova apresentem uma superfície uniforme. A Figura 14 mostra a

retificadora utilizada no procedimento, a Figura 15 (a) mostra a disposição os corpos

de prova durante a retificação e a Figura 15(b), um corpo de prova retificado.

44

Figura 14 – Retificadora Plana utilizada no procedimento.

Figura 15 – (a) Disposição dos corpos de provas durante a retificação e (b)

corpo de prova retificado.

45

3.2.2. Avaliação das Fases Presentes na Matriz do Concreto

Foram realizadas análises de difração de raios X dos corpos de prova do

concreto após hidratação e queima para verificar as possíveis fases geradas na

matriz em função da temperatura. Foi utilizado um difratômetro de raios X da marca

SHIMADZU, modelo Lab X XRD-6000, com radiação Cu - Kα, varredura no intervalo

de 10 a 80°, em 2ϴ com velocidade de 0,03º/min. Foram analisadas amostras na

forma de pó que foram peneiradas em peneira de 325 mesh.

3.2.3. Avaliação de Resistência à Erosão

Após a confecção dos corpos de prova foi realizado o ensaio de avaliação de

erosão na IBAR de acordo com de acordo com a instrução de ensaios da IBAR (TF-

049), que foi baseada na norma ASTM C-704 e é equivalente à norma Petrobras n-

2367/91.

Os corpos de prova confeccionados passaram por uma etapa de determinação

de largura, comprimento e espessura utilizando um paquímetro com precisão de 0,05

mm e determinação de massa utilizando uma balança analítica com precisão de

0,01g. Esta etapa foi realizada com o objetivo de obter o volume inicial de cada corpo

de prova.

Após a etapa de medição os corpos de provas foram colocados dentro da

câmera do equipamento, com face 114 mm x114 mm fazendo ângulo de incidência

90° com o bocal de vidro. A Figura 16 mostra um corpo de prova sendo preparado no

equipamento utilizado para o teste de erosão.

46

Figura 16 – Corpo de prova sendo preparado no equipamento utilizado para o

teste de erosão.

A face exposta à erosão foi a face retificada, a fim de comparar os resultados

de um trabalho realizado anteriormente, o qual a face erodida foi a superfície socada

que melhor representava às condições reais de operação (SANTOS E., 2011). A

distância entre a face erodida e o bico de vidro foi de 200 mm. A cabine de teste foi

fechada e o ar aberto a aproximadamente 448,2 kPa. Com o tubo de alimentação do

abrasivo vedado a pressão 53,33kPa. Depois que a pressão do ar do ejetor e da

câmara de teste foi ajustada, foi colocado 1000 g de carbeto de silício, grão F-36

conforme as especificações, descritas na Tabela 3. A temperatura deste ensaio foi

ambiente e o carbeto de silício não foi reutilizado.

47

O tempo de incidência do carbeto de silício sobre o corpo-de-prova foi de 450

segundos. O tubo de vidro foi descartado após cada ensaio. A quantidade de

refratário perdido por erosão foi calculada de acordo com a equação a seguir:

(3.1)

Em que: A= Volume erodido, cm3.

B= Massa específica aparente do concreto (g/cm3).

M1= Massa do corpo de prova antes do teste (g).

M2= Massa do corpo de prova depois do teste (g).

O resultado foi a média de quatro determinações.

Tabela 3 – Especificação Granulométrica do grão de carbeto de silício utilizado no

teste de erosão.

Malha %

0,840 mm (#20) Máximo 5%

0,590 (#30) Máximo 55%

0,297 (#50) Mínimo 80%

0,210 (#70) Máximo 1%

(dados fornecidos pela IBAR)

3.2.4. Avaliação Microestrutural das Superfícies Polidas

Para a análise ceramográfica os corpos de prova foram primeiramente

infiltrados com cola instantânea com o objetivo de manter a estrutura para os

procedimentos seguintes sem o destacamento de agregados. Após a secagem da

48

cola instantânea os corpos de provas foram cortados na retificadora utilizada no item

3.2.1 e em seguida submetidos à secagem em estuda à 80○C para retirar a umidade

do material após serem retificados.

Para melhor visualização da superfície, os corpos de prova foram lixados em

lixas de granulometria de 125, 70, 45, 30 e 15 μm e polidos com suspensão de

diamante com granulometria de 15, 9, 6, 3, 1 e 0,25 μm, em uma politriz semi-

automática Jean Wirtz, modelo Phoenix 4000 e posteriormente foi feito o

recobrimento com uma camada de ouro. A Figura 17 mostra a politriz utilizada para o

lixamento e polimento dos corpos de prova.

Figura 17 - Politriz semi-automática utilizada para o lixamento e polimento.

Os corpos de prova foram então submetidos a análises de microscopia

eletrônica de varredura (MEV) em microscópio LEO modelo 1450 VP utilizando-se

elétrons retroespalhados com voltagem de 20kV.

49

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Avaliação das Fases Presentes na Matriz do Concreto

Os difratogramas dessa secção foram obtidos dos resultados da tese de

doutorado da aluna Ésoly Madeleine Bento dos Santos (SANTOS E., 2011), isto foi

possível pois foi utilizado o mesmo concreto refratário (PAA-G) para a elaboração de

seu trabalho, desta forma não sendo necessário realizar análises novamente. As

Figuras 19 a 22 representam os difratogramas de raios X das amostras da matriz

hidratada e que após hidratação foram queimadas a 600○C, 800○C e 1000○C.

Em todos os difratogramas pode-se observar a presença dos aluminatos CA e

CA2. Outros aluminatos, AH3, CAH10, C2AH8 e C3AH6 e a microssilica até a

temperatura de 600○C, também eram esperados, considerando que houve a

hidratação do cimento. Porém isto pode ser explicado devido à temperatura de cura

do concreto, 25○C. Como se pode observar na Figura 18, um gráfico que mostra a

quantidade relativa de fases detectadas via difração de raios X em função da

temperatura de cura, apenas CA pode ser detectado na temperatura de

aproximadamente 25○C. A microssílica não foi detectada pois estava no estado

amorfo.

Na amostra da matriz hidratada e seguida de tratamento térmico na

temperatura de 1000°C, duas novas fases são formadas: anortita (CaAl2Si2O8) e

guelenita (Ca2Al(AlSi)O7).

50

Figura 18 – Gráfico de análise via DRX em função da temperatura de cura

(adaptado de MACZURA et al, 1983).

Figura 19 - Difratograma de raios X da amostra de matriz após hidratação

(SANTOS E., 2011).

Qu

an

tid

ad

e r

ela

tiva

de f

ase

s

dete

cta

das v

ia D

RX

51


seguida de tratamento térmico à 600○C (SANTOS E., 2011).



52



4.2. Avaliação da Resistência à Erosão do Concreto

A Figura 23 mostra os corpos de provas após erosão infiltrados com cola

instantânea e posteriormente cortada por um disco diamantado. Observa-se que a

Figura 23(b) a qual mostra o corpo de prova erodido após a queima a 800°C

apresenta maior quantidade de cola infiltrada, e a Figura 23(a) que mostra o corpo de

prova erodido após a queima a 1000°C apresenta menor quantidade de cola

infiltrada. Essas observações fazem equivalência aos resultados obtidos na Figura

24, que mostra o gráfico com a média do volume erodido dos corpos de prova nas

temperaturas de queima, e na Tabela 4 que mostra a Média e o desvio padrão do

volume erodido para cada temperatura de queima.

53

Figura 23 – Fotografia dos corpos de prova infiltrados com cola instantânea

após o teste de erosão: (a) 1000°C, (b) 800°C e (c) 600°C.

Tabela 4 – Média e desvio padrão do volume erodido para cada temperatura de queima.

Temperatura de Queima (°C) Média Desvio Padrão

600 4,83 0,33

800 5,00 0,08

1000 4,33 0,25

(a)

(b)

(c)

54

Figura 24 – Resultados da resistência à erosão do concreto aluminoso

antierosivo (PAA-G) queimados a 600°C, 800°C e 1000°C.

A Figura 26 mostra as superfícies dos corpos de prova antes e após o teste de

erosão nas respectivas temperaturas de queima. Observa-se que no centro, onde o

ângulo de incidência do erodente é de 90°, o desgaste é maior comparado com as

bordas, onde o ângulo de incidência tem um pequeno desvio.

55

(a) (b)

(C) (d)

(e) (f)

Figura 25 – Fotografias das superfícies dos corpos de prova antes e após o

teste de erosão: (a) e (b) na temperatura de queima de 600°C, (c) e

(d) 800°C e (e) e (f) 1000°C.

56

4.2.1. Avaliação do Volume Erodido

.Observa-se no gráfico da Figura 24 que houve diferença no volume erodido em

função da temperatura. Os corpos de provas queimados nas 600○C e 800○C essa

diferença é pequena, porém na temperatura de 1000○C observa-se uma elevada

diminuição do volume erodido. Isto pode ser explicado pela formação de ligação

cerâmica que só ocorre em temperaturas de queima superior a 1000○C (SANTOS V.,

2011), a qual proporciona uma melhor resistência mecânica ao concreto pela a

recuperação do módulo de elasticidade. A formação de fases cristalinas de

aluminossilicatos de cálcio presentes no difratograma mostrado na Figura 22, a

anortita (CaAl2Si2O8) e a guelenita (Ca2Al2SiO7), também influenciam nesses

valores, pois estas fases apresentam elevadas resistência mecânica (PINTO;

SOUSA; HOLANDA, 2005). Observando as Figura 26 e 27 que mostram micrografias

de MEV, dos corpos de prova tratados termicamente a 600○C e 1000○C, nota-se que

o corpo de prova tratado a 1000○C apresenta uma superfície muito mais homogênea

e menor porosidade, fatores os quais também favorecem ao material melhor

resistência à erosão.

Figura 26 - Micrografia de MEV do corpo de prova queimados a 600ºC.

57

Figura 27 - Micrografia de MEV do corpo de prova tratado a 1000ºC.

4.2.2. Efeito Sombra

Segundo o “efeito sombra”, modelo mais aceito na descrição de erosão para

concretos refratários, os agregados se sobressaem em relação à superfície à medida

que a erosão da matriz ocorre, protegendo assim a matriz. Este efeito pode ser

observado nos corpos de provas queimados em todas as temperaturas, porém no

corpo de prova queimado a 600○C este efeito é ainda mais evidente. A Figura 28

mostra a superfície ampliada e a Figura 29 uma micrografia de MEV destacando um

agregado, ambas de um corpo de prova queimado a 600○C. Observa-se em ambas

as figuras que os agregados estão se sobressaindo em relação a matriz

comprovando o efeito sombra.

A Figura 30 mostra uma imagem ampliada da superfície de um corpo de prova

queimado a 800○C, observa-se que os agregados estão começando a se destacar é

muito provável que se continuasse o teste de erosão os agregados se sobressairiam

mais, seguindo então o modelo. A Figura 31 mostra uma micrografia de MEV

58

destacando um agregado de um corpo de prova queimado a 1000○C, comprovando

também o efeito sombra nesta temperatura.


600○C.


queimado a 600○C.

59


800○C.


queimado a 1000○C.

60

4.3. Estudo Comparativo com os Resultados Obtidos Seguindo as Normas da

Petrobrás

O objetivo específico deste trabalho é comparar os resultados obtidos com os

resultados levantados na tese de doutorado da aluna Ésoly Madeleine Bento dos

Santos (SANTOS E., 2011), o qual seguiu as normas de confecção de corpos de

provas para testes de erosão da Petrobras. A ideia deste presente trabalho surgiu

pela a banca examinadora do doutorado durante a arguição e discussão, a qual

propôs uma avaliação de corpos de prova com uma superfície e estrutura mais

homogênea.

Segundo as normas da Petrobrás os corpos de provas são socados para

simular o ensaio o mais próximo do material depois da aplicação. Para

apresentarem uma superfície e estrutura mais homogênea os corpos de prova foram

prensados durante a moldagem e retificados após a queima. Para comparar os

resultados, o primeiro passo é avaliar o volume erodido médio de cada trabalho,

seguindo este passo a Tabela 4 mostra um comparativo dos volumes erodidos

médios obtidos nos dois trabalhos para cada temperatura.

Tabela 5 – Comparativo dos volumes erodidos médios queimados a 600○C, 800○C e

1000○C.

Temperatura de

Queima (○C)

Volume Erodido Médio dos

corpos de provas prensados e

posteriormente retificados (cm3)

Volume Erodido Médio

dos corpos de provas

socados (cm3)

600 4,83 4,07

800 5,00 3,24

1000 4,33 3,69

61

Pode-se observar que para todas as temperaturas de queima o volume erodido

médio dos corpos de prova prensados e retificados foi bem maior. Isto pode ser

explicado pelo modelo de descrição de erosão, o efeito sombra, pois os agregados

presentes nas superfícies erodidas dos corpos de prova confeccionados para este

trabalho por terem sido retificados apresentaram uma superfície plana no inicio do

teste e como consequência os agregados não se apresentam como protetor da

matriz e foram erodidos igualmente. Porém após essa superfície ser consumida os

agregados presentes no meio dos corpos de prova seguiram o modelo protegendo a

matriz como já pode ser observado no tópico 4.2.2. Pode se perceber na Figura 32,

que mostra uma micrografia de MEV da superfície de um corpo de prova queimado a

1000○C, o agregado sendo consumido igualmente com a matriz.

Figura 32 – Micrografia de MEV de um corpo de prova queimado a 1000○C. Em

destaque um agregado sendo consumido igualmente com a matriz.

62

5. CONCLUSÃO

Pela avaliação dos resultados obtidos pode se concluir que vários fatores são

importantes e influenciam na resistência a erosão. O ideal seria que cada um fosse

analisado de maneira independente, porém também em conjunto foi possível

identificar a influência de alguns fatores.

A temperatura de queima foi decisiva na formação de fases cristalinas, como a

guelenita e anortita, as quais possuem alta resistência mecânica e conferiram aos

corpos de provas queimados a 1000○C uma melhor resistência a erosão do que

aqueles tratados a 600○C e 800○C. A homogeneidade do material também

influenciou melhores resultados aos corpos de prova tratados a 1000○C, pois a

menor porosidade proporcionou melhor resistência a erosão ao material.

Em relação aos resultados do estudo comparativo com os resultados

levantados seguindo as normas da Petrobras de confecção de corpos de prova para

testes de erosão pode-se concluir que a retificação, além de proporcionar um

trabalho de confecção mais complexo aos corpos de prova, não é viável. Isto pode

ser explicado, pois este procedimento impede que haja a proteção da matriz pelos

agregados e proporciona o maior desgaste dos mesmos.

Mesmo sabendo que a pressão aplicada no material proporciona à sua

estrutura maior homogeneidade, não foi possível concluir qual a sua influência nos

resultados, pois para um melhor entendimento deste fator de influência seria

necessário que os corpos de provas fossem confeccionados separadamente, alguns

retificados e outros pressionados.

Concluindo, uma boa sugestão para um trabalho futuro de avaliação da

resistência a erosão do mesmo concreto refratário utilizado, seria confeccionar o

material somente prensado e não retificado e fazer outro estudo comparativo com o

trabalho em que os corpos de prova foram socados.

63

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