Öneriler

Quando um forno é aquecido, energia térmica flui para a estrutura do refratário, causando uma diferença de temperatura entre as superfícies internas e externas do revestimento. Parte desta energia térmica é armazenada na estrutura refratária e em sua fundação, e parte flui através das paredes, tetos e soleira, e é perdida para o ar externo por radiação e convecção. Para se estimar a quantidade de calor que flui através do revestimento refratário, usamos de um parâmetro conhecido por coeficiente de condutividade térmica, para cada material envolvido em sua construção. Os valores de coeficiente de condutividade térmica variam não somente entre diferentes materiais, mas geralmente também para o mesmo material a diferentes temperaturas.

O coeficiente de condutividade térmica (k) é definido como a quantidade de calor que flui através de uma área unitária, em uma unidade de tempo, se o gradiente de temperatura através desta área for unitária (W/m.K). O método mais aceito na determinação do coeficiente de condutividade térmica de materiais refratários é o método do calorímetro (Normas ASTM C182-88, C201-93, C202-93 e C417-93). O

fluxo de calor é determinado usando um calorímetro de água, localizado abaixo de um painel da amostra a ser testada, usando-se a equação da Figura 3.20.

A condutividade térmica é reportada na temperatura média ao longo da amostra. Os fatores que mais influenciam na condutividade térmica de um refratário são a sua composição mineralógica, a quantidade de fase amorfa (líquido ou vítrea) que ele contém, sua porosidade e sua temperatura. A condutividade térmica diminui com o aumento da porosidade. Para uma certa temperatura, a condutividade térmica da fase vítrea é consideravelmente menor do que a de materiais cristalinos de mesma composição. Com o aumento da temperatura, a condutividade da fase vítrea tende a aumentar, enquanto que a da fase cristalina tende a diminuir.

Figura 3.20 - Determinação da condutividade térmica em refratários.

A condutividade térmica de um refratário em serviço em altas temperaturas varia, freqüentemente, devido à alteração na quantidade da fase líquida e vítrea que ele contém. A condutividade térmica de um refratário muito poroso aumenta significativamente com o aumento em temperatura. Este comportamento é devido principalmente ao aumento do fluxo de calor por radiação através dos poros.

Altas condutividades térmicas são desejáveis para refratários usados em construções que exigem uma eficiente transferência de calor através do revestimento, tais como recuperadores, paredes de coquerias, etc. Na maioria dos equipamentos, entretanto, uma baixa condutividade térmica é desejável para se ter conservação de calor, mas outras propriedades podem ser mais importantes do que esta.

k = Q . d /∆T onde :

k = coeficiente de condutividade térmica ( W/m.K) Q = fluxo de calor através da amostra ( W/m2 ₎ d = espessura da amostra

∆T = gradiente de temperatura atrav és da amostra (K)

d

(°K) (W/m.°K)

k = Q . d /∆T onde :

k = coeficiente de condutividade térmica ( W/m.K) Q = fluxo de calor através da amostra ( W/m2 ₎ d = espessura da amostra

∆T = gradiente de temperatura atrav és da amostra (K)

d

(°K) (W/m.°K)

Em fornos que operam em uma temperatura constante por longo período de tempo, dois estágios de fluxo de calor ocorrem. Durante o estágio de aquecimento, chamado de regime transiente ("unsteady state or transient heat flow”), os refratários armazenam uma parte do calor absorvido e o restante é perdido para o ambiente. Como o refratário retém calor adicional, a temperatura dentro do revestimento se altera com o tempo. Após um período longo de tempo, que depende da espessura e composição do revestimento, os refratários não armazenam mais calor adicional e todo o calor absorvido é perdido para o ambiente. Isto marca o segundo estágio que é conhecido como regime permanente ("steady state") ou fluxo de calor em equilíbrio. Desde que os refratários não estão armazenando calor adicional, a temperatura dentro do revestimento permanece constante com o tempo (Sutton & Thrower, 1992).

A quantidade de calor fluindo através do revestimento refratário sob condição de equilíbrio é expressa da seguinte forma:

Q = k (T1 - T2) A t / d

Onde:

Q = quantidade de calor fluindo através do revestimento (J) k = condutividade térmica do refratário (W / m.°K)

T1 - T2 = queda de temperatura da face quente para a face fria do refratário (°K)

A = área da parede refratária (m2) t = tempo (s)

d = espessura do revestimento (m)

O cálculo do fluxo de calor através do revestimento refratário em condições de regime transiente é muito complicado, e envolve na maioria das vezes modelos matemáticos complexos para se alcançar resultados mais precisos. É importante para isto se introduzir uma outra propriedade dos materiais, denominada de difusividade térmica, que é normalmente usada nestes cálculos. A difusividade térmica indica a taxa em que a energia térmica difunde através do material e é expressa da seguinte forma:

λ = k / c ρ onde:

k = condutividade térmica (W/m.°K) c = calor específico (J/kg.°K)

ρ = densidade aparente (kg/m3)

A taxa de calor que flui através de um revestimento refratário pode ser calculada apenas aproximadamente por várias razões:

a falta de precisão nos métodos de avaliação dos coeficientes de condutividade térmica;

as temperaturas das faces quente e fria do revestimento são raramente conhecidas com exatidão;

a condutividade térmica do refratário pode se alterar em serviço, devido a alterações mineralógicas ou vitrificação do refratário, pela absorção de escórias, metais ou outros materiais;

a espessura do revestimento se alterar em uso, quer seja por desgaste ou por adesão de materiais;

a taxa de calor que flui ser influenciada pela pressão interna dos gases e pela permeabilidade do refratário. Uma pressão positiva tende a forçar os gases quentes a saírem através das paredes, enquanto que uma pressão negativa tende a levar ar frio do ambiente para o interior do forno;

a taxa de calor ser influenciada pela espessura das juntas e frestas entre os componentes do revestimento e pelo uso ou não de argamassa no assentamento dos tijolos.

Outros fatores importantes que afetam a quantidade de calor que flui através do revestimento refratário incluem a emissividade do refratário ou da carcaça, o tipo de gás presente no interior dos fornos e correntes de convecção externas.

A estimativa do fluxo de calor através de refratários não queimados pode ser complicada. Estes materiais podem sofrer alterações físicas e químicas durante o aquecimento do forno, que podem ter um efeito grande e complexo na condutividade

térmica dos materiais. Um fenômeno semelhante ocorre durante a determinação do coeficiente de condutividade térmica destes materiais usando o método do calorímetro.

Além do método do calorímetro, os métodos mais usados na determinação de coeficiente de condutividade térmica de refratários são o do fio quente e o “flash laser”.