Estudo termomecânico da fratura de blocos refratários eletrofundidos aplicados em fornos de fusão de vidro via simulações computacionais
| Ano de defesa: | 2022 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
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| Link de acesso: | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16587 |
Resumo: | Currently there is a great motivation and need for advances in the understanding of the best operating conditions of industrial equipment. As far as glass production is concerned, one action field is the search for increasing the working life of the refractory lining of glass melting furnaces, directly associated with glass quality, process energy efficiency, cost and other factors. Electrofused AZS (Alumina-Zirconia-Silica) refractories are used for the lining of glass melting furnaces due to their corrosion resistance and mechanical properties. However, operating conditions can drastically alter the performance of this refractory, limiting the lifetime of the furnace. Computational simulations have proven to be a useful tool for analyses where in situ testing of the glass melting process is difficult and involves certain risk for experiments and validations. In view of this, the present study aimed to investigate AZS blocks with electrode support, which present a reduced lifetime due to cracking and intense erosion. With the software Abaqus, a thermomechanical analysis was carried out via finite element models (FEM) to determine the maximum principal stress in the block during the heating of the furnace. Which reached the rupture limit of the AZS block approximately 42 h after the start of furnace heating at 0.13 m from the hot face. Regarding the process parameters analyzed, the cooling system of the electrode had a positive effect only for its own life, reducing the oxidation of the material. The study of different thermal histories still did not prevent the crack initiation during the heating of the furnace. Changing the hole geometry affected the maximum principal stress field, and for this condition after 43 h the maximum principal stress reached the AZS modulus of rupture was 43 h. The critical point at which this maximum principal stress. In order to study the effects of material change in the thermomechanical simulations, thermodynamic studies were additionally carried out via FactSage, with the objective of analyzing the corrosion of different refractory compositions in contact with glass, to find out a potential composition to replace AZS. The results showed that zirconia-rich compositions present higher glass corrosion stability. Finally, a comparative thermomechanical analysis between AZS and commercial HZ (High Zirconia) was conducted via thermal and mechanical simulation. |
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Oliveira, Thais Mota dePandolfelli, Victor Carloshttp://lattes.cnpq.br/7369376873984839Angélico, Ricardo Afonsohttp://lattes.cnpq.br/4572583709143785http://lattes.cnpq.br/8293751899938526f925737d-4d85-406e-a3db-a35c8512ea5e2022-09-08T13:02:44Z2022-09-08T13:02:44Z2022-07-14OLIVEIRA, Thais Mota de. Estudo termomecânico da fratura de blocos refratários eletrofundidos aplicados em fornos de fusão de vidro via simulações computacionais. 2022. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16587.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16587Currently there is a great motivation and need for advances in the understanding of the best operating conditions of industrial equipment. As far as glass production is concerned, one action field is the search for increasing the working life of the refractory lining of glass melting furnaces, directly associated with glass quality, process energy efficiency, cost and other factors. Electrofused AZS (Alumina-Zirconia-Silica) refractories are used for the lining of glass melting furnaces due to their corrosion resistance and mechanical properties. However, operating conditions can drastically alter the performance of this refractory, limiting the lifetime of the furnace. Computational simulations have proven to be a useful tool for analyses where in situ testing of the glass melting process is difficult and involves certain risk for experiments and validations. In view of this, the present study aimed to investigate AZS blocks with electrode support, which present a reduced lifetime due to cracking and intense erosion. With the software Abaqus, a thermomechanical analysis was carried out via finite element models (FEM) to determine the maximum principal stress in the block during the heating of the furnace. Which reached the rupture limit of the AZS block approximately 42 h after the start of furnace heating at 0.13 m from the hot face. Regarding the process parameters analyzed, the cooling system of the electrode had a positive effect only for its own life, reducing the oxidation of the material. The study of different thermal histories still did not prevent the crack initiation during the heating of the furnace. Changing the hole geometry affected the maximum principal stress field, and for this condition after 43 h the maximum principal stress reached the AZS modulus of rupture was 43 h. The critical point at which this maximum principal stress. In order to study the effects of material change in the thermomechanical simulations, thermodynamic studies were additionally carried out via FactSage, with the objective of analyzing the corrosion of different refractory compositions in contact with glass, to find out a potential composition to replace AZS. The results showed that zirconia-rich compositions present higher glass corrosion stability. Finally, a comparative thermomechanical analysis between AZS and commercial HZ (High Zirconia) was conducted via thermal and mechanical simulation.Atualmente há uma grande motivação e necessidade de avanços no entendimento das melhores condições de operação de equipamentos industriais. No que diz respeito a produção de vidro, uma frente de atuação é na busca do aumento da vida útil do revestimento refratário dos fornos de fusão, associada diretamente a qualidade do vidro, eficiência energética do processo, custo, entre outros fatores. Refratários no sistema AZS (Alumina-Zircônia-Sílica) eletrofundidos são utilizados no revestimento de fornos de fusão de vidros devido à sua resistência à corrosão e propriedades mecânicas. No entanto, as condições operacionais podem alterar drasticamente o desempenho deste refratário, limitando a vida do forno. Simulações computacionais tem se mostrado uma ferramenta útil para análises onde os testes in situ do processo de fusão do vidro são difíceis e envolvem certo risco para experimentos e validações. Diante disso, o presente estudo visou investigar blocos de AZS com suporte para eletrodo, o qual apresenta uma vida útil reduzida devido ao surgimento de trincas e intensa erosão. Com o auxílio do software Abaqus, uma análise termomecânica foi realizada via modelos em elementos finitos (MEF) para determinar a tensão principal máxima no bloco durante o aquecimento do forno. A qual atingiu o limite de ruptura do bloco AZS aproximadamente 42 h após o início do aquecimento do forno a uma distância de 0,13 m da face quente. Com relação aos parâmetros de processos analisados, o sistema utilizado para refrigeração do eletrodo teve um efeito positivo somente para a vida útil do mesmo, reduzindo a oxidação do material. O estudo de diferentes históricos térmicos ainda não impede o início da trinca durante o aquecimento do forno. A mudança da geometria do furo afetou o campo de tensão principal máximo, sendo que para esta condição o tempo em que a tensão máxima principal atingiu o módulo de ruptura do AZS foi de 43 h. Visando estudar efeitos de mudança do material nas simulações termomecânicas, adicionalmente foram realizados estudos termodinâmicos via FactSage, com o objetivo de analisar a corrosão de diferentes composições refratarias em contato com o vidro, a fim de se ter uma composição candidata a substituição do AZS. Os resultados mostraram que composições ricas em zircônia apresentam maior estabilidade a corrosão em contato com o vidro. Por fim, uma análise termomecânica comparativa entre o AZS e HZ (Alta Zircônia) comercial foi conduzida via simulação térmica e mecânica.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)134275/2019-5porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessAZSForno fusão de vidroTermomecânicaAnálise em elementos finitosGlass melting furnaceFinite element analysisThermomechanicsENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSEstudo termomecânico da fratura de blocos refratários eletrofundidos aplicados em fornos de fusão de vidro via simulações computacionaisThermomechanical study of the fracture of electrofused refractory blocks applied in glass melting furnaces via computer simulationsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600390bd4d1-c505-4015-b043-b075d197c61freponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/203961b0-ddc4-4c31-8ed6-36d88264cd6b/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53falseAnonymousREADORIGINALThais Mota de Oliveira - Dissertação.pdfThais Mota de Oliveira - Dissertação.pdfDissertação versão finalapplication/pdf4898835https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3ed3f850-cd2e-46cc-83bb-04255f294dd0/downloadf251b5486f3a2b936e64699992a77e45MD51trueAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfCarta comprovante assinada pelo orientadorapplication/pdf258217https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/f69a3391-9b15-4ff1-9c10-d0c91c8b4eb1/download68108cfff9e4315e2e8bb9560dac663bMD52falseTEXTThais Mota de Oliveira - Dissertação.pdf.txtThais Mota de Oliveira - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain175071https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/ae4b1fa7-7229-48dd-96d6-7f205638ba21/downloadbae089084fda32ed3e0f3024d614d297MD58falseAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtExtracted texttext/plain1508https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/ad9afc5f-220f-4af1-b82e-b78a19e67e18/download347c48657eecf3d599f5f2931d7a7590MD510falseTHUMBNAILThais Mota de Oliveira - Dissertação.pdf.jpgThais Mota de Oliveira - Dissertação.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg3966https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/fde60e94-dab2-44bd-a472-eff088d884f8/download3281afcc1b1695ea2e164907157822e3MD59falseAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg8062https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5fecd282-1d42-4617-b076-4079bd64ca9e/download07aa61ce0e825f88ca51713019941beaMD511false20.500.14289/165872025-02-05 21:53:42.619http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/16587https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T00:53:42Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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