UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA

Refratários em Convertedor LD

Autores: Breno Júlio César Ferraro Filho

Professor: Wander Vasconcelos

Sumário

1-

Introdução.................................................................................032-Objetivos...................................................................................04

3-Desenvolvimento......................................................................04

3.1- Histórico dos Refratários...............................................04

3.2 Tipos de refratários.........................................................05

3.3-Microestruturas..........................................................................06 3.4-Solicitações ao revestimento Refratário....................................08 3.5-Partes do Convertedor LD.........................................................09

3.5.1-Boca..........................................................................103.5.2-Cone Superior...........................................................123.5.3-Cilindro.....................................................................123.5.4-Cone inferior.............................................................123.5.5-Sola...........................................................................133.5.6-Furo de corrida.........................................................13

3.6 -Aplicações dos Refratários No Convertedor Ld.....................13 3.7-Tendências....................................................................14 3.8 -Práticas para aumento de vida útil dos refratários..................15

3.8.1-Banho de escória (Slag Coating)...............................153.8.2-Slag splashing...........................................................163.8.3-Gunning....................................................................163.8.4-Reparo a frio.............................................................16

3.9 - Volume Consumido de Refratários.........................................17

4-Conclusão...........................................................................................185-Referências Bibliográficas..................................................................19

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1 - Introdução

O entrelaçamento histórico entre os processos térmicos de manufatura e a tecnologia dos refratários começa com a descoberta do fogo. A natureza forneceu os primeiros refratários, cadinhos de rocha onde metais eram amolecidos para a confecção das primeiras ferramentas primitivas. Quando o homem começou a dominar o fogo logo descobriu que a queima de argilas permitia que formas estáveis fossem obtidas com essa matéria-prima, caracterizada por elevada resistência mecânica. Objetos de formas variadas com diversas finalidades foram obtidos. Estava-se registrando o nascimento dos ancestrais dos refratários. Estes materiais realmente nasceram com a metalurgia, tendo acompanhado passo a passo a evolução do seu ramo siderúrgico. Hoje, cinco mil anos mais tarde, os refratários são manufaturados a partir de variado elenco de matérias-primas, em centenas de formatos e composições químicas, viabilizando desta forma os processos de manufatura que utilizam altas temperaturas como os que praticamente envolvem a produção de todos os tipos de metais, aços, vidros, químicos, petroquímicos e cerâmicos.

Os refratários são produtos fundamentais para uma vasta gama de indústrias, principalmente a siderúrgica. De modo geral, qualquer processo que envolva altas temperaturas depende do desempenho de refratários. A necessidade de uma melhoria dos processos, aumento da eficiência e de produtividade, resultam em contínuos investimentos para incrementar o nível dos produtos refratários.

Os refratários são utilizados na indústria siderúrgica, do cimento, do vidro, petroquímica e outras onde são necessárias excelentes propriedades térmicas e outras mais específicas como resistência à corrosão, abrasão e choque térmico.

Os refratários estão divididos quimicamente em 5 categorias distintas: silicosos, silico-aluminosos, aluminosos, básicos e especiais. Dependendo do seu estado físico são classificados em moldados e monolíticos e conforme sua massa específica em densos e isolantes.

A seleção do refratário ideal para cada aplicação depende, entre outros faores, da temperatura do processo, da agressividade química do meio, das ações físicas, enfim de qual mecanismo físico-químico é mais predominante.

O processo de fabricação de aço por convertedor LD foi introduzido no Brasil em 1957 e devido às suas inúmeras vantagens técnicas e econômicas, constitui hoje o processo mais utilizado, representando cerca de 75% do aço produzido.

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Nos últimos anos, desenvolvimentos marcantes nas práticas operacionais dos convertedores LD têm provocado solicitações mais severas aos refratários. O aumento da produção de aço por lingotamento contínuo e de aços de melhor qualidade tem exigido temperaturas de vazamento mais altas. Condições de refino mais eficientes, decorrentes da introdução dos processos de sopro combinado, têm acarretado condições de trabalho mais agressivas aos refratários, o que tem alterado significativamente o perfil do revestimento dos convertedores LD.

2 - Objetivos

Os objetivos desse trabalho são:

Identificar os tipos de refratários usados no Convertedor Identificar as microestruturas usadas nesse tipo de refratário Mecanismos de desgaste Citar as aplicações desses refratários Citar as tendências Conceder informações sobre volumes consumidos e vida útil

3 – Desenvolvimento

3.1 – Histórico dos Refratários

A necessidade de proteção dos revestimentos refratários de convertedores, levou ao desenvolvimento de inúmeros materiais refratários com o passar do tempo. Deve-se ressaltar, que por estes materiais serem indispensáveis e de grande consumo em metalúrgicas/siderúrgicas, sempre será necessário o estudo aprofundado dos mesmos para melhores performances do ponto de vista de desempenho frente a desgastes, erosão,etc.

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1ª Geração: Refratários básicos queimados e ligados a piche - Deficiências quanto à: resistência mecânica a quente; resistência à corrosão pela escória; resistência ao choque térmico.

2ª Geração: Refratários de magnésia carbono (MgO-C)

3ª Geração: Refratários com magnésia eletrofundida ( para processos de sopro combinado)

Devido à redução do consumo especifico de refratários e ao aumento de disponibilidade do convertedor LD, há uma tendência crescente da utilização de produtos MgO-C, podendo chegar a níveis 100%.

3.2 – Tipos de Refratários

Quanto à matéria-prima principal que entra em sua constituição, os refratários podem ser classificados em:

Dolomito ligado com alcatrão; Dolomito enriquecido com carbono e ligado com alcatrão; Dolomito grafite enriquecido com carbono e ligado com alcatrão; Dolomito enriquecido com magnésia e ligada com alcatrão; Magnésia ligada com alcatrão; Magnésia ligada com alcatrão e impregnada com piche; Magnésia-grafite ligado com alcatrão ou resina; Magnésia queimada e impregnada de alcatrão.

É utilizado também uma argamassa refratária na junta do revestimento de segurança. Essa argamassa tem a função de fazer o rejunte entre os tijolos do revestimento de segurança, criando uma força de ligação entre os mesmos, que durante o assentamento, permitirá uma maior segurança quanto à aplicação. A argamassa também serve para corrigir pequenas imperfeições nas

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juntas dos tijolos, vedando a junta entre as peças e selando o revestimento por completo.

3.3 – Microestruturas

O uso de magnésia como material refratário tem obtido sucesso na forma de tijolos ou compostos/massas. O tijolo de dolomita é usado para metalurgias especiais ou pré-requisitos climáticos. Em comparação com o de magnésia, a dolomita é menos resistente para escórias ricas em ferro e apresenta tendência para hidratação devido a alta porção de CaO. Desta forma, contornos naturais são necessários neste campo de aplicação.

O carbono ajuda na prevenção contra o ataque químico causado pela escória dos processos metalúrgicos, diminuindo a molhabilidade do sólido (material refratário) pelo líquido (escória-Aço) e retardando os processos de corrosão e difusão entre as espécies. Além disso, trata-se de um material de elevada condutividade térmica, o que permite diminuir as tensões mecânicas geradas pelos gradientes de temperatura entre as faces fria e quente dos refratários. Sua presença também reduz o módulo de elasticidade do sistema, tornando-o menos rígido. As principais fontes de carbono conhecidas são a grafita e o piche, ambos muito utilizados como ligantes.

O óxido de magnésio (MgO) é o principal constituinte do tijolo de MgO-C e confere ao mesmo uma elevada refratariedade e resistência a corrosão por escórias básicas. Atualmente, este constituinte é cada vez mais aplicado no convertedor LD sob a forma de grãos eletrofundidos. Sendo assim, a larga utilização de refratários MgO-C deveu-se a uma diminuição no consumo da massa de projeção em relação aos outros, a uma diminuição no consumo de refratários e a um aumento na disponibilidade dos equipamentos.

A composição química da magnésia deve ter as seguintes características:

Elevado teor de MgO; Baixo teor de B2O3 (intragranular) Baixo teor de óxidos acessórios (hematita, alumina, MnO, TiO2); Elevada relação molar (CaO/SiO2);

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O tipo de grafite que melhor se adaptou a essa aplicação foi o grafite da figura 2. A microestrutura do tijolo MgO-C com este tipo de grafite é dado pela figura 5. Os refratários de MgO-C são frutos de certa incompatibilidade química entre o óxido de magnésio e o carbono, o que pode ser evidenciado pela inexistência de formação da fase líquida (eutéticos) e por ambos os constituintes não serem termoquimicamente estáveis em altas temperaturas. Isto favorece a formação da magnésia em camadas densas na própria estrutura refratária.

Figura 1: Foto da micrografia do refratário de MgO-C

As características mais importantes dos sistemas refratários de MgO-C são provenientes de um conjunto de propriedades, uma vez que estes refratários são constituídos de uma fonte de magnésio (eletrofundida e/ou sinterizada) e fontes de carbono (grafite, negro de fumo, resina ou piche), podendo as formulações conter ou não as adições de antioxidantes tais como: alumínio, silício, ligas de magnésio, compostos de boro, etc.

Os antioxidantes são adicionados aos tijolos visando proteger o carbono uma vez que estes reduzem a cinética de oxidação. Os mesmos formam carbetos, nitretos e boretos que influem na resistência mecânica a quente dos materiais.

Os compostos de Boro geram um segundo efeito que sela os poros pela formação de compostos líquidos. Estes compostos barram a passagem do oxigênio e inibem a reação conforme mostra as figuras 2 e 3.

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Figura 2: Presença de Boro Figura 3 : Ausência de Boro

3.4 - Solicitações ao Revestimento Refratário

O revestimento refratário do convertedor LD esta sujeito a solicitações químicas, térmicas e mecânicas.

De acordo com as necessidades operacionais para as diferentes seções do convertedor, diversas qualidades de tijolos têm sido desenvolvidas pelas indústrias refratárias. A composição de um efetivo e vantajoso custo do balanço refratário é baseada em lembranças sobre o uso de fiadas por um lado, e lembranças ou observações de parâmetros indicativos operacionais do uso dos tijolos pelo outro.

Normalmente, os revestimentos dos convertedores LD são divididos em regiões, uma vez que cada região é submetida a desgastes diferenciados e tanto os tipos, quanto as espessuras dos mesmos, são baseados nestes mecanismos de desgaste, ligados a cada região. A seguir são mostradas algumas figuras de Covertedores com seus respectivos refratários.

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Figura 4: Estrutura do convertedor e seus refratários

3.5 - Partes do Convertedor Ld

O convertedor LD pode ser dividido em 6 partes, conforme mostra a figura 5. São diversos os tipos de refratários e espessuras utilizados no convertedor em função das solicitações para cada específica região. As solicitações e as distintas regiões serão discutidas posteriormente no corpo do texto.

A boca é a região onde são feitos os carregamentos de sucata, gusa e fundentes. O furo de corrida está situado na parte superior do convertedor denominado cone, por onde se dá o vazamento de aço. O cilindro constitui a parte lateral da metade do convertedor. Este é seguido pelo cone inferior e pela sola, que constituem a parte do fundo do convertedor.

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Boca

Cone Superior

Furo de Corrida

Cilindro

Fundo ou solaCone inferior

Impacto de sucata espessura maior

Figura 5 : Partes do convertedor LD

3.5.1-Boca

A região da boca esta sujeita aos seguintes mecanismos de desgaste:

ErosãoNo vazamento do aço e mais comumente no vazamento da escória,

existe a erosão da escória que passa pela região da boca, principalmente pelo lado do carregamento, mas também pelo lado de vazamento. Caso a escória esteja com a temperatura alta ou com baixa temperatura de liquidus, a mesma acarretará erosão do refratário. Na prática, pode-se notar de fato que a escória vazada é muito fluida. Entretanto, devido à proteção do cascão que se forma na boca, este mecanismo é minimizado.

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AbrasãoAs partículas sólidas que passam por esta região a altas velocidades,

geram abrasão no revestimento, aumentando a taxa de desgaste deste.

Arrancamento mecânicoQuando faz-se a retirada mecânica do cascão acumulado na região da

boca, existe a possibilidade de se fazer a remoção parcial ou total do refratário da boca, já que o cascão fica aderido ao refratário da boca. Isto ocasiona um desgaste acentuado ou até a perda parcial do revestimento. Este é, pelo cotidiano industrial, o mais forte mecanismo de desgaste, merecendo uma atenção especial.

Algumas possíveis ações podem ser benéficas:

Remoção do cascão sempre a alta temperatura, uma vez que o mesmo tem menor resistência mecânica nestas condições.

Corte no cascão antes da remoção, enfraquecendo e facilitando a remoção do mesmo.

Cobertura da região após a limpeza com material de baixa resistência mecânica.

Limpeza regular do cascão, evitando que o mesmo se acumule e aumente a resistência.

Figura 6: Remoção do cascão na boca do convertedor LD

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3.5.2-Cone Superior

A região do cone superior pode ser dividida em três regiões: leito de vazamento, leito de carregamento e munhões. Esta subdivisão é importante uma vez que o tipo de desgaste pode ser diferenciado por região.

Normalmente a região de vazamento, próxima ao furo de corrida e situada no cone superior, sofre o mesmo mecanismo de desgaste que as regiões do vazamento no cilindro e no cone superior. Por isto, nos projetos atuais, o refratário do leito de vazamento no cilindro se prolonga na região envolta do furo de corrida. Os mecanismos de desgaste nesta região serão listados posteriormente. Já na região da linha dos munhões no cilindro superior, existe a ocorrência mais forte de desgaste por abrasão. Isto se deve à saída de partículas a alta temperatura e com alta energia cinética.

Devido aos munhões trabalharem com uma freqüência menor de cobertura de escória, é nessa região que se observa mais facilmente este tipo de mecanismo.

3.5.3-Cilindro

Assim como o cone superior, a região do cilindro pode ser subdividida, porém neste caso em quatro partes: leito de vazamento, leito de carregamento, munhões e linha de escória de vazamento.

O leito de vazamento é normalmente submetido ao contato com o metal, sofrendo assim os mecanismos de erosão e corrosão, principalmente em sua parte central e na região adjacente ao furo de corrida. Já no leito de carregamento, o principal mecanismo é associado ao desgaste mecânico pelo impacto de sucata. A linha de escória é sujeita à oxidação do carbono devido ao oxigênio presente no FeO e MnO.

3.5.4-Cone inferior

Na região do cone inferior, como o refratário fica coberto por metal líquido durante a maior parte da corrida, a cinética de oxidação se dá de forma diferenciada das regiões em contato com os gases da atmosfera do forno ou da região em contato com a escória. Nesta região, o desgaste é promovido

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Tijolos queimados de magnésia e impregnados de alcatrão

Dolomito

Dolomito com a zona abaixo do furo de corrida sendo revestida com dolomito grafita

Manilha MgO-Cmonolitico

Magnésia

principalmente pelo mecanismo de erosão, uma vez que a turbulência do banho metálico interage com o refratário.

3.5.5-Sola

Na sola do convertedor, o desgaste atualmente é maior nas ventaneiras devido a materiais do fundo. O mecanismo mais importante neste caso é “Back Attack” e o mecanismo de termoclase do material.

3.5.6-Furo de corrida

Os mecanismos associados ao desgaste do furo de corrida são de erosão, oxidação e corrosão, devido à passagem de escória pelo furo. Esta também é uma das regiões do convertedor mais expostas ao choque térmico

3.6 Aplicações dos Refratários No Convertedor Ld

Conforme citado anteriormente, diferentes tipos de refratários de diferentes

espessuras são aplicados no convertedor.

Figura 7: Aplicação de refrtários noConvertedor LD 13

3.7 - TENDÊNCIAS

Alguns itens podem ser ressaltados como perspectivas de futuro em refratários como:

Aumento do uso de tijolos “comolded”; Novos desoxidantes; Tijolos com ligação combinada de pichados resinados; Projetos baseados em elementos finitos; Matérias-primas de alta pureza; Prensagem a vácuo/isostática; Misturadores de alta intensidade; Montagem mecanizada; Uso de fibras metálicas; Ligantes ecológicos; Cone com revestimento de segurança monolítico; Massas de projeção com menor percentual de água e novos ligantes; Peças com dimensões maiores que 1200 mm; MgO-C com boa resistência a choque térmico e menores teores de

carbono; Tijolos de MgO-C com menor condutividade térmica; Monitoramento térmico da carcaça do convertedor; Inspeção com lentes fixadas na lança; Substituição de ventaneiras a quente na campanha; Medição continua do desgaste do revestimento.

Também têm sido realizados estudos para analisar as características de tijolos de magnésia-carbono com baixo teor de carbono aplicados a nanotecnologia, constituídos de híbridos de magnésia e grafita.

Analisando tanto as propriedades de resistência mecânica, estabilidade estrutural, resistência à penetração e a corrosão desses tijolos híbridos, verifica-se que estes apresentam melhores propriedades que os tijolos convencionais de MgO-C.

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3.8 – Práticas para aumento de vida útil dos refratários

São adotadas algumas técnicas que visam diminuir o desgaste do refratário e assim, aumentar sua vida útil. Estas práticas são extremamente importantes, pois o custo atual para reparo e troca de revestimento é muito elevado. Algumas dessas técnicas serão descritas a seguir:

3.8.1-Banho de escória (Slag Coating)

Após o vazamento do aço e desde que não ocorra sobra de aço ou exista uma escória muito agressiva, pode-se adicionar materiais à escória visando condicioná-la. A adição destes materiais tem por objetivo reduzir a temperatura da mesma, aumentando a sua saturação em MgO e sua temperatura de liquidus.

Também pode ser adicionado material com o intuito de desoxidar a escória ou promover a espumação (foaming), visando que ela atinja partes maiores do revestimento. Os materiais mais usados atualmente são: dolomita crua, cal/dolomita calcinada e CaC2. Também é possível adicionar materiais preparados para fazer a correção da escória. Comparando a adição de cal e dolomita crua, fica claro que a dolomita crua além de mais eficaz em reduzir a temperatura da escória e solubilizar mais rapidamente Cao e MgO (devido à agitação causada pela reação de calcinação), tem um custo melhor. Depois de feita a adição destes materiais, são feitos balanços no forno com o intuito de fazer com que a camada de escória fique aderida à parede refratária.

Deve-se evitar a passagem da escória pelo furo para evitar a sua obstrução. Caso haja tempo disponível, é interessante deixar a escória resfriando sobre um dos leitos (vazamento ou carregamento). Uma regra prática é a de que a porcentagem de dolomita crua deve ser de 10 a 20% do peso de escória estimado.

Esta é uma prática de baixo custo e de resultados significativos para as regiões aonde ela possa ser praticada.

Também existe a possibilidade da adição de sucata de tijolos básicos, que visam reforçar este reparo. O cuidado a ser tomado é de que os pedaços de tijolo devem ser menores que o diâmetro do furo, evitando-se assim obstruções do furo. Entretanto, este tipo de reparo está limitado as regiões do leito de vazamento, leito de carregamento e sola do convertedor, reduzindo assim sua eficácia.

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3.8.2-Slag splashing

Após o vazamento do aço, é feito um acondicionamento da escória com materiais adicionados e em seguida, faz-se um sopro (normalmente com nitrogênio), visando aplicar esta escória ao revestimento. Uma das grandes vantagens do “Slag splashing” sobre o banho de escória é a possibilidade de se jogar escória em todas as regiões do revestimento. Através da vazão de gás e da posição da lança, é possível favorecer uma determinada região.

O tratamento da escória obedece aos mesmos princípios para se obter uma escória de: boa viscosidade, saturada em MgO e com temperatura de liquidus alto.

Também existem técnicas com lanças refrigeradas a ar comprimido e água para se fazer projeções em regiões não atendidas pelo banho de escória.

3.8.3-Gunning

É o método de repara mais utilizado e consiste na projeção de massa refratária básica com granulometria adequada, visando a correta aderência da massa ao revestimento refratário. As frações finas de massa contêm ligantes e aditivos. Os ligantes podem ser silicatos, fosfatos ou a base de cromatos.

É possível através da canaleta de sucata, se fazer a adição de material ligado a piche ou resina em um agregado básico (dolomitico ou magnesiano), que irá polimerizar e mais tarde sinterizar, criando uma camada aderida ao revestimento refratário. Este tipo de massa de reparo é muito utilizado nos leitos de vazamento e carregamento, entretanto exige um tempo para que as reações ocorram antes que movimentem o reator. É importante ressaltar que este tipo de reparo é menos agressivo que o gunning (devido a ausência de água) e é mais resistente, após sua consolidação.

3.8.4-Reparo a frio

Em condições especiais pode ser feito reparo a frio. Entretanto este tipo de técnica está associado a risco de segurança para o pessoal que trabalha devido a possibilidade de desprendimento de algum material de outras regiões sobre os funcionários do reparo. Atualmente não é muito comum essa prática.

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3.9 - Volume Consumido de Refratários

A tabela I apresenta os consumos específicos de diferentes tipos de refratários e o número de corridas para os mesmos.

Tabela I: Número de corridas e consumo específico para alguns refratários

Tipos de revestimento

Número de corridas

Consumo específico (Kg)

Dolomito ligado com

alcatrão300-500 3,0 – 3,8

Magnésia ligada com

alcatrão500 - 1200 1,8 - 4,0

Dolomita-magnésia

ligada com alcatrão

400 - 700 2,5 -6,0

Magnésia-carbono, ligada

com alcatrão ou resina

600 - 400 1,5 - 3,0

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4 – Conclusão

A duração do revestimento tem evoluído pela utilização de refratários de melhor qualidade e pelo emprego de revestimentos diferenciados, embora por outro lado, as temperaturas do aço líquido tenham aumentado por causa do lingotamento contínuo e do desenvolvimento da metalurgia secundária. Buscam-se refratários de maior resistência e durabilidade, que darão às empresas um material de menor consumo e consequentemente, menos tempo gasto com manutenções e trocas, o que representa maior lucratividade para as mesmas. Os níveis atuais no Brasil são de 2,6 Kg/t, devido a melhora da qualidade dos tijolos, uso de revestimentos balanceados (compensando as diferenças no desgaste das várias regiões do vaso), bem como das escórias com alto teor de MgO e da técnica de reparo a quente, com projeção de massa refratária. Porém, tem-se países como Japão, Estados Unidos e alguns na Europa que apresentam este consumo bem abaixo do brasileiro, com ênfase para o Japão que lidera disparado o ranking de país com menor consumo de refratários por tonelada de aço produzido, aproximadamente 0,5 a 1,0 Kg/t.

Uma prática recente para aumentar a duração do refratário é soprar nitrogênio sob altas temperaturas através da lança de oxigênio, de modo a projetar a escória sobre o revestimento, a qual, depois de solidificar, forma a camada de desgaste. Assim, consegue-se uma duração do revestimento superior a 15.000 corridas, com um consumo de refratário inferior à 2,4 kg/t.

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5 - Referências Bibliográficas

GONÇALVES, G. E. Refratários para Convertedores LD.

MAGNESITA S.A.

http://www.magnesita.com.br

http://www.metallica.com.br/LWB/LWB.htm

http://www.ibar.com.br

ARAUJO, L. A. Manual de Siderurgia. 1998

W.L.Vasconcelos, Introdução aos Materiais Refratários, Manuscrito,

Notas de Aula, Escola de Engenharia, UFMG, 1996

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