Cerâmicas estruturais

• São cerâmicas aplicadas em equipamentos que devem apresentar alto desempenho em altas temperaturas e sob solicitações elevadas. Os materiais que atendem estes requisitos são, por exemplo, zircônia parcialmente estabilizada, nitreto de silício, carbeto de silício, alumina e os compósitos. Os refratários cerâmicos fazem parte deste grupo.

• Alguns autores denominam este tipo de cerâmica como termomecânica

REFRATÁRIOS

Subdivisão da cerâmica estrutural : ABRASIVOS e REFRATÁRIOS

REFRATÁRIOS Os materiais refratários são materiais resistentes ao calor e a exposição a diferentes graus de esforço mecânico, tensão térmica, corrosão/erosão dos sólidos, líquidos e gás, difusão do gás, e abrasão mecânica em várias temperaturas. Em geral, refratário é todo o material que pode suportar altas temperaturas, sem amolecer ou sofrer variação em sua forma. A função principal de um refratário é confinar o calor e, ao mesmo tempo, resistir à ação abrasiva e corrosiva dos produtos com os quais mantêm contato, a exemplo de metais derretidos, de escórias e de gás em fornos metalúrgicos. O desenvolvimento na área dos refratários é conduzido pelas exigências requeridas pela melhoria contínua dos processos fabris. A rapidez com que problemas refratários foram resolvidos pode ser atribuído em sua grande maioria ao avanço de muitas indústrias, incluindo a indústria siderúrgica - uma indústria conhecida por seu grande e variado consumo de refratários

Classificação dos refratários

Os refratários podem ser classificados de diversas de maneiras. Em uma delas eles são classificados apenas como:

Óxidos e não-óxidos.

Outra classificação feita com base na matéria-prima, distingue sete grupos a saber:

Silicosos, Argila, Alta alumina, Magnésio-silicato, Magnésia-cal, Cromita, e Carbono.

Em outra classificação, agora baseada na natureza química das substâncias os refratários formam três grupos:

Ácido, Básico, e Anfotérico ou neutro

REFRATÁRIOS ÁCIDOS REFRATÁRIOS BÁSICOS REFRATÁRIOS NEUTROS

Alumino

silicoso

Silicoso Óxidos de

alumínio

Óxido de Ca

e Mg

Carbono Minerais Quimicamen

te

preparados

Metais Diversos Refratários

raros

Seu uso

depende da

infusibiidade

do silicato de

alumínio. O

teor de sílica

livre deve ser

o menor

possível

Constituídos

de sílica e

com baixos

teores de

óxidos

metálicos e

alcalinos

Há dois

tipos:

bauxita

ou tijolos

de

bauxita e

bauxita

eletricam

ente

fundida

Produzidos

por

calcinação

de

Magnesita,

magnésia,

calcário e

dolomita

grafite Cromita Carbeto de

zircônia

Ferro

Cobre

Molibdênio

Níquel

Platina

Tântalo

Volframio

forsterita Be2O3

carvão Silimanita Carbeto de

Ti

concreto ThO2

coque Mulita Carbeto de

Si

talco Y2O3

cianita serpentina ZrO2

andalusita

É a classificação mais antiga de todas e a mais conveniente. Esta classificação química é mostrada na tabela abaixo.

Teoricamente, os refratários ácidos não devem ser usados nas situações onde podem estar em contato

com compostos básicos, enquanto os refratários básicos não devem ser expostos às circunstâncias não-

básicas. Na prática, estas limitações não podem ser seguidas por várias razões. Com a exceção possível

do carbono, não há talvez nenhum refratário perfeitamente neutro.

Há ainda uma classificação baseada na natureza física e segundo esta os refratários são divididos em dois grupos:

A de pega cerâmica só desenvolve pega após queima.

Formados: Possuem forma definida, como os tijolos. Não formados: Argamassa, concretos, massas de socar, plásticos, massas de projetar

As argamassas são materiais refratários utilizados como agentes ligantes no assentamento dos formados.

Argamassa de pega cerâmica e Argamassa de pega ao ar.

Há dois tipos de argamassa:

A de pega ao ar apresenta um componente químico que permiti a pega em temperatura ambiente. Depois de queimada também desenvolve pega.

Os refratários formados também podem ser divididos em:

Queimados; Quimicamente ligados: são usados crus, sofrendo a primeira queima na sua aplicação, onde então desenvolvem a pega cerâmica; Fundidos ou eletrofundidos: seus componentes são colocados em fornos elétricos e após sua fusão são vazados em moldes de grafite.

Quanto à porosidade, há dois tipos de refratários:

Refratários densos. Refratários isolantes: apresentam mais de 45% de porosidade

Manufatura dos Refratários

Moagem: realizado de tal maneira que o material é obtido sob medida

Mistura: o objetivo da mistura está não somente na distribuição uniforme das partículas grosseiras e finas, mas também na incorporação de um material ligante, se necessário com alguma água.

Por exemplo, o silício não tem nenhuma plasticidade e não pode ser moldado, a menos que algum ligante for adicionado. A mistura é processada até que uma pasta uniforme seja obtida e a massa for suficientemente plástica para moldar, que pode ser executado manualmente ou mecanicamente.

Secagem para remover a umidade.

Queima: realizada a fim de que seja conseguida a vitrificação e as fases minerais apropriados sejam desenvolvidas.

Moldagem: etapa em que é dado o formato ao corpo cerâmico e pela pressão da prensagem há uma diminuição de volume e dos líquidos contidos na massa.

Características físicas e químicas (desejadas no refratário)

As propriedades físicas e químicas desejadas no produto são determinadas em função de sua aplicação.

No refino petroquímico é a resistência à abrasão

Na metalurgia é a resistência ao ataque químico.

Na indústria do vidro é a baixa porosidade

A caracterização dos refratários envolve:

Análise química. A análise química é usada para determinar se o material é aluminoso, silicoso, básico, etc..

Análise Estrutural.

É usada para determinar os componentes mineralógicos, assim como a variação

estrutural que ocorre em diferentes temperaturas dos refratários e suas respectivas

matérias primas. São três os parâmetros microestruturais de interesse

• o constituinte mineralógico (tamanho de grão e distribuição dos agregados cristalinos);

• o constituinte vítreo (quantidade relativa, composição e distribuição da fase vítrea) e

• a porosidade aparente.

Estas análises são realizadas através de microscopia eletrônica, difração de raios-X, ATD e

outros.

Refratariedade.

A maioria dos materiais refratários de uso industrial, é constituído essencialmente por misturas de diversos óxidos

e assim não apresenta um ponto de fusão definido, mas, uma faixa de temperatura na qual ocorre o

amolecimento. A consequência da ausência de um ponto de fusão definido é que o refratário sofre uma transição

mais ou menos gradual do estado sólido para o estado líquido em uma faixa grande de temperatura.

A quantidade de líquido que um refratário pode tolerar e ainda permanecer em condição útil é governada pela

viscosidade do líquido e pelo tipo de cristalização que a fase sólida presente sofre. Por exemplo, um refratário que

inicie o amolecimento em 950°C pode ter sua temperatura de trabalho várias centenas acima desta por causa da

alta viscosidade do líquido.

Para ser usado como refratário o material deve apresentar a temperatura de amolecimento muito mais alta que a temperatura do forno.

A refratariedade define que um refratário deve suportar, sem fusão, uma temperatura de

1435°C ou cone pirométrico ORTON 15.

A determinação da temperatura de amolecimento pode ser realizada por dois ensaios:

Refratariedade simples

Determinada comparando o ponto de amolecimento de um certo produto com os cones

pirométricos equivalentes em uma temperatura qualquer. Os cones usados como

padrão possuem composição definida a partir de variações na proporção de sílica e

alumina estabelecidas por SEGER (Europa) e ORTON( EUA).

A refratariedade do material é obtida, pela leitura no momento exato que o cone toca no substrato.

O ensaio do cone pirométrico equivalente (PCE) é realizado como mostra a figura abaixo.

Refratariedade sob carga

Neste ensaio é avaliado o desempenho dos refratários expostos à temperaturas elevadas e

pressão estática de 2 Kgf/cm2. É determinada em equipamentos específicos.

A deformação vai depender da viscosidade das fases vítrea ou da líquida.

O formato e o entrelaçamento dos cristais podem influir na refratariedade sob carga.

Materiais com cristais aciculares ou dentados se deformam sob carga com uma proporção de

fase líquida de 20 a 30% enquanto com cristais arredondados esta proporção é de 10 a 16%.

Densidade, Porosidade e Permeabilidade.

Densidade real Massa por unidade de volume, sem incluir os poros (abertos ou fechados)

Densidade aparente Massa dividida pelo volume, neste caso os poros fechados são incluídos no cálculo (mas não medidos)

Porosidade aparente Relação entre o volume de poros abertos divididos pelo volume total de material. De maneira geral os refratários de baixa porosidade apresentam maior resistência à corrosão, maior resistência à penetração de gases, escória e metal líquido e maior resistência à erosão.

Porosidade total É a percentagem de todos os vazios no refratário

Do ponto de vista prático, nem sempre se pode medir o volume de uma peça uma

vez que os refratários apresentam geometrias complexas além de descontinuidades

e imperfeições (trincas e poros). Os métodos disponíveis para determinação de

volume, distribuição e tamanho dos poros abertos, tais como porosimetria de

intrusão de mercúrio e a picnometria à hélio não são capazes de extrair informações

sobre os poros fechados.

Permeabilidade

Está intimamente ligada à porosidade e distribuição de poros.

É indicativa da maior ou menor tendência dos líquidos e gases se difundir através do

refratário e quanto maior o número de poros conectados entre si modo a formar

canais, maior será a permeabilidade.

O refratário pode ser destruído se permitir grande difusão de líquidos e gases, ou seja,

se tiver alta permeabilidade.

Condutibilidade elétrica Via de regra, os refratários são isolantes, a exceção é para os refratários usados em fornos elétricos que são de carbono na forma de grafite (altamente refratários e condutores elétricos), utilizados como eletrodo e no revestimento destes fornos. Os refratários com componentes metálicos também são condutores.

Resistência Mecânica. É avaliada em temperatura ambiente e em temperatura elevada, sendo a carga máxima aplicada por unidade de área que o refratário pode suportar sem se deformar ou se romper. Esta carga aplicada pode ser de compressão e/ ou de flexão.

Resistência à abrasão. Resistência à abrasão é a propriedade mecânica que relaciona o desgaste físico superficial de um sólido contra o outro.

Para medir a resistência à abrasão o corpo de prova é submetido a um fluxo de material particulado (carbeto de silício) com o controle do ângulo de jateamento (45 ou 90°) e granulometria do agente abrasivo e após este ensaio mede-se a perda de massa do corpo de prova.

Resistência mecânica à compressão e à flexão

Os materiais refratários dificilmente falham por esforço à compressão. A medida da resistência à compressão em temperatura ambiente é realizada para garantir a conformidade do lote, a homogeneidade dos tratamentos térmicos dos produtos queimados, da atuação do ligante nos produtos resinados de maneira que o material possa ser manuseado e aplicado com segurança. Indiretamente dá indicação de outras propriedades como a resistência à abrasão.

Ao contrário, a flexão é significativa para o desenvolvimento e especificações de aplicação

dos refratários sujeitos à grandes esforços

Resistência mecânica sob carga em alta temperatura- Fluência (creep)

O carregamento estático em elevadas temperaturas pode produzir a deformação

(escoamento) do material refratário. Isto decorre da formação de fase líquida e o

consequente escoamento plástico do material.

Resistência ao choque térmico

A resistência ao choque térmico depende das interações entre os defeitos e de como

eles evoluem, podendo causar falhas catastróficas de acordo com a velocidade de

propagação das trincas.

Micro e macrofissuramentos podem surgir nos revestimentos refratários em função

das variações de temperatura na face quente. A extensão do dano depende de vários

fatores tais como composição química, porosidade, resistência mecânica, espessura

do revestimento, dilatação diferencial dos componentes (fatores intrínsecos ao

refratário) ou do ciclo térmico, encharcamento térmico do revestimento, tipo de

aquecimento realizado (fatores extrínsecos).

Condutividade Térmica.

É a propriedade usada na determinação de perdas de calor pelos revestimentos para o meio ambiente. Sofre influência da resistência do material ao choque térmico e da capacidade térmica do refratário, e varia com a temperatura. Por definição, o coeficiente de condutibilidade térmica é a quantidade de calor que passa por unidade de superfície para uma diferença de temperatura de um grau centígrado, expresso em Kcal/m2 h 0C/m. Uma das principais funções do refratário é reter o calor durante a operação de um forno, por exemplo. Neste caso, a condutividade térmica é um parâmetro importante para a determinação dos estados de tensões decorrentes dos gradientes térmicos nos reatores e também para o projeto da composição refratária de elevada resistência ao choque térmico.

Estabilidade dimensional Resistência oferecida por um refratário à mudança de volume que pode ocorrer em seu uso prolongado em altas temperaturas. Tais mudanças dimensionais podem ser irreversíveis ou reversíveis. As mudanças irreversíveis podem conduzir a uma contração ou uma expansão do refratário.

A contração é o resultado da liquefação progressiva de líquido dos componentes mais fusíveis do refratário, quando exposto em uma alta temperatura durante um longo período. Isto acarreta significativa vitrificação e retração. A contração pode ser também consequência da transformação de uma fase cristalina em outra mais densa.

Principais normas técnicas

Principais matérias primas utilizadas na composição dos refratários

Matérias Primas Naturais: -Argilas: Silimanita, cianita e andalusita ( Al2O3. SiO2); Caulinita (Al2O3. 2SiO2. 2H2O); Pirofilita [ Al2(Si2O5)22(OH)2]. -Magnésia calcinada (magnesita- MgCO3) -Dolomita calcinada (dolomita- Ca Mg CO3) -Bauxitos calcinados (Al2O3. 2H2O) -Grafitas (C) -Quartzo (SiO2)

Matérias Primas Sintéticas - Aluminas calcinadas/reativas - Aluminas eletrofundidas (branca ou escura) -Espinélios eletrofundidos (MgAl2O4, MgCrO4, etc..) -Cromita eletrofundida -Zircônia estabilizada -Sílica fundida -Carbetos, boretos, nitretos, SiAlON - Aditivos e Ligantes, Resinas, Pós metálicos, piches, etc.