PROPRIEDADE DOS MATERIAIS REFRATÁRIOS
André Santiago de Resende
Tales Vieira Pena
Allan Gonçalves Magalhães
MARÇO 2013
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS - ENGENHARIA MECÂNICA
MATERIAIS REFRATÁRIOS
INTRODUÇÃO
Os refratários são materiais cuja função primária é possibilitar a
produção de outros materiais. A sua utilização representou um dos fatores que
impulsionaram o desenvolvimento tecnológico alcançado atualmente pela
humanidade. Através da formação de uma camada refratária protetora em
locais submetidos a altas temperaturas, é possível a produção de materiais
como vidros, cimentos, metais, produtos petroquímicos, dentre outros.
Os refratários são produtos que pertencem ao universo da
cerâmica (inorgânicos, não metálicos) que possuem a característica principal
de resistir às altas temperaturas (por definição, a sua temperatura de fusão
deve ser superior a 1580 °C). Não devem, porém, serem apenas resistentes
ao calor, mas, possuírem também outras características como: baixo
coeficiente de dilatação térmica, alta resistência à compressão, impactos,
saltos térmicos, e não devem reagir com as substâncias as quais venham
a ter contato.
São usados principalmente para o revestimento de fornos industriais
(para a fabricação de cal, cimento, vidro, etc) para metalurgia, na indústria
cerâmica e nas fábricas de coque.
Assim como evoluiu ao longo dos séculos a tecnologia dos fornos e dos
processos em que estão envolvidos (fusão de metais e vidros, queima de cal,
cimentos e cerâmica, apenas para citar os principais), do mesmo modo evoluiu
a tecnologia dos refratários, cuja fabricação, nos últimos dois séculos
aproximadamente, se transformou em indústria.
Neste trabalho analisaremos as propriedades térmicas, mecânicas e
químicas dos materiais refratários.
ESTRUTURA COMPARATIVA DO ALTO FORNO – CARVÃO COQUE E
CARVÃO VEGETAL
1. Alto Forno de Redução de Carvão Coque e Carvão Vegetal
1.1 Forno de Sinterização
a) Carvão Coque
b) Carvão Vegetal
2. Alto Forno Carvão Coque
2. Alto Forno Carvão Vegetal
3.Canal de Corrida
a) Carvão Coque
b) Carvão Vegetal
4. Panela Gusa Carvão Coque e Carvão Vegetal
INFORMAÇÕES GERAIS
1. Curvas típicas de condutividade
Fonte: http://www.ibar.com.br/informacoes/condutividade-termica.html. Acesso: 05/04/2013
2. Perda de Calor em kcal/m²h através do Revestimento Refratário -
Considerando-se: ar externo parado a uma temperatura
Fonte: http://www.ibar.com.br/informacoes/condutividade-termica.html. Acesso: 05/04/2013
3. Variação Linear Dimensional
Fonte: http://www.ibar.com.br/informacoes/condutividade-termica.html. Acesso: 05/04/2013
3. Fórmulas para Cálculo:
Fonte: http://www.ibar.com.br/informacoes/formulas-para-calculo.html. Acesso em: 05/04/2013
4. Formatos e Dimensões de Tijolos Refratários
Fonte: http://www.ibar.com.br/informacoes/formulas-para-calculo.html. Acesso em: 05/04/2013
4.1 Quantidade de Tijolos por m²
Fonte: http://www.ibar.com.br/informacoes/formulas-para-calculo.html. Acesso em: 05/04/2013
4.2 Âncoras Metálicas
a) Âncoras Metálicas Tipo V
Fonte: http://www.ibar.com.br/informacoes/formulas-para-calculo.html. Acesso em: 05/04/2013
b) Âncoras Metálicas Tipo Y
Fonte: http://www.ibar.com.br/informacoes/formulas-para-calculo.html. Acesso em: 05/04/2013
5. Usos e propriedades do Concreto Refratário
O concreto refratário pode ser definido como um material que, ao ser
submetido a um processo de sinterização, adquire características de natureza
cerâmica que o torna capaz de resistir a altas temperaturas. Por se tratar de
um composto monolítico, o concreto refratário substitui o uso de tijolos
refratários, já que estes necessitam de uma maior quantidade de juntas e
apresentam propriedades inferiores às do concreto. Os tijolos, apesar de suas
propriedades serem controladas e conhecidas antes da aplicação, apresentam
alto custo de instalação.
5.1 Materiais utilizados para produção de concreto refratário
Os materiais utilizados na produção de uma mistura com propriedades
refratárias devem apresentar resistência mecânica a altas temperaturas e
características refratárias, uma vez que esses materiais irão exercer grande
influência sobre o desempenho da estrutura e irão atuar em conjunto para
garantir que o concreto seja capaz de trabalhar na temperatura máxima de
serviço. Essas características devem atender a valores específicos
padronizados por instituições como American Concrete Institute (ACI), nos
Estados Unidos e a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) no
Brasil.
Os principais constituintes do concreto refratário são: aglomerantes,
agregados, aditivos químicos e adições minerais.
5.1.1 Aglomerantes
a) Cimento de Aluminato de Cálcio (CAC)
Também conhecido como aluminosos ou cimento fondu. Os cimentos de
aluminato de cálcio constituem os agentes ligantes mais empregados em
aplicações industriais, pois possuem grande disponibilidade, baixo custo,
capacidade de conferir alta resistência mecânica a verde aos concretos e
resistência ao ataque de agentes agressivos, quando em uso.
5.1.2 Agregados
Diversos tipos de agregados são utilizados na produção de concretos
refratários. A sua escolha deve ser baseada nas suas propriedades, tais como
ponto de fusão, coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica, dentre
outras. Um concreto isolante, por exemplo, deve possuir agregados com baixa
condutividade térmica.
Os agregados são os responsáveis pelo desempenho quanto à isolação
e expansão térmica do concreto, pois estão presentes em grandes
quantidades. A sua seleção deve ser realizada de acordo com o material que
estará em contato direto com o concreto refratário, como por exemplo, metais
em fusão em indústrias metalúrgicas ou coque em indústrias petroquímicas.
5.1.3 Aditivos Químicos e Adições Minerais
Os aditivos, de forma análoga ao concreto convencional, promovem um
aumento do desempenho dos concretos refratários. As adições minerais
também conhecidas como estabilizadores cerâmicos, são materiais que
apresentam granulação fina. As adições são utilizadas em concretos refratários
submetidos a altas temperaturas produzidos com cimento Portland com o
objetivo de evitar a formação de cal livre. Consequentemente, ocorre aumento
da resistência em altas temperaturas. Exemplos de adições são: chamota,
argila calcinada, cromita, pó de quartzo, escória, cinza volante e magnésia
sinterizada.
Em concretos refratários também são utilizados aditivos químicos, que
correspondem a plastificantes, aceleradores de pega e agentes sinterizantes.
Os plastificantes proporcionam um aumento de trabalhidade e da resistência,
redução do teor de água e da permeabilidade.
A seleção de aditivos químicos exerce grande influência nas
características de processamento dos concretos, tais como: estado de
dispersão das partículas, homogeneidade, comportamento de pega e consumo
de água. É essencial conhecer o estado de dispersão das partículas do
concreto. Dessa forma, é possível determinar a fluidez desses materiais.
6. Propriedades
É imprescindível conhecer o comportamento térmico, físico, químico e
mecânico (resistência à tração, à compressão, à flexão, fadiga, retração,
erosão, ataque por substâncias corrosivas) do concreto refratário, diante das
solicitações termomecânicas em altas temperaturas. Através desse
conhecimento, torna-se possível produzir concretos refratários de melhor
qualidade e aprimorar os processos de aplicação, cura e secagem.
As características que determinam o desempenho de um concreto
refratário estão diretamente relacionadas ao conteúdo da mistura, ao teor de
água e ao processo de moldagem. Estes fatores irão influenciar a porosidade e
as propriedades físico-químicas do concreto.
6.1 Propriedades Térmicas
6.1.1 Calor Específico
O calor específico pode ser definido como a quantidade de calor
necessária para aumentar a temperatura de uma unidade de massa de um
material em um grau. A determinação do calor específico do concreto é
necessária para o conhecimento de sua capacidade térmica.
Os agregados, por ocuparem a maior parte do volume do concreto,
determinam em grande parte o seu calor específico. Agregados como chamota,
magnésia e cromita possuem valores de calor específico variando entre os
seguintes valores, respectivamente: 0,20 a 0,25, 0,10 a 0,30 e 0,18 a 0,22
cal. . Entretanto, o calor específico tende a aumentar com as
temperaturas.
6.1.2 Condutividade Térmica (λ) e Difusividade
De acordo com a NBR 8826 (1997), a condutividade térmica pode ser
definida como a propriedade de um material transmitir calor através de sua
massa, de uma região de alta temperatura para uma mais baixa. Os valores
correspondentes a esta propriedade são expressos em watts por metro vezes
Kelvin (W/(m.K)).
A condutibilidade térmica é uma das principais propriedades que devem
ser consideradas durante funcionamento de estruturas de concreto refratário,
sendo influenciada pelo teor de água adsorvida presente na mistura, pela
densidade do concreto, pela quantidade de poros e pela condutibilidade
térmica de seus constituintes.
Em geral, a condutibilidade do concreto cresce com o aumento da
temperatura. Concretos isolantes leves, entretanto, apresentam baixa
condutibilidade térmica, pois possuem grande quantidade de poros. Concretos
refratários aplicados na construção de fornalhas e fornos devem apresentar
baixos valores de condutividade com objetivo de reduzir as perdas de calor.
Por outro lado, em regiões específicas dos fornos, a presença do calor
seria prejudicial e a sua remoção deve ocorrer o mais rápido possível através
de materiais que apresentem alta condutividade térmica. Por este motivo, a
transferência de calor, necessária para as operações de aquecimento, em
alguns casos é obtida através do emprego de agregados de condutibilidade
térmica mais elevada. Esta característica é essencial para impedir o surgimento
de falhas provocadas pelo choque térmico. A alta condutividade térmica pode
ser obtidas através da utilização de refratários densos.
Alguns autores afirmam que não há métodos para a determinação da
condutividade térmica em temperaturas acima de 2200°C. Para temperaturas
menores, os métodos frequentemente utilizados são: uso do calorímetro,
comparação, dentre outros.
A condutividade térmica de um concreto refratário depende de uma
quantidade relativa de cimento hidráulico e da presença de ligações cerâmicas.
No concreto refratário, há três regiões que apresentam comportamentos
diferentes que correspondem a níveis de temperatura. Estes comportamentos
são:
• manutenção do material hidratado;
• perda de água quimicamente combinada;
• desenvolvimento de ligações cerâmicas.
A existência destas zonas depende do tempo, uma vez que o processo
de desidratação e a formação de ligações cerâmicas dependem do tempo e da
temperatura.
A presença de gases também exerce influência sobre o comportamento
térmico do concreto refratário. Os gases alteram a transferência de calor e
podem provocar rupturas se a sua influência não for considerada. Gases como
hidrogênio e hélio aumentam a condutividade, principalmente em concretos
isolantes com alta porosidade.
Concretos refratários com 70% de Al2O3, produzidos através de
técnicas como projeção a seco e projeção a úmido, podem atingir valores
equivalentes a 2,03 e 2,13 W/mK a 1250°C, respectivamente. Estes valores de
condutividade auxiliam na resistência ao choque térmico, entretanto, requerem
bom isolamento térmico com objetivo de evitar perdas excessivas de calor.
A difusividade térmica é a relação entre a condutividade térmica e o calor
específico e a massa específica do concreto, conforme a equação abaixo:
k=
Onde,
к – difusividade, em m²/h.
K – condutividade térmica, J/m.h.K.
c – calor específico do concreto, J/kg. K.
ρ – massa específica do concreto, kg/m³.
De acordo com esta equação, é possível observar que o calor irá se difundir
com facilidade em um concreto com uma difusividade térmica mais elevada,
uma vez que a condutividade térmica é diretamente proporcional à difusividade
(MEHTA, 1994). Além disso, concretos com difusividade alta podem ser
submetidos a tempos menores de pré-aquecimento, o que representa uma
grande vantagem operacional.
6.1.3 Expansão Térmica (α)
A expansão térmica exerce grande influência sobre o comportamento do
concreto refratário em relação ao choque térmico. Segundo Bazant e Kaplan
(1996), as alterações dimensionais irreversíveis ocorrem devido à fatores
relacionados às propriedades dos constituintes do concreto, tais como cimento,
agregados, presença de umidade e temperatura máxima de aquecimento.
Agregados porosos apresentam uma expansão térmica menor do que
agregados densos.
Além do aspecto físico, a constituição química dos agregados influência
o seu comportamento térmico. Agregados silicosos, por exemplo, quando
submetidos a temperaturas de 1000°C e resfriados em seguida, apresentam
uma expansão residual. Já concretos com agregados de escória exibem uma
contração residual. Estas alterações irreversíveis na dimensão ocorrem devido
a mudanças na constituição química e física que ocorrem quando o concreto é
aquecido.
Em concretos contendo cimento de aluminato de cálcio, observa-se que
a temperatura de cura influencia de forma significativa na expansão térmica do
concreto.
Valenzuela et al. (2007), determinaram o coeficiente de expansão
térmica linear médio de concretos refratários alumino-silicosos com 70% de
Al2O3, projetados a úmido e a seco. Os valores encontrados foram,
respectivamente, de 6,0 x 10-6 e 6,3 x 10-6 . O concreto projetado a
úmido possui um valor menor devido às fases de menor expansão, presentes
em sua composição, a exemplo da mulita, e que auxiliam na resistência ao
choque térmico (VALENZUELA et al., 2008).
6.2 Propriedades Mecânicas
O atual conhecimento das propriedades mecânicas dos concretos
refratários é restrito.
Seu desempenho mecânico é fortemente influenciado pela temperatura.
Em altas temperaturas, o concreto refratário apresenta um comportamento
visco-plástico, que pode representar uma vantagem no que diz respeito à
fragilidade do concreto. O desenvolvimento das propriedades à temperatura
ambiente é complexo, pois depende da temperatura de tratamento térmico.
Em concretos refratários submetidos à altíssimas temperaturas observa-
se um crescimento da ductilidade, e consequente redução da fragilidade,
associada com um crescimento da fluência específica (razão do deslocamento
medido pelo referencial de espaço deslocado – m/m), quando se aproxima do
ponto de fusão.
6.2.1 Módulo de Elasticidade
Em temperaturas normais, o módulo de elasticidade (E) de concretos
refratários com cimento de aluminato de cálcio está compreendido entre os
valores de 29 a 39 GPa. Quando aquecidos sem sofrerem processo de queima,
o valor do módulo de elasticidade, em temperaturas de 800°C, decresce em
torno de 5 a 25%. Estas alterações no módulo de elasticidade ocorre devido a
variações nas ligações cerâmicas, à formação de novas fases minerais e à
processos de recristalização.
6.2.2 Resistência à Compressão e Módulo de Ruptura
A resistência à compressão uniaxial de concretos refratários resfriados
em temperatura ambiente, após terem sido aquecidos a uma determinada
temperatura, nem sempre equivale à resistência deste mesmo concreto quando
aquecido. Vários fatores influenciam a resistência à compressão de concretos
refratários tais como: o tipo de agentes ligantes, tipo e granulometria dos
agregados, proporções da mistura, dentre outros.
Para alguns autores, em concretos de cimento de aluminato de cálcio, à
medida que ocorre um crescimento da temperatura, ocorre uma redução da
resistência à compressão. Os autores justificam este fato devido,
principalmente, às alterações químicas que ocorrem nos minerais hidratados
do cimento hidráulico com o aumento da temperatura.
Como resultado, ocorre a desidratação ou perda de água quimicamente
combinada e a redução de ligações químicas e consequente queda da
resistência. No caso de concretos refratários com baixo ou ultra-baixo teor de
cimento, a resistência continua constante até temperaturas de 1500°C. Após a
queima e desenvolvimento das ligações cerâmicas, estes concretos não
apresentam alterações volumétricas consideráveis.
Concretos refratários com grande quantidade de material ligante
apresentam elevada resistência mecânica após a secagem. Entretanto, ocorre
uma redução da refratariedade. Por outro lado, concretos refratários projetados
a seco possuem melhor capacidade de suportar maiores espessuras
projetadas, porém, quanto maior a espessura, maior será a taxa de fluência
quando a resistência mecânica for reduzida na decomposição do ligante
hidráulico.
A resistência à compressão a frio de concretos refratários convencionais
está compreendida entre os valores de 6,9 a 55,2MPa. Já concretos refratários
leves, com densidades de até 800 kg/m³, a resistência varia entre 1,4 a
3,5MPa. Para densidades entre 1200 a 1600kg/m³, a resistência de concretos
refratários varia entre 6,9 a 17,3Mpa.
A resistência à flexão ou módulo de ruptura é obtida através de ensaios
de flexão onde se determina a resistência à tração. Bazant e Kaplan (1996)
citam exemplos de valores da resistência à flexão após o resfriamento. Em
concretos aquecidos à temperaturas próximas a 1371°C, a resistência à frio do
concreto com cimento de alumina de alta pureza e de pureza intermediária,
foram, respectivamente, 15,8MPa e 10,3MPa. A resistência à quente
correspondeu a 3,4MPa e 1,4MPa, respectivamente. Desse modo, é possível
observar uma redução na resistência. Esta redução ocorre devido à fase vítrea
que se forma em altas temperaturas e consequente aumento da viscosidade.
6.3 Porosidade e Permeabilidade
Alterações na porosidade e densidade de concretos fabricados com
cimento de aluminato de cálcio ocorrem em baixas temperaturas e estão
associadas às reações de conversão que ocorrem em temperaturas menores
que 100°C.
Um aumento da porosidade aumenta a probabilidade de ataque químico
no concreto.
A permeabilidade pode ser utilizada como uma forma de previsão da
vida útil de concretos refratários, uma vez que a resistência do concreto
refratário à penetração de agentes corrosivos depende de sua permeabilidade
e de outros fatores. A permeabilidade está associada de forma direta ao
processo de secagem: o mais permeável seca em um intervalo de tempo
menor, sem prejudicar suas propriedades. Como consequência, o custo de
processamento do concreto será menor, assim como o risco de explosões,
uma vez que os vapores sairão do concreto com maior facilidade.
6.4 Refratariedade
Concretos com alto teor de cimento em sua formulação (>3%-p CaO)
possuem menor refratariedade devido à formação de fases de menor ponto de
fusão no sistema Al2O3-Si2O-CaO.
A refratariedade é determinada através de um ensaio conhecido como
cone pirométrico equivalente. Este ensaio avalia o ponto de amolecimento do
agregado, ou seja, a temperatura em que ocorre o processo de fusão. Dessa
forma, este ensaio mede a temperatura e o tempo de exposição necessários
para o desenvolvimento uma viscosidade crítica de um cone padrão.
A NBR 6222 – Material refratário – Determinação do cone pirométrico
equivalente especifica a metodologia para a determinação da refratariedade de
um material. A refratariedade simples mínima ou cone pirométrico equivalente
mínimo para que um material possa ser considerado refratário, corresponde ao
CONE ORTON 15 (1435 °C - ABNT) (IOPE, 2008).
6.5 Mecanismos de Degradação Concretos Refratários
O concreto refratário pode sofrer processos de degradação ao longo de
sua vida útil. Existem diversos fatores que influenciam esses processos. Um
acabamento de baixa qualidade, por exemplo, prejudica o desempenho do
concreto refratário, uma vez que a presença de defeitos superficiais atua como
catalisador para nucleação de trincas, degradando as propriedades mecânicas.
Há várias formas de degradação em concretos refratários provocadas
por processos físicos, mecânicos e químicos. Quando um concreto refratário é
submetido a altas temperaturas, pode ocorrer a formação de trincas térmicas,
fenômeno conhecido como spalling térmico. Este tipo de degradação ocorre
devido a choques térmicos ou devido ao crescimento de tensões dos vapores
presentes nos poros do concreto que se tornam superiores à tensão máxima
que o concreto é capaz de resistir.
Além do spalling térmico, outros processos de degradação podem
ocorrer como a ruptura estrutural, resultante de forças externas e internas de
natureza físico-química, e a ruptura mecânica, causada pela aplicação de
forças externas ao refratário ou devido à combinação de esforços de
compressão, flexão ou tração com esforços dinâmicos que provocam o
surgimento de fissuras. Há também desgaste por abrasão e por erosão nos
revestimentos em concretos refratários.
Outro fenômeno que pode ser observado em concretos refratários ao
longo de sua vida útil é o ataque químico por agentes agressivos como álcalis,
coque, cinzas de combustível, compostos de enxofre, dentre outros. Estas
substâncias desencadeiam o processo de corrosão nestes concretos. Para
reduzir a corrosão, é desejável que o concreto seja o menos permeável
possível aos agentes corrosivos. Entretanto, o concreto deve ser permeável o
suficiente para permitir a eliminação de água durante a secagem e ao mesmo
tempo dificultar a corrosão durante o seu uso.
Os autores mostram, através de análises detalhadas do comportamento
mecânico de concretos refratários, um aumento da difusão do processo de
degradação seguida pela sua concentração ao redor de uma área fraturada.
Como consequência, ocorre o surgimento e a propagação de macrofissuras. O
início da concentração de regiões danificadas pode ser um indicador
importante para a determinação da vida útil do concreto. A identificação destes
danos pode ser realizada através de um dispositivo de emissão acústica.
Materiais refratários geralmente contêm gases que podem alterar de
forma significativa a transferência de calor e têm provocado inúmeras falhas
devido à negligências ocorridas quando este fato não é levado em
consideração. Para o normal funcionamento do concreto refratário, é
necessário o conhecimento e acompanhamento do todo o processo de
produção.
Como consequência dos processos de degradação, ocorrem o
surgimento de manifestações patológicas como por exemplo, infiltração,
fissuras, trincas, desplacamento do concreto, desgaste provocado por abrasão
e/ou erosão, dentre outros, exemplificados nas figuras abaixo:
Fonte: http://civil.uefs.br/DOCUMENTOS/KARINE%20DE%20PAULA%20BASTOS%20SANTOS.pdf. Acesso: 06/04/2013
Fonte: http://civil.uefs.br/DOCUMENTOS/KARINE%20DE%20PAULA%20BASTOS%20SANTOS.pdf. Acesso: 06/04/2013.
6.5.1 Abrasão e Erosão
O concreto refratário está sujeito à deterioração física em vários
processos industriais. A abrasão e a erosão são exemplos de deterioração. A
abrasão está relacionada ao desgaste ocorrido quando partículas duras se
movimentam paralelamente à superfície de um material. A erosão, no entanto,
é a perda progressiva de material de uma superfície devido ao impacto de um
fluido, que pode ser um líquido e/ou partículas sólidas. O impacto causado por
estas partículas promove o surgimento de trincas prejudicando a resistência
mecânica do concreto. A figura abaixo mostra crescimento de trincas no
concreto refratário, ao sofrer o impacto de uma partícula.
Crescimento de trinca durante o impacto da partícula.
Fonte: http://civil.uefs.br/DOCUMENTOS/KARINE%20DE%20PAULA%20BASTOS%20SANTOS.pdf. Acesso: 06/04/2013.
O sinal (+) representa a superfície sob carregamento e o (-) indica a
retirada de carga por parte da partícula. A região escura denota deformação
irreversível.
A figura mostra a formação de trincas radiais quando a superfície está
sob carregamento durante o impacto. Estas trincas estão orientadas
perpendicularmente à superfície e promovem a redução da resistência
mecânica do concreto. Após a retirada da partícula ocorre a formação de
trincas laterais, paralelas à superfície do material e estão relacionadas ao
desgaste por erosão.
A resistência à abrasão pode ser identificada através de ensaios que
medem o volume de crateras formadas durante a ação de um jato de carbeto
de silício em pó sobre a superfície de um corpo-de-prova, método padronizado
pela ASTM – American Society for Testing and Materials.
Os concretos refratários com alta densidade e resistência térmica
geralmente possuem boa resistência à abrasão. Por outro lado, concretos com
alto teor de água apresentam resistência à abrasão menores. A utilização de
concretos com baixo teor de cimento (< 10%) associados com o emprego de
materiais finos, plastificantes, defloculantes e aditivos reguladores de pega e
endurecimento, evitam a redução da resistência durante o aquecimento, além
de apresentarem alta densidade, resistência à abrasão e a quedas de
temperaturas.
O aumento da resistência à erosão pode ser obtido através da utilização
de concretos fabricados com cimento de alto teor de alumina e de concretos
refratários com altas temperaturas de amolecimento e refratariedade.
Em revestimentos de concretos refratários, a resistência à abrasão é um
dos principais parâmetros que definem a qualidade do material, uma vez que
este revestimento tem como função, proteger o equipamento contra o
desgaste.
6.5.2 Choque Térmico
O choque térmico ocorre quando a superfície do corpo cerâmico é
subitamente exposta a mudanças elevadas de temperaturas. Durante o choque
térmico, ocorrem dois fenômenos: contração e expansão que possibilitam,
como consequência, o surgimento de tensões mecânicas. Se estas tensões
forem superiores às tensões de ruptura do material, ocorre a fratura. Caso
contrário, podem surgir trincas, cuja velocidade de propagação depende das
propriedades do material.
O choque térmico em um concreto refratário pode ser influenciado pelo
tipo de agregado. Concretos contendo agregados de alumina são mais
resistentes a freqüentes choques térmicos do que agregados contendo
magnésia e minério de cromo. Outros fatores que podem influenciar a
estabilidade de concretos refratários submetidos a flutuações de temperatura
são o teor de cimento e a presença de adições contendo boro. Além disso, a
realização do préaquecimento em concretos refratários proporciona uma
capacidade maior dos refratários resistirem a ciclos térmicos, uma vez que a
temperatura de pré-aquecimento é suficientemente alta para promover uma
maior formação de ligações cerâmicas.
A tensão térmica alta pode promover o surgimento de trincas durante as
fases de pré-aquecimento e resfriamento. Refratários densos com 90% de
Al2O3 e adições de cromo são resistentes ao início da formação de trincas
provocadas pelo choque térmico. Entretanto, a expansão deste material com a
temperatura pode ser diferente ao material de contato, provocando um
trincamento pela tensão gerada na interface entre os dois materiais quando
submetidos a altas temperaturas. Por outro lado, essa região pode apresentar
defeitos, antes de sofrerem choque térmico, originados durante a moldagem e
que se intensificam ao longo da vida útil do equipamento.
A abertura de trincas é um dos fatores que promovem a redução da vida
útil do concreto refratário, uma vez que aumenta o número de regiões propícias
ao processo de corrosão, como será visto a seguir.
6.5.3 Comportamento quanto à Corrosão
Devido à necessidade de desenvolver produtos de boa qualidade, é
necessário que o concreto refratário seja resistente à corrosão. Esta
propriedade depende de fatores tais como: composição química e mineralógica
e aspectos estruturais do concreto refratário, composição química e
viscosidade do material e tensão superficial na interface entre o material e o
concreto refratário.
De forma análoga à reação química entre um corpo sólido e um líquido,
a corrosão de refratários por líquidos fundidos envolve os seguintes elementos:
contato com o reagente, que faz com que a reação ocorra, e transporte do
produto, que faz com que a reação prossiga. O contato com o reagente
depende de fatores como a composição do refratário, a textura física, incluindo
a porosidade, e especialmente, a natureza das ligações, que é a primeira
região onde o líquido penetra. Os fatores que determinam o transporte do
produto são características de fusão e reação dos produtos, que definem a
extensão da reação.
Para entender o mecanismo da corrosão, devem ser analisados
simultaneamente, os seguintes critérios:
• microestrutura do refratário, em particular, a composição e textura dos grãos,
e as ligações químicas;
• propriedades de fusão, especialmente composição e viscosidade como
função da temperatura;
• molhabilidade;
• interação sob altas temperaturas.
A molhabilidade é um fator indispensável para que uma reação química
entre o refratário e um metal líquido possa se desenvolver. Ou seja, para que o
ataque químico ocorra, o metal líquido deve molhar o refratário. Além disso,
através da molhabilidade é possível identificar a penetração, caracterizada pela
infiltração via porosidade aberta sem reação química. A molhabilidade depende
da temperatura, da composição química, da aspereza da superfície de contato
e do tempo de exposição. A figura a seguir, mostra a influencia do acabamento
superficial na capacidade de penetração do vidro líquido em refratários.
Efeito da rugosidade da superfície no ângulo de contato do refratário com o vidro líquido
Fonte: http://civil.uefs.br/DOCUMENTOS/KARINE%20DE%20PAULA%20BASTOS%20SANTOS.pdf. Acesso: 06/04/2013.
Na figura acima, foi traçada uma reta tangente imaginária à gota até o
ponto de contato da superfície do sólido com a superfície do líquido, formando
um ângulo com o plano horizontal do substrato, que corresponde ao ângulo de
molhamento. Um substrato pode ser considerado molhável quando _ < 90° e
não molhável quando _ > 90°.
A corrosão pode ser reduzida através da utilização de concretos
refratários resistentes à corrosão, o que permite um aumento de intervalos
maiores entre recuperações e aumenta a eficiência durante a operação destes
equipamentos. A seleção da constituição do concreto refratário deve ser
baseada no tipo de equipamento e do produto final. Por exemplo, concretos
refratários submetidos à presença de escória, podem ser fabricados com
agregado de alumina tabular e com cimentos com alto teor de alumina, ou seja,
com alto percentual de Al2O3, pois possuem boa resistência à escórias.
ANEXO 1
EMPRESAS DE MATERIAL REFRATÁRIO:
DISTRIBUIÇÃO DAS EMPRESAS POR ESTADO CEARÁ
CELENE CIA. ELETROCERÂMICA DO NORDESTE CELENE
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Disponível em: http://www.ibar.com.br/. Acesso em 05 de abril de 2013.
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<http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160040
217> Acesso em: 20 de março de 2013.
NEI. Busca: Concreto Refratário. Disponível em:
<http://www.nei.com.br/busca/concreto%20refratario/1/> Acesso em: 07 de abril
de 2013.
SCRIBID. PESQUISA E DESENVOLVIMENTO. Disponível em:
<http://pt.scribd.com/doc/47679288/Os-materiais-refratarios>. Acesso em: 25
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SCRIBID. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/33664400/Engenharia-de-
Processos-Siderurgia-Alto-Forno>. Acesso em 25 de março de 2013.
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<http://www.togni.com.br> Acesso em 05 de abril de 2013.
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA. Disponível em:
http://civil.uefs.br/DOCUMENTOS/KARINE%20DE%20PAULA%20BASTOS%2
0SANTOS.pdf. Acesso em 06 de abril de 2013.