1

REFRATÁRIOS PARA ALTOS FORNOS A CARVÃO VEGETAL (1)

Edson Maia de Assis (2)

RESUMO

São descritos os principais mecanismos de desgastes dos materiais refratários em Altos

Fornos.

Mostramos os perfis típicos e as características dos revestimentos refratários utilizados nos

Altos Fornos de grande, médio e pequeno porte.

(1) Contribuição Técnica ao Semana de Estudos de Engenharia da EMUFOP realizado

em novembro /10.

(2) Engenheiro Metalúrgico – Assistente Técnico – IBAR Ltda.

2

1 – INTRODUÇÃO

O Brasil pretende produzir no futuro próximo cerca de 42 milhões de toneladas de aço

bruto. Dentro do atual contexto e das futuras perspectivas tecnológicas, a fabricação de

gusa continuará sendo realizada em Altos Fornos. Os processos de redução direta com

fusão, que visam substituir este equipamento, e que estão em desenvolvimento na

Europa e Japão, ainda não se mostram economicamente viáveis.

Portanto é de real importância a necessidade de aprimorar o desenvolvimento dos Altos

Fornos, principalmente no que se refere ao prolongamento das campanhas.

Um dos componentes mais importantes do Alto Forno é o revestimento refratário que

depende do sistema de refrigeração, uma vez que a campanha é limitada pela sua vida

útil.

Conhecendo os agentes de desgaste que afetam o desempenho na campanha temos que

procurar novas tecnologias de revestimentos refratários.

As preocupações com o desenvolvimento do projeto, manuseio no assentamento,

conforme a especificação, nos dará a condição relevante para que os Altos Fornos

tenham uma excelente campanha.

Este trabalho apresenta, de maneira sucinta as características físicas e químicas dos

materiais de revestimento, com ênfase aos produtos Sílico-Aluminoso, Aluminoso e

Alumina Carbeto de Silício, Carbono nacionais que vem sendo usados nestas reformas,

bem como as principais solicitações as quais estes materiais estão sujeitos no uso.

2 – MECANISMOS DE DESGASTE

Os materiais refratários no Alto Forno estão submetidos a diversos tipos de

solicitações, o assunto tem dado origem a inúmeros estudos e trabalhos publicados, que

descrevem o mecanismo de desgaste a partir da análise “post–mortem” de amostras

colhidas por meio de ensaios de laboratório que simulam as condições operacionais.

Podemos dividir os mecanismos de desgaste em dois grupos de fatores:

Termoquímicos

Mecânicos

3

O primeiro depende basicamente de dois parâmetros.

A reatividade química dos agentes corrosivos com o material do revestimento;

O grau de impregnação do refratário por estes agentes, e nos dois casos a cinética

destas reações dependem da variação da temperatura.

No segundo caso a destruição do refratário por fatores, mecânicos, é provocada por:

Esforços mecânicos e estáticos da carga contra o revestimento;

Choques mecânicos;

Abrasão da carga;

Erosão dos fluídos;

Tensões termomecânicas.

Dos dois fatores, o termoquímico é o que limita a vida do alto forno, já que, fatores

mecânicos acabam agindo sobre o material com maior rigor, quando este foi

transformado pelos efeitos termoquímicos de erosão e impregnação.

Na rampa, ventre e cuba inferior os fatores termoquímicos se evidenciam. Os diferentes

estudos sobre refratários de altos fornos mostram que não existe um único mecanismo

de desgaste agindo isoladamente, mas uma interação mútua de diversos fatores que

tornam difícil uma interpretação exata dos fenômenos que ali ocorrem.

Além disso, os fatores operacionais de cada alto forno, tais como:

Tipo de gusa produzido;

Tipo de marcha;

Permeabilidade da carga, etc.

Estes fatores tornam cada alto forno, como único, e diferente do outro que possui

volume, perfil e tamanho equivalente. Em função destes aspectos, os mecanismos de

desgaste podem agir de forma mais agressiva no mesmo material a altos fornos

similares ou até mesmo em campanhas distintas do mesmo equipamento.

Na figura 1 temos os principais agentes termoquímicos agindo nas diversas regiões do

alto forno.

4

2.1 – GUSA LÍQUIDO

As elevadas pressões ferrostáticas existentes nestas regiões (6 atm) podem provocar

infiltrações até em poros de um mili-microns, originando tensões que podem fraturar o

material, facilitam a sua erosão.

2.2 – ESCÓRIA

A escória líquida, sendo um silicato complexo de Alumina, Cálcio, Magnésia e Oxido

de Ferro dilui a fase quente do refratário. Conseqüentemente os materiais com base

alumina. Carbeto de Silício Carbono apresentam melhor performance nestas condições,

no entanto, o revestimento que contém Carbono pode ser oxidado pelo FeO presente na

escória ou atacado pelos álcalis.

2.3 – ÁLCALIS

Os compostos alcalinos entram na carga dos altos fornos sob a forma de silicatos

complexo, oriundo das reações do minério e do carvão vegetal.

O ataque dos refratários pela recirculação de álcalis no alto forno é conhecido há

bastante tempo como o mais importante mecanismo de desgaste.

O teste feito consiste em imergir o refratário em uma mistura de K2CO3 e coque

pulverizado, à temperatura de 900 ºC e 1400 ºC.

A corrosão é avaliada medindo a variação de peso, da dimensão e da resistência

mecânica.

Os compostos alcalinos reagem no estado gasoso, principalmente com os óxidos de

alumínio e silício do refratário formando alumino-silicatos cristalizados como

Kaliofilita, Leucita e alumina ß que apresentam aumento de volume da ordem de 6 a

20%.

2.4 – ZINCO

O mecanismo de ataque pelo Zinco é similar ao dos álcalis, mas os efeitos quantitativos

são menores.

O zinco metálico, bem como o potássio, podem reduzir o monóxido de carbono, e

provocar a deposição do carbono no interior de tijolos. O ZnO pode reagir com a

Alumina e Sílica formando compostos cristalinos com aumento teórico de volume.

5

2.5 – GASES OXIDANTES

Os gases oxidantes em corrente ascendente no interior do alto forno estão formados

por:

Oxigênio;

Vapor d’agua;

Dióxido do Carbono (CO2);

Monóxido do Carbono (CO).

Estes gases reagem com os refratários que não são formados por óxidos com:

Carbeto de Silício (SiC);

Nitreto de Silício (SiN4).

Provocando a gaseificação do carbono e transformando o silício do carbeto e nitreto em

cristobalita.

O gás redutor CO sob efeito catalítico do ferro ou seus óxidos dissocia-se em C e CO2,

depositando carbono no refratário. Esta dissociação ocorre à temperatura entre 380

e 650 ºC.

As pressões desenvolvidas na precipitação do carbono são estimadas em 2.000Kgt/cm2,

e estas são suficientes para fraturar qualquer refratário.

Quando atingimos temperaturas superiores a 815 ºC e pressões maiores que uma

atmosfera, o carbono reduz os óxidos alcalinos e de zinco, provocando sua imediata

vaporização e dando ao processo a Recirculação.

2.6 – CONSEQUÊNCIAS

Em função do mecanismo, como os refratários são destruídos, poderemos adotar o

perfil dos materiais refratários para altos fornos:

Uma que procura “Soluções Térmicas” cujo principal objetivo e prolongar a vida

da campanha, diminuindo a temperatura da face quente, por meio dos refratários

de alta condutividade térmica combinada com eficientes sistemas de

refrigeração;

6

Uma outra que segue “Soluções Refratárias” utilizando materiais menos

condutores, mas com uma boa resistência ao desgaste dos diversos agentes

descritos anteriormente;

A escolha entre as duas alternativas leva em consideração fatores técnico-econômico e

os valores das perdas térmicas.

3 – TIPOS DE REFRATÁRIOS PARA CADA ALTO FORNO

O Brasil possui uma capacidade instalada de produção de ferro primário da ordem de

28 milhões de toneladas por ano.

A maior parcela deste total corresponde a Usinas integradas, que utilizam o Coque com

produções de até 10.000 toneladas por dia.

Os produtores independentes de gusa possuem altos fornos que utilizam o carvão

vegetal, com baixo investimento com produções que variam de 45 a 500 toneladas por

dia.

Em função da diversidade das características de um número superior a 150 altos fornos

operando no Brasil, e considerando tanto os diversos mecanismos de desgaste como as

próprias condições operacionais de cada um, seria provavelmente necessário escrever

diversos livros sobre refratários para altos fornos, que abrangeria todos os casos com os

detalhes necessários.

Decidimos, portanto, atendendo as características equivalentes como carvão utilizado e

tamanho, reuni-lo em três grandes grupos.

3.1 – ALTO FORNO DE GRANDE PORTE

Como este grupo de altos fornos compreende equipamentos de tamanhos muito

diferentes, estão subdivididos em grandes e médios altos fornos, considerando como

grandes aqueles que possuem volume interno maior que 2000 m3, e como médios os de

menor volume.

Como as previsões de campanha estão relacionadas com o tipo de perfil do

revestimento utilizado, foram escolhidos altos fornos típicos dentro desta subdivisão

para mostrar os efeitos da refrigeração e no perfil de refratários.

7

Nas figuras 2 e 3 são mostrados dois altos fornos com volumes superiores a 600 m3 e

com previsão de campanha de 6 a 20 anos.

Na figura 2 temos um alto forno que utiliza o Steve-Cooler como parte do

revestimento, aumentando assim a sua vida útil.

Na figura 3 temos um alto forno que utiliza placas de cobre para a refrigeração,

diminuindo um pouco a sua vida útil.

Nos dois altos fornos temos a utilização de tijolos sílico-aluminoso ligado

cerâmicamente, carbeto de silício ligado a nitreto, carbeto de silício de liga direta, e

tijolos aluminosos a base de Mulita em contato com a refrigeração.

No cadinho utilizam-se blocos de carbono com microporos, protegidos com uma

camada de sílico aluminoso comum. Em função do tipo de refrigeração da sola foi

possível alterar o formato do cadinho.

Um perfil típico de um forno de 600 m3 de volume interno é previsão de campanha para mais de 6 (seis) anos é mostrado na figura 3.

Os refratários utilizados na rampa, ventre e cuba inferior de Carbeto de Silício ligado a

nitreto, e como a camada de sacrifício destas regiões, mais a cuba média / superior

temos material de Mulita eletrofundida ligada a Mulita.

As variações mostradas para os dois altos fornos a coque, em função dos perfis do

desgaste de cada campanha, condições operacionais, tipos e características do sistema

de refrigeração etc, refletem a realidade atual.

Poderíamos afirmar que as tendências no futuro estão voltadas para o tipo de revestimento na figura 2 com algumas variações particulares, como o cadinho da figura 3.

8

3.2 – ALTOS FORNOS DE MÉDIO PORTE À CARVÃO VEGETAL COM

VAZAMENTO INTERMITENTE

O alto forno escolhido para mostrar o perfil típico de revestimento é mostrado na figura

4, para um equipamento de 150 m3 de volume interno, que utiliza na cuba média e

superior material sílico-aluminoso ligado cerâmicamente, de qualidade intermediária.

Sola, cadinho, rampa, ventre e cuba inferior foram revestidos também com refratários

sílico-aluminosos, mas de qualidade superior, Já a região das ventaneiras utiliza

refratários do concreto baixo teor de cimento.

3.3 – ALTOS FORNOS DE MÉDIO PORTE A CARVÃO VEGETAL COM

VAZAMENTO CONTÍNUO

O forno escolhido para mostrar esta variação é mostrado na figura 5.

Neste temos um equipamento para 180 m3 de volume interno, cujo perfil dos refratários

são similares no da figura 4, modificando no cadinho e parte da sola onde colocamos

um produto a base de Al2O3, SiC, C e impregnado com piche.

Este equipamento tem um vazo comunicante com um poço externo, e no canal que

fazem esta união utilizamos um concreto de baixo teor de cimento.

3.4 – ALTOS FORNOS DE PEQUENO PORTE

Corresponde aos altos fornos dos produtores independentes, utilizando revestimentos

refratários sílico-aluminosos de qualidade intermediária. Nos conjuntos de ventaneiras

vem sendo utilizados concretos aluminosos com baixo teor de cimento.

Os altos fornos com vazamento contínuo são revestidos no cadinho com massa de

antracito.

A figura 5 mostra o perfil típico de 73 m3 de volume interno.

9

4 – COMENTÁRIOS

Os materiais refratários utilizados em revestimentos de médio e grande porte no Brasil

até aproximadamente 1975, eram quase em sua totalidade importados, com

participação dos fornecedores nacionais em regiões de baixa solicitação, com pequenos

volumes. Desde essa época, o volume de material nacional que participa em reformas

dos altos fornos tem aumentado consideravelmente, até para as regiões mais críticas e

de maior solicitação, crescendo também, o número de fabricantes de refratários

nacionais com materiais de qualidade apropriados para estas aplicações.

Para os altos fornos a carvão vegetal, não há importação de refratários.

5 – CONCLUSÕES

Os conhecimentos acumulados durante os últimos anos, sobre mecanismos de desgaste

e influências dos fatores operacionais no alto forno, têm permitido aprimorar os perfis

do revestimento, em função de um melhor conhecimento de cada Alto Forno.

A evolução das campanhas tem sido conseguida com o aprimoramento constante dos

projetos de perfil, materiais utilizados no revestimento e nível de qualidade exigida dos

refratários, tanto de suas características físico-químicas como tolerâncias dimensionais

e as próprias condições de montagem.

A realização de projetos de perfil por equipes de engenheiros brasileiros tem

contribuído também, de forma significativa para os bons resultados conseguidos.

10

11

12

13

14

15

16

BIBLIOGRAFIA

Jon, M. “Comportamento dos Refratários de Alto Forno à corrosão pelas fases

gasosa, ensaios simulados de laboratório”, XXIV – Congresso Brasileiro de

Cerâmica – ABC, março de 1980 – SP.

Estatística IBS Produção de Ferro – Gusa.

Jon, M, “Refratários de Altos Fornos”, Refratários para Equipamentos

Siderúrgicos.

Revestimento Refratários e Metodologia de Montagem para a 1ª Reforma do

Alto Forno nº 1 da Açominas – VI Seminário Interno de Redução. 1993.

Corrida do Gusa – Metalurgia e Materiais – Dezembro/2001.