Refratário - Refractory

Este artigo é sobre resistência ao calor. Para outros usos, consulte Refratário (desambiguação) .
Tijolos refratários em um carro torpedo usado para transportar ferro fundido

Um material refratário ou refratário é um material resistente à decomposição por calor, pressão ou ataque químico e retém a força e a forma em altas temperaturas . Os refratários são policristalinos, polifásicos, inorgânicos, não metálicos, porosos e heterogêneos. Eles são normalmente compostos de óxidos ou não óxidos, como carbonetos, nitretos, etc. dos seguintes materiais: silício , alumínio , magnésio , cálcio e zircônio . Alguns metais com pontos de fusão> 1850 ° C como nióbio, cromo, zircônio, tungstênio, rênio, tântalo, molibdênio etc. também são considerados refratários.

ASTM C71 define refratários como "... materiais não metálicos com as propriedades químicas e físicas que os tornam aplicáveis ​​a estruturas, ou como componentes de sistemas, que são expostos a ambientes acima de 1.000 ° F (811 K; 538 ° C). "

Os materiais refratários são usados ​​em fornos , fornos , incineradores e reatores . Refratários também são usados ​​para fazer cadinhos e moldes para fundir vidro e metais e para revestir sistemas defletores de chamas para estruturas de lançamento de foguetes. Hoje, os setores de siderurgia e fundição de metais utilizam aproximadamente 70% de todos os refratários produzidos.

Materiais refratários

Os materiais refratários devem ser química e fisicamente estáveis ​​em altas temperaturas. Dependendo do ambiente de operação, eles devem ser resistentes a choques térmicos , quimicamente inertes e / ou ter faixas específicas de condutividade térmica e do coeficiente de expansão térmica .

Os óxidos de alumínio ( alumina ), silício ( sílica ) e magnésio ( magnésia ) são os materiais mais importantes utilizados na fabricação de refratários. Outro óxido normalmente encontrado em refratários é o óxido de cálcio ( cal ). As argilas de fogo também são amplamente utilizadas na fabricação de refratários.

Os refratários devem ser escolhidos de acordo com as condições que enfrentam. Algumas aplicações requerem materiais refratários especiais. A zircônia é usada quando o material deve resistir a temperaturas extremamente altas. Carboneto de silício e carbono ( grafite ) são dois outros materiais refratários usados ​​em algumas condições de temperatura muito severas, mas não podem ser usados ​​em contato com o oxigênio , pois podem oxidar e queimar.

Compostos binários como carboneto de tungstênio ou nitreto de boro podem ser muito refratários. O carboneto de háfnio é o composto binário mais refratário conhecido, com um ponto de fusão de 3890 ° C. O composto ternário de carboneto de háfnio de tântalo tem um dos pontos de fusão mais altos de todos os compostos conhecidos (4215 ° C).

O dissilicida de molibdênio tem um alto ponto de fusão de 2030 ° C e costuma ser usado como elemento de aquecimento .

Usos

Os materiais refratários são úteis para as seguintes funções:

  1. Servindo como uma barreira térmica entre um meio quente e a parede de um recipiente de contenção
  2. Suportando tensões físicas e evitando a erosão das paredes dos vasos devido ao meio quente
  3. Proteção contra corrosão
  4. Fornecimento de isolamento térmico

Os refratários têm várias aplicações úteis. Na indústria metalúrgica, os refratários são usados ​​para forrar fornos, fornos, reatores e outros recipientes que armazenam e transportam meios quentes, como metal e escória. Os refratários têm outras aplicações de alta temperatura, como aquecedores de combustão, reformadores de hidrogênio, reformadores primários e secundários de amônia, fornos de craqueamento, caldeiras utilitárias, unidades de craqueamento catalítico, aquecedores de ar e fornos de enxofre.

Classificação de materiais refratários

Os refratários são classificados de várias maneiras, com base em:

  1. Composição química
  2. Método de fabricação
  3. Temperatura de fusão
  4. Refratariedade
  5. Condutividade térmica

Com base na composição química

Refratários ácidos

Os refratários ácidos são geralmente impermeáveis ​​a materiais ácidos, mas facilmente atacados por materiais básicos e, portanto, são usados ​​com escória ácida em ambientes ácidos. Eles incluem substâncias como sílica, alumina e refratários de tijolos de argila. Reagentes notáveis ​​que podem atacar alumina e sílica são ácido fluorídrico, ácido fosfórico e gases fluorados (por exemplo, HF, F 2 ). Em altas temperaturas, os refratários ácidos também podem reagir com limas e óxidos básicos.

  • Os refratários de sílica são refratários que contêm mais de 93% de óxido de silício (SiO 2 ). São ácidos, possuem alta resistência ao choque térmico, resistência ao fluxo e à escória e alta resistência à fragmentação. Os tijolos de sílica são frequentemente usados ​​na indústria de ferro e aço como materiais de forno. Uma propriedade importante do tijolo de sílica é sua capacidade de manter a dureza sob altas cargas até seu ponto de fusão. Os refratários de sílica são geralmente mais baratos, portanto, facilmente descartáveis. Foram desenvolvidas novas tecnologias que proporcionam maior resistência e maior duração de fundição com menos óxido de silício (SiO 2 ) 90% quando misturado com resinas orgânicas.
  • Os refratários de zircônia são refratários compostos principalmente de óxido de zircônio (ZrO 2 ). Eles são freqüentemente usados ​​para fornos de vidro porque têm baixa condutividade térmica, não são facilmente umedecidos pelo vidro fundido e têm baixa reatividade com o vidro fundido. Esses refratários também são úteis para aplicações em materiais de construção de alta temperatura.
  • Os refratários de aluminossilicato consistem principalmente de alumina (Al 2 O 3 ) e sílica (SiO 2 ). Os refratários de aluminossilicato podem ser semiacídicos, compósitos fireclay ou compósitos com alto teor de alumina.

Refratários básicos

Os refratários básicos são usados ​​em áreas onde a escória e a atmosfera são básicas. Eles são estáveis ​​a materiais alcalinos, mas podem reagir aos ácidos. As principais matérias-primas pertencem ao grupo RO, do qual a magnésia (MgO) é um exemplo comum. Outros exemplos incluem dolomita e cromo-magnésia. Durante a primeira metade do século XX, o processo de fabricação de aço usava periclásio artificial ( magnesita torrada ) como material de revestimento do forno.

  • Os refratários de magnesita são compostos por ≥ 85% de óxido de magnésio (MgO). Eles têm alta resistência à escória para escórias ricas em cal e ferro, forte resistência à abrasão e corrosão e alta refratariedade sob carga, e são normalmente usados ​​em fornos metalúrgicos.
  • Os refratários de dolomita consistem principalmente de carbonato de cálcio e magnésio. Normalmente, os refratários de dolomita são usados ​​em fornos de conversão e refino.
  • Os refratários de magnésio -cromo consistem principalmente de óxido de magnésio (MgO) e óxido de cromo (Cr 2 O 3 ). Esses refratários têm alta refratariedade e alta tolerância a ambientes corrosivos.

Refratários neutros

Eles são usados ​​em áreas onde a escória e a atmosfera são ácidas ou básicas e quimicamente estáveis ​​a ácidos e bases. As principais matérias-primas pertencem ao grupo R 2 O 3 , mas não se limitam a ele . Exemplos comuns de tais materiais são de alumina (Al 2 O 3 ), óxido de crómio (Cr 2 O 3 ) e carbono.

  • Os refratários de grafite de carbono consistem principalmente de carbono. Esses refratários são frequentemente usados ​​em ambientes altamente redutores e suas propriedades de alta refratariedade permitem excelente estabilidade térmica e resistência a escórias.
  • Os refratários de cromita são compostos de magnésia sinterizada e cromo. Têm volume constante em altas temperaturas, alta refratariedade e alta resistência a escórias.
  • Os refratários de alumina são compostos por ≥ 50% de alumina (Al 2 O 3 ).

Com base no método de fabricação

  1. Processo de prensagem a seco
  2. Elenco fundido
  3. Moldado à mão
  4. Formado (normal, queimado ou ligado quimicamente)
  5. Não formados (plástico monolítico, massa de compactação e projeção, concretos, argamassas, cimentos vibratórios secos.)
  6. Refratários secos não formados.

Moldado

Estes têm tamanhos e formas padrão. Estes podem ser divididos em formas padrão e formas especiais. As formas padrão têm dimensões que são conformadas pela maioria dos fabricantes de refratários e são geralmente aplicáveis ​​a fornos ou fornos do mesmo tipo. As formas padrão são geralmente tijolos que têm uma dimensão padrão de 9 pol. × 4,5 pol. × 2,5 pol. (229 mm × 114 mm × 64 mm) e essa dimensão é chamada de "equivalente a um tijolo". "Equivalentes de tijolos" são usados ​​para estimar quantos tijolos refratários são necessários para fazer uma instalação em um forno industrial. Existem várias formas padrão de tamanhos diferentes fabricadas para produzir paredes, tetos, arcos, tubos e aberturas circulares, etc. As formas especiais são feitas especificamente para locais específicos dentro de fornos e para fornos ou fornos específicos. As formas especiais geralmente são menos densas e, portanto, menos resistentes ao desgaste do que as formas padrão.

Sem forma (refratários monolíticos)

Estes não têm forma definida e só recebem forma mediante aplicação. Esses tipos são mais conhecidos como refratários monolíticos. Os exemplos comuns são massas de plástico, massas de compactação , concreto, massas de projeção, mistura de incrustação, morteiros etc.

Os revestimentos de vibração secos frequentemente usados ​​em revestimentos de fornos de indução também são monolíticos e vendidos e transportados como um pó seco, geralmente com uma composição de magnésia / alumina com adições de outros produtos químicos para alterar propriedades específicas. Eles também estão encontrando mais aplicações em revestimentos de alto-forno, embora esse uso ainda seja raro.

Com base na temperatura de fusão

Os materiais refratários são classificados em três tipos com base na temperatura de fusão (ponto de fusão).

  • Os refratários normais têm uma temperatura de fusão de 1580–1780 ° C (por exemplo, argila de fogo)
  • Os refratários altos têm uma temperatura de fusão de 1780-2000 ° C (por exemplo, cromita)
  • Super refratários têm uma temperatura de fusão de> 2000 ° C (por exemplo, Zircônia)

Com base na refratariedade

A refratariedade é a propriedade da multifase de um refratário de atingir um grau de amolecimento específico em alta temperatura sem carga, e é medida com um teste equivalente de cone pirométrico (PCE). Os refratários são classificados como:

  • Super duty: valor PCE de 33-38
  • Serviço alto: valor PCE de 30-33
  • Dever intermediário : valor PCE de 28-30
  • Serviço baixo : valor PCE de 19-28

Com base na condutividade térmica

Os refratários podem ser classificados pela condutividade térmica como condutores, não condutores ou isolantes. Exemplos de refratários condutores são SiC e ZrC, enquanto exemplos de refratários não condutores são sílica e alumina. Os refratários de isolamento incluem materiais de silicato de cálcio, caulim e zircônia.

Os refratários isolantes são usados ​​para reduzir a taxa de perda de calor através das paredes do forno. Esses refratários têm baixa condutividade térmica devido a um alto grau de porosidade, com uma desejada estrutura porosa de poros pequenos e uniformes distribuídos uniformemente por todo o tijolo refratário para minimizar a condutividade térmica. Os refratários de isolamento podem ser classificados em quatro tipos:

  1. Materiais isolantes resistentes ao calor com temperaturas de aplicação ≤ 1100 ° C
  2. Materiais isolantes refratários com temperaturas de aplicação ≤ 1400 ° C
  3. Materiais isolantes altamente refratários com temperaturas de aplicação ≤ 1700 ° C
  4. Materiais isolantes refratários ultra-altos com temperaturas de aplicação ≤ 2000 ° C

Ancoragem refratária

Todos os refratários requerem sistemas de ancoragem, como âncoras formadas por arame, metal formado (por exemplo, hexmetal ) ou ladrilhos de cerâmica para apoiar os revestimentos refratários. A ancoragem usada para refratários em telhados e paredes verticais é mais crítica, pois eles devem permanecer capazes de suportar o peso dos refratários mesmo em temperaturas e condições operacionais elevadas.

As ancoragens comumente usadas têm seções transversais circulares ou retangulares. As seções transversais circulares são usadas para refratários de baixa espessura e suportam menos peso por unidade de área; enquanto a seção transversal retangular é usada para refratários de alta espessura e pode suportar um peso maior de refratários por unidade de área. O número de âncoras depende das condições operacionais e dos materiais refratários. A escolha do material, forma, quantidade e tamanho da âncora tem impacto significativo na vida útil do refratário.

Tundish boards não requerem âncoras metálicas, em vez disso, elas são grudadas por uma pasta refratária especial e pó. A boa prática é usar uma combinação de pasta e pó para garantir que o sistema seja à prova de vazamentos e se mantenha unido durante a longa duração das fundições.

Veja também

Referências