Revestimento Refratário de Alto-Forno: Proteção de Casco para Operação Contínua

Um alto-forno (BF) moderno é revestido com refratário para proteger o casco do forno das altas temperaturas e materiais abrasivos internos. O revestimento é resfriado para aumentar proteção contra excesso de calor que pode destruir o refratário. BF tem sistema refratário complexo para proporcionar vida longa e segura, necessária para disponibilidade do forno e operação/contínua vazamento quase contínuos.

Condições e Mecanismos de Desgaste

Condições variam amplamente por região; refratários submetidos a diversos mecanismos de desgaste. Detalhes na Tabela 1. Condições de aplicação em diferentes regiões não são iguais devido à geometria e processos pirometalúrgicos em diferentes estágios. Existem diversos mecanismos físicos e químicos de desgaste nas regiões, complexos. Ex: desgaste mecânico/abrasão ocorre principalmente no topo superior e é causado pela descida dos materiais de carga e gases com poeira. Altas cargas térmicas são fator principal no topo inferior e barriga. Na região do cadinho, fluxo horizontal e vertical de metal quente combinado com tensões térmicas formam cavitação em "pé de elefante" indesejável. Materiais refratários devem lidar com estes mecanismos para evitar danos. Portanto, topo (superior, médio, inferior), barriga, bochecha, região do raceway e tuyere, cadinho, e furo de vazamento requerem diferentes qualidades de refratários conforme condições.

Seleção de combinação refratária apropriada conforme mecanismo de desgaste é crucial. Seleção imprópria leva a falha refratária, problema complexo. Tipos de revestimento refratário requeridos região a região e tendência no padrão de revestimento na Figura 1.

Figura 1: Revestimento refratário em várias regiões de um alto-forno

Atualmente, vida de campanha de BF espera-se ~15 anos ou mais. Tendência a BFs de grande capacidade, submetidos a condições operacionais rigorosas. Para atingir longa vida sob condições rigorosas, necessário boa combinação de refratários de alta qualidade com sistemas de resfriamento eficientes e controle apertado da operação para alta produtividade sem trabalho excessivo de parede e minimização de "slips" massivos que causam danos prematuros excessivos.

Sabe-se que fundo e parte do cadinho corroídos principalmente por ferro-gusa, escória e álcalis. Tijolos refratários nestas áreas submetidos a alta carga e temperatura. Requer revestimento com alta resistência, baixo creep em compressão, altos valores RUL (refratariedade sob carga) e PCE (cone pirométrico equivalente). Alguns BFs usam tijolos de alumina densa 42–62% baixo ferro, mullita, blocos de carbono convencionais no fundo e cadinho inferior; tendência atual: substituir por blocos de grafite super microporosos. Vida do cadinho depende de:

• Fatores operacionais: (i) alta produtividade → altas cargas térmicas, (ii) alta velocidade do fluido → mais erosão, (iii) alta injeção de carvão → menor permeabilidade. Nenhum controlado pelo operador → única solução: revestimento robusto.
• Projeto do sistema de revestimento: Todo revestimento submetido a tensão térmica, papel dominante se projeto inadequado. Deve (i) otimizar resistência térmica, (ii) prover alívio de expansão, (iii) prevenir trincas, (iv) eliminar barreiras embutidas.
• Propriedades refratárias: (i) Alta condutividade térmica, (ii) resistência a álcalis, (iii) baixa permeabilidade, (iv) baixa expansão térmica, (v) baixa elasticidade.

Desenvolvimento recente de tijolos de carbono microporosos e melhoria na qualidade de blocos semi-grafite e grafite levaram a maior resistência à infiltração de ferro e escórias, e condutividade térmica. Problema de formação de camada frágil em torno de isotérmica 800 °C por condensação de álcalis e tensões térmicas abordado usando blocos menores, folgas de expansão ótimas. Refratários de carbono cobertos por tijolos de fireclay ou mullita para proteção contra oxidação. Projeto deste "copo cerâmico" importante, pois isotermas alteradas dependendo da qualidade e espessura do material.

Tijolos do topo expostos a alta abrasão/erosão por material de carga do topo e partículas de fumaça/poeira de alta velocidade saindo por alta pressão de sopro em ambiente CO. Condição exige refratários com alta resistência, baixa permeabilidade, alta resistência à abrasão e resistência à desintegração por CO. Tijolo fireclay super duty ou tijolo alumina densa com Al₂O₃ ~39–42% impartem características requeridas para aplicação no topo.

Tuyere e bochecha atacados por mudança de temperatura, abrasão, álcalis; barriga e topo inferior por choque térmico, abrasão, ataque CO. Em áreas críticas (tuyere, bochecha, barriga, topo inferior), carboneto de silício (SiC), SiC-Si₃N₄ e refratários coríndum substituíram carbono e 62% Al₂O₃ ou mullita. Aproveita alta condutividade térmica do SiC com coolers de estaca. Porém, por problema de vazamento de água ao redor do furo de vazamento e tuyere, muitos BFs revestidos com refratários alta alumina ou alumina-cromo coríndum. Revestimentos atuais e tendências na Tabela 2.

Diferentes Tipos de Refratários de BF

• Blocos de carbono cozidos – Bloco carbono microporoso, semi-grafítico, carbono-silício microporoso. Matérias-primas: antracito calcinado eletricamente alta temperatura, grafite sintético, carboneto de silício. Possuem maior condutividade térmica, menor permeabilidade, boa resistência a ferro-gusa e álcalis. Blocos semi-grafíticos: revestimento inferior do fundo. Blocos microporosos: revestimento fundo superior e cadinho inferior em BFs com fusão intensificada. Blocos carbono-silício microporosos: alvenaria do cadinho, furo de vazamento, furo de escória.
• Tijolos de carbono cozidos pequeno porte – Tijolos carbono microporoso moldados e carbono carboneto silício. Produzidos por conformação prensada a quente, cozimento alta temperatura, acabamento por moagem com antracito calcinado alta temperatura, grafite sintético, SiC, óleos de carvão ou resina fenol-formaldeído como ligante, aditivos de ultra micropó. Tijolos carbono-SiC microporosos moldados para alvenaria de tuyere, furo de escória, furo de vazamento, cadinho, zonas de formação de escória.
• Tijolo copo cerâmico – Tijolo compósito coríndum ligado fase plástica. Composto por mullita alta qualidade e coríndum fundido alta pureza com adição de ligante especificado, moldado alta pressão, sinterizado alta temperatura. Características: alto RUL, estrutura compacta, baixa porosidade, alta resistência à corrosão. Usados para fundo BF, revestimento inferior copo cerâmico, tijolo combinado tuyere/furo vazamento/furo escória em BFs grandes.
• Tijolo coríndum – Coríndum fundido marrom e SiC como matérias-primas, aditivos especiais, prensagem em molde, sinterização, usinagem fina. Boa resistência alcalina e à corrosão por escória; adequado para revestimento fundo, cadinho copo cerâmico, tuyere, furo vazamento, furo escória.
• Tijolo SiC-Si₃N₄ – Muitos tipos com diferentes sistemas de ligação e teores SiC variados. Em geral, SiC ligado diretamente: alta resistência a álcalis e zinco, alta condutividade térmica, excelente resistência à erosão, ótimas propriedades choque térmico, resistente à corrosão e ataque CO. Nitreto de SiC ligado usado em aplicações como barriga BF.
• Tijolo alumina carbono microporoso – Clínquer bauxita grau especial, coríndum, grafite, alumina média como matérias-primas, combinados com vários aditivos de pó superfino. Características: microporos, boa resistência alcalina, alta condutividade térmica. Usado para revestimento bochecha, topo, parede de resfriamento BF.
• Tijolos classe 50% alumina – Tipicamente firebricks super duty melhorados. Compostos por mistura bauxita, chamota flint clay e argila plástica. Baixa porosidade, expandem ao reaquecer a 1.600 °C, boa resistência a ciclagem térmica. Tijolo com materiais pureza maior exibe boas qualidades carga e excelente resistência a ataque alcalino.
• Tijolos classe 60% alumina – Materiais ampla variedade. Mais comuns e bem conceituados: minerais grupo sillimanita (combinados com pequenas quantidades alumina calcinada, argilas plásticas). Outras qualidades: mistura chamota sintética, bauxitas, alumina calcinada, argilas plásticas. Altos níveis formação mullita permitem excelente resistência a creep. Sillimanita frequentemente ligada fosfato/quimicamente e curada para melhorar resistência choque térmico.
• Tijolos classe 70% alumina – Base: bauxita ou chamota alta alumina primária + fireclay. Cozidos ~1.400 °C para prevenir expansão excessiva (reação ingredientes siliciosos com bauxita formando mullita). Exibem altos valores expansão em serviço, reduzindo dimensionamento de juntas.
• Tijolos classe 80% alumina – Base: bauxita + alumina calcinada + argilas. Cozidos ~1.420–1.480 °C para manter dimensionamento consistente. Produtos cozidos ~20% porosidade, boa resistência, resistência ciclagem térmica. Associados a ligação fosfato/química (curada e cozida) para maior resistência abrasão e redução porosidade.
• Tijolos fireclay – Mistura de geralmente duas ou mais argilas. Flint e kaolin impartem refratariedade; chamotas controlam contrações secagem/cozimento; argilas plásticas facilitam conformação e resistência ligação. Agrupados: (i) super duty (PCE > 33) Al₂O₃ 40–45%, boa refratariedade, resistência choque térmico, estabilidade volumétrica altas temperaturas; (ii) high duty (PCE 31½–33) similares mas flint clays/chamotas qualidade inferior (Al₂O₃ 40–45%), substituição comum medium duty onde ciclagem térmica potencial problema; (iii) medium duty (PCE 29–31) (Al₂O₃ 38–42%) aplicações menos severas, resistência choque térmico inferior; (iv) low duty (PCE 15–29) (Al₂O₃ 35–38%) revestimentos de apoio, aplicações temperaturas moderadas; (v) semi-silica (Al₂O₃ 18–25%, SiO₂ 72–80%) excelente resistência carga e estabilidade volumétrica temperaturas relativamente altas.
• Massa de furo de vazamento – Características principais: boa viscosidade, boas propriedades sinterização combinadas com resistência corrosão e erosão.