Revestimento Refratário do Forno a Arco Elétrico: Materiais Essenciais para Produção de Aço em Alta Temperatura

Os refratários são materiais que suportam temperaturas elevadas sem alterações significativas em suas propriedades químicas ou físicas. No forno a arco elétrico (FAE), eles são fundamentais para conter o aço líquido no cadinho sem danificar a estrutura do forno. O FAE exige uma variedade de produtos refratários, sendo os mais críticos aqueles em contato direto com o metal líquido.

Influência do Projeto e Condições de Operação

A escolha dos refratários depende do projeto do FAE. Fornos modernos apresentam furo de vazamento excêntrico no fundo (EBT), demandando refratários especializados. As condições operacionais exigem materiais quimicamente básicos, com excelente resistência a altas temperaturas e ciclos térmicos. A Figura 1 ilustra uma seção transversal típica com as diferentes zonas do forno.

Figura 1 - Seção transversal típica do FAE mostrando as diferentes zonas

Os principais parâmetros de projeto que afetam o revestimento são:

• Sistema de vazamento: lateral (spout) ou pelo fundo (EBT).
• Fonte de energia: CA (corrente alternada) ou CC (corrente contínua).
• Uso de oxigênio suplementar: lanças e queimadores oxicombustíveis para aumentar a taxa de fusão.

Mecanismos de Desgaste Refratário no FAE

Compreender os mecanismos de desgaste em cada zona é essencial para o projeto e gerenciamento do sistema refratário.

Corrosão

Principal mecanismo de desgaste. Ocorre pela reação química entre óxidos metálicos na escória (FeO, SiO₂, MnO) e o refratário. A magnésia (MgO) dissolve-se na escória líquida (saturação de 6–14%). Minimiza-se com:

• Neutralização do FeO com fundentes e controle do O₂ na escória.
• Saturação da escória com MgO via adição de dolomita ou magnesita calcinada.
• Uso de tijolos magnésia-carbono (MgO-C): o carbono desoxida a escória na interface, reduzindo a corrosão.

Oxidação

O carbono do refratário é oxidado por O₂ ou FeO da escória, perdendo resistência e sendo arrastado. Também ocorre na face fria se houver falhas na carcaça metálica.

Erosão

Desgaste físico pelo fluxo de aço e escória líquidos sobre a face do revestimento. Comum no furo de vazamento, linha de escória, aberturas dos eletrodos no teto e dutos de exaustão.

Fusão

O arco elétrico desprotegido gera temperaturas acima do ponto de fusão de muitos refratários. A mudança de fase sólido-líquido seguida de remoção do material fundido pode ser grave se não detectada.

Hidratação

Vazamentos de água/steam causam hidratação da MgO ou cal, expandindo os grãos e rompendo o revestimento.

Esfolamento (Spalling)

Choques térmicos rápidos geram tensões que excedem a resistência do material, provocando trincas e queda de blocos. Frequente no teto, exposto a ciclos de aquecimento/resfriamento.

Zonas do FAE e Revestimentos Recomendados

Baseado nas condições operacionais, o forno divide-se em zonas com requisitos refratários específicos (Figuras 1 e 2). Fornos EBT modernos usam magnesita (MgO) ou magnesia-carbono (MgO-C) nas zonas de contato com aço líquido. Refratários com boa resistência a choque térmico são empregados no teto/delta, furo de vazamento e canaleta/spout.

Cadinho (Hearth)

Suporta aço líquido em alta temperatura, impacto de carga e corrosão da escória durante o vazamento. Revestimento típico em dois componentes:

• Revestimento de segurança (sub-bottom): ~230 mm de tijolos de MgO impregnados com alcatrão (90–97% MgO), assentados a seco com argamassa de magnesita. Funciona como revestimento permanente.
• Revestimento de trabalho: 300–600 mm de magnesita monolítica granular (60–95% MgO), aditivada com FeO para facilitar sinterização. O calor do primeiro aquecimento sinteriza o material, conferindo resistência à penetração. Projetado para sinterização total no terço superior, parcial no meio e nula na base, facilitando reparos localizados.

Projetos atuais incluem elementos de agitação por gás (tuyères porosos) que exigem manutenção periódica do cadinho.

Linha de Escória (Slag Line)

Zona de transição cadinho/parede lateral, submetida a arco, oxidação, chama de lanças O₂ e ataque de escórias ricas em FeO, SiO₂, MnO. A seleção deve considerar a química da escória esperada:

• Aços-carbono: escórias cálcicas (CaO/SiO₂ > 2) → refratários básicos (MgO-C ou magnesita impregnada).
• Aços inoxidáveis: grão fundido magnésia-cromo neutro.

Projeto combinado: tijolos MgO-C (300–450 mm, 10–20% C) protegidos por refratários monólíticos (guniting) reaplicados periodicamente. Pós metálicos (Al, Si, Mg) formam carbonetos que aumentam resistência à oxidação e resistência mecânica.

Parede Lateral Superior (Upper Side Wall)

Revestida com tijolos MgO-C (5–20% C) similares à linha de escória. Sofre flare do arco, impacto de sucata na carga, contato com metal/escoría no vazamento (lado de vazamento) e chama de lanças/queimadores. Em FAE CA, pontos quentes exigem tijolos de magnésia fundida (maior custo, melhor resistência).

Furo de Vazamento (Taphole)

Tanto em vazamento lateral quanto pelo fundo (EBT). Condições: fluxo de alta velocidade de aço líquido (diâmetro 125–200 mm) causando erosão severa.

• Vazamento lateral: manga refratária ou tubo metálico preenchido com massa de guniting MgO de alta qualidade; ou conjunto pré-fabricado (taphole assembly) integrado à alvenaria.
• Vazamento pelo fundo (EBT): manga (taphole sleeve) em assento no cadinho, preenchida com concreto/ramming básico. Bloco final (end block) além da carcaça, exposto ao ambiente, crítico para performance — exige alta resistência à oxidação e erosão. Substituição a quente quando o jato começa a abrir (flare).

Canaleta (spout/runner): forma pré-moldada monolítica. MgO-base se houver entrada de escória; alta alumina se operação limpa (maior vida por melhor resistência a choque térmico e resistência mecânica).

Teto e Delta (Roof and Delta)

Peças pré-moldadas de alta alumina (70–90% Al₂O₃), alta resistência. O teto bascula/afasta na carga → choque térmico intenso. Baixa expansão térmica da alta alumina vs. refratários básicos é vantajosa. Vida longa.

Duto de exaustão: tijolos alumina (50–70% Al₂O₃) ou guniting argila/alumina (40–60% Al₂O₃) para resistir a arraste de escória e abrasão por particulados em alta velocidade.

Refratários para FAE Corrente Contínua (CC/DC)

Eletrodo de retorno (ânodo) no fundo do forno exige requisitos especiais:

• Baixa resistência elétrica (<0,5 mΩ·m).
• Baixa condutividade térmica.
• Alta resistência ao desgaste.

Configurações de eletrodo de fundo:

• Pino/aleta (pin/fin): monolítico magnesita vibrátil seco (5–10% C), preferencialmente alto MgO. Abaixo, 3 camadas de tijolo MgO-C (10–14% C residual).
• Lingotes (billet): 1–4 lingotes de aço (~250 mm) embutidos, cercados por tijolo básico; restante do cadinho com ramming magnesita.
• Refratários condutivos: mistura complexa de magnesita alta pureza, grafite e pós metálicos para combinar refratariedade e condutividade elétrica.

Pontos críticos na instalação: padrão de zonificação, contorno do cadinho, localização da linha de escória, capacidade do forno, furo de vazamento, orientação do teto/delta, folgas de expansão, portas de queimador, porta de escória, elementos de agitação, eletrodo de fundo CC.

Procedimento de Instalação de Novo Revestimento

1. Forno nivelado, carcaça limpa. Marcar centro exato no fundo.
2. Assentar tijolos retangulares de magnesita a seco (flat) com material granular como enchimento contra carcaça arredondada. Argamassa seca de magnesita nas juntas.
3. Posicionar blocos de assento do EBT, elementos de agitação, formas do eletrodo de fundo (se CC).
4. Primeiro anel (sub-hearth) a seco, nivelado. Segundo anel a 45°. Repetir 3–4 anéis planos. (Alternativa menos preferida: seguir contorno curvo da carcaça).
5. Iniciar anéis de estádio (stadium) com tijolos-chave (key), maior anel a 25 mm da carcaça, fechando com tijolo serrado. Preencher vazio com material granular. Seguir contorno do desenho refratário.
6. Para EBT: anéis parciais no nariz (nose) — usar mandril central (cabo de vassoura com prego no tijolo central) para traçar arcos.
7. Se cadinho 100% tijolo: últimos anéis em rowlock (de lado) ou soldier (em pé) para maior contato tijolo-tijolo e minimizar heaving.
8. Instalar tijolos da linha de escória anel a anel, mantendo >25 mm da carcaça para expansão térmica. Subir até painéis resfriados a água ou topo.
9. Jambas da porta (door jambs): projetos variam (formas-chave intertravadas, formas especiais, conjuntos pré-moldados aparafusados/soldados à carcaça).
10. Furo de vazamento: módulos pré-fabricados posicionados por guindaste antes da alvenaria da linha de escória/parede; ou abertura deixada na parede para ram/guniting em torno de tubo metálico (derrete no primeiro aquecimento).
11. Teto/Delta: pré-montado em área de recarga. Teto resfriado a água + delta pré-moldado travado com concreto refratário. Teto de tijolos: fôrma (concreto) para cúpula; anéis concêntricos de formas triplo-cônicas; anéis de eletrodo com bandas metálicas; cavidade preenchida com concreto/ramming.
12. Cadinho monolítico: material granular auto-sinterizável, alto MgO. Ensacar, despejar, desairar com pá/furadeira, compactar com vibradores mecânicos ou pisoteio até contorno final (medido por correntes/fôrma). Sinteriza no primeiro aquecimento.

Curva de Aquecimento (Heat-up Schedule)

Novo revestimento com cadinho monolítico virgem: colocar chapas/sucata leve por ímã no fundo para proteger material não sinterizado. Carregar primeira panela, arco longo para não perfurar o fundo. Cadinho sinteriza após primeira carga. Inspecionar fundo e taludes por buracos/erosão. Pouca umidade no revestimento novo → sem precauções especiais além do arco longo.

Práticas de Manutenção do Revestimento

Manutenção por guniting, fettling e remendo com tijolos.

Manutenção por Guniting

Mistura de magnesita + água projetada pneumaticamente. Usada em pontos quentes, erosão da linha de escória, furo de vazamento, peito da porta. Medida temporária — reaplicada nos próximos aquecimentos. Equaliza desgaste seletivo (ex.: parede lateral próxima ao eletrodo mestre em FAE CA). Pistola pressurizada (material seco + bico de mistura com água) ou dispositivo mecânico centro-throw (mais rápido, mas desperdiça material). Teores de MgO: 40–95%. Operações alta temperatura/potência → maior MgO.

Manutenção por Fettling

Remendo de buracos no cadinho monolítico. Versão de sinterização rápida do material granular do cadinho ou produto original. Material seco lançado por pá/guindaste ou calha mecânica nos taludes inclinados. Ímã pode nivelar. Sinteriza no próximo aquecimento.

Remendo com Tijolos (Brick Patching)

Após semanas, guniting torna-se ineficiente. Forno resfriado, remove 30–80% da parede lateral e pontos quentes. Nova alvenaria nas áreas (mesma qualidade/espessura ou inferior/mais fina, pois vida residual menor). Vazios e trincas preenchidos com guniting MgO. Furo de vazamento substituído/reparado (ramming, guniting ou alvenaria). Cronograma regular: 1–2 remendos intermediários para cada troca completa de parede lateral. Decisões ditadas pela severidade operacional.

Manutenção Diversa

Delta do teto: substituição na falha ou cronograma regular. Furo de vazamento: reparo/substituição quando tempo de vazamento curto ou arraste de escória. FAE convencional: guniting alto MgO em torno de tubo; EBT: conjunto removido por guindaste de cima. Elementos de agitação e eletrodos de fundo: procedimentos especializados por projeto.