materiais REFRATÁRIOS cerâmicos

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Tecnologia dos Materiais 
Cerâmicos 
Prof. Sandra Araújo 
IFPA-Belém 
REFRATÁRIOS 
 
 REFRATÁRIOS 
Os materiais refratários, por definição, são resistentes ao calor e a exposição a diferentes 
graus de esforço mecânico, tensão térmica, corrosão/erosão dos sólidos, líquidos e gás, 
difusão do gás, e abrasão mecânica em várias temperaturas. 
 
Em geral, refratário é todo o material que pode suportar altas temperaturas, sem 
amolecer ou sofrer variação em sua forma. 
 
A função principal de um refratário é confinar o calor e, ao mesmo tempo, resistir ação 
abrasiva e corrosiva dos produtos com os quais mantêm contato, a exemplo de metais 
derretidos, de escórias e de gás em fornos metalúrgicos. 
 
 
O desenvolvimento na área dos refratários é conduzido pelas exigências requeridas pela 
melhoria contínua dos processos fabris. 
 
A rapidez com que problemas refratários foram resolvidos pode ser atribuído em sua 
grande maioria ao avanço de muitas indústrias, incluindo a indústria siderúrgica - uma 
indústria conhecida por seu grande e variado consumo de refratários 
Classificação dos refratários 
Os refratários podem ser classificados de diversas de maneiras. Em uma delas 
eles são classificados apenas como: 
Óxidos e não-óxidos. 
Outra classificação feita com base na matéria-prima, distingue sete grupos a 
saber: 
Silicosos, Argila, Alta alumina, Magnésio-silicato, Magnésia-cal, Cromita, e 
Carbono. 
Em outra classificação, agora baseada na natureza das substâncias os refratários formam 
três grupos: 
Ácido, Básico, e Anfotérico ou neutro 
REFRATÁRIOS ÁCIDOS REFRATÁRIOS BÁSICOS REFRATÁRIOS NEUTROS 
Alumino 
silicoso 
 Silicoso Óxidos 
de 
alumínio 
Óxido de Ca 
e Mg 
Carbono Minerais Quimica
mente 
prepara 
dos 
Metais Diversos Refratári
os raros 
Seu uso 
depende da 
infusibiidade 
do silicato de 
alumínio. O 
teor de sílica 
livre deve ser 
o menor 
possível 
Constituído
s de sílica e 
com baixos 
teores de 
óxidos 
metálicos e 
alcalinos 
Há dois 
tipos: 
bauxita 
ou 
tijolos 
de 
bauxita 
e 
bauxita 
eletrica
mente 
fundida 
Produzidos 
por 
calcinação 
de 
Magnesita, 
magnésia, 
calcário e 
dolomita 
grafite Cromita Carbeto 
de 
zircônia 
Ferro 
Cobre 
Molibdênio 
Níquel 
Platina 
Tântalo 
Volframio 
forsterita Be2O3 
carvão silimanita Carbeto 
de Ti 
concreto ThO2 
coque Mulita Carbeto 
de Si 
talco Y2O3 
 cianita serpentina ZrO2 
 andalusita 
Esta classificação química é mostrada na tabela abaixo, que inclui alguns refratários 
mais raros, é a classificação mais antiga de todas e a mais conveniente. 
Teoricamente, os refratários ácidos não devem ser usados nas situações onde podem estar em contato 
com compostos básicos, enquanto os refratários básicos não devem ser expostos às circunstâncias não-
básicas. Na prática, estas limitações não podem ser seguidas por várias razões. Com a exceção possível 
do carbono, não há talvez nenhum refratário perfeitamente neutro. 
Há ainda uma classificação baseada na natureza física e segundo esta os refratários são 
divididos em dois grupos: 
 
A de pega cerâmica só desenvolve pega após queima. 
Formados: Possuem forma definida, como os tijolos. 
Não formados: Argamassa, concretos, massas de socar, plásticos, massas de projetar 
As argamassas são materiais refratários utilizados como agentes ligantes no 
assentamento dos formados. 
Argamassa de pega cerâmica e Argamassa de pega ao ar. 
Há dois tipos de argamassa: 
A de pega ao ar apresenta um componente químico que permiti a pega em 
temperatura ambiente. Depois de queimada também desenvolve pega. 
Os refratários formados também podem ser divididos em: 
Queimados; 
 
Quimicamente ligados: são usados crus, sofrendo a primeira queima na sua 
aplicação, onde então desenvolvem a pega cerâmica; 
 
Fundidos ou eletrofundidos: seus componentes são colocados em fornos elétricos 
e após sua fusão são vazados em moldes de grafite. 
Com relação á porosidade, há dois tipos de refratários: 
Refratários densos. 
Refratários isolantes: apresentam mais de 45% de porosidade 
Manufatura dos Refratários 
Moagem: realizado de tal maneira que o material é obtido sob medida 
Mistura: o objetivo da mistura está não somente na distribuição uniforme das 
partículas grosseiras e finas, mas também na incorporação de um material ligante, 
se necessário com alguma água. 
Por exemplo, o silício não tem nenhuma plasticidade e não pode ser moldado, a menos que algum 
ligante for adicionado. A mistura é processada até que uma pasta uniforme seja obtida e a massa 
for suficientemente plástica para moldar, que pode ser executado manualmente ou 
mecanicamente. 
Secagem para remover a umidade. 
Queima: realizada a fim de que seja conseguida a vitrificação e as fases minerais 
apropriados sejam desenvolvidas. 
Moldagem: etapa em que é dado o formato ao corpo cerâmico e pela pressão da 
prensagem há uma diminuição de volume e dos líquidos contidos na massa. 
Características físicas e químicas (desejadas no refratário) 
As propriedades físicas e químicas desejadas no produto são determinadas em função 
de sua aplicação. 
No refino petroquímico é a resistência à abrasão 
Na metalurgia é a resistência ao ataque químico. 
Na indústria do vidro é a baixa porosidade 
A caracterização dos refratários envolve: 
Análise química. 
A análise química é usada para determinar se o material é aluminoso, silicoso, básico, 
etc.. 
Análise Estrutural. 
É usada para determinar os componentes mineralógicos, assim como a variação 
estrutural que ocorre em diferentes temperaturas dos refratários e suas respectivas 
matérias primas. São três os parâmetros microestruturais de interesse 
• o constituinte mineralógico (tamanho de grão e distribuição dos agregados cristalinos); 
• o constituinte vítreo (quantidade relativa, composição e distribuição da fase vítrea) e 
• a porosidade aparente. 
Estas análises são realizadas através de microscopia eletrônica, difração de raios-X, ATD e 
outros. 
Refratariedade. 
A maioria dos materiais refratários de uso industrial, é constituído essencialmente por misturas de diversos óxidos 
e assim não apresenta um ponto de fusão definido, mas, uma faixa de temperatura na qual ocorre o 
amolecimento. A consequência da ausência de um ponto de fusão definido é que o refratário sofre uma transição 
mais ou menos gradual do estado sólido para o estado líquido em uma faixa grande de temperatura. 
A quantidade de líquido que um refratário pode tolerar e ainda permanecer em condição útil é governada pela 
viscosidade do líquido e pelo tipo de cristalização que a fase sólida presente sofre. Por exemplo, um refratário que 
inicie o amolecimento em 950°C pode ter sua temperatura de trabalho várias centenas acima desta por causa da 
alta viscosidade do líquido. 
Para ser usado como refratário o material deve apresentar a temperatura de 
amolecimento muito mais alta que a temperatura do forno. 
A refratariedade define que um refratário deve suportar, sem fusão, uma temperatura de 
1435°C ou cone pirométrico ORTON 15. 
A determinação da temperatura de amolecimento pode ser realizada por dois ensaios: 
Refratariedade simples 
 
Determinada comparando o ponto de amolecimento de um certo produto com os cones 
pirométricos equivalentes em uma temperatura qualquer. Os cones usados como 
padrão possuem composição definida a partir de variações na proporção de sílica e 
alumina estabelecidas por SEGER (Europa) e ORTON( EUA). 
A refratariedade do material é obtida, pela leiturano momento exato que o 
cone toca no substrato. 
O ensaio do cone pirométrico equivalente (PCE) é realizado como mostra a figura 
abaixo. 
Refratariedade sob carga 
 
Neste ensaio é avaliado o desempenho dos refratários expostos à temperaturas elevadas e 
pressão estática de 2 Kgf/cm2. É determinada em equipamentos específicos. 
 
A deformação vai depender da viscosidade das fases vítrea ou da líquida. 
 
O formato e o entrelaçamento dos cristais podem influir na refratariedade sob carga. 
 
Materiais com cristais aciculares ou dentados se deformam sob carga com uma proporção de 
fase líquida de 20 a 30% enquanto com cristais arredondados esta proporção é de 10 a 16%. 
Densidade, Porosidade e Permeabilidade. 
Densidade real 
Massa por unidade de volume, sem incluir os poros (abertos ou fechados) 
Densidade aparente 
Massa dividida pelo volume, neste caso os poros fechados são incluídos no 
cálculo (mas não medidos) 
Porosidade aparente 
Relação entre o volume de poros abertos divididos pelo volume total de 
material. De maneira geral os refratários de baixa porosidade apresentam 
maior resistência à corrosão, maior resistência à penetração de gases, 
escória e metal líquido e maior resistência à erosão. 
Porosidade total 
É a percentagem de todos os vazios no refratário 
Do ponto de vista prático, nem sempre se pode medir o volume de uma peça uma 
vez que os refratários apresentam geometrias complexas além de descontinuidades 
e imperfeições (trincas e poros). Os métodos disponíveis para determinação de 
volume, distribuição e tamanho dos poros abertos, tais como porosimetria de 
intrusão de mercúrio e a picnometria à hélio não são capazes de extrair informações 
sobre os poros fechados. 
Permeabilidade 
Está intimamente ligada à porosidade e distribuição de poros. 
É indicativa da maior ou menor tendência dos líquidos e gases se difundir através do 
refratário e quanto maior o número de poros conectados entre si modo a formar 
canais, maior será a permeabilidade. 
O refratário pode ser destruído se permitir grande difusão de líquidos e gases, ou seja, 
se tiver alta permeabilidade. 
Condutibilidade elétrica 
Via de regra, os refratários são isolantes, a exceção é para os refratários usados em 
fornos elétricos que são de carbono na forma de grafite (altamente refratários e 
condutores elétricos), utilizados como eletrodo e no revestimento destes fornos. Os 
refratários com componentes metálicos também são condutores. 
Resistência Mecânica. 
É avaliada em temperatura ambiente e em temperatura elevada, sendo a carga 
máxima aplicada por unidade de área que o refratário pode suportar sem se 
deformar ou se romper. Esta carga aplicada pode ser de compressão e/ ou de 
flexão. 
Resistência à abrasão. 
Resistência à abrasão é a propriedade mecânica que relaciona o desgaste físico 
superficial de um sólido contra o outro. 
Para medir a resistência à abrasão o corpo de prova é submetido a um fluxo de 
material particulado (carbeto de silício) com o controle do ângulo de jateamento (45 
ou 90°) e granulometria do agente abrasivo e após este ensaio mede-se a perda de 
massa do corpo de prova. 
Resistência mecânica à compressão e à flexão 
 
Os materiais refratários dificilmente falham por esforço à compressão. A medida da 
resistência à compressão em temperatura ambiente é realizada para garantir a 
conformidade do lote, a homogeneidade dos tratamentos térmicos dos produtos 
queimados, da atuação do ligante nos produtos resinados de maneira que o material possa 
ser manuseado e aplicado com segurança. Indiretamente dá indicação de outras 
propriedades como a resistência à abrasão. 
 
Ao contrário, a flexão é significativa para o desenvolvimento e especificações de aplicação 
dos refratários sujeitos à grandes esforços 
Resistência mecânica sob carga em alta temperatura- Fluência (creep) 
 
O carregamento estático em elevadas temperaturas pode produzir a deformação 
(escoamento) do material refratário. Isto decorre da formação de fase líquida e o 
consequente escoamento plástico do material. 
Resistência ao choque térmico 
 
A resistência ao choque térmico depende das interações entre os defeitos e de como 
eles evoluem, podendo causar falhas catastróficas de acordo com a velocidade de 
propagação das trincas. 
 
Micro e macrofissuramentos podem surgir nos revestimentos refratários em função 
das variações de temperatura na face quente. A extensão do dano depende de vários 
fatores tais como composição química, porosidade, resistência mecânica, espessura 
do revestimento, dilatação diferencial dos componentes (fatores intrínsecos ao 
refratário) ou do ciclo térmico, encharcamento térmico do revestimento, tipo de 
aquecimento realizado (fatores extrínsecos). 
Condutividade Térmica. 
 
É a propriedade usada na determinação de perdas de calor pelos revestimentos 
para o meio ambiente. 
 
Sofre influência da resistência do material ao choque térmico e da capacidade 
térmica do refratário, e varia com a temperatura. 
 
Por definição, o coeficiente de condutibilidade térmica é a quantidade de calor que 
passa por unidade de superfície para uma diferença de temperatura de um grau 
centígrado, expresso em Kcal/m2 h 0C/m. 
 
 
Uma das principais funções do refratário é reter o calor durante a operação de um 
forno, por exemplo. 
 
Neste caso, a condutividade térmica é um parâmetro importante para a 
determinação dos estados de tensões decorrentes dos gradientes térmicos nos 
reatores e também para o projeto da composição refratária de elevada resistência 
ao choque térmico. 
 
Estabilidade dimensional 
Resistência oferecida por um refratário à mudança de volume que pode ocorrer em 
seu uso prolongado em altas temperaturas. 
Tais mudanças dimensionais podem ser irreversíveis ou reversíveis. 
As mudanças irreversíveis podem conduzir a uma contração ou uma expansão do 
refratário. 
A contração é o resultado da liquefação progressiva de líquido dos componentes 
mais fusíveis do refratário, quando exposto em uma alta temperatura durante um 
longo período. Isto acarreta significativa vitrificação e retração. 
A contração pode ser também consequência da transformação de uma fase cristalina 
em outra mais densa. 
Principais normas técnicas 
Principais matérias primas utilizadas na composição dos refratários 
Matérias Primas Naturais: 
-Argilas: 
Silimanita, cianita e andalusita ( Al2O3. SiO2); 
Caulinita (Al2O3. 2SiO2. 2H2O); 
Pirofilita [ Al2(Si2O5)22(OH)2]. 
-Magnésia calcinada (magnesita- MgCO3) 
-Dolomita calcinada (dolomita- Ca Mg CO3) 
-Bauxitos calcinados (Al2O3. 2H2O) 
-Grafitas (C) 
-Quartzo (SiO2) 
Matérias Primas Sintéticas 
- Aluminas calcinadas/reativas 
- Aluminas eletrofundidas (branca ou 
escura) 
-Espinélios eletrofundidos (MgAl2O4, 
MgCrO4, etc..) 
-Cromita eletrofundida 
-Zircônia estabilizada 
-Sílica fundida 
-Carbetos, boretos, nitretos, SiAlON 
- Aditivos e Ligantes, Resinas, Pós 
metálicos, piches, etc.