Análise do material refratario de MgO C para revestimento de alto forno

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trabalho interdiscilinar dirigido II
INTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA
 
 Análise do material refratário de Mgo-C para revestimento de alto-fono
CURSO: Engenharia Civil Professor TIDIR: Paulo Sérgio Martins
Andrei José de Magalhães Teixeira, Antônio Francisco Abreu, David Marcio de Oliveira Castro,
Humberto Max Barbosa de Paula, João Pedro Leite Barbosa, Jordana Coelho Cardoso,
Monize Polyanne Moreira Alves.
 ( Resumo - Foi realizado um estudo baseado em várias referências com o propósito de fazer uma análise sobre a resistência mecânica do material refratário para que a sua aplicabilidade na indústria siderúrgica, como em alto fornos de ferro gusa, seja mais eficiente na qualidade e principalmente na durabilidade. Foram avaliados tijolos refratários de magnésio (Mg) com teores diferentes de carbono com a intenção de verificar a melhor opção para o revestimento do alto forno através de testes que comprovaram alguns fatores que se mostraram essenciais para a melhora qualitativa desse material.
Palavras-chaves ( resistência, refratários, indústria siderúrgica, alto fornos.
1. Introdução 
O processo metalúrgico pode ser definido como o conjunto de tratamentos físicos e químicos a que são submetidos os minerais para a extração de metais (MOURÃO; GENTILE, 2007).
As temperaturas para a transformação da matéria prima em aço são muito altas, portanto há uma necessidade da utilização dos materiais refratários no revestimento do alto forno. Tal tipo de revestimento é utilizado para conter o metal liquido e para isolamento térmico.
Esse material sofre danos, e o seu principal fator de desgaste é o ataque químico que sofre, além de sofrer influencias de solicitações térmicas e mecânicas, sendo muitas vezes fatores concomitantes. O aumento da vida útil dos refratários enfrenta o entendimento de fenômenos complexos e depende de fatores operacionais, cujo controle e quantificação são complicados no cotidiano da empresa, além das propriedades físicas e químicas dos refratários (BRAGANÇA, 2012).
A indústria siderúrgica sempre buscou melhorias no desempenho dos refratários, como forma de melhorar sua competitividade, em um mercado caracterizado pela competição global (FERREIRA, 2010). 
	
1.1 Objetivo
Esse trabalho se propôs a análise da resistência mecânica do refratário de magnésio (Mg) com diferente teor de carbono (C), verificando qual era o melhor opção para o revestimento do alto forno.
1.2 Justificativa
A qualidade do produto depende quase que exclusivamente de sua matéria prima e de sua forma de produção, por isso o material refratário para revestir um alto forno deve possuir suas características físicas especificas. Para diminuir os custos de uma manutenção e manter a competitividade é necessário estudar as fragilidades mais recorrentes no revestimento refratário do alto forno.
2. Revisão Bibliográfica 
Para suportar as elevadas temperaturas inerentes ao processo e ao fluxo de materiais no estado solido, liquido e gasoso, a chaparia metálica do alto-forno recebe camadas de revestimento de material refratário cerâmico (RIZZO, 2009).
Materiais refratários são aqueles naturais ou manufaturados, não metálicos, que possuem a capacidade de resistir a ambientes severos sob solicitações diversas, como altas temperaturas, altas cargas mecânicas, variações de temperaturas, abrasão, erosão, corrosão, impacto e outros. Trata-se de materiais multicomponentes, polifásicos, policristalinos, estáveis volumetricamente (DUARTE, 2012).
O entendimento da matéria-prima refratária é uma parte importante dessa tecnologia. Pois as propriedades químicas e físicas específicas de uma matéria-prima controlam as propriedades finais do produto refratário (HANCOCK, 1988).
As propriedades e especificações técnicas dependem basicamente da posição de aplicação dos refratários ao longo do forno, do tipo de interação com as matérias-primas e dos produtos das reações de transformações metalúrgicas dentro do alto-forno (SILVA, 2007).
O mercado de refratários é formado por cerca de 40 empresas, sendo que sete delas possuem 80% de participação no mercado nacional. O faturamento desse seguimento no Brasil em 1996 foi de R$ 400 milhões, para uma produção de 420 mil toneladas, das quais 61,3% correspondem a conformados e 38,7% a não conformados (BUSTAMANTE, 2000).
O consumo de refratários no Brasil, a exemplo do resto do mundo, está fortemente vinculado à indústria metalúrgica, em maior parte a siderúrgica e em menor grau indústria de cimento, vidro e outros. A produção de aço e cimento no Brasil neste período cresceu 2,7% conforme dados do Worldsteel (www.worldsteel.org) e da Sociedade Nacional da Indústria de Cimento (SNIC) (MME, 2009).
A redução do consumo específico de refratários é uma tendência nacional e mundial é resultado do aprimoramento dos produtos e processos. Na década de 60, precisava-se de 30 kg de refratários para produzir uma tonelada de aço, principal consumidor de refratários. Em 1985 essa quantidade diminuiu para 20 kg para produzir a mesma tonelada de aço, valor que hoje está abaixo de 10 kg de refratário/t aço. Nos anos recentes essa curva foi atenuada e até levemente revertida, estabilizando-se num patamar próximo a 9 kg/t (MME, 2009).
Segundo (BRANDT, 2003) a definição de resistência dos refratários é encontrada em termos de resistência à flexão em três pontos ou simplesmente resistência à flexão, chamada de módulo de ruptura (MOR). Para refratário, existe um teste padrão simples para medida da resistência mecânica. Segue a fórmula:
 Eq. (1)
	
σƒ - é a resistência à flexão em três pontos;
Pmax - é o valor máximo da carga aplicada durante o teste;
B - é a largura do corpo de prova;
W- é a altura do corpo de prova;
S- é a distância entre os apoios do dispositivo de flexão a três pontos. 
Esta formula demonstra a tensão trativa máxima que o corpo-de-prova é submetido na sua parte inferior. A princípio esta equação é apenas aplicada quando a curva de força-deslocamento é completamente linear elástica até a ruptura. O deslocamento não é monitorado com uma regularidade de tempo. Entretanto, como consequência dos muitos anos de utilização dos resultados de resistência baseados neste tipo de flexão ou medidas de resistência, engenheiros envolvidos na aplicação de refratários tem uma metodologia para desenvolvimento de revestimentos refratário que se baseia nos resultados obtidos desses tipos de testes (BRANDT,2003).
3. Materiais e Métodos 
3.1 Materiais e preparação de corpos de prova para o ensaio de MOR (Módulo de Ruptura)
Para a execução do ensaio de módulo de ruptura, primeiramente, produziu-se os corpos de prova com concentrações diferentes de MgO-C, 8% e 13%. Utilizou-se para a produção o carbono grafite em forma de flocos, pó metálico de Al e Si para evitar a oxidação do carbono, e piche como fonte adicional de carbono e ligante.
A fabricação do refratário ocorreu da seguinte forma: Primeiro misturou-se o carbono com o pó metálico de Al e de Si, depois foi acrescentado à mistura o piche e logo após toda a mistura, que foi curada a 300ºC, foi prensada. Através dessa cura o refratário adquiriu a resistência mecânica adequada para o teste.
Para a execução do teste foi utilizada uma máquina universal de ensaio mecânico, sua marca é Instron, modelo 1157 com carga de 5000N. As velocidades do ensaio variaram de 16,7 x 10-6 a 166,7 x 10-6 m/s (1 a 10 mm/min).
O corpo de prova para a execução do ensaio ficou como mostra a Fig.1 (Anexo l). A geometria do corpo de prova para o teste apresenta as seguintes dimensões: B=W= 0,04 m e L= 0,16 m. O valor de S empregado foi de 0,14 m. 
O ensaio foi executado com o refratário na temperatura de 0°C e após um choque térmico de 800°C. O módulo de ruptura foi obtido através da Eq.(1).
3.2 Confecções do Protótipo
A ideia do protótipo foi baseada em ilustrar um alto forno de produção de ferrogusa, para que seja compreendida sua estrutura. Para a confecção do protótipo foi confeccionada manualmente uma forma em chapa de aço de 1,00 mm Imagem (1) (anexo IV), a forma consiste em duas partes, o que é essencial para obtenção da espessura desejada. Para iniciar a confecção do protótipo inicialmente aplicou-se um desmoldante na parte interna da forma, para evitar a aderência da pasta de cimento na mesma. A forma foi montada em uma caixa de aço e a pasta foi colocada Imagem (2) (anexo IV). Após 24 horas o protótipo foi desformado e ficou como mostra a Imagem (3) (anexo IV)
4. Resultados Experimentais
De acordo com dados sobre o consumo especifico de refratários no Brasil, foi possível chegar ao seguinte gráfico (1), que se trata de uma regressão exponencial com sua respectiva equação e R²:
 Eq. (2)
R²=0,9408
Gráfico (1)
O gráfico retrata uma regressão exponencial sobre o consumo especifico de refratário no Brasil, mostrando claramente uma queda desse consumo no período de 1985 a 2010. 
 
A Tabela (1) apresenta os valores obtidos a partir do ensaio de modulo de ruptura (MOR), do refratário, em duas temperaturas: 0°C e 800°C. A partir desses valores pôde-se chegar a queda percentual do MOR e sua porcentagem retida. Através dessa tabela construiu-se o gráfico (2) (anexo II).
	Composição
	MOR(Mpa)para ∆T = 0°C (referência)
	
	MOR(Mpa) após ∆T = 800°C
	Queda percentual do MOR (%)
	MOR retido percentual (%)
	MgO-C 8%-p de C
	20,9 ± 1,8
	3,9± 0,3
	81,3
	18,7
	MgO-C 13%-p de C
	10,4±2,3
	3,5 ± 0,9
	66,3
	33,7
Tabela (1) Característica do material refratário.
Foi observado que a quantidade de teor de carbono na composição do refratário influencia diretamente na sua resistência, antes e depois do choque térmico.
5.Conclusão 
A partir dos resultados concluiu-se que o refratário de MgO-C com teor de 8% de carbono é o mais indicado para o revestimento de um alto forno, pois mesmo em uma temperatura elevada como 800°C possui uma resistência de módulo de ruptura maior do que o com 13% de carbono. A utilização do refratário com o menor teor de carbono resultará em um prazo maior de reparo, devido ao fato de sua melhor resistência, diminuindo assim o gasto empregado pela indústria mantendo-a competitiva e lucrativa no mercado.
6.Referência Bibliográfica
BRAGANÇA, S. R. A Corrosão de refratários utilizados na siderurgia. Parte I: propriedades microestruturais, Cerâmica, Vol.58(347), p.280, 2012.
BRAGANÇA, S. R. A Corrosão de refratários utilizados na siderurgia. Parte II: Propriedades físicas dos refratários e fatores operacionais, 2012.
BRANDT,F.N.CUNHA DUNCAN, Fracture of refractories(fratura de refratário). Departament of metallurgicaland materials enginnering, The University Alabama,2003.
BUSTAMANTE G.M. e BRESSIANI J.C. A indústria Cerâmica Brasileira, Cerâmica Industrial, 5 (3) Maio/Junho, 2000
DUARTE, A. Definição de refratários. In: CURSO FUNDAMENTOS DE REFRATÁRIOS, 2012, Belo Horizonte. Definição de refratários. 2012. Belo Horizonte: 2012.
FERREIRA, J. P. (2010). Estudo dos Desgastes de Refratários Dolomíticos aplicados em Panelas de Aço na Produção de Aços ao Carbono. Disponível em<http://hdl.handle.net/10183/71698 > Acesso em: 05 ago. 2014.
HANCOCK, J D. Practical refractories. Huddersfield: Cartworth Industries, 1988. 371p.
MME - Ministério de Minas e Energia, Contrato Nº 48000.003155/2007-17 Desenvolvimento de Estudos para Elaboração do Plano Duodocenal (2010-2030) de Geologia, Mineração e Transformação Mineral, Agosto, 2009
MOURÃO, M.; GENTILE, E. Visão geral do processo
Siderúrgico. In: MOURÃO, M.; et al. Introdução à siderurgia. Edição 2007. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração (ABM), 2011. Capítulo 1. 1-20. ISBN 978-85-7737-015-3.
Rizzo, E. Material Refratário
In: PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE FERRO-GUSA EM ALTO FORNO, São Paulo 2009, Cap. 8 pg195
RODRIGUES, J. A.; PANDOLFELLI, V. C. Comportamento de curva-R de refratários de MgO-C. Cerâmica, São Paulo, v. 46, n. 297, Mar. 2000. Disponível em <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S036669132000000100008&lng=en&nrm=iso>. Acesso em 12 de Outubro. 2014.
SILVA, G. Refratários para siderurgia. In: MOURÃO, M.; et al. Introdução à siderurgia. Edição 2007. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais
e Mineração (ABM), 2011. Capítulo nº 9. 257-307.ISBN 978-85-7737-015-3.
Anexo I – Geometria do corpo de prova 
 Fig. (1)
Onde:
B - é a largura do corpo de prova;
W - a sua altura;
S - é a distância entre os apoios do dispositivo de flexão a três pontos;
L -é o comprimento do corpo de prova.
P- é o apoio do dispositivo de flexão a três pontos.
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Anexo II – Gráfico do modulo de ruptura em função da temperatura 
 
Gráfico (2)
O gráfico mostra uma queda no modulo de ruptura de acordo com o aumento de temperatura, e também que mesmo com a queda, o refratário de MgO-8% possui um valor maior do que o refratário com o teor de 13% de, carbono.
Anexo III- representação de um Alto-forno produtor de ferro gusa e sua divisão
Fig. (2) Alto-forno em 3 dimensões, as cores diferentes demostram as camadas de colocação do refratário.
 Fig. (3) Divisão interna de um alto forno com denominação de tais divisões
Anexo IV- Confecção do Protótipo 
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Imagem (1) Forma em chapa de aço de 1,00 mm 
Imagem (2) Colocação da pasta de cimento na forma 
Imagem (3) Pasta de concreto após 24 horas desformado 
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