Refratarios_versao_1

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Refratários para Altos-Fornos 
 
 
 
 
Alex Campos 
Filipe Silva 
Henrique 
Leonard 
 
 
 
Ouro Preto, Junho de 2016 
 2 
1 - Introdução 
 O entrelaçamento histórico entre os processos térmicos de manufatura e a tecnologia 
dos refratários começa com a descoberta do fogo. A natureza forneceu os primeiros 
refratários, cadinhos de rocha onde metais eram amolecidos para a confecção das 
primeiras ferramentas primitivas. Quando o homem começou a dominar o fogo logo 
descobriu que a queima de argilas permitia que formas estáveis fossem obtidas com essa 
matéria-prima, caracterizada por elevada resistência mecânica. Objetos de formas 
variadas com diversas finalidades foram obtidos. Estava-se registrando o nascimento 
dos ancestrais dos refratários. 
 Estes materiais realmente nasceram com a metalurgia, tendo acompanhado passo a 
passo a evolução do seu ramo siderúrgico. Hoje, cinco mil anos mais tarde, os 
refratários são manufaturados a partir de variado elenco de matérias-primas, em 
centenas de formatos e composições químicas, viabilizando desta forma os processos de 
manufatura que utilizam altas temperaturas como os que praticamente envolvem a 
produção de todos os tipos de metais, aços, vidros, químicos, petroquímicos e 
cerâmicos. 
 Material refratário é um material capaz de manter sua resistência a altas temperaturas. 
São utilizados em revestimentos de fornos, incineradores e reatores. 
 Os Materiais Refratários devem ser estáveis química e fisicamente a altas 
temperaturas. Dependendo da aplicação, devem possuir alta resistência ao choque 
térmico, ser quimicamente inertes e possuir faixas específicas de expansão térmica. 
 Os óxidos de alumínio, sílica e magnésia são os materiais mais usados na produção de 
refratários. Outro óxido normalmente encontrado é o óxido de cálcio. 
 A escolha de determinado tipo de refratário depende da aplicação do mesmo. Algumas 
aplicações requerem materiais refratários especiais. Zircônia é usado quando o material 
deve suportar temperaturas extremamente altas. O carbeto de silício e o carbono são 
outros materiais refratários usados em condições severas de temperatura, porém sofrem 
corrosão em ambientes oxidantes. 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAncia
http://pt.wikipedia.org/wiki/Temperatura
http://pt.wikipedia.org/wiki/Forno
http://pt.wikipedia.org/wiki/Incinerador
http://pt.wikipedia.org/wiki/Reator
http://pt.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica
http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica
http://pt.wikipedia.org/wiki/Choque_t%C3%A9rmico
http://pt.wikipedia.org/wiki/Choque_t%C3%A9rmico
http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido
http://pt.wikipedia.org/wiki/Alum%C3%ADnio
http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADlica
http://pt.wikipedia.org/wiki/Magn%C3%A9sia
http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido_de_c%C3%A1lcio
http://pt.wikipedia.org/wiki/Zirc%C3%B4nia
http://pt.wikipedia.org/wiki/Carbeto_de_sil%C3%ADcio
 3 
 
Figura 1. Tijolos e blocos de concretos refratários de fornos e churrasqueiras. 
 
2 - Classificação dos Refratários 
Os refratários podem ser classificados de diversas formas. Uma delas é a classificação 
na origem que pode ser observada na tabela 1. 
Tabela 1. Classificação dos refratários baseada na origem 
CLASSIFICAÇÃO BASEADA NA 
ORIGEM 
MATÉRIAS PRIMAS 
CORRESPONDÊNCIA APROXIMADA COM 
OUTRAS NOMECLATURAS E 
CLASSIFICAÇÕES 
Refratário de Sílica 
SiO2 > 93% 
Quartzito, arenito, areia de 
sílica, silex 
Refratário de Sílica 
Refratário Silicoso 
Refratário de Sílica 
Alumina - SiO2 > 93% 
Argilas agalmatolito, 
pirofilita, bauxito, caulim 
Refratário de semi-sílica 
Refratário argiloso 
Refratário Sílico-Aluminoso 
Refratário de Alumina 
Sílica - 45% < Al2O3 < 85% 
Bauxito, cianita, silimanita, 
diaspório, argila, mulita 
sintética, alumina bayer, 
alumina eletrofundida 
Refratário de alta-alumina 
Refratário Aluminoso 
Refratário de Mulita 
Refratário de Alumina 
Al2O3 > 85% 
Bauxito, alumina bayer, alumina 
eletrofuncida, coríndon, alumina 
tabular 
Refratário de bauxita 
Refratário de cianita 
Refratário de coríndon 
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Refratário de Alumina 
Carbono 
Alumina bayer, alumina tabular, 
alumina eletrofundida, 
coríndon, grafita, negro de 
fumo, piche, resina 
Refratário de alumina-carbono 
Refratário de Magnésia 
Magnésia sinterizada, sínter de 
magnésia de água do mar, 
magnésia eletrofundida 
Refratário de Magnesita 
Refratário Magnesiano 
Refratário Magnesítico 
Refratário de Magnésia Cromita 
Magnésia sinterizada, sínter de 
magnésia de água do mar, grão 
de magnésia, cromita 
eletrofundida, grão pré-reagido 
de magnésia cromita, cromita 
Refratário cromo-magnesiano 
Refratário de cromo magnesita 
Refratário magnesiano cromítico 
Refratário de Cromita Cromita Refratário cromítico 
Refratário de Zircônia Zircônia Refratário de Zircônia 
Refratário de Carbono 
Grafita, coque, coque de 
petróleo, negro de fumo, piche, 
resina 
Refratário de Carbeto 
Refratário de Grafita 
Refratário de Cabeto de Silício Carbeto de Silício Refratário de Carbeto de Silício 
Refratário de Alumina 
Zircônia 
Alumina, zircônia, grão de 
alumina-zircônia 
Refratário de alumina-zircônia 
Refratário de Alumina-Carbeto de 
Sílício-Carbono 
Alumina, carbeto de silício, 
grafita, coque de petróleo, 
piche, resina 
Refratário de alumina-carbeto de silício 
carbono 
Refratário de Magnésia-Carbono 
Magnésia sinterizada, sínter de 
magnésia de água do mar, 
magnésia eletrofundida, grafita, 
coque, piche, negro de fumo, 
resina 
Refratário de magnésia grafita 
Refratário de magnésia piche 
Refratário de Magnésia Cal 
Sínter de dolomita, sínter de 
magnésia de água do mar, 
magnésia sinterizada, cal, grão 
pré-reagido de magnésia cal 
Refratário de Carbeto 
Refratário de Grafita 
 Além disso, os refratários podem ser classificados quanto a forma como são 
utilizados, podendo ser classificados em: 
• Moldados (Peças, tijolos, placas, blocos); 
• Granulados; 
• Argamassas (secas, úmidas, de pega ao ar, de pega à quente); 
• Moldáveis – Massas (de socar, de projeção, de tamponamento, de reparo de 
soleira), Concretos refratários, plásticos refratários –. 
 5 
 
3 - Propriedades dos Materiais Refratários 
 O conhecimento das propriedades dos materiais refratários é um ponto crucial para 
correta utilização, projeto e especificação destes materiais os quais via de regra, estão 
sujeitos as mais hostis condições existentes na metalurgia extrativa dos metais e ligas. 
Usualmente, os materiais refratários estão em contato com líquidos fundidos (metais e 
escórias) e gases, sendo utilizados em processos intermitentes, sujeitos a severas 
variações das condições térmicas e sob condições de carregamento termomecânico 
bastante complexas. 
3.1 - Composição Química 
 Um material refratário de qualidade é obtido controlando a natureza química dos 
componentes, eliminando as impurezas presentes na maior parte das argilas, 
submetendo o material a uma operação mecânica e uma queima atentamente controlada. 
A composição química dos refratários pode variar consideravelmente, dependendo do 
campo específico de uso, mas geralmente o percentual de alumina (óxido de alumínio – 
Al2O3) e de sílica (óxido de silício – SiO2) é alto, sendo esses os componentes 
fundamentais capazes de conferir refratariedade, enquanto o percentual de impurezas 
orgânicas e de outros óxidos (de cálcio, potássio, sódio, magnésio, ferro, etc, todos 
quase sempre presentes nas argilas) é mantido baixo. As impurezas e os óxidos podem 
ser submetidos a modificações químicas em altas temperaturas, ou reagir quimicamente 
com os produtos da combustão, causando uma rápida deterioração do refratário. 
Também a operação mecânica influencia na resistência do refratário. 
 Uma granulometria fina e homogênea somada a uma alta compressão durante a 
modelagem confere resistência à compressão e durabilidade maior. Enfim, a realização 
da massa e o processo de queima sãoparticularmente importantes. Os produtos 
estruturais comuns são queimados em temperaturas que dificilmente completam o 
processo de vitrificação dos hidrossilicatos de alumínio. A exposição a fortes 
temperaturas pode iniciar um processo de posterior vitrificação incontrolada, com 
modificações no volume da peça, posteriores contrações da massa ligante, ou aumentos 
de volume em função das reações químicas na presença de eventuais impurezas que 
comprometem as qualidades mecânicas da peça e a estabilidade de toda a estrutura. Para 
 6 
corrigir este problema, a massa do material refratário a ser submetido à modelagem é 
preparada a seco, misturando pequenas quantidades de massas ligantes com o conhecido 
chamote. A massa é depois ligeiramente umidificada e submetida à modelagem com 
forte compressão e sucessiva queima. Em linha geral, um refratário utilizado para o 
revestimento de fornos onde são atingidas altas temperaturas por longos períodos, ou 
onde pode existir contato com metais em fusão, deve ter uma granulometria finíssima, 
alta densidade e consistência plástica. 
 
3.2 – Refratariedade 
 
 O índice de refratariedade, por exemplo, fornece um valor aproximativo a respeito da 
temperatura máxima que um material refratário pode atingir sem “gotejar”, porém, não 
dá indicações precisas sobre a sua possibilidade de uso. 
A refratariedade dos materiais e determinada através do ensaio do cone pirométrico 
equivalente, como mostrado na Figura 2 (Cade?). A determinação da refratariedade é 
obtida indiretamente, montando-se a amostra a ser ensaiada juntamente com cones 
padronizados que fundem em temperaturas especificas; Porém não se deve confundir a 
refratariedade com a fusão do material. Os materiais refratários usualmente são misturas 
de dois ou mais óxidos, em que a formação de líquido decorrente do aquecimento da 
amostra coexiste com o sólido. Neste caso tem-se um ponto inicial de formação de 
líquido, uma mistura de líquido + sólido, e um ponto final de fusão quando desaparecem 
completamente os sólidos. 
 
3.3 – Resistencia a abrasão e erosão 
 
 A resistência à abrasão e erosão são propriedades importantes dos materiais refratários 
especialmente quando eles são aplicados em zonas de fluxo de material particulado 
(abrasão) ou em contato com fluidos em movimento (erosão), durante as etapas de 
carregamento, transporte e tratamento metalúrgico, ou durante as etapas de injeção de 
misturas de materiais particulados e gases (dessulfuração, descarburação, desfosforação, 
etc). 
 As áreas sujeitas ao recebimento de gusa e aço liquido, como nos canais de corrida, 
zonas de impacto de panelas, convertedores a oxigênio e distribuidores de lingotamento 
contínuo, usualmente, possuem maiores teores de grãos eletrofundidos e materiais 
 7 
sintéticos em sua formulação para adequar a vida do revestimento como um todo. 
Refratários posicionados em zonas próximas de sistemas de carregamento de matérias 
primas e sistemas de controle ambiental (topo de alto-forno, cone superior de 
convertedores de oxigênio) estão mais sujeitos ao ataque abrasivo das partículas 
contidas nos fluxos de gases, em elevadas temperaturas. 
 
3.4 – Resistência à corrosão por fundentes e escórias 
 
 Os materiais refratários, via de regra, estão em contato com metais e escorias liquidas 
durante etapas de transformação e refino metalúrgico. O ataque químico ao 
revestimento refratário (corrosão) é uma das principais causas de afastamento para a 
manutenção dos reatores metalúrgicos. Uma das maneiras de se inferir sobre a 
resistência dos materiais refratários a corrosão é a realização de testes em escala 
laboratorial, que podem ser estáticos ou dinâmicos, com ou sem controle da atmosfera 
gasosa. 
 
3.5 - Resistencia ao choque térmico 
 
 As variações de temperatura podem causar severos danos aos refratários como micro e 
macrotrincamento da face quente (termoclase térmica). A extensão do dano causado 
depende de uma série de fatores tanto intrínsecos aos refratários (composição química 
porosidade, resistência mecânica, espessura do revestimento, dilatação diferencial dos 
componentes, etc), como fatores extrínsecos (ciclo térmico, encharcamento térmico do 
revestimento, tipo de aquecimento inicialmente realizado etc.) De maneira geral, a 
resistência ao choque térmico depende de como este defeitos evoluem ao longo do 
tempo (interação/propagação das trincas ), causando falhas mais ou menos catastróficas 
de acordo com a velocidade de crescimento destas trincas no material. 
 
3.6 - Expansao térmica e dilatação térmica reversível 
 
 Quando os refratários recebem energia (calor) as ligações entre átomos se distanciam 
em decorrência do aumento da amplitude das vibrações atômicas. A consequência deste 
processo reversível (quando não ocorrem transformações de fase ) é o aumento das 
dimensões dos materiais (expansão). Porém este aumento de energia térmica é capaz 
 8 
também de promover mudanças de fases irreversíveis ou metaestáveis. O método usual 
par a determinação da expansão dos materiais é através do ensaio de dilatometria que 
registra a expansão linear do corpo de prova com elevação da temperatura. 
 O conhecimento destas mudanças dimensionais e um parâmetro muito importante no 
projeto/aplicação dos materiais refratários, que, via de regra, estão sujeitos a graus de 
liberdade mais restritivos (reatores fechados, de construção complexa e de elevada 
rigidez). Todos os cálculos de engenharia, para a definição de juntas de dilatação, 
ancoramento de refratários não-moldados e estruturas pré-moldadas conjugadas 
(carcaça metálica + refratários ), utilizam dados de dilatação térmica, para a 
determinação das expansões e estresse termomecânico do conjunto refratário. A figura 4 
apresenta o gráfico da dilatação térmica linear em função da elevação da temperatura 
para alguns dos principais óxidos e carbetos refratários. 
 
3.7 - Condutividade térmica 
 
 Outra propriedade muito importante dos materiais refratários e a condutividade 
térmica, uma vez que uma das principais funções dos refratários e a retenção de calor 
durante processos metalúrgicos, de modo a minimizar as perdas de calor (energia) dos 
sistemas. A condutividade térmica é um parâmetro importante para a determinação dos 
ensaios de tensões decorrentes de gradientes térmicos nos reatores metalúrgicos, sendo, 
também uma propriedade importante para o projeto de composição refratárias de 
elevada resistência ao choque térmico. 
 
3.8 – Resistencia Mecânica 
 
 Os materiais refratários dificilmente falham em decorrência puramente de esforços de 
compressçao. A medida de resistência a compressão a temperatura ambiente, e 
usualmente, um parâmetro de controle de qualidade que visa garantir a conformidade do 
lote (integridade física das peças); inferir sobre homogeneidade dos tratamentos 
térmicos de produtos queimados; atuação dos sistema ligante (mistura e prensagem) de 
produtos resinados, de forma que a resitencia mecânica dos matérias seja suficiente para 
uma etapa segura de manuseio e aplicação dos refratários, além de dar uma indicação 
indireta de outras propriedades como a própria resitencia a abrasão. 
 9 
 Já a resistência a flexão e um ensaio mais sensível e bastante útil para o 
desenvolvimento e especificações de aplicação dos refatarios sujeitos a carregamentos 
de esforços mais complexo, como os que ocorrem em munhoes de convertedores a 
oxigênio LD; panelas de aço; regiões próximas a boca dos carros torpedos etc. A figura 
3 apresenta os diagramas esquematiocs destes testes mecânicos que podem ser 
realizados a temperatura ambiente ou em elevadas temperaturas. 
 A determinação de resistência mecânica em elevadas temperaturas sob efeito de uma 
carga constante é um parâmetro de controle e de engenharia muito importante, 
especialmente para os materiais refratários de uso prolongadoem condições de 
carregamento termomecânico, como em fornos de queima tipo túnel, fornos de fusão de 
vidro etc. 
 A deformação observada nos materiais refratários (escoamento) em elevadas 
temperaturas sob efeito de um carregamento estático e decorrente de formação de fase 
liquida e consequente escoamento plástico do material refratário. Atmosferas em 
contato com os materiais refratários possuem/transportam agentes formadores de fase 
liquida, que podem interferir nos mecanismos de deformação plástica ao longo do 
tempo, como a presença cumulativa de álcalis (Na2O e K2O) em atmosferas oxidantes 
ou SiO(g) em atmosferas redutoras. 
 
 4 - Refratários em Altos-Fornos 
Os altos-fornos são reatores que operam em regime de contra corrente para redução dos 
óxidos de ferro e produção de gusa líquido saturado em carbono. Estes reatores 
industriais são de dimensões diversas, podendo operar a coque ou carvão vegetal. Em 
virtude do projeto próprio dos altos-fornos, a ascensão do fluxo gasoso e o descimento 
da carga instalam perfis de temperatura, capacidade redutora ou oxidante do fluxo 
gasoso; mudança na mineralogia e estrutura da carga descendente; formação de escória 
e gusa líquido. 
Para suportar as elevadas temperaturas inerentes ao processo e ao fluxo de materiais no 
estado sólido, líquido e gasoso, a chaparia metálica do alto-forno recebe camadas de 
revestimentos de material refratário cerâmico. A intensidade destas solicitações varia 
com a posição na direção vertical e podem também variar com o tempo, em função de 
alterações na marcha do forno, alterações na carga, estágio operacional do mesmo, ou 
mesmo com a campanha do refratário. Nos altos-fornos de maiores dimensões e/ou de 
 10 
construção mais recente, é instalado um sistema de refrigeração com circulação de agua 
por pecas metálicas entre as camadas de revestimento refratário cerâmico e a chaparia 
metálica ou aspersão direta da agua externamente sobre a chaparia metálica. Estes 
sistemas reduzem ou regularizam a carga térmica nas paredes do forno, permitindo 
assim aumentar a vida do revestimento refratário, contribuindo decisivamente para o 
prolongamento da campanha do alto-forno. 
No projeto do revestimento refratário de um alto-forno, realiza-se em primeiro lugar a 
divisão do revestimento em diversas zonas de acordo com o perfil de desgaste 
apresentado nas inspeções, medições e reparos realizados durante a campanha do 
equipamento e após o encerramento da campanha do mesmo, além do estudo dos 
diversos tipos de solicitações nas varias regiões. A intensidade e o tipo de desgaste 
fornecem dados que permitem estabelecer o tipo de solicitação presente em cada região 
e a velocidade e/ou intensidade de desgaste, permitindo estabelecer a priori um padrão 
de desgaste e a correspondente seleção dos materiais adequados para resistir e tais 
desgastes, evitando que ocorram paradas frequentes para reparos ou mesmo paradas 
prematuras de campanha do alto-forno devido ao desgaste acentuado de uma 
determinada região ou, situação mais grave, acidentes na área do alto-forno devido ao 
surgimento de fendas na carcaça metálica do alto-forno. A instalação de um conjunto de 
termopares para monitorar a variação de temperatura do revestimento refratário, de 
carcaça metálica e do próprio sistema de refrigeração é de fundamental importância para 
se evitar acidentes operacionais e para prolongar a vida útil do equipamento. 
As solicitações típicas às quais o revestimento refratário utilizado no alto-forno estão 
submetidas são relacionadas com fenômenos ligados às elevadas temperaturas 
(dilatações e amolecimento), esforços mecânicos (impactos, erosão e abrasão pelo 
deslocamento da carga e do gás), esforços termomecânicos (choque térmico, variação 
de temperatura ao longo do tempo e/ou da região do forno) e corrosão química pelo gás 
( CO, H2O, Zn, materiais alcalinos, etc.) e pela escoria, ou ainda contato com o ferro 
gusa liquido ( erosão e infiltração). Assim, o tipo de material refratário, sua forma e o 
método de assentamento de ve ser escolhido seletivamente para resistir a tais 
solicitações. Normalmente a escoria do alto-forno apresenta composição química que a 
torna ácida, permitindo a utilização de refratários sílico-aluminosos de menor custo do 
que refratários básicos (a base de MgO) de maior custo geralmente empregados em 
aciarias. A sua condutividade térmica é particularmente importante, pois, sendo as 
 11 
solicitações menos intensas a frio do que a quente, os produtos considerados bons 
condutores resfriam-se mais rapidamente. 
 
Constitucionalmente, os altos-fornos são dotados de diversas zonas químicas e térmicas, 
nas quais os perfis de temperatura, oxidação e pressão são distintos, ocasionando o 
desenvolvimento de zonas de redução direta e indireta, zona de reserva térmica e 
química; zona de fusão, zona de pré-aquecimento no topo do reator metalúrgico. Com 
isto, devido o revestimento refratário ao longo do corpo do alto-forno experimentam 
diferentes mecanismos ou fenômenos de degradação. 
 
Figura 6. Perfil de temperatura do alto-forno 
Os fatores que influem sobre a campanha do revestimento refratário de um alto-forno 
são: 
• Dimensões internas do alto-forno; 
• Tipo de carga ferrífera carregada pelo topo do reator; 
• Modo de carregamento da carga sólida no topo do forno; 
• Número e diâmetro interno do bico das ventaneiras; 
• Vazão, pressão de sopro, enriquecimento de oxigênio e temperatura do ar 
soprado pelas ventaneiras; 
• Temperatura de chama e composição dos gases que evadem da zona de 
combustão; 
 12 
• Granulometria, composição e espessura das camadas do combustível solido 
carregado no topo do forno; 
• Tipo e taxa de injeção de combustíveis auxiliares; 
• Distribuição axial e radial de temperatura; 
• Distribuicao radial e longitudinal do fluxo gasoso; 
• Pressão e composição do gas de topo; 
• Projeto do furo de corrida: comprimento, diâmetro interno, inclinação e tamanho 
do cogumelo no entorno do furo de corrida, dentro do cadinho; 
• Posicionamento, permeabilidade e inativação do homem morto; 
• Teores de álcalis nos componentes da carga no interior do forno; 
• Estabilidade da camada protetora sobre a parede lateral do cadinho; 
• Danificação da integridade física ou entupimento das ventaneiras; 
• Pane e tipo do sistema de refrigeração; 
• Presença de cascões na zona de preparação; 
• Ocorrência de arreamento da carga 
• Ciclo de drenagem do gusa e da escória. 
Com isto, os materiais refratários que compõem o revestimento devem exibir as 
seguintes propriedades: 
• Alta resistência ao choque térmico e flutuações locais de temperatura; 
• Resistencia elevada a termoclase e fadiga térmica; 
• Alta refratariedade sob carga; 
• Alta resistência aos compostos alcalinos e de zinco; 
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• Alta resistência à abrasão devido ao descimento de carga sólida; 
• Alta resistência à corrosão pelo ataque de escórias; 
• Alta resistência à corrosão cauda pelo gusa liquido; 
• Alta resistência à erosão pelo fluxo de liquido e de gases; 
• Alta estabilidade volumétrica. 
A Figura 7 pretende explicitar esquematicamente a constituição física do revestimento 
refratário de um alto-forno, evidenciando diferentes projetos de refratários para cada 
uma das zonas deste reator industrial. A maioria da estrutura do revestimento refratário 
do alto-forno, principalmente, na região entre o fundo do cadinho e a porção inferior da 
cuba, é edificada com tijolos ou blocos de refratários. No entanto, na região da garganta 
ou goela do alto-forno, o revestimento refratário da cuba é composto de uma camada 
pouco espessa de tijolos refratários e recoberto por um revestimento monolítico tambem 
de espessura estreita. O revestimento de tijolos refratários atua como uma camada de 
refratário de segurança; enquanto que a camada sobreposta do revestimento monolítico 
compõe o revestimento de trabalhoou da face quente. Esta prática de revestimento 
refratário da região da cuba do alto-forno permite aumentar o volume interno; aumentar 
a produtividade e prolongar a vida útil do revestimento refratário. 
 14 
 
Figura 7. Visão esquemática da distribuição dos refratários no alto-forno. 
Quando ocorre a condensação de vapores de materiais alcalinos, de Zn e Pb, pode haver 
a penetração destes materiais nos poros de revestimento refratário, gerando tensões que 
ocasionam o desgaste por remoção de camadas do refratário. Por este motivo, 
recomenda-se o emprego de materiais de baixa permeabilidade nas regiões sujeitas à 
penetração de vapores ou mesmo de líquidos. Na região do alto-forno denominada 
domo, pode ser realizada a projeção de concreto refratário. 
 
Os revestimentos refratários das varias regiões dos altos-fornos , nas ultimas décadas, 
tem sofrido fortes transformações quanto à diversidade de tipos e composição dos 
materiais refratários, modo de instalações, estratégias de reparos, redução da espessura 
das paredes do revestimento por causa da necessidade de aumento da capacidade 
 15 
produtiva e maiores severidades térmicas, químicas e mecânicas. A figura mostra 
desgastes típicos de cada região do alto-forno. 
 
Figura 8. Tipos de desgaste em diferentes regiões do alto-forno. 
A espessura da camada de refratário varia ao longo do alto-forno, com camadas de 600 
a 800 mm na cuba, até espessuras de 2000mm ou mais nas regiões inferiores (não se 
considerando a espessura das paredes e base do cadinho). A espessura desta camada 
depende também do tipo de sistema de refrigeração utilizado. Por trabalhar com 
escorias mais acidas, a rampa e o cadinho dos altos-fornos a carvão vegetal podem ter 
refratários sílico-aluminosos. 
 16 
Região 
Fatores de desgaste 
predominantes 
Tipo de refrigeração 
ou proteção 
Tipo de material 
refratário utilizado 
Goela 
Impacto. Abrasão. 
Choque térmico. 
Placas de desgaste de 
ferro fundido ou aço. 
Sílico-aluminoso. 
Concreto refratário com 
ancoras metálicas. 
Cuba Superior 
Impacto. Abrasão e 
choque térmico. 
Corrosão por CO. 
Condensação de 
vapores de Zn. 
- 
Sílico-aluminoso 
(carvão vegetal). 
Carbeto de silício ou 
sílico-aluminoso 
(coque) 
Cuba Média e Inferior 
Abrasão. Choque 
térmico. Corrosão por 
CO. Condensação de 
vapores alcalinos de ZN 
e Pb. 
Spray (forno a carvão 
vegetal). 
Placa ou Stave de ferro 
fundido ou cobre (forno 
a coque) 
Sílico-aluminoso 
(carvão vegetal). 
Carbeto de silício ou 
sílico-aluminoso 
(coque) 
Ventre 
Abrasão. Choque 
térmico. Corrosão por 
CO. Condensação de 
vapores alcalinos. 
Spray (forno a carvão 
vegetal). 
Placa ou Stave de ferro 
fundido ou cobre (forno 
a coque) 
 
Rampa 
Abrasão e choque 
térmico. Corrosão por 
CO ou vapor d’água. 
Condensação de 
vapores alcalinos. 
Ataque por escoria. 
Erosão pelo gusa 
líquido. Tensoes 
termomecânicas. Altas 
temperaturas. 
Spray (forno a carvão 
vegetal). 
Placa ou Stave de ferro 
fundido ou cobre (forno 
a coque) 
Silico-aluminoso ( 
Carvão Vegetal). 
Carbeto de silício 
ligado ou não a nitreto ( 
coque) 
 17 
Em torno das 
Ventaneiras 
Choque térmico. 
Altas Temperaturas 
Spray (forno a carvão 
vegetal). 
Stave de ferro fundido 
(forno a coque) 
Concreto ou blocos de 
andaluzita ou mulita 
(Carvão Vegetal). 
Concreto ou blocos à 
base de andaluzita, 
mulita, silimanita ou 
carbeto de silício 
ligagado ou não a 
nitreto (coque). 
 Durante a campanha do alto forno é possível realizar reparos no revestimento refratário 
através de projeção robotizada, injeção de massas refratarias e shotcreting. Também é 
possível realizar trocas de staves e a colocação de placas de resfriamento devido a 
danificação ou fim da vida útil destes componentes ou para realização da troca por 
componentes mais eficientes. Entretanto, a manutenção do revestimento refratário do 
cadinho apresenta maiores dificuldades, razão pela qual deve ser dada especial atenção 
no projeto e controle do desgaste refratário nesta região, pois, um desgaste demasiado 
de modo prematuro pode abreviar em muito a campanha do reator. 
 
No projeto do alto-forno vários tipos diferentes de refratários são demandados de acordo 
com a região do reator, que necessita de propriedades especificas para resistir aos 
eventuais desgastes de cada área. A Figura 8 mostra as regiões do alto-forno e os tipos 
de refratários demandados em cada uma delas. 
 18 
 
Figura 9. Regiões do alto forno e tipos de refratários comumente usados. 
5.1 – Refratários do Cadinho 
A campanha de um alto-forno está intimamente atrelada à longevidade do revestimento 
refratário do cadinho. O revestimento refratário do cadinho está submetido a diversas 
solicitações termoquímicas e termomecânicas, tais como: 
• Dimensões internas do cadinho; 
• Altura, diâmetro interno e comprimento do furo de corrida; 
• Estrutura química e física do revestimento refratário nas paredes laterais, soleira 
e região no entorno dos furos de corrida; 
 19 
• Variações bruscas de temperatura e de pressões; 
• Tensões termomecânicas e termoclase mecânica; 
• Agressões pela escoria, compostos alcalinos e de zinco; 
• Erosão pelo fluxo de gusa líquido e escória durante a operação de esgotamento 
do cadinho; 
• Movimentação e inativação do homem morto. 
A figura 10 ilustra um tipo de revestimento refratário do cadinho do alto forno: blocos 
de carbono microporoso nas paredes laterais; blocos de carbono super microporoso na 
região da quina entre a parede lateral e a soleira; tijolos circulares de alumina no fundo 
do cadinho; blocos de carbono microporoso sob a camada de refratário cerâmico no 
fundo do cadinho. Esta figuração estrutural do revestimento refratário do cadinho do 
alto-forno é projetada para resistir aos mecanismos de desgaste: erosões pelo fluxo de 
gusa e escoria; ataque de álcalis, zinco e gases; variações bruscas de temperatura e 
movimento do homem morto. 
 
Figura 10. Tipos de revestimento refratário do cadinho de um alto-forno. 
O material utilizado no cadinho é essencialmente carbono na forma de grandes blocos 
de seção quadrada e de grande comprimento (1 a 3 m). O carbono é resfriado facilmente 
devido a sua eleva condutividade térmica ( 8W/m.K a 1000 graus C). Devido ao elevado 
nível de pressão reinante no cadinho nos altos-fornos que operam à alta pressão de 
 20 
injeção de ar de combustão, se for utilizado um refratário de carbono tradicional, o 
mesmo sofreria infiltração pelo ferro gusa líquido. Por esse motivo, são empregados 
blocos de carbono do tipo microporoso (dimensão de poros < 1 µm). A composição 
química dos blocos de carbono, o tipo de ligante utilizado e o método de fabricação 
variam muito de fabricante para fabricante e está em constante evolução. Atualmente é 
comum a utilização de grafita sintética, com adições de Al2O3 e Si, resina como ligante 
e fabricação por pesagem, gerando microporos com dimensão abaixo de 0,2µm e 
elevada condutividade térmica (acima de 33W/m.K). A espessura do revestimento 
refratário do cadinho deve aumentar em direção à base do forno, o que é possível 
através de utilização de uma inclinação da carga metálica. 
Região 
Fatores de desgaste 
predominantes 
Tipo de material Refratário 
Parede e Sola 
Ataque por escória. Erosão pelo 
gusa líquido. 
Condensação de vapores de 
materiais alcalinos. 
Tijolo de alumina-SiC-carbono 
(Carvão vegetal). 
Blocos de grafita (coque) 
Subsola 
Atua como revestimento de 
proteção. 
Tijolos de Sílico-Aluminoso 
(carvão vegetal). Bllocos de 
grafita (coque). 
Cadinho (Ceramic cup 
Structure) 
Erosão pelo gusa liquido. Ataque 
por escória 
Sílico-Aluminoso ou Alumina-
Sialon (carvão Vegetal). Sílico-
Aluminoso (coque) 
Furo de Corrida 
Choque térmico. Erosão pelo 
gusa liquido. Ataque por escória. 
Condensação de vapores 
alcalinos. 
Blocos de altaalumina, 
silimanita ou carbono 
microporoso. 
Back up Gases. 
Tijolos de alumina-SiC- carbono 
(carvão vegetal). Blocos de 
carbono (coque). 
 21 
A aproximadamente 1m acima do nível original da sola do cadinho situa-se o furo de 
corrida de gusa liquido. O diâmetro do furo de corrida cresce de dentro pra fora e o furo 
pode ser ligeiramente inclinado. Este formato é utilizado para permitir a realização de 
perfurações em diferentes ângulos. Observa-se que, em altos-fornos de maiores 
dimensões, podem ser utilizados de 2 a 4 furos distribuídos de forma aproximadamente 
simétrica em relação à circunferência do alto-forno com variações para atender ao 
escoamento de gusa líquido e da escória pelos canais de corrida até os carros torpedo ou 
panelas ou máquinas de moldar gusa. Variações da distribuição simétrica podem ocorrer 
para compatibilizar o escoamenteo dos líquidos com a disposição das linhas férreas para 
deslocamento dos carros torpedo ou panelas. 
Acima do nível do furo de corrida de gusa em uma distancia aproximadamente de 1 a 
1,5 m, situa-se o furo de corrida de escória. Este canal era muito utilizado quando a 
massa utilizada para realizar o tamponamento (obstrução) do furo de gusa era de argila 
refrataria, a qual se desgastava rapidamente no contato com a escória. Assim, o furo de 
escória era utilizado para diminuir o volume de escória, reduzindo assim o volume de 
escória que escoaria pelo furo de gusa. Atualmente são utilizadas massas de 
tamponamento, à base de carbono, de maior resistência ao ataque pela escória, 
reduzindo assim drasticamente a utilização do furo de escória. 
Pode-se considerar que atualmente existem duas linhas básicas de projetos de cadinho: 
o revestimento com blocos de carbono de alta condutividade (solução térmica) e o 
revestimento com os blocos de carbono coberto com copo cerâmico (solução refrataria). 
A segunda solução é uma evolução do projeto de cadinhos com blocos de carbono e 
uma camada de tijolos cerâmicos na base para proteger o fundo e reduzir a perda de 
calor. N solução térmica procura-se trabalhar com uma camada de gusa solidificado na 
superfície do refratário da sola e mesmo na parte da parede do cadinho. Esta camada 
solidificada impede o contato do gusa liquido com os blocos de carbono e evita o 
desgaste. A espessura desta camada é determinada pelo equilíbrio entre as condições 
destrutivas do interior do cadinho e a eficiência do sistema de refrigeração. A utilização 
de materiais refratários de alta condutividade auxilia na formação desta camada 
solidificada. Também pode ser feito o uso de um sistema de refrigeração mais eficiente 
na soleira do cadinho, o que pode ser feito através da aplicação de umspray externo de 
agua na carcaça, staves internos entre a carcaça e o refratário ou através da utilização 
de uma serie de tubulações instalada sob a chapa de vedação, técnica conhecida como 
 22 
double shell. Existem alguns altos-fornos já daptando a separação dos tubos em setores, 
de modo a refrigerar de forma individualizada regiões diferentes do forno de acordo 
com indicações dos termopares dos blocos de carbono. Os fornos a carvão vegetal 
normalmente utilizam os sprays, enquanto os fornos a coque podem utilizar as três 
alternativas apresentadas. Esta refrigeração também é importante para evitar uma 
sobrecarga térmica sobre a fundação de concreto sobre a qual se assenta o alto-forno. 
Também pode ser utilizado o resfriamento através de passagem forçada de ar através de 
um duto de tijolos ou de uma série de tubos instalados na parte inferior do cadinho. 
Para evitar que os blocos de carbono sejam expostos permanentemente às elevadas 
temperaturas onde se desenvolvem tensões térmicas e depósitos de materiais alcalinos, 
circunstancias propicias à formação de uma rede de trincas que gerariam a desagregação 
do carbono, utiliza-se na sobre soleira do cadinho uma camada de revestimento 
cerâmico (ceramic cup structure) com espessura de 0,5 a 1 m à base de um material 
aluminoso (70% de Al2O3). Também podem ser utilizados outros materiais que se 
caracterizam por apresentar uma baixa condutividade térmica em relação ao restante do 
cadinho. A vantagem da solução refratária é o menor consumo de energia, pois, os 
blocos de carbono de alta condutividade favorecem altos fluxos de calor, que aumentam 
as perdas térmicas e o consumo de energia do processo. Esta proteção através do 
ceramic cup structure na face quente é importante principalmente no inicio da 
campanha do refratário do alto-forno. 
O acompanhamento da evolução da linha de desgaste do cadinho deve ser realizado 
constantemente, pois, esta é uma das principais causas do encerramento da campanha do 
alto-forno. Isto pode ser realizado através da utilização de diversos termopares 
distribuídos ao longo da altura e ao longo da circunferência do cadinho. Deve-se 
procurar obter um desgaste homogêneo do cadinho, evitando-se o desgaste mais 
pronunciado da quina formada entre a soleira e a parede do cadinho (desgaste tipo “pé 
de elefante”), o que é comum quando não é realizado um adequado projeto e seleção do 
revestimento refratário ou quando se opera com baixa taxa de permeabilidade no 
homem morto, por baixa qualidade de coque ou por injeção de carvão em taxas 
inadequadas à qualidade do combustível/redutor. Um desgaste de forma a manter um 
certo raio de arredondamento na quina formada entre a soleira e a parede do cadinho é 
suficientemente pequeno e as demais condições favoráveis para que o homem morto 
flutue. 
 23 
Outra alternativa para reduzir o desgaste do revestimento do cadinho é a adição de 
minério de titânio na carga no topo do alto-forno, ou através das ventaneiras como tem 
sido sugerido ultimamente, para que ocorra a incorporação do elemento titânio, que em 
contato com o carbono e nitrogênio do gusa e com o oxido de cálcio da escoria, provoca 
a formação de uma camada de proteção do revestimento refratário. 
Ressalta-se por fim que deve-se evitar a redução da permeabilidade da região do homem 
morto de modo a não gerar um fluxo de anular ou periférico de gusa líquido durante o 
vazamento, o que provocaria uma maior erosão das paredes do cadinho. Para tal é 
importante garantir uma marcha central com recursos citados anteriormente. O 
comprimento do furo de corrida também deve ser ajustado para evitar uma marcha 
periférica. Neste caso, um furo longo mantém o fluxo de gusa líquido longe da parede 
do cadinho, diminuindo o fluxo periférico. 
 
6 – Conclusões 
 A indústria de refratários é uma extensão de diversas indústrias de base, mas 
destacadamente está vinculada a indústria siderúrgica. A projeção da economia a médio 
e longo prazo considerando os mercados emergentes é positiva. O processo de 
urbanização e industrialização nos mercados emergentes continuará a exigir grande 
demanda de matérias-primas e aço em especial. O Brasil apresenta boa atratividade para 
a indústria de refratários, tanto pela disponibilidade de matérias-primas minerais para 
produção local tanto pela dinâmica positiva dos mercados consumidores. 
Estruturalmente a indústria sofre com o fato de ser um setor em que o consumo 
específico tende a decair com o tempo, reduzindo a necessidade de investimentos e o 
crescimento da indústria. Por isso a busca para integração das cadeias produtivas do 
setor de refratários com seus principais segmentos consumidores através do reforço das 
áreas de assistência técnica e pesquisa é imperativa. 
7 - Bibliografia 
➢ MOURÃO, Marcelo B. Introdução a siderurgia.2.ed. São Paulo:Associação 
Brasileira de Metalurgia Materiais e Mineração, 2011. 428p. 
 24 
➢ RIZZO, E. M. S. Processo de Fabricação de Ferro Gusa em Alto Forno. São 
Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia Materiais e Mineração, 2009, 278p. 
➢ LOBATO, E. Relatório técnico 71-Refratários. Ministério de Minas e Energia, 
2009. 
➢ http://www.ifba.edu.br/metalografia/arq/mat_refra.pdf➢ http://pt.wikipedia.org/wiki/Materiais_refrat%C3%A1rios 
➢ http://www.cmdmc.com.br/pesquisa/refratarios/ 
➢ http://www.mme.gov.br/sgm/galerias/arquivos/plano_duo_decenal/a_transforma
cao_mineral_no_brasil/P45_RT71_Perfil_dos_Refratxrios.pdf 
 
 
http://www.ifba.edu.br/metalografia/arq/mat_refra.pdf
http://pt.wikipedia.org/wiki/Materiais_refrat%C3%A1rios
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http://www.mme.gov.br/sgm/galerias/arquivos/plano_duo_decenal/a_transformacao_mineral_no_brasil/P45_RT71_Perfil_dos_Refratxrios.pdf