Refratários para Alto-Forno

Universidade Federal de Minas Gerais

Escola de Engenharia da UFMG

Refratários para Alto-Forno

1. Esquema geral do Alto-Forno

O alto-forno é um reator que utiliza o princípio de contracorrente em que os gases em ascensão reagem e transferem calor para sólidos e líquidos descendentes. Neste equipamento o ar pré-aquecido é soprado pelas ventaneiras e entra inicialmente em contato com o agente redutor (carvão vegetal ou coque) na zona de combustão. O contato do oxigênio do ar soprado com o carbono do redutor, pré-aquecido na faixa de 1200°C nesta região, provoca inicialmente a reação de produção do dióxido de carbono altamente exotérmica, produzindo grande quantidade de calor para o processo. Contudo, o dióxido de carbono formado reage imediatamente com mais carbono para formar o monóxido de carbono. Por sua vez, a umidade contida no ar soprado entrará em reação com o carbono do redutor, gerando os gases redutores CO e H2.

Embora estas reações sejam endotérmicas temos uma temperatura de chama na região que excede 1850°C. Durante o restante do seu caminho pelo alto-forno, o gás ascendente suprirá calor para as camadas de carga metálica descendentes, saindo no topo do forno ainda com temperaturas acima de 100°C.

Na medida em que os gases sobem, eles entram na região de gotejamento da carga metálica composta por minério de ferro, sínter, pelota. Os fundentes (quartzo, dolomita, calcário) são usados para corrigir a basicidade da escória tornando-a mais fluida. Então o metal líquido (ferro-gusa) e a escória percolam através do leito de carvão (homem morto) em oposição ao movimento ascendente dos gases considerado a reserva térmica do alto-forno. Para retirar o ferro-gusa e a escória é realizado um furo na base inferior do alto-forno (cadinho). Como o processo de produção de gusa é feito de forma contínua, é realizada a drenagem do cadinho e posteriormente o tamponamento do furo de corrida toda vez que o nível de gusa e escória é reduzido. Esse processo é feito várias vezes durante uma campanha.

O objetivo dos materiais refratários no alto-forno é viabilizar as reações de redução em altas temperaturas, isolando a carcaça metálica que forma o reator, além disso, possuir propriedades mecânicas adequadas para resistir as reações dentro do forno.

Através da fabricação de ferro-gusa, a indústria siderúrgica continua inovando neste campo. Na atualidade, existe uma tendência a se aumentar a capacidade de produção dos altos-fornos. A eficiência de produção e a eficiência econômica de gusa dependem do tempo de campanha do alto-forno. Fatores como, o projeto do alto-forno, o projeto refratário, a qualidade do refratário, a montagem do refratário, o sistema de refrigeração, a operação do alto-forno e periféricos, a qualidade do minério e do agente redutor, os teores de cloro, zinco e álcalis na carga, a estabilidade operacional, a baixa freqüência de paradas, o nível de automação e sistemas de controle, a distribuição da carga, a permeabilidade dos gases, o fluxo do banho no cadinho, as boas condições de drenagem do cadinho e os métodos de reparação influenciam nesta vida do alto-forno. O fator mais importante é o do projeto do alto-forno. A figura abaixo mostra um esquema geral.

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Fonte:Duarte, A. K., Fernandes, J. E.

Figura 1: Esquema do alto- forno.

O alto-forno é dividido em Goela, Cuba, Ventre, Rampa e Cadinho. Cada região tem suas restrições para o uso dos refratários que serão detalhadas nos próximos tópicos.

2. Características dos refratários para o Alto-Forno

Os materiais utilizados para os revestimentos dos altos-fornos são tijolos sílico aluminosos, aluminosos, blocos de carbono e, às vezes, algum material especial. Em face das solicitações a que estão sujeitas o material refratário no alto-forno, é desejável que os materiais sílico-aluminosos (e/ou aluminosos) se caracterizem por:

• Alta densidade,
• Baixa porosidade,
• Baixos teores de FeO,
• Baixa permeabilidade,
• Excelente estabilidade volumétrica,
• Excelente resistência ao ataque do monóxido de carbono dos compostos de zinco,
• Alta condutividade térmica (baixa fase vítrea).

Os tijolos de cuba devem ser queimados a altas temperaturas visando tornar o ferro inativo. Devem ser tomadas precauções quanto ao uso de tijolos muito duros e que tenham somente baixa porosidade, pois, eles têm tendências ao lascamento e a apresentação de trincas. Para a rampa onde se constatam temperaturas extremamente elevadas, pode-se chegar muitas vezes ao limite do emprego dos refratários cerâmicos, passando-se a utilização dos tijolos de carbono que resistirão com maior segurança ao ataque da escória em formação nessas temperaturas, embora se saiba que em alguns altos-fornos modernos as rampas de carbono mostram ataque alcalino e oxidação após período relativamente curto de campanha.

No cadinho, as exigências de alta densidade, baixa porosidade e permeabilidade, com excelente estabilidade volumétrica são requisitos imprescindíveis para o refratário sílico-aluminoso e aluminoso. Aqui também para aparelhos de maiores capacidades, recomenda-se o uso de tijolos ou blocos de carbono, com notáveis resultados frente à elevada solicitação pelo ataque de escória acompanhado pela abrasão do ferro-gusa líquido. Para garantir a durabilidade dos tijolos de carbono, é necessário manter a temperatura dos mesmos abaixo da temperatura do ferro-gusa líquido e da escória, por meio de um eficiente meio de refrigeração.

Os blocos de carbono são dos poucos materiais refratários que tem sua resistência aumentada com o aumento de temperatura. Estes podem ser classificados conforme sua condutibilidade térmica e permeabilidade, que devidamente analisadas nos mostrarão qual o tipo mais indicado para cada região do alto-forno. Tijolos com alta condutibilidade térmica e baixa permeabilidade são recomendados para cadinhos com refrigeração eficiente. Tijolos com boa condutibilidade térmica e baixa permeabilidade, são recomendados para utilização nas rampas de altos-fornos.

3. Matérias-Primas

 

As matérias-primas utilizadas nos refratários estão descritas de acordo com cada tipo de refratário, sem distinção entre altos-fornos a coque e carvão vegetal.

Andaluzita

        

A andaluzita é rara na natureza, somente encontrada na Espanha e nos EUA. A rocha industrial é impura, apresenta somente 55% de Al2O3. A massa especifica real varia de 3,10 g/cm3 a 3,20 g/cm3. Sob o efeito da temperatura o silicato Al2O3SiO2, transforma-se em mulita com liberação de sílica, isso em torno de 1450 ˚C com dilatação linear menos importante.