Os tijolos refractários são a espinha dorsal dos fornos de fabricação de aço, encarregados de conter metal fundido, escória e gases de combustão em temperaturas que rotineiramente excedem 1500°C. Estes produtos cerâmicos projetados devem sobreviver ao choque térmico, ataque químico e abrasão mecânica, mantendo a integridade estrutural ao longo de meses de operação contínua. A seleção do tijolo refratário correto para cada zona do forno afeta diretamente o consumo de energia, qualidade do produto e vida de campanha. As modernas usinas de aço exigem materiais que não só resistam a condições extremas, mas também contribuem para reduzir o tempo de inatividade e menor impacto ambiental. Entender as propriedades fundamentais dos tijolos refractários é, portanto, essencial para metalurgistas, engenheiros de fornos e operadores de plantas visando otimizar a segurança e eficiência de produção.

Este artigo examina as propriedades físicas, químicas e mecânicas críticas que definem desempenho refratário em fornos de fabricação de aço. Também analisa as formulações de tijolos mais comuns, fornece orientações sobre seleção de materiais para diferentes zonas de forno, e discute considerações de controle de qualidade que garantem desempenho consistente.

Propriedades Físicas Críticas

A capacidade de um tijolo refratário manter sua forma, volume e função isolante sob carga e calor extremo depende de uma combinação de características físicas. Estas propriedades são medidas usando testes padronizados e servem como referência primária para a seleção de materiais.

Refratariedade e Equivalente Cone Pirométrico (PCE)

A refractância é a temperatura em que um material refratário começa a amolecer ou deformar-se sob seu próprio peso. Isto é quantificado usando o teste padrão do equivalente de cone pirométrico (PCE), que compara o ponto de amolecimento de uma amostra de teste com o dos cones pirométricos padrão. Para aplicações de fabricação de aço, a refractividade deve exceder 1700°C. tijolos à base de alumina com mais de 60% Al2O3 normalmente atingem valores de PCE de 35 ou mais, tornando-os adequados para as zonas mais quentes de fornos de arco elétrico (EAF) e fornos básicos de oxigênio (BOF).

Resistência ao choque térmico

Processos de fabricação de aço envolvem mudanças rápidas de temperatura – por exemplo, ao carregar sucata fria em um forno quente ou durante o pré-aquecimento da concha. A resistência térmica do choque mede a capacidade de um tijolo de suportar tais flutuações sem rachaduras ou espaçamento. Esta propriedade é influenciada pela expansão térmica, difusividade térmica e microestrutura do material. tijolos de aço Magnésia-espinhal exibem resistência ao choque térmico, notavelmente alta, devido à formação de microcrachas que acomodam expansão. Testes tipicamente envolvem ciclos de aquecimento e de extinção repetidos; uma boa fabricação de aço refractário deve sobreviver a 20 ou mais ciclos sem perda de peso significativa ou propagação de crack.

Porosidade e permeabilidade

A porosidade aparente afeta tanto a condutividade térmica quanto a penetração de escória. A menor porosidade (normalmente 12–18%) reduz a entrada de escória fundida e ferro, prolongando a vida útil do tijolo. No entanto, uma quantidade controlada de porosidade fechada pode aumentar a resistência ao choque térmico absorvendo tensões. A permeabilidade, uma propriedade relacionada, regula o fluxo de gás através do tijolo e é fundamental para bicos e elementos de purga. Para revestimentos de forno padrão, os fabricantes visam valores de porosidade que equilibrem o isolamento e a resistência mecânica.

Propriedades químicas e resistência à escória

O ambiente químico em um forno de fabricação de aço é agressivo. A escória, uma mistura de cal, sílica, óxidos de ferro e impurezas, reage com materiais refratários a alta temperatura. O tijolo deve resistir à dissolução, corrosão e enfraquecimento estrutural causado pela infiltração de escória.

Basicidade e Acidez

Os refractários são classificados como ácidos, básicos ou neutros com base na sua reacção química com escória. A regra fundamental da selecção refratária é a de corresponder à base do tijolo à escória. Em fornos de oxigénio básico e fornos de arco eléctrico, a escória é altamente básica (taxa CaO/SiO2). Refractários básicos, tais como magnésia (MgO) e dolomite (CaO·MgO) são usados porque resistem ao ataque por escórias básicas. Por outro lado, tijolos ácidos como sílica são limitados a zonas onde escória é ácida ou as condições são secas.

Refractórios neutros, tais como tijolos de alta alumina ou cromita, oferecem flexibilidade, mas são mais caros.

Mecanismos de Corrosão

A corrosão por escórias procede através da dissolução, penetração e reação. A escória de fundição molha a superfície do tijolo e dissolve os óxidos refratários, formando um líquido de ponto de fusão inferior que erode o tijolo. A penetração ocorre ao longo dos poros e limites de grãos, causando enfraquecimento estrutural. Para contrariar esses mecanismos, os fabricantes adicionam materiais como zirconia (ZrO2) ou óxido de cromo (Cr2O3) para aumentar a viscosidade da camada de reação e reduzir a penetração. tijolos de magnésia contendo carbono modernos também dependem da formação de uma camada densa, protetora de magnesiowüstite ou silicato de dicálcio na face quente.

Resistência à hidratação

Para refractários básicos, particularmente aqueles que contêm CaO livre, a resistência à hidratação é uma preocupação crítica durante o armazenamento e manuseio. A umidade reage com CaO para formar hidróxido de cálcio, o que causa expansão de volume e rachadura. tijolos de magnésia de alta qualidade incorporam estabilizadores como Fe2O3 ou Al2O3 para formar óxidos complexos que resistem à hidratação. Embalagem adequada e armazenamento seco são essenciais para manter a integridade dos tijolos antes da instalação.

Propriedades mecânicas para integridade de forno

Os tijolos refractários em fornos de aço experimentam cargas estáticas do peso do revestimento, forças dinâmicas de carregamento e de tapeamento, e tensões da expansão térmica. A resistência mecânica garante que o tijolo mantenha a sua forma e não se desmorone ou se frature.

Resistência à esmagamento a frio (CCS)

A resistência à britagem a frio mede a carga máxima de compressão que um tijolo pode suportar à temperatura ambiente antes da falha. É um indicador da densidade, qualidade de ligação e uniformidade do tijolo. Para aplicações de fabricação de aço, os valores CCS variam tipicamente de 35 MPa para tijolos isolantes a 80 MPa para materiais densos e de alta resistência.

Módulo de Ruptura (MOR)

O módulo de ruptura avalia a resistência à flexão, ou seja, a capacidade do tijolo em resistir às forças de flexão. Esta propriedade é particularmente importante para tijolos usados em telhados, arcos e paredes laterais do forno onde gradientes térmicos induzem tensões de tração. A MOR é medida tanto à temperatura ambiente como em temperaturas elevadas (mor quente). Um tijolo típico denso de magnésia-carbono exibe valores de MOR de 10-15 MPa a 1400°C, indicando boa estabilidade mecânica em condições operacionais.

Resistência à abrasão e à erosão

Em zonas onde a escória, metal fundido ou gás flui em alta velocidade, tijolos devem resistir ao desgaste físico de partículas e forças friccionais. A resistência à abrasão se correlaciona com densidade de massa e resistência à união. Para revestimentos de conchas e furos de torneira de forno, são preferidos materiais com baixa porosidade e alta resistência à união. O teste ASTM C704 padrão usa uma explosão de carboneto de silício entreinado a ar para avaliar a resistência à abrasão; perda de peso por ciclo de teste é tipicamente inferior a 5 cm3 para refractários de aço premium.

Propriedades térmicas e eficiência energética

O comportamento térmico dos tijolos refractários influencia diretamente a perda de calor do forno, a uniformidade de temperatura e o consumo de energia.

Condutividade térmica

Baixa condutividade térmica reduz a transferência de calor através da casca do forno, conservando energia e protegendo estruturas de aço externas. tijolos de sílica e tijolos de fogo isolantes têm valores de condutividade em torno de 1,0–1,5 W/m·K, enquanto tijolos de magnésia densa pode atingir 5–6 W/m·K. tijolos de isolamento microporos modernos alcançar valores abaixo de 0,3 W/m·K incorporando agregados nanoporosos. No entanto, em certas aplicações, como verificadores de regeneradores, maior condutividade é desejável para maximizar a recuperação de calor.

Expansão térmica e Creep

Todos os materiais refractários se expandem quando aquecidos. Se a expansão não for alojada por um design adequado de juntas, os tijolos podem fivela ou espalha. O coeficiente de expansão térmica (CTE) para tijolos de alumina é de cerca de 8×10−6 /°C; para tijolos de magnésia é maior em 13×10−6 /°C. O Creep – a deformação dependente do tempo sob carga a alta temperatura – é outra preocupação. Materiais de baixa temperatura são essenciais em aplicações pesadas como fogões de alto forno e fornos de reaquecimento. Teste de creep a 1400°C e carga de 0,2 MPa ao longo de 100 horas é um teste de qualificação padrão.

Capacidade de calor e Difusividade térmica

Capacidade de calor específica determina a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura do tijolo. A difusividade térmica combina condutividade, densidade e capacidade de calor para descrever a rapidez com que as mudanças de temperatura se propagam através do material. Embora estas propriedades sejam menos comumente discutidas na seleção, elas afetam o comportamento de aquecimento transitório e a responsividade do forno. Para ciclos de aquecimento rápido, tijolos com menor difusividade térmica reduzem gradientes térmicos e tensões associadas.

Tipos comuns de tijolos refractários usados na fabricação de aço

As modernas fábricas de aço empregam uma variedade de tipos de tijolos refratários, cada um projetado para uma combinação específica de temperatura, química e exigências mecânicas.

Tijolos de Alta-Alumina

Com o teor de Al2O3 variando de 48% a mais de 90%, tijolos de alta alumina oferecem um equilíbrio de refratariedade, resistência mecânica e versatilidade. Eles são usados em telhados EAF, revestimentos tundish, e paredes laterais concha. Adições de mulita ou corundum melhorar a resistência ao choque térmico. tijolos de alta alumina são geralmente neutros e podem lidar com escórias ácidas e básicas se os níveis de pureza são cuidadosamente controlados.

Tijolos de Magnésia-Carbon

Esta classe revolucionou a tecnologia de revestimento BOF e EAF. Ao combinar magnésia queimada com 10-20% de carbono (grafite ou pitch), estes tijolos alcançam resistência excepcional à escória e desempenho de choque térmico. O carbono fornece não molhabilidade à escória, enquanto a magnésia resiste ao ataque básico. Os tijolos de carbono Magnésia são o padrão para os pontos quentes e linhas de escória de conversores de oxigênio. Sua principal limitação é a oxidação em altas temperaturas em atmosferas oxidantes; antioxidantes como alumínio metálico ou silício são adicionados para atenuar isso.

Tijolos de dolomite

Os tijolos de dolomite (CaO·MgO) são menos caros do que a magnésia pura e oferecem boa resistência básica à escória. São usados em conversores BOF e conchas secundárias de aço, particularmente onde se priorizam as economias de custos. O conteúdo de cal livre requer uma proteção cuidadosa de hidratação, e os tijolos de dolomite normalmente têm menor resistência do que as alternativas de magnesia-carbono. São ideais para zonas de forno menos exigentes.

Tijolos de sílica

Os tijolos de sílica (SiO2 > 93%) apresentam excelente estabilidade térmica e elevada capacidade de carga perto do seu ponto de amolecimento. São de natureza ácida e utilizados principalmente nos telhados de fornos básicos de forno aberto e em fornos de coque. Na fabricação de aço, a sua aplicação é limitada a zonas onde a escória não é básica. Os tijolos de sílica têm a vantagem de baixo custo e alta pureza, mas são propensos a choque térmico se aquecidos ou refrigerados muito rapidamente devido à inversão de cristobalite.

Tijolos especiais (Zircão, Cromite, Espinel)

Para as condições mais exigentes, como a linha de escórias em conchas de aço de alta liga ou em degassadores a vácuo, tijolos especiais oferecem resistência aprimorada. tijolos contendo Zirconia fornecem baixa molhabilidade e extrema refractoridade. Refratários à base de cromo foram amplamente utilizados, mas estão sendo eliminados devido às preocupações ambientais com lixiviação de cromo. tijolos de magnésia com ligação de espinha incorporam espinheiro aluminado de magnésio (MgAl2O4) para melhorar o choque térmico e resistência de escória sem cromo.

Critérios de seleção para diferentes zonas de Forno

Nenhum tipo de tijolo se adapta a todo o forno. Cada zona impõe um conjunto único de exigências.

Forno de arco elétrico (FEA)

  • Terra e fundo: Tijolos de alta capacidade de magnésia-carbono com forte resistência à oxidação.O fundo está sujeito a alta carga estática e requer tijolos com CCS acima de 60 MPa.
  • Sidewalls em pontos quentes:Ticks de Magnésia-carbono com alto teor de carbono (15–18%) e antioxidantes.A resistência ao choque térmico é crítica devido à radiação e carregamento de sucata.
  • ]]Troof:T tijolos de alta alumina (70% Al2O3) ou para casos extremos, tijolos de alumina-cromo: o telhado experimenta menos ataque químico mas ciclagem térmica significativa.
    • [FT:TF13][FI]
  • [Al2]T]

    Forno básico de oxigénio (BOF)

    • ]Área de runnião: O revestimento do barril usa tijolos de magnesia-carbono com teor de carbono em torno de 12-14%. Esta área vê escória moderada e temperatura.
    • ]A zona mais agressiva; tijolos de magnésia de alto carbono (18%) com grãos de magnesia densos são obrigatórios. Os reparos castíveis são comuns entre as campanhas.
    • ]]Cone e nariz:O contacto com escórias de alto carbono (18%]O contacto com escórias de magnesia mais baixas, mas a pulverização de metal provoca erosão.Os tijolos de dolomite ou alumina podem ser usados aqui para reduzir o custo.
    • [FT:14]T:[F14]Taphol:[F15]T:[F15

      Ladle e Refinação Secundária

      Os refractários de Ladle devem suportar a desgaseificação a vácuo, agitação e agressividade aumentada de escórias sintéticas.

      • Linha de escórias de Ladle: Magnésia-carbono ou magnesia-espinel tijolos com resistência a escórias de alta base. A vida de revestimento de 80–120 calores é típica.
      • Ladle sidewalls:] Tijolos de alta alumina ou à base de andaluz com baixa porosidade para minimizar a penetração de escórias.
      • Ladle sidewalls:
        • ] Tijolos de alta alume com baixa porosidade para minimizar a penetração de escória.         requer alta resistência mecânica para suportar a erosão de aço[FLI][F].

        Fabricação e Controle de Qualidade

        A qualidade consistente do tijolo refratário é alcançada através de cuidadosa seleção de matéria-prima, mistura, formação, secagem e queima. Matérias-primas como bauxita, magnesita e grafite são beneficiadas para controlar impurezas. Por exemplo, a relação cal-sílica em magnesita deve ser rigorosamente controlada para evitar a formação de silicatos de baixo fusão durante o serviço.

        Os métodos de formação incluem prensagem a seco (mais comum para tijolos de aço), prensagem isostática (para grandes formas ou bicos) e fundição de deslizamento (para geometrias complexas). Após prensagem, os tijolos são secos a 100-200°C para remover a umidade e opcionalmente temperados em uma atmosfera redutora se contiverem carbono. As temperaturas de queima variam de 1500°C para alta alumina a 1750°C para magnésia pura. Para tijolos contendo carbono, a queima é substituída por um passo de coque de baixa temperatura em torno de 1000°C para desenvolver a ligação de carbono.

        O controle de qualidade envolve testar cada lote de produção para densidade de massa, porosidade aparente, CCS e mudança linear permanente após o reaquecimento. Para aplicações de fabricação de aço, os métodos de teste ASTM ou ISO são usados. Os fornecedores normalmente fornecem um certificado de análise, incluindo a química completa do óxido. Além disso, testes de choque térmico e testes de copo de escória (onde uma amostra de tijolo cilíndrico é exposta a escória derretida a 1600°C por várias horas) são realizados para validar o desempenho no ambiente específico do forno. Os operadores de plantas também devem verificar tolerâncias dimensionais, uma vez que as dimensões irregulares de tijolos levam a articulações irregulares e falha prematura.

        Uma tendência crescente é o uso de métodos de teste não destrutivos como a velocidade de pulso ultrassônico (UPV) para detectar fissuras internas ou inomogeneidades em tijolos antes da instalação. Algumas plantas avançadas correlacionam as leituras de UPV com a vida útil esperada.

        Conclusão

        Os tijolos refractários para fornos de aço estão longe de produtos de base; são materiais altamente projetados cujas propriedades devem ser precisamente correspondentes às demandas térmicas, químicas e mecânicas de cada zona do forno. As propriedades principais incluem refractância, resistência ao choque térmico, compatibilidade química com escória, resistência mecânica e condutividade térmica. Os tipos mais utilizados são magnesia-carbono para contato básico com escória, alta alumina para zonas neutras e de alta temperatura e sílica para ambientes ácidos específicos. A seleção deve considerar não só o custo inicial do tijolo, mas também sua contribuição para o tempo de preparação, eficiência energética e qualidade global do aço. Controle de qualidade rigoroso, tanto durante a fabricação como após o recebimento na planta, garante que os tijolos funcionem como esperado. À medida que os processos de fabricação de aço evoluem, com tendências para operações de temperatura mais elevadas, sequências de conchas mais longas e produção mais verde, o desenvolvimento de novas formulações refratárias contendo espinhais, zirconia e ligantes alternativos continuarão a melhorar a eficiência e sustentabilidade do forno.