Métodos de avaliação de refratários monolíticos para a seleção de materiais para fornos de espera de alumínio fundido

Métodos de avaliação de refratários monolíticos para a seleção de materiais para fornos de espera de alumínio fundido

Os refratários monolíticos estão bem estabelecidos como revestimentos para uma série de aplicações de espera e de fusão durante o processamento do alumínio, porque eles fornecem uma ótima produtividade e rentabilidade. Há uma ampla gama de produtos disponíveis. Como os fornos para alumínio têm o seu próprio conjunto de condições de operação, se comparados com outras aplicações de refratários, os fornecedores têm que oferecer soluções com materiais especificamente adaptados

Este artigo descreve os métodos dos ensaios utilizados pela maioria dos produtores de alumínio para avaliar e aprovar refratários monolíticos para uso nas principais zonas de trabalho dos fornos de fusão de alumínio. Os resultados são avaliados e comparados e indicam onde algumas técnicas de ensaios não necessariamente representam as condições de operação atuais. Estas técnicas se modificaram à medida em que os produtores trabalharam para aumentar a produtividade por meio de, em particular, um aumento no calor de entrada do forno para fundir o metal mais rápido.

Conhecimento Prévio

Os monolíticos, como os fornecidos pela Morgan Thermal Ceramics, são utilizados para revestir as regiões de contato metálicas e não-metálicas em fornos revérberos de espera com queimadores a gás. Cada região é dividida em sub-regiões (Fig. 1) e cada uma tem um conjunto de condições/ambiente de operação para o revestimento refratário do forno. Por esta razão, é necessária uma variedade de refratários para um revestimento refratário completo do forno.

Os usuários finais estão fundindo e lidando com uma variedade de materiais, desta forma os produtos monolíticos precisam lidar com as composições químicas presentes no forno. Além disso, as diferentes práticas de operação em relação ao gerenciamento do forno (por exemplo, métodos e frequência de limpeza) significam que condições físicas diversas podem influenciar as diferentes partes do forno.

Desafios para a Fusão de Alumínio

A natureza diversa do ambiente do forno significa que os produtores de alumínio precisam manter um esquema de testes complexo e longo para os refratários do forno. Os testes expõem os materiais em potencial a uma faixa completa de condições, as quais representam as condições em serviço. Considerando que há uma vasta faixa de composições, não é prático ou economicamente viável testar os materiais para todos os tipos de condições. Por este motivo, os produtores de alumínio desenvolveram um conjunto prático de testes laboratoriais.

Os dois mecanismos principais de falha que limitam a vida em serviço são o ataque químico (crescimento do coríndon ou corrosão pela adição de fluxantes) e danos mecânicos (carregamento do lingote, práticas de limpeza ou choque térmico). Os produtores desenvolveram ensaios para simular estas condições como parte dos seus programas de aprovação.

A investigação dos ensaios neste artigo foca na região de contato metálico, considerando que ali é produzido o conjunto de condições mais agressivo e representa a parte do forno que sofre maior demanda em termos de desempenho do refratário. O crescimento do coríndon é a ameaça mais significativa nesta área e, portanto, recebe a maior atenção durante o projeto e testes dos materiais refratários do forno.

O coríndon se forma quando o alumínio líquido reage com a sílica livre nos refratários. Esta transformação provoca uma expansão em volume muito grande, causando distorção severa e trincamento do revestimento refratário.

4Al(l) + 3SiO2(s) –> 2Al2O3(s) + 3Si

O ensaio laboratorial predominante para a resistência ao crescimento do coríndon é o Cup Test de resistência ao alumínio. O objetivo desta investigação é entender como as diferentes condições de ensaio afetam o comportamento do material para revestimento refratário avaliando como os materiais refratários existentes se comportam quando submetidos ao método de ensaio do “copo”.

O Ensaio

Os ensaios padrões dos Cup Tests em contato com o metal de três grandes produtores de alumínio são esboçados abaixo. Estes procedimentos são frequentemente utilizados para avaliar a adequabilidade dos refratários monolíticos para uso em revestimentos para fornos de espera.

Método 1

Preparação da Amostra

Uma série de cubos de 100 mm é fundida com composições mistas e com uma adição padrão de água (os moldes e os cubos podem ser observados nas Figs. 2 e 4). Cada cubo tem 50 mm de profundidade e um furo ligeiramente cônico (55 mm no topo e 53 mm na base). As amostras são mantidas durante a noite e, então, desmoldadas, curadas e secas a 110°C por 18 horas. Metade das amostras (cadinho) produzidas são pré-queimadas a 1.200°C por 5 horas. São feitas tampas do mesmo material (com 25 mm de espessura) para minimizar a perda por volatilidade.

Procedimento do Ensaio

Tipicamente é utilizada uma liga 7075 para o ensaio, fornecida na forma de barra com 52 mm de diâmetro e cortada em comprimentos de 50 mm. A amostra cortada é inserida dentro do furo do cadinho e a tampa não-selada é colocada no topo. As amostras, como secas ou pré-queimadas, são ensaiadas ao mesmo tempo para comparação.

Os cadinhos montados são colocados em um forno, aquecido a 1.000°C a uma taxa de 150°C/hora e mantido a temperatura por 100 horas. Isto é seguido por um resfriamento natural dentro do forno. Após o resfriamento, as amostras são secionadas verticalmente, secas e avaliadas visualmente quanto ao grau de penetração do metal, o crescimento do coríndon e a facilidade de remoção do alumínio. Isto é documentado por meio de fotos.

Método 2

Preparação da Amostra

Seguindo as recomendações de mistura do fornecedor, um bloco de tamanho padrão (230 mm de altura x 114 mm de largura x 76 mm de profundidade) do material a ser ensaiado é fundido dentro de um molde que incorpora uma face curvada para se obter uma forma de copo com uma profundidade máxima de 32 mm e sustentar a liga (Fig. 3). Após o tempo recomendado de cura, a amostra é queimada de acordo com as recomendações do fornecedor a 815°C, mantida por 10 horas e deixada resfriar naturalmente no forno. É inserida uma rugosidade na seção curva do cadinho utilizando uma serra de diamante para expor o grão do refratário.

Procedimento do Ensaio

O cadinho é aquecido a 815°C em um forno, com uma taxa que não exceda 150°C/hora. Neste meio tempo, a liga 7075 é fundida em um cadinho de carbeto de silício, aquecida a 815°C e amostrada para análise. A liga fundida é, então, colocada dentro da cavidade do tijolo a 815°C até cerca de 3 mm abaixo do topo do tijolo e mantida a esta temperatura por 72 horas.

A liga é limpa a cada meia hora pelas primeiras três horas para remover a barreira de filme de óxido na interface metal/refratário. Após 72 horas, o óxido formado no topo da liga fundida é removido e uma amostra da liga que está no copo é retirada para análise.

Qualquer metal remanescente é vazado fora e a superfície do copo é limpa com um pedaço de lã. O cadinho é resfriado ao ar e secionado na região central (ao longo do eixo curto) para avaliar o grau de ataque metálico. As análises químicas inicial e final da liga são comparadas para se determinar a captação de silício e de ferro.

Método 3

Preparação da Amostra

As amostras são preparadas de acordo com as recomendações dos fornecedores e fundidas dentro dos mesmos moldes utilizados no Método 1. Seguindo a mesma sequência, processos de cura e secagem, metade dos cadinhos (amostras) é pré-queimada a 800°C por 5 horas e metade a 120°C.

Procedimento do Ensaio

Quatro peças a serem ensaiadas são aquecidas simultaneamente em um forno elétrico ao lado de uma quantidade de ligas de ensaio em um cadinho a 10°C/minuto a 1.472 ± 15°C. Uma quantidade (160 gramas) de alumínio puro (>99,8%) é vazada dentro do furo da amostra e os cadinhos são mantidos a 800°C por 72 horas. O líquido é mexido diariamente para quebrar o filme de óxido formado e, no final, é deixado resfriar naturalmente no forno. Ele é cortado diagonalmente e a face cortada é inspecionada quanto à penetração e reação com o metal. (Fig. 7).

Resultados

Três materiais monolíticos (Tabela 1) foram ensaiados utilizando os três métodos de Cup Tests para avaliar como as diferentes condições de ensaio utilizadas pelos produtores de alumínio afetam os resultados de saída dos ensaios.

Conforme mostrado na Fig. 5, nenhum dos materiais ensaiados utilizando o Método 1 apresentou qualquer crescimento significativo do coríndon, como esperado, já que os três materiais são utilizados rotineiramente nos fornos para alumínio. O material C, o qual foi pré-queimado a 1.200°C, apresenta uma fina camada de coríndon formada na interface com o metal, e isto sugere que a resistência ao coríndon começa a se degradar conforme a temperatura de queima aumenta. Este comportamento deveria ter implicações de desempenho em serviço quando os fornos operam de forma mais agressiva.

Os resultados do Método 2 (Fig. 6) mostram não haver crescimento do coríndon em nenhuma das amostras em temperaturas abaixo de 815°C, mesmo com a inserção de rugosidade na superfície de contato para tentar promover a reação. Entretanto, a análise das ligas revela que a captação de silício aumenta do material A para o B e para o C. A falha dos cadinhos de ensaio (Fig. 8) são normalmente acompanhadas por um aumento na concentração de silício e de ferro na liga após o ensaio. A tendência à captação de silício bate com a redução na relação alumina/sílica no material e é detectado mais silício na liga conforme aumenta o teor de sílica. Apesar da baixa temperatura de ensaio do Método 2, o material C foi o que mais se aproximou do limite para a falha para a máxima captação de silício disponível, de 0,5% (Tabela 3).

Da mesma forma que no Método 2, os resultados do Método 3 não mostram sinais visíveis de crescimento do coríndon em nenhuma das amostras. Os resultados indicam que os ensaios a 1.000°C aceleraram a reação do coríndon e que a pré-queima das amostras em temperaturas mais altas pode causar um não-molhamento do aditivo para a reação com os outros constituintes do material e perder sua efetividade.

Como todos os materiais estudados já estão em uso em muitos fornos, nossa expectativa era de que todos os materiais ensaiados passassem nestes Cup Tests. Para a maioria das condições de ensaio estudadas isto foi observado. Conforme a severidade das condições de ensaio aumentou, entretanto, foi observada uma maior interação metal/refratário, especificamente no material C.

Isso corresponde às observações operacionais gerais, nas quais foi observado que o material C começa a sofrer com o crescimento do coríndon nos fornos em corridas mais agressivas. De acordo com estes ensaios laboratoriais, o desempenho do contato com o metal parece começar a se deteriorar com o aumento da temperatura para 1.000°C.

No passado, tais ensaios em temperaturas altas não eram considerados realísticos porque as temperaturas de espera eram bem abaixo deste nível. Entretanto, em tempos mais recentes, conforme os fornos para alumínio continuam a ser mais solicitados, as temperaturas da câmara aumentaram e as condições se tornaram mais agressivas para os revestimentos refratários. Portanto, as condições de ensaio que aceleram as reações envolvidas, aumentando a temperatura acima da temperatura tradicional de espera do alumínio, agora são mais válidas.

Em particular, o crescimento do coríndon, em geral, se inicia nos pontos quentes do forno, nos quais podem ser medidas temperaturas acima de 1.000°C. Esta situação é exacerbada pelas reações exotérmicas de acúmulo de sal e de escória nos revestimentos refratários.

Conforme as necessidades da indústria mudaram, mudou-se também o ambiente do forno. Portanto, os métodos de ensaio dos materiais precisam evoluir para refletir isto.

À luz das práticas modernas de ensaio para o alumínio, as temperaturas dos ensaios dos Métodos 2 e 3 parecem ser muito baixas, já que não aceleram as reações de crescimento do coríndon adequadamente. Adicionalmente, a alta área superficial do fundido no Método 2 promove uma formação excessiva de escória e volatização. Os Métodos 1 e 3 utilizam amostras relativamente pequenas da liga, também sofrendo volatização. Isto pode ser controlado para melhorar a repetibilidade do ensaio recobrindo o cadinho (amostra) com uma tampa refratária do material sendo ensaiado.

Os resultados dos Cup Tests são mais complicados quando são introduzidos sais dentro do contato metal/cadinho no ensaio. Estes ensaios mostraram que a resistência ao crescimento do coríndon pode ser consideravelmente alterada na presença de sais. Estão sendo realizadas investigações adicionais neste assunto.

Conclusão

Os métodos dos Cup Tests em contato com o metal utilizado por três produtores de alumínio para a seleção do revestimento refratário dos fornos foram investigados utilizando materiais monolíticos atualmente em uso em vários fornos de espera de fundidos ao redor do mundo.

Os produtores de alumínio vêm trabalhando para aumentar a produtividade e manter a competitividade. Normalmente isto é feito aumentando o calor de entrada do forno, utilizando queimadores mais potentes para fundir o metal mais rápido. Isto leva a um aumento das perdas de metal como resultado da oxidação da superfície e dos grandes gradientes térmicos no metal, portanto, causando segregação de elementos de liga e redução na qualidade do metal.

Estes efeitos são superados pelo aumento da utilização de fluxantes para suprimir a oxidação da superfície e pelo aumento da agitação do metal para atingir a homogeneização. Dado o ambiente cada vez mais desafiador em que o revestimento refratário tem que trabalhar, os produtores de alumínio devem garantir que as condições de seus ensaios de avaliação de material também reflitam essas alterações. Caso contrário, os ensaios irão produzir resultados irreais e a seleção do material pode ser comprometida.

Os resultados desta investigação sugerem que os Cup Tests utilizando temperaturas mais baixas não são agressivos o suficiente para avaliar os materiais de revestimento para os ambientes de forno atuais. Tais condições de ensaio eram adequadas no passado, mas os métodos de ensaio não evoluíram de acordo com as condições do forno que estão tentando simular.

Texto gentilmente revisado pela empresa Morganite Brasil, representante da Morgan Advanced Materials. Para mais informações, contate: Reynaldo Pereira, Diretor Técnico – América do Sul; (21) 3305-7400; reynaldo.pereira@morganplc.com; www.morganadvancedmaterials.com.

Para mais informações, contate: Wendy Evans, Departamento de Comunicações e Marketing, Morgan Advanced Materials Thermal Ceramics, EUA; tel: +1 706-796-4200; marketing@morganplc.com; www.morganplc.com.

Andy Wynn
Andy Wynn
Morgan Advanced Materials Thermal Ceramics, EUA; tel: +1 706-796-4200; marketing@morganplc.com; www.morganplc.com.

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