Microssílica para canais de alto-forno: seleção por zona

I. Não se deve adotar uma lógica de projeto de materiais totalmente idêntica para diferentes partes do canal de corrida do alto-forno

O sistema de canal de corrida do alto-forno do alto-forno geralmente inclui a zona de recepção da boca de vazamento, a zona de impacto do canal principal, a parte média e posterior do canal principal, o separador de escória. os canais secundários, o canal de escória e o bico oscilante ou canal basculante. Embora todas essas partes estejam expostas a um ambiente de ferro fundido ou escória em alta temperatura, o meio de contato, a velocidade do fluxo, o grau de turbulência, as oscilações de temperatura e os métodos de manutenção não são os mesmos.

Uma revisão da literatura aponta que a deterioração do revestimento refratário do canal de corrida do alto-forno não se deve apenas à erosão mecânica, mas é resultado da ação conjunta de cisalhamento do fluido. tensões térmicas, oxidação, erosão por escória fundida e transferência de massa. Na região próxima à linha metálica do canal principal, predominam a oxidação e as reações na interface entre o ferro fundido e a escória, enquanto a linha de escória é mais influenciada pela dissolução, penetração e transferência de massa da escória fundida.

Portanto, o papel do pó de microsilício no revestimento do canal de corrida do alto-forno não pode ser resumido simplesmente como “aumento da resistência”. Ele é capaz de otimizar a granulometria, reduzir a porosidade da matriz e. ao mesmo tempo, alterar a fase líquida em alta temperatura, a formação de mullite, a resistência à oxidação e a resistência à escória. Diferentes locais exigem equilíbrios distintos entre densificação, estabilidade ao choque térmico, resistência à oxidação e controle da fase líquida em alta temperatura.

II. Funções principais do microssílica no revestimento de canal de corrida do alto-forno à base de Al₂O₃–SiC–C

1. Otimização da granulometria da matriz e do desempenho na aplicação

A microsílice é constituída por partículas na escala submicrométrica, capazes de preencher os espaços entre as partículas finas de corindo, a alumina ativa e as partículas de cimento. Sob condições adequadas de dispersão, ela contribui para aumentar a densidade de empilhamento da matriz e, ao mesmo tempo, reduzir a quantidade de água adicionada durante a aplicação, mantendo a fluidez.

Um estudo industrial sobre materiais para canais de ferro, por meio da otimização da distribuição granulométrica e do sistema de dispersão, reduziu a quantidade de água adicionada ao material de injeção de 5,2% para 4,4%, mantendo o valor de fluidez praticamente inalterado. A menor quantidade de água adicionada proporcionou ao material uma porosidade aparente mais baixa e uma estrutura mais densa. além de prolongar os intervalos de manutenção em testes realizados em canais principais industriais. Esse estudo demonstra que o valor dos sistemas de pó fino não depende apenas da pureza química, mas também da granulometria, dos dispersantes e do projeto geral da matriz.

2. Participação na ligação a altas temperaturas e na proteção contra a oxidação

Estudos indicam que uma quantidade adequada de microssílica em revestimentos de Al₂O₃–SiC–SiO₂–C pode formar uma fase líquida rica em SiO₂ de alta viscosidade, que reage posteriormente com o Al₂O₃ para formar mullite. A fase líquida rica em sílica é capaz de obstruir parcialmente os poros, retardando a difusão do oxigênio para o interior do material. a variação de volume associada à formação da mullite também pode compensar, em certa medida, a contração de sinterização, melhorando assim a resistência à oxidação.

No entanto, isso não significa que quanto mais microssílica, melhor. Uma quantidade excessiva ou uma má dispersão do microssílica pode aumentar a quantidade de água adicionada, formando uma fase líquida de baixo ponto de fusão em excesso, ou provocar uma sinterização excessiva do material em temperaturas médias a altas, afetando assim a estabilidade ao choque térmico.

3. A escolha do microssílicada não deve se basear apenas na pureza de SiO₂

Um estudo sobre revestimentos de canal de ferro publicado em 2023 comparou três tipos de pó de sílica microfinos com teores nominais de SiO₂ de 93%, 96% e 99%. Os resultados mostraram que, nesse teste, a amostra de pó de sílica microfino com 99% de SiO₂ apresentou maior quantidade de água adicionada, menor densidade volumétrica, maior porosidade aparente e a pior resistência à oxidação. a amostra de microssílica a 93% apresentou a menor resistência à flexão em alta temperatura. a amostra de microssílica a 96% apresentou a melhor resistência à escória e o melhor desempenho geral.

É importante ressaltar que esse resultado não pode ser interpretado como significando que “todas as pós de sílica microfina a 99% são inadequadas para revestimentos de canaletas de ferro”. Os três produtos não apenas apresentam composição química diferente, mas também diferem na distribuição granulométrica e na presença de outras impurezas. A conclusão realmente sustentada pelo artigo é que, para o uso de pós de sílica microfina em revestimentos de canaletas de ferro, é necessário avaliar de forma abrangente a distribuição granulométrica, a dispersibilidade, a quantidade de água adicionada, a composição das impurezas e o comportamento de reação em altas temperaturas, em vez de se limitar à comparação dos valores de SiO₂.

III. Condições operacionais em diferentes locais e pontos-chave da aplicação do microssílica

1. Zona de recepção do bico de vazamento e zona de impacto do canal principal

A seção inicial do canal principal sofre diretamente o impacto do jato de ferro na boca de saída, sendo uma das áreas com condições operacionais mais severas em todo o sistema do canal de corrida do alto-forno. Análises pós-operacionais industriais costumam designar a área situada a cerca de 3 a 6 metros da boca de saída como zona de turbulência ou zona crítica. Essa área sofre simultaneamente o impacto do ferro fundido em alta temperatura e das escórias, forte turbulência, arrastamento de gases, choques térmicos periódicos e erosão repetitiva causada pelo refluxo do ferro fundido.

Estudos de CFD mostram que a ação de cisalhamento sofrida pelo fundo do canal principal é geralmente maior do que nas paredes laterais, sendo que as tensões de cisalhamento e térmicas próximas ao ponto de queda do ferro são significativamente mais elevadas do que em outras áreas. em um determinado modelo de canal principal, a tensão térmica máxima ocorreu a cerca de 4 metros da extremidade dianteira do canal, o que coincide basicamente com a área de menor vida útil observada no local.

Os principais objetivos do uso de pó de sílica microfinos nessa área incluem:

Reduzir a quantidade de água adicionada durante a construção, aumentando a densidade da matriz e sua resistência à penetração do ferro fundido;
melhorar a integridade da ligação entre os agregados e a matriz, reduzindo a desagregação de partículas sob impacto;
Retardar a oxidação do carbono e do SiC por meio da formação adequada de fases ricas em silício e de mullite;
Melhorar a fluidez da concretagem, garantindo a integridade da construção no fundo da vala, nos cantos e nas paredes laterais.

No entanto, na zona de impacto, não se deve buscar unilateralmente uma porosidade extremamente baixa e alta resistência de sinterização. Uma matriz excessivamente densa ou com excesso de fase líquida pode aumentar o risco de drenagem durante a queima e gerar tensões térmicas elevadas em ciclos térmicos repetidos. Portanto. nessa área, é mais importante equilibrar a resistência à erosão, a resistência à oxidação, a estabilidade ao choque térmico e a segurança da queima, em vez de simplesmente aumentar a quantidade de microssílicas adicionada.

2. Trecho médio-posterior do canal principal: a linha de metal e a linha de escória devem ser consideradas separadamente

A intensidade da turbulência na parte central e posterior do canal principal é geralmente menor do que na zona de impacto, mas o tempo de contato do ferro-líquido e da escória com o revestimento refratário é mais prolongado. Aqui, é necessário distinguir ainda mais entre a linha de metal, a linha de escória e o fundo do canal.

Área da linha de metal

A linha de metal está localizada próxima à interface entre o ferro fundido, a escória e o revestimento refratário, sendo propensa a fenômenos simultâneos como oxidação do carbono, oxidação do SiC, corrosão por FeO e penetração da fase líquida. Análises pós-processo industriais revelaram que a linha metálica pode formar uma fase de olivina ferrosa de baixo ponto de fusão, contendo FeO e SiO₂. quando a escória contém uma quantidade significativa de componentes alcalinos, como K₂O, sua viscosidade e temperatura de amolecimento podem diminuir, promovendo ainda mais a penetração e a transferência de massa, acelerando assim o desgaste do SiC.

O papel positivo do pó de sílica microfinos no fio metálico consiste principalmente em densificar a matriz, bloquear os canais de penetração de oxigênio e do material fundido e promover a formação de certas ligações protetoras de silicatos ou mullita. No entanto, se o teor total de SiO₂ no sistema for excessivamente alto e houver, ao mesmo tempo, uma quantidade significativa de FeO ou óxidos de metais alcalinos, isso também pode aumentar o risco de formação de fases de silicatos de baixo ponto de fusão.

Portanto, nos materiais de fios metálicos, é necessário controlar simultaneamente:

o SiO₂ total introduzido pelo microssílica e outras matérias-primas;
as reações decorrentes da penetração de FeO, MnO e óxidos de metais alcalinos;
o sistema antioxidante de SiC e carbono;
a estrutura porosa da matriz e a viscosidade da fase líquida em altas temperaturas.

Região da linha de escória

A linha de escória sofre principalmente a erosão por escória de alto-forno contendo CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂ e pequenas quantidades de FeO e óxidos de metais alcalinos. Estudos realizados após o uso industrial revelaram que a escória pode reagir com o Al₂O₃ e o SiO₂ presentes no revestimento refratário, gerando fases como o feldspato cálcico e o feldspato cálcico-alumínico. alguns produtos da reação apresentam ponto de fusão mais baixo, o que facilita o enfraquecimento da matriz e promove a desagregação dos agregados.

Na linha de escória, o pó de microsilica, por um lado, reduz a penetração da escória ao diminuir a porosidade. por outro lado, é uma das fontes de SiO₂ no sistema de reação entre a escória e o material refratário. Portanto, o uso de pó de microsilica na linha de escória deve encontrar um equilíbrio entre os “benefícios da densificação física” e os “riscos de reações químicas em alta temperatura”.

Para escórias com alto teor de FeO, alto teor de álcalis ou grande variação, não se pode determinar a adequação do pó de microsilica apenas com base na resistência à temperatura ambiente. devem ser realizados ensaios práticos em cadinho estático com a escória, ensaios de erosão rotativa ou ensaios de erosão dinâmica.

3. Separador de escória e zonas de transição antes e depois

O separador de escória é responsável por permitir que o ferro-líquido, de maior densidade, passe pela parte inferior, ao mesmo tempo em que conduz a escória para a calha de escória. À sua frente, é comum a formação de acúmulo de líquido, refluxo e turbulência. já na parte traseira, ocorre a aceleração do ferro-líquido, a alteração do sentido do fluxo e a erosão local.

Estudos relacionados ao campo de fluxo indicam que ocorre turbulência significativa nas proximidades do separador de escória. o ângulo da barragem, a altura da abertura e a posição relativa entre o separador de escória e a saída de escória influenciam a tensão de cisalhamento na parede, a eficácia da separação entre escória e ferro e a vida útil do separador de escória.

O foco da aplicação do pó de microsilício nessa área é:

aumentar a fluidez do material de vazamento e a integridade da moldagem de estruturas complexas;
reduzir a porosidade nas aberturas, nos ângulos e nas juntas das peças pré-fabricadas;
Aumentar a resistência combinada do material à penetração da escória e à erosão pelo ferro fundido;
Melhorar a aderência entre o material de reparo e o revestimento remanescente.

Nos separadores de escória, geralmente não é possível substituir os materiais específicos apenas por “revestimento de alta resistência para canal principal”. O projeto estrutural dessa área, as dimensões das peças pré-fabricadas, a resistência à flexão e a estabilidade térmica são tão importantes quanto o sistema de microssílica.

4. Canais secundários de gusa

Após passar pelo separador de escória, o ferro-líquido entra na calha de suporte, momento em que o teor de escória geralmente diminui significativamente, e o material entra em contato principalmente com o ferro-líquido em alta temperatura. Seus principais fatores de desgaste incluem a erosão contínua pelo ferro-líquido, o desgaste local em curvas e pontos de desvio, os ciclos periódicos de aquecimento e resfriamento, a penetração do ferro-líquido e a oxidação após o fechamento da calha.

Atualmente, há poucos trabalhos científicos publicados que realizem comparações industriais diretas entre “diferentes esquemas de microsílice para canais de distribuição de ferro”. Portanto, o conteúdo a seguir constitui uma análise de engenharia baseada na mecânica dos materiais do canal principal e nas condições operacionais dos canais de distribuição de ferro:

O pó de microsilício deve se concentrar em melhorar a densidade da matriz, a uniformidade da aplicação e a resistência à penetração do ferro fundido;
não se deve buscar uma resistência de sinterização excessivamente alta por meio de fase líquida em excesso, a fim de evitar a redução da estabilidade térmica em condições de partida e parada repetidas;
em curvas, quedas de nível e pontos de bifurcação, deve-se reforçar a granulometria dos agregados e o projeto de resistência à erosão da matriz;
nas áreas expostas ao ar após a interrupção da operação da vala, deve-se dar ênfase à proteção contra a oxidação do carbono e do SiC.

A escolha do microssílica para a vala de suporte de ferro geralmente pode privilegiar baixa adição de água, dispersão estável e estabilidade volumétrica, sem a necessidade de adotar integralmente o projeto de alta resistência à escória da linha de escória da vala principal.

5. Canal de escória

A calha de escória é destinada principalmente ao transporte de escória de alto-forno, cuja temperatura é geralmente inferior à do ferro-líquido recém-saído da boca de vazamento. no entanto, a proporção de contato entre a escória e os materiais refratários é maior, tornando a corrosão química mais acentuada. Os materiais Al₂O₃–SiC–C são amplamente utilizados nas calhas principais e nas calhas de escória, pois o SiC e o carbono apresentam baixa umectabilidade em relação à escória fundida, além de possuírem boas propriedades de resistência ao choque térmico e à corrosão.

A principal função do microssílica utilizado no canal de escória é:

formar uma matriz densa, retardando a penetração da escória ao longo dos poros e microfissuras;
melhorar a fluidez durante a aplicação e a integridade da superfície do canal;
promover a formação adequada de mullite ou cerâmica, aumentando a estabilidade estrutural em condições térmicas;
controlar as fases de baixo ponto de fusão causadas por CaO, MgO, FeO e óxidos de metais alcalinos.

No estudo de 2023 mencionado anteriormente, uma amostra específica de microssílica a 96% obteve o melhor desempenho de resistência à escória entre os três grupos de materiais, o que demonstra mais uma vez que, no uso de microssílica em canais de escória, deve-se dar ênfase à qualidade integral, em vez de se buscar apenas a maior pureza.

6. Bica e canal basculantes

O bico oscilante está localizado antes da entrada do ferro-líquido no tanque de torpedo ou no recipiente de ferro-líquido. além de suportar a erosão pelo ferro-líquido, ele também é submetido a inclinação, vibração, vazamento intermitente, impacto por queda local e frequentes variações de temperatura. As áreas próximas ao eixo de rotação, à saída do bico e ao ponto de queda do ferro-líquido são normalmente zonas de concentração de tensões mecânicas e térmicas.

Atualmente, há poucas evidências em trabalhos científicos independentes sobre a ação do microssílica em bicos oscilantes. portanto, não se deve afirmar que um determinado tipo de microssílica ou uma determinada dosagem fixa tenha sido comprovadamente a melhor por meio de estudos. Do ponto de vista da engenharia, o microssílica é utilizado principalmente para:

reduzir o teor de água na betona e aumentar a resistência estrutural inicial;
aumentar a uniformidade da matriz, reduzindo a penetração do ferro-líquido e a erosão local;
melhorar a integridade da vazão nos ângulos e pontos vulneráveis do bico de vazamento;
combiná-lo com a granulometria dos agregados e antioxidantes, equilibrando a resistência à erosão e a estabilidade ao choque térmico.

Nessa área, é especialmente necessário evitar a sinterização excessiva e a fragilização da matriz. a avaliação do material deve incluir testes de resistência residual após choque térmico, bem como de integridade estrutural em condições de erosão dinâmica e vibração.

IV. Princípios de seleção de microssílice para materiais de canaletas de ferro

Primeiro, não considerar a pureza do SiO₂ como único critério

Alta pureza não significa baixa adição de água, nem necessariamente alta densidade volumétrica e alta resistência à escória. É necessário testar simultaneamente a distribuição granulométrica, a área superficial específica, o estado de aglomeração, a perda por calcinação, o teor de carbono e as impurezas de metais alcalinos.

Segundo, controlar o SiO₂ total e a fase líquida de alta temperatura de acordo com a localização

A zona de impacto requer densidade, resistência à erosão e à oxidação. a linha de escória exige controle rigoroso da fase de baixo ponto de fusão. os canais de ferro de apoio e os bicos oscilantes enfatizam ainda mais a resistência à penetração do ferro fundido, a estabilidade ao choque térmico e a estabilidade volumétrica. Não se deve aplicar mecanicamente a mesma fórmula de matriz em diferentes locais.

Em terceiro lugar, avaliar o microssílica em conjunto com todo o sistema de matriz

O efeito do microssílica é influenciado conjuntamente pela alumina ativa, pelo cimento, pelo SiC, pela fonte de carbono, pelo silício metálico, pelo B₄C, pelo dispersante e pela quantidade de água adicionada durante a aplicação. Discutir o “melhor microssílica” fora do contexto da formulação como um todo carece de fundamento científico.

Quarto, a dosagem deve ser determinada por meio de ensaios práticos com o material

Recomenda-se avaliar, no mínimo, os valores de fluidez em relação à quantidade de água adicionada, a densidade volumétrica, a porosidade aparente, a resistência à temperatura ambiente, a resistência à flexão em alta temperatura, o índice de resistência à oxidação, a resistência residual após choque térmico, a erosão real pela escória e o desempenho em secagem segura. Uma dosagem fixa não pode ser copiada diretamente de um artigo para todas as siderúrgicas e todas as partes da estrutura.

Conclusão

O valor do pó de microsilício nos revestimentos refratários dos canais de vazamento de ferro do alto-forno reside, essencialmente, no controle integrado da estrutura da matriz e dos processos de reação em alta temperatura. Ele é capaz de otimizar a granulometria, reduzir a água utilizada na aplicação, aumentar a densidade e, por meio da formação de uma fase líquida rica em silício e de mullite, melhorar a ligação cerâmica e o desempenho de resistência à oxidação.

No entanto, o microssílicamente moído também altera o teor total de SiO₂ do sistema e a composição da fase líquida em altas temperaturas. Em condições de intrusão de FeO, CaO, MgO ou óxidos de metais alcalinos, o SiO₂ em excesso ou inadequado pode participar da formação de uma fase de baixo ponto de fusão. Portanto. a zona de impacto do canal principal, a linha de metal, a linha de escória, o separador de escória, os canais secundários de vazamento de ferro, os canais de escória e os bicos oscilantes devem adotar um projeto por zonas, não sendo possível utilizar apenas um único tipo de “microssílica de alta pureza” para todas as condições operacionais.

O critério de seleção verdadeiramente confiável não é a maior pureza ou a maior resistência à temperatura ambiente, mas sim: se, em condições específicas de escória, temperatura do ferro fundido, regime de vazamento e ciclo de manutenção, o material é capaz de manter, a longo prazo, baixa permeabilidade, baixa oxidação, resistência térmica estável e taxa de desgaste controlável.

Referências principais

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