Falha do Concreto Refratário para Ventaneiras: Mecanismo de Desgaste e Ficha Técnica | YK Chanshine

Blast furnace tuyere stock refractory castable failure analysis and TDS specification guide - YK Chanshine

Por Jack Xing, diretor de vendas técnicas, YK Chanshine · Refratários para alto-forno ·

Visão geral do concreto refratário do conjunto da ventaneira do alto-forno: mecanismo de desgaste, teste de escória e dados de resistência
Visão geral do concreto refratário do conjunto da ventaneira do alto-forno

Os operadores de altos-fornos estão usando sopro mais quente, pressão mais alta, mais oxigênio e mais carvão pulverizado. Todas as partes do sistema de distribuição do sopro quente recebem mais carga, e o conjunto da ventaneira é o mais afetado. Quando um conjunto da ventaneira fica vermelho ou sofre perfuração por queima, o forno precisa ser paralisado ou operar com vazão reduzida.

Este artigo analisa uma investigação detalhada da falha do concreto refratário do conjunto da ventaneira na prática de altos-fornos chineses. Ele rastreia a queda de resistência em temperaturas intermediárias, que abre caminho para o ataque da escória, reproduz a falha com XRD e SEM e destaca os requisitos que os compradores devem incluir no pedido de compra do concreto refratário.

Principais conclusões da análise de falhas:

  • O material é um concreto refratário de Al₂O₃-SiO₂ ligado com cimento de aluminato de cálcio. Entre 1100 e 1200 °C, a resistência à compressão a frio cai cerca de 47% e a porosidade aparente aumenta.
  • A escória do alto-forno ataca essa estrutura afrouxada: Ca e Mg migram para o concreto refratário e formam gehlenita de baixo ponto de fusão (Ca₂Al₂SiO₇) e MgSiO₃.
  • O ataque é agravado por matérias-primas não mullitizadas, quartzo livre e Fe₂O₃ proveniente da escória de ferro.
  • Três medidas corretivas: matérias-primas mais puras, expansão da andaluzita/cianita para compensar a retração e 3 a 6% em massa de argila plástica para reduzir a temperatura de sinterização.

Por que o concreto refratário do conjunto da ventaneira falha

Condições de operação

Alta temperatura do sopro, alta pressão do sopro, enriquecimento com oxigênio e alta injeção de carvão pulverizado sobrecarregam o sistema de distribuição do sopro. Trincas, colapso e perfuração por queima dos componentes do sopro tornam-se mais prováveis. O conjunto da ventaneira é a peça mais exposta. O resfriador da ventaneira deixa pouco espaço, por isso o corpo do tubo é estreito e a camada refratária é fina, enquanto as condições de operação são severas.

Causas relatadas de avermelhamento e perfuração por queima

As principais causas listadas no estudo são:

  • folga na conexão do flange: o sopro vaza pela superfície de contato e superaquece o corpo do tubo
  • qualidade do concreto refratário: baixa resistência ao choque térmico, baixa resistência a quente ou baixa resistência à escória
  • desgaste da lança de carvão pulverizado: a alta velocidade do gás e a abrasão do carvão desgastam e afinam o revestimento
  • colapso do revestimento da parede do forno: a carga cai sobre a lança de injeção e causa danos mecânicos

Dois casos relatados

Liugang

A investigação concluiu que a baixa qualidade do concreto refratário foi a principal causa da queima do stock da ventaneira. A usina elevou a qualidade do concreto refratário e aprimorou o processo de fabricação do stock da ventaneira. A incandescência e as queimas cessaram, e a qualidade e a vida útil aumentaram.

Shougang

Ocorreu uma queima em uma lança de sopro que estava em serviço havia muito tempo e havia passado por muitos períodos de sopro interrompido. Grandes variações de temperatura trincaram o revestimento entre a camisa d’água dianteira e o corpo do tubo. Em seguida, o sopro quente enriquecido com oxigênio queimou a parte dianteira. A usina analisou o concreto refratário para verificar sua qualidade e monitorar o uso do stock da ventaneira.

Análise do desempenho do concreto refratário do stock da ventaneira

Amostragem

Foram analisados tanto o concreto refratário usado (do stock com falha) quanto o novo. As fotos das amostras usadas e novas são mostradas na figura após a Tabela 2.

Composição química: novo versus usado

Tabela 1. Análise química do concreto refratário do stock da ventaneira, % em massa

Amostra SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO TiO₂ K₂O Na₂O ZnO S
Novo 42.14 49.69 1.36 3.92 0.60 0.63 0.46 0.32 0.001 0.018
Usado 42.19 49.54 2.10 3.66 0.58 0.86 0.29 0.22 0.004 0.006

Ambos são materiais de Al₂O₃-SiO₂, e os óxidos principais praticamente não mudaram durante o uso. O Fe₂O₃ está em maior concentração na amostra usada, o que os autores suspeitam ser resultado da mistura com escória de ferro. O teor de CaO de cerca de 3.9% no novo concreto refratário é compatível com a ligação por cimento de aluminato de cálcio, o que coincide com a identificação posterior do ligante pelos autores.

Propriedades físicas do novo concreto refratário

Tabela 2. Resistência à compressão a frio do novo concreto refratário das duas usinas

Usina Tratamento térmico Resistência à compressão a frio, MPa
Usina A (Shougang) 110 °C × 24 h 18.5
Usina A (Shougang) 1200 °C × 3 h 9.80
Usina B (Liugang) 110 °C × 24 h 30.0
Amostras usadas e novas do concreto refratário do stock da ventaneira, com dados de composição química e resistência à compressão a frio
Concreto refratário do stock da ventaneira usado e novo

O concreto refratário da Usina A apresentou menor densidade aparente e menor resistência a frio que o da Usina B. Após 1200 °C × 3 h, a resistência a frio do material da Usina A caiu de 18.5 MPa para 9.80 MPa, uma redução de cerca de 47%. Os autores relatam que a porosidade aparente aumentou claramente após o tratamento a 1200 °C, indicando que a estrutura ficou mais frouxa.

Sob alta velocidade dos gases e alta temperatura, um revestimento com baixa resistência ao desgaste se desgasta mais rapidamente e pode se desprender.

Resistência do novo concreto refratário à escória

Os autores usaram um ensaio estático em cadinho para simular a ação da escória de alto-forno sobre o novo concreto refratário em alta temperatura. A composição da escória foi:

Tabela 3. Composição da escória de alto-forno usada no ensaio, % em massa

SiO₂ CaO MgO Al₂O₃ TiO₂ FeO
34.42 41.22 7.32 14.04 1.21 0.43
Ensaio em cadinho com escória do concreto refratário do stock da ventaneira a 1500 °C: fotos das amostras e alteração das dimensões da cavidade
Ensaio em cadinho com escória do concreto refratário do stock da ventaneira a 1500 °C

DRX da amostra submetida ao ensaio com escória

A Amostra 1 foi analisada por DRX em quatro locais: a escória, os grãos brancos de agregado, a matriz amarela e a matriz preta.

Tabela 4. Principais fases na Amostra 1 por posição

Posição Aspecto Principais fases minerais
Escória Camada de escória aderida Gelenita, melilita, fase vítrea
Agregado Grãos brancos Mulita, coríndon, traços de cristobalita
Matriz (amarela) Zona de reação Gelenita, anortita, mulita
Matriz (preta) Concreto refratário inalterado Mulita, coríndon, hidratos de cimento
DRX e MEV do concreto refratário da peça de saída da ventaneira após o ensaio com escória de alto-forno, mostrando gelenita e MgSiO3 na interface com a escória
DRX e MEV do concreto refratário da peça de saída da ventaneira após o ensaio com escória de alto-forno

MEV na interface entre escória e concreto refratário

A análise por MEV na interface entre a escória e o concreto refratário mostrou concentrações mais altas de cálcio e magnésio no lado do refratário. Ca e Mg da escória migraram para o interior do concreto refratário. Eles reagem com Al₂O₃ e SiO₂ da matriz e formam gelenita (Ca₂Al₂SiO₇) e MgSiO₃. Esse é o ataque. A interpretação geral dos autores para o ensaio com escória: baixa resistência à escória, com fácil ataque pela escória de alto-forno.

Concreto refratário usado: DRX e MEV

DRX em seis posições

Foram analisadas seis posições representativas no concreto refratário usado. A posição 1 fica na interface entre a escória e o concreto refratário.

Tabela 5. Principais fases minerais no concreto refratário usado da peça de saída da ventaneira

Posição Descrição Fases identificadas
1 Interface entre escória e concreto refratário Gelenita, fases ricas em ferro, melilita
2 Matriz próxima à superfície (0–5 mm) Gelenita, mulita, anortita
3 Zona intermediária (5–15 mm) Mulita, coríndon, gelenita
4 Matriz central (15–30 mm) Mulita, coríndon, traços de quartzo
5 Agregado graúdo Mulita, coríndon
6 Revestimento da face fria Mulita, fases de desidratação do cimento
DRX, MEV e EDS do concreto refratário usado da peça de saída da ventaneira em função da distância da face da escória
DRX, MEV e EDS do concreto refratário usado da peça de saída da ventaneira

MEV-EDS em função da distância da face da escória

Os pontos foram analisados da escória aderida até o concreto refratário. A face da escória fica em 0 mm.

Tabela 6. Análise por EDS do concreto refratário usado, da face da escória para dentro, % em massa

Distância Al₂O₃ SiO₂ CaO Fe₂O₃ MgO
0 mm (superfície da escória) 18.4 31.2 38.1 6.2 6.1
2 mm (camada de reação) 36.5 35.8 19.4 4.5 3.8
5 mm (zona penetrada) 45.2 39.1 8.6 3.9 1.2
15 mm (zona inalterada) 49.4 42.0 3.8 2.1 0.6

Mecanismo de desgaste do concreto refratário da peça de saída da ventaneira

Mecanismo de desgaste do concreto refratário de mulita ligado com cimento na peça de saída da ventaneira: queda de resistência entre 900 e 1200 °C e sequência de ataque pela escória
Mecanismo de desgaste do concreto refratário de mulita ligado com cimento na peça de saída da ventaneira

Por que a faixa de 900 a 1200 °C é o ponto fraco

Com base nos resultados de caracterização, DRX e MEV, os autores identificam o material como um concreto refratário de mulita ligado com cimento de aluminato de cálcio.

Entre 1100 e 1200 °C, as ligações dos hidratos de cimento já se decompuseram, mas a sinterização cerâmica mal começou. A estrutura está em seu estado mais frouxo e fraco. Essa temperatura coincide com a temperatura de operação do revestimento do conjunto da ventaneira.

Sequência de falha em serviço

  1. O revestimento perde resistência e ganha porosidade em sua faixa de operação.
  2. O Ca e o Fe da escória penetram na estrutura aberta.
  3. Eles reagem com o Al₂O₃ e o SiO₂ da matriz, formando gehlenita, MgSiO₃ e outros compostos de baixo ponto de fusão.
  4. O material bruto, ainda não totalmente convertido em mulita, agrava o problema.
  5. O revestimento enfraquecido é desgastado pela velocidade e pela temperatura do gás.

Como resolver: três medidas

Três soluções para a resistência do concreto refratário do conjunto da ventaneira em temperatura intermediária: matérias-primas mais puras, expansão com andalusita ou cianita, auxiliar de sinterização de argila plástica
Três soluções para a resistência do concreto refratário do conjunto da ventaneira em temperatura intermediária

1. Melhore a qualidade das matérias-primas

Reduza as impurezas, especialmente os metais alcalinos, que danificam as ligações do cimento de aluminato de cálcio.

2. Adicione andalusita ou cianita

Esses materiais se expandem durante a formação de mulita, compensando a retração e a perda de resistência em temperatura intermediária. O resultado é um concreto refratário com microexpansão.

3. Adicione um auxiliar de sinterização

A argila plástica em 3 a 6% em peso é o exemplo indicado. O concreto refratário então sinteriza em temperatura mais baixa, o que evita ou suaviza a mudança brusca na estrutura e aumenta a resistência em temperatura intermediária.

O que incluir na ficha técnica do concreto refratário para o conjunto da ventaneira

Tabela 7. Parâmetros recomendados a especificar na compra de concreto refratário para o conjunto da ventaneira

parâmetro condição de ensaio valor-alvo
teor de Al₂O₃ FRX / química úmida ≥ 50.0%
teor de Fe₂O₃ FRX / química úmida ≤ 1.2%
resistência à compressão a frio 110 °C × 24 h ≥ 30.0 MPa
resistência à compressão a frio (temperatura intermediária) 1200 °C × 3 h ≥ 18.0 MPa (queda ≤ 40%)
variação linear permanente 1200 °C × 3 h 0.0 a +0.4% (microexpansão)
índice de resistência à escória ensaio de cadinho, 1500 °C × 3 h profundidade de erosão ≤ 3.0 mm

Checklist do comprador e dados para solicitação de cotação

O que solicitar ao seu fornecedor

  • resistência à compressão a frio após 110 °C e após 1200 °C
  • variação linear permanente a 1200 °C
  • origem do agregado (mulita sinterizada, mulita eletrofundida ou andalusita)
  • tipo de ligante e teor de CaO

O que nos enviar para receber uma recomendação

Para receber uma recomendação, envie esses dados para sales@ykchanshine.com ou use nossa página de contato:

  • volume do alto-forno, temperatura do sopro e enriquecimento com oxigênio
  • desenho técnico do conjunto da ventaneira e espessura do revestimento
  • ficha técnica atual do concreto refratário e fotos das falhas
  • número de descargas por mês
  • quantidade anual prevista e porto

Conclusões

  1. A queda de resistência entre 1100 e 1200 °C é a causa principal da degradação do concreto refratário dos conjuntos dos bicos.
  2. A escória do alto-forno penetra nessa matriz porosa, formando gehlenita de baixo ponto de fusão.
  3. Aditivos de microexpansão (andaluzita/cianita) e auxiliares de sinterização eliminam eficazmente a queda de resistência.

Perguntas frequentes (FAQ): concreto refratário para conjuntos de bicos de alto-forno

O que é um conjunto de bico de alto-forno?

É o tubo de vento que conduz o ar quente do anel de vento ao resfriador do bico. Ele tem uma estrutura fina de aço e um revestimento refratário fino.

Por que o conjunto do bico fica vermelho ou sofre perfuração?

As causas relatadas são vazamento de ar quente na superfície de contato, baixa qualidade do concreto refratário, desgaste intenso da lança de carvão e desprendimento de material da parede do forno. As paradas repetidas do sopro também podem causar rachaduras no revestimento perto da camisa de água dianteira.

Por que o concreto refratário com ligação de cimento fica fraco entre 1100 e 1200 °C?

As ligações hidratadas já desapareceram nessa temperatura, e as ligações cerâmicas ainda não se formaram. A estrutura se desagrega e retrai, reduzindo a resistência. O conjunto do bico opera nessa faixa.

Qual é a função da andaluzita ou da cianita no concreto refratário do conjunto do bico?

Esses minerais se expandem ao se transformarem em mulita. A expansão compensa a retração da ligação de cimento e produz um concreto refratário com microexpansão.

Quanto de argila plástica é adicionada como auxiliar de sinterização?

O estudo sugere de 3 a 6% em massa. Isso ajuda o concreto refratário a sinterizar em temperatura mais baixa e aumenta a resistência em temperatura média.

Por que o teor de Fe₂O₃ aumenta no concreto refratário usado?

Os autores suspeitam que escória de ferro tenha se misturado à amostra. Uma análise pontual por EDS na face da escória indicou 37,57% de Fe, o que dá suporte a essa hipótese.

O que devo solicitar além da resistência a 110 °C?

Resistência em temperatura média, resistência e porosidade após 1200 °C, teor de álcalis, sistema aglomerante e resultado do teste de escória.

Envie os parâmetros operacionais do alto-forno e os desenhos dos conjuntos dos bicos

Está enfrentando vermelhidão por ar quente, perfuração ou rachaduras no revestimento do tubo de vento? Envie-nos a temperatura do sopro, a taxa de enriquecimento com oxigênio, os desenhos do conjunto do bico e a ficha técnica atual do concreto refratário. Nossa equipe de engenharia de refratários fornecerá uma formulação personalizada de concreto refratário com microexpansão e uma proposta técnica em 24 a 48 horas.