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 Altos-Fornos ·

Revestimento de concreto refratário do conjunto da ventaneira do alto-forno: mecanismo de desgaste, ensaio de escória e dados de resistência
Revestimento de concreto refratário do conjunto da ventaneira do alto-forno

Os operadores de altos-fornos estão usando ar quente a temperaturas mais altas e pressões mais elevadas, mais oxigênio e mais carvão pulverizado. Todas as partes do sistema de distribuição do ar quente são mais sobrecarregadas, e o conjunto da ventaneira recebe o impacto mais forte. Quando o conjunto da ventaneira fica vermelho ou sofre perfuração, é preciso desligar o alto-forno ou operá-lo com carga reduzida.

Este artigo analisa uma investigação detalhada da falha do concreto refratário do conjunto da ventaneira em altos-fornos chineses. O estudo 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 falha:

  • 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 ~47% e a porosidade aparente aumenta.
  • A escória do alto-forno ataca essa estrutura enfraquecida: Ca e Mg migram para o concreto refratário e formam gehlenita (Ca₂Al₂SiO₇) e MgSiO₃, de baixo ponto de fusão.
  • O ataque é agravado por matérias-primas não mulitizadas, 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 mole para reduzir a temperatura de sinterização.

Por que o concreto refratário do conjunto da ventaneira falha

Condições de operação

A alta temperatura do sopro, a alta pressão do sopro, o enriquecimento com oxigênio e a alta injeção de carvão pulverizado sobrecarregam o sistema de distribuição do ar quente. Rachaduras, colapsos e perfurações 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 do avermelhamento e da perfuração

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 fraca resistência à escória
  • desgaste da lança de carvão pulverizado: a alta velocidade do gás e a abrasão do carvão desgastam o revestimento
  • colapso do revestimento da parede do alto-forno: a carga cai sobre o tubo de sopro e o danifica mecanicamente

Dois casos relatados

Liugang

A investigação concluiu que a baixa qualidade do concreto refratário foi a principal causa da perfuração do tubo de sopro. A usina elevou a qualidade do concreto refratário e aprimorou a fabricação do tubo de sopro. A vermelhidão e as perfurações cessaram, e a qualidade e a vida útil aumentaram.

Shougang

Ocorreu uma perfuração em um tubo de sopro que estava em serviço havia muito tempo e passara por muitos períodos sem sopro. Grandes variações de temperatura trincaram o revestimento entre a camisa de água dianteira e o corpo do tubo. Em seguida, o sopro quente, rico em oxigênio, queimou a parte dianteira. A usina analisou o concreto refratário para verificar sua qualidade e monitorar o uso do tubo de sopro.

Análise do desempenho do concreto refratário do tubo de sopro

Amostragem

Foram coletados para análise tanto o concreto refratário usado (do tubo de sopro avariado) quanto o novo. As fotografias das amostras usadas e novas são mostradas na figura após a Tabela 2.

Composição química: novo vs. usado

Tabela 1. Análise química do concreto refratário do tubo de sopro, % 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 principais óxidos praticamente não mudaram durante o uso. O Fe₂O₃ está em maior proporção na amostra usada, o que, segundo a suspeita dos autores, se deve à mistura de 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 corresponde à 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 de concreto refratário do tubo de sopro usado e novo, com dados de composição química e resistência à compressão a frio
Concreto refratário do tubo de sopro usado e novo

O concreto refratário da Usina A tinha 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, deixando a estrutura mais porosa.

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

Resistência à escória do novo concreto refratário

Os autores usaram um teste 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 teste, % em massa

SiO₂ CaO MgO Al₂O₃ TiO₂ FeO
34.42 41.22 7.32 14.04 1.21 0.43
Teste em cadinho com escória do concreto refratário do tubo de sopro a 1500 °C: fotos das amostras e variação das dimensões da cavidade
Teste em cadinho com escória do concreto refratário do tubo de sopro a 1500 °C

DRX da amostra submetida ao teste com escória

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

Tabela 4. Principais fases da Amostra 1 por posição

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

MEV na interface escória-concreto refratário

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

Tabela 5. Principais fases minerais no concreto refratário usado do bloco de saída

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

MEV-EDS em função da distância da face da escória

Os pontos foram analisados desde a escória aderida até o concreto refratário. A face da escória corresponde a 0 mm.

Tabela 6. Análise por EDS do concreto refratário usado, da face da escória para o interior, % 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 do bloco de saída

Mecanismo de desgaste do concreto refratário de mulita ligado com cimento em um bloco de saída: 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 em um bloco de saída

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

Com base nos resultados de propriedades, 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 fica em seu estado mais solto e fraco. Essa temperatura coincide com a temperatura de operação do revestimento do estoque da ventaneira.

Sequência de falha em serviço

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

Como resolver: três medidas

Três soluções para a resistência do concreto refratário do estoque da ventaneira a temperaturas intermediárias: matérias-primas mais puras, expansão com andaluzita ou cianita, argila plástica como auxiliar de sinterização
Três soluções para a resistência do concreto refratário do estoque da ventaneira a temperaturas intermediárias

1. Aumentar a qualidade das matérias-primas

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

2. Adicionar andaluzita ou cianita

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

3. Adicionar um auxiliar de sinterização

Argila plástica com 3 a 6% em massa é o exemplo apresentado. O concreto refratário então sinteriza a uma temperatura mais baixa, o que impede ou atenua a mudança violenta na estrutura e aumenta a resistência a temperaturas intermediárias.

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

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

Parâmetro Condição de ensaio Valor-alvo
Teor de Al₂O₃ FRX / análise química por via úmida ≥ 50.0%
Teor de Fe₂O₃ FRX / análise química por via 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

Lista de verificação do comprador e dados para solicitação de cotação

O que solicitar ao 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 andaluzita)
  • Tipo de ligante e teor de CaO

O que nos enviar para receber uma recomendação

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

  • volume do alto-forno, temperatura do ar soprado e enriquecimento com oxigênio
  • desenho do estoque 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 1100–1200 °C é a causa fundamental da deterioração do concreto refratário do tubo de sopro.
  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 tubo de sopro de alto-forno

O que é um tubo de sopro de alto-forno?

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

Por que o tubo de sopro fica vermelho ou sofre perfuração?

As causas apontadas 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. Repetidas paradas de sopro também podem causar rachaduras no revestimento perto da camisa d'água dianteira.

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

As ligações hidratadas já desapareceram e as ligações cerâmicas ainda não se formaram. A estrutura se afrouxa e retrai, reduzindo a resistência. O tubo de sopro opera nessa faixa.

Qual é a função da andaluzita ou da cianita em um concreto refratário para tubo de sopro?

Esses minerais se expandem quando se transformam em mulita. A expansão compensa a retração da ligação cimentícia e produz um concreto refratário com microexpansão.

Quanto de argila plástica é adicionado como auxiliar de sinterização?

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

Por que o 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 sustenta essa hipótese.

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

Resistência em temperatura intermediária, resistência e porosidade após 1200 °C, teor de álcalis, sistema aglutinante e resultado do ensaio de escória.

Envie-nos os parâmetros operacionais do alto-forno e os desenhos do tubo de sopro

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