Tijolos de MgO-C para FEA: mecanismos de desgaste e projeto de antioxidantes

1. Por que este documento foi criado

Os tijolos de magnésia-carbono foram desenvolvidos inicialmente para os pontos quentes dos fornos elétricos a arco e só depois, no final da década de 1970, passaram a ser usados em conversores. Por isso, o forno elétrico a arco é onde esse material tem a história mais longa. Também é onde as equipes de compras e engenharia mais discutem sobre ele: um tijolo com mais grafite é melhor? O carbeto de boro vale o preço? Por que a mesma marca durou o dobro no forno vizinho?

Fabricamos refratários, então temos uma opinião. Também tentamos indicar quais afirmações vêm de trabalhos publicados e quais refletem nossa própria análise. Quando não temos um número confiável, dizemos isso e não inventamos um.

Neste documento, você encontrará:

• As quatro formas de desgaste de um tijolo de MgO-C para forno elétrico a arco, em linguagem simples;
• O que cada antioxidante faz e onde pode causar problemas;
• Como adaptar um tijolo a cada zona do forno;
• Como analisar um tijolo usado e o que enviar a um fornecedor;
• Um método de cálculo do custo por tonelada e 18 perguntas com respostas diretas.

2. Como é feito um tijolo de magnésia-carbono para forno elétrico a arco

Três funções, três ingredientes

Um tijolo de MgO-C é feito de um conjunto de materiais, cada um com uma função.

• Os grãos de magnésia resistem à escória e ao calor. Eles compõem a maior parte do tijolo.
• O grafite não é molhado pela escória, conduz bem o calor e sofre pouca expansão. Isso impede a entrada de escória e ajuda o tijolo a resistir ao aquecimento e ao resfriamento.
• Uma ligação de carbono (geralmente de resina) mantém o tijolo unido e deixa uma rede de carbono após o primeiro aquecimento.

O problema é que o grafite queima. Todo o restante deste artigo decorre disso.

Faixas citadas na literatura

Estes são valores gerais de revisões publicadas, não uma especificação para nenhum forno específico. Seus próprios valores devem vir da ficha técnica do fornecedor e dos dados do seu forno.

Magnésia fundida ou sinterizada?

Uma tabela de referência publicada compara uma magnésia fundida de água do mar (99,07% de MgO, 2,6% de porosidade aparente) com uma magnésia natural sinterizada (95,46% de MgO, 8% de porosidade aparente). É um único exemplo, não uma regra. Mas ele mostra a tendência: os grãos fundidos tendem a ser mais puros e densos, por isso a escória encontra menos caminhos para penetrar neles. As impurezas, como SiO2 e CaO, presentes no grão são importantes porque formam fases de baixo ponto de fusão com o óxido de ferro.

Em nossa opinião, a escolha do grão deve depender da zona. Voltamos a esse assunto na tabela de zonas.

3. As quatro formas de desgaste de um tijolo MgO-C de FEA

1. A escória dissolve a magnésia

A escória ataca a magnésia de duas maneiras. A sílica e a cal penetram nos contornos entre os grãos e os soltam. O óxido de ferro (FeO) se difunde para dentro do próprio grão de magnésia e forma uma solução sólida de óxido de magnésio e ferro, que funde a uma temperatura inferior à da magnésia pura.

Um estudo de laboratório a 1.600 °C, com escória contendo 25% de FeO, constatou o desgaste mais intenso com basicidade de 0,5 e pouco desgaste a partir de aproximadamente 2,0. Portanto, as condições do forno e a química da escória são tão importantes quanto o tijolo. Um tijolo que tem bom desempenho com uma escória básica e saturada de MgO pode sofrer bastante quando a escória se torna ácida.

2. O óxido de ferro consome o carbono de dentro para fora

Quando a escória penetra no tijolo, o óxido de ferro encontra o grafite e a reação FeO + C → Fe + CO consome o carbono. O tijolo fica poroso e fraco, entra mais escória e o desgaste se acelera. Uma revisão publicada aponta essa reação como causa da fragilização estrutural do tijolo.

3. O ar e o CO2 queimam o carbono onde a escória não cobre

A face quente de uma parede de FEA nem sempre fica sob a escória. Onde o tijolo fica exposto ao ar do forno ou ao CO2, o carbono queima diretamente. Estudos publicados situam a oxidação direta abaixo de aproximadamente 1.400 °C e a oxidação indireta pela magnésia ou pela escória acima dessa temperatura. É por isso que as paredes laterais inferiores e as áreas frequentemente descobertas precisam de resistência à oxidação, mesmo quando o ataque da escória é moderado.

4. O tijolo ataca a si mesmo

Em altas temperaturas, a magnésia e o carbono podem reagir: MgO + C → Mg(gas) + CO(gas). Em condições padrão, a reação começa por volta de 1.850 °C. Em um tijolo real, o gás pode escapar pelos poros, por isso a reação pode ocorrer a uma temperatura muito mais baixa. O tijolo perde material por dentro, e o resultado é uma estrutura fraca e porosa. Testes publicados também relatam que usar magnésia moída muito fina (0,1 mm ou menos) reduz esse tipo de dano.

Ciclos térmicos e desgaste mecânico

Além desses quatro mecanismos, um tijolo de FEA é aquecido e resfriado repetidas vezes, atingido pela sucata e lavado pelo aço em movimento. Os ciclos de aquecimento afrouxam a estrutura com o tempo. Um estudo publicado sobre conversores constatou que o aquecimento repetido acima de 1.500 °C e o resfriamento abaixo de 500 °C podiam reproduzir danos reais aos tijolos em laboratório. O desgaste causado pelo aço em movimento diminui à medida que a resistência a quente do tijolo aumenta.

Por que eles se alimentam mutuamente

Os quatro mecanismos raramente atuam sozinhos. A perda de carbono abre os poros. Os poros abertos deixam a escória entrar. A escória traz mais FeO. Mais FeO queima mais carbono. Se você lembrar de uma coisa desta seção, que seja esta: um tijolo geralmente se desgasta por causa de um ciclo, não de uma única causa. Interrompa o ciclo no seu elo mais fraco, e o tijolo inteiro durará mais.

4. Onde o tijolo falha no forno

Em muitos fornos, a parede superior usa painéis refrigerados a água, por isso os tijolos ficam principalmente na parte inferior da carcaça, na linha de escória e nos pontos quentes. Os layouts variam, então confira o seu (veja nossas soluções completas de revestimento refratário para FEA).

A ordem exata do desgaste depende do projeto do seu forno, da potência de entrada, da prática com a escória e da mistura de sucata. Não fornecemos um número geral de vida útil. Se alguém der um sem informar as condições, avalie com cautela.

5. O que os antioxidantes fazem e o que não podem fazer

Um antioxidante é um material que tem maior tendência a reagir com o oxigênio do que o grafite, ou que bloqueia o caminho do oxigênio para dentro do tijolo. Ele protege o carbono, mas não transforma um tijolo de baixa qualidade em um bom tijolo.

Alumínio

O alumínio reage com o monóxido de carbono e com o carbono no tijolo. Um estudo laboratorial publicado, realizado em atmosfera de argônio, identificou um líquido contendo alumínio e magnésio em baixa temperatura e, depois de aproximadamente 850 °C, carbeto de alumínio na forma de plaquetas finas. Acima de 1.000 °C, o carbeto de alumínio reage com a magnésia para formar espinélio de aluminato de magnésio (MgAl2O4), que se combina bem tanto com a magnésia quanto com o carbono. O efeito geral é preencher os poros e retardar a entrada de oxigênio.

Atenção (nota sobre nossa prática): o carbeto de alumínio pode reagir com a umidade. Mantenha os tijolos secos durante o armazenamento e o transporte.

Silício

O silício reage com o carbono para formar carbeto de silício (Si + C → SiC). O novo SiC preenche os poros e protege o grafite. Muitas vezes, ele é combinado com alumínio. Análises publicadas observam que alumínio e silício são os antioxidantes mais usados, por serem eficazes e de baixo custo.

Carbeto de silício (adicionado como SiC)

O SiC adicionado em pó atua de duas formas. Ele próprio resiste à oxidação e preenche os poros. Na prática publicada em conversores, adiciona-se SiC à garganta e ao cone, onde a oxidação na fase gasosa é um problema. A mesma lógica se aplica às paredes do forno, que muitas vezes ficam sem cobertura de escória.

Carbeto de boro

O carbeto de boro reage com o monóxido de carbono e forma óxido de boro líquido, que se combina com a magnésia e gera uma fase líquida de MgO-B2O3. Em análises publicadas, esse líquido preenche os poros em temperaturas médias e limita o acesso do ar. Essa é sua vantagem.

Atenção (nossa interpretação, não um dado publicado): uma fase líquida pode amolecer o tijolo quando a face está muito quente. Verificaríamos isso cuidadosamente antes de usar carbeto de boro nas zonas mais quentes e pediríamos ao fornecedor dados de resistência a quente.

O que os antioxidantes não podem fazer

• Eles não impedem que a escória dissolva a magnésia. Para isso, são necessários grãos puros e densos e uma prática de escória adequada.
• Eles não corrigem um aquecimento inicial inadequado. Um tijolo úmido ou aquecido rapidamente vai trincar, independentemente do que contém.
• Mais nem sempre é melhor. Um antioxidante que reage cedo demais ou deixa uma fase fraca pode reduzir a resistência a quente. O projeto como um todo importa mais do que um único aditivo.

6. Adequação do tijolo à zona

Não existe um único melhor tijolo para forno elétrico a arco (EAF). Existe um tijolo ideal para cada zona do seu forno, feito para sua escória, sua sucata e sua prática.

“Médio” e “alto” indicam níveis relativos dentro da sua própria faixa de tijolos. Não fornecemos percentuais fixos, pois o valor adequado depende do forno e da formulação do fornecedor.

Três compromissos que vale a pena conhecer

1. Mais grafite reduz o risco de choque térmico, mas também aumenta a quantidade de material que a oxidação pode consumir. Mais carbono exige melhor proteção, não apenas mais carbono.
2. A magnésia mais pura custa mais, mas muitas vezes compensa no ponto quente e na linha de escória, onde o ataque da escória provoca o desgaste. Na parede lateral, a economia talvez não compense.
3. Os antioxidantes metálicos reforçam o tijolo, mas podem aumentar o custo e exigir mais cuidados no manuseio. Use-os onde funcionam, não em todo lugar.

O que você precisa nos fornecer para um projeto personalizado

Quanto mais informações você enviar, mais preciso será o primeiro projeto:

• tipo de forno, capacidade, potência e tempo entre corridas;
• desenho do revestimento e espessura dos tijolos por zona;
• mistura de sucata e qualquer quantidade de ferro diretamente reduzido ou gusa líquido;
• prática de escória (basicidade, adição de MgO, formação de espuma, faixa de FeO);
• tijolo atual, vida útil em corridas e como falha, por zona;
• fotos de tijolos usados e do forno em operação.

7. Análise de um tijolo usado: análise em 4 etapas

Um tijolo usado é um relatório de teste gratuito. Veja como interpretá-lo.

Etapa 1. Fotografe primeiro a face quente

Tire fotos antes de cortar ou limpar o tijolo. Anote a zona, a posição e o número de corridas.

Etapa 2. Corte ao longo da espessura

Corte da face quente até a face fria e observe a superfície do corte.

Etapa 3. Meça as camadas

Registre a espessura de cada camada a partir da face quente, em milímetros: camada coberta por escória, camada densa, camada sem carbono, núcleo não afetado.

Etapa 4. Decida

O que os testes podem acrescentar

Comece com ferramentas simples

Fotos, uma régua e um microscópio óptico revelam bastante. A densidade aparente e a porosidade aparente de um tijolo não usado são determinadas por testes padronizados.

Depois, acrescente instrumentos quando necessário

Um microscópio eletrônico de varredura com análise elementar (SEM/EDS) mostra em qual fase cada elemento está. A difração de raios X (XRD) identifica as fases cristalinas, por exemplo, espinélio ou carbeto de silício.

Não tire conclusões precipitadas com base em um único tijolo

Um único tijolo pode induzir ao erro. Compare-o com um tijolo não usado do mesmo lote e com outro tijolo usado da mesma zona.

8. Calculando o custo por tonelada de aço

Um tijolo mais barato, mas que dura menos corridas, pode custar mais por tonelada.

Um exemplo com números hipotéticos, apenas para ilustração:

Neste exemplo hipotético, o tijolo mais caro sai ganhando. Acrescente mais duas linhas com base em seus próprios registros: o custo de uma parada não programada e qualquer reparo adicional nessa zona. Uma parada não programada pode custar mais do que os tijolos.

9. Seis verificações antes de fazer o pedido

10. Como a YK Chanshine trabalha com equipes de FEA

Fabricamos tijolos de magnésia-carbono e outros refratários para usinas siderúrgicas em nossas instalações próprias de fabricação. Nosso processo para um projeto de FEA é simples:

1. Você envia os dados do forno, as práticas de escória e fotos dos tijolos usados.
2. Analisamos com você o padrão de desgaste de cada zona.
3. Propomos um projeto de tijolo para cada zona e explicamos o que mudaríamos e por quê.
4. Registramos por escrito as instruções de armazenamento, instalação e aquecimento.
5. Após o teste, avaliamos juntos os tijolos usados e fazemos os ajustes.

11. Perguntas frequentes (FAQ)

12. Fontes de referência

Os fatos publicados neste artigo vêm das fontes a seguir. Nossas próprias avaliações estão identificadas como tal no texto.

• Refratários de magnesita-carbono, Ispatguru
• Refratários de magnesita-carbono para convertedores, Nippon Steel Technical Report nº 125, 2020
• Química das reações e desenvolvimento da microestrutura de refratários de MgO-C com antioxidantes metálicos, Guha e Smith, 2006
• A influência da basicidade e da composição da escória nos refratários de magnesita-carbono ConArc durante a fase de sopro, A. Muller, Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2011