Tijolos refractários para fornos

Para a maioria dos fornos industriais, a seleção do tijolo refratário correto depende da temperatura de funcionamento do forno, da natureza química das escórias e dos gases presentes, da carga mecânica e do ciclo térmico. Os tijolos de alta alumina têm um melhor desempenho em atmosferas oxidantes de alta temperatura; os tijolos de sílica são adequados para ambientes ácidos ricos em sílica; os tijolos de magnésia e magnésio-carbono sobressaem em ambientes de aço básicos e ricos em escórias; os tijolos refractários isolantes proporcionam poupanças de energia quando colocados atrás de revestimentos densos. A escolha adequada do material, a instalação correta, a secagem controlada e a manutenção programada prolongam a vida útil dos tijolos. revestimento refratário vida útil e reduzir os custos de funcionamento.

1. O que são os tijolos refractários e qual a sua importância

Os tijolos refractários são unidades de alvenaria de cerâmica concebidas para suportar temperaturas extremamente elevadas, resistindo ao ataque químico, à erosão mecânica e ao choque térmico. Em forno Na sua conceção, o revestimento refratário determina a contenção do calor, a eficiência operacional, a pureza do produto e o intervalo entre grandes paragens. Uma má escolha do revestimento ou uma má instalação conduz a reparações frequentes, paragens não planeadas, riscos de segurança e maior consumo de combustível. A combinação da química do material, da porosidade e da qualidade da instalação controla tanto o desempenho a curto prazo como o custo total do ciclo de vida.

2. Classificação química e por que razão a química determina o desempenho

Os refractários são frequentemente categorizados pelos seus óxidos químicos dominantes, que por sua vez definem se um produto se comporta como ácido, básico ou neutro em serviço. Esta classificação é importante porque as escórias e as atmosferas do forno interagem quimicamente com o revestimento:

• Refractários ácidos contêm fases com elevado teor de sílica ou de alumino-silicato. Estas são resistentes a escórias ácidas mas vulneráveis a compostos básicos.

• Refractários de base (magnésia, magnésia-carbono) resistem às escórias básicas e aos ambientes ricos em cálcio, mas são atacados por componentes ácidos.

• Refractários neutros (por exemplo, cromite, zircónio) apresentam uma estabilidade química relativa em relação a fundidos ácidos e básicos.

A seleção de produtos químicos compatíveis com as escórias, os fundentes e a atmosfera do forno reduz a dissolução, a infiltração e a fragmentação química.

3. Tipos comuns de tijolos, composição e utilizações típicas em fornos

Apresentamos a seguir as principais famílias de tijolos refractários e as suas funções industriais habituais.

Tijolos refractários

• Composição: Silicatos de alumínio hidratados, teor típico de Al₂O₃ ~25-48% com SiO₂ substancial.

• Pontos fortes: Económica, adequada para temperaturas moderadas e zonas de fornos gerais.

• Utilização típica: Caldeiras, zonas de fornos de temperatura mais baixa, isolamento de reserva.

Tijolos de alta alumina

• Composição: O teor de Al₂O₃ varia de 48% a mais de 90% por grau.

• Pontos fortes: Elevada refractariedade, boa resistência mecânica, estável em atmosferas oxidantes e redutoras.

• Utilização típica: Fornos de reaquecimento de aço, tratamento térmico, revestimento de tanques de vidro e regeneradores.

Tijolos de sílica

• Composição: SiO₂ muito elevado, frequentemente >90%.

• Pontos fortes: Alta estabilidade térmica onde a sílica é compatível; boa resistência a escórias ácidas; grande expansão térmica deve ser manuseada com cuidado.

• Utilização típica: Fornos de coque, paredes de regeneradores de fornos de vidro.

Tijolos de magnésia (de base)

• Composição: Rica em MgO; por vezes, magnésia fundida ou magnésia sinterizada.

• Pontos fortes: Excelente resistência às escórias básicas e à cal; bom para recipientes de fabrico de aço.

• Utilização típica: Revestimentos em fornos de oxigénio básico, conversores, fornos de cimento.

Tijolos de carboneto de silício (SiC) e tijolos ligados a SiC

• Composição: Elevado teor de carboneto de silício, por vezes com aditivos de carbono.

• Pontos fortes: Elevada condutividade térmica, resistência à abrasão e à erosão, boa resistência ao choque térmico.

• Utilização típica: Fornos, fornos rotativos, zonas que necessitam de resistência à abrasão.

Tijolos de carbono e de carbono ligado

• Composição: Elevado teor de carbono com ligantes; frequentemente utilizado em combinação com óxidos refractários.

• Pontos fortes: Excelente resistência à penetração de metais e ao choque térmico, utilizada no fabrico de aço.

• Utilização típica: Fornos de arco elétrico, coberturas de panelas, zonas onde ocorre o contacto de metais.

Tijolos refractários isolantes (IFB)

• Composição: Corpos leves e porosos de alumino-silicato.

• Pontos fortes: Baixa condutividade térmica, utilizada para reduzir a perda de calor; menor resistência mecânica.

• Utilização típica: Isolamento de apoio por detrás de alvenaria densa ou em fornos onde se pretende um aquecimento rápido.

4. Propriedades físicas críticas que controlam o desempenho

A compreensão dos seguintes parâmetros ajuda a prever o comportamento de um tijolo em serviço.

• Refractariedade (estabilidade máxima à temperatura): Indica a resistência à deformação; um Al₂O₃ mais elevado aumenta tipicamente a refractariedade.

• Condutividade térmica: Os valores mais baixos favorecem o isolamento; os valores mais elevados ajudam a disseminar o calor e a reduzir os pontos quentes locais. É necessário um equilíbrio entre a eficiência energética e a durabilidade mecânica.

• Porosidade aparente: Uma porosidade elevada reduz a condutividade térmica mas pode permitir a infiltração de escórias; uma porosidade baixa aumenta a força e a resistência química.

• Densidade a granel: Corresponde à resistência mecânica; os tijolos mais pesados duram mais tempo sob abrasão, mas aumentam a carga estrutural.

• Resistência ao esmagamento a frio (CCS): Indica a capacidade de carga de compressão durante as paragens e reconstruções.

• Expansão térmica e resistência ao choque: A dilatação diferencial entre o tijolo e a estrutura ou entre diferentes camadas de tijolo gera tensões que conduzem a fissuras e derrames.

• Resistência química: Descreve a suscetibilidade às escórias; depende da química e dos níveis de impureza.

5. Estratégia de seleção por tipo de forno e regime de funcionamento

Escolha um revestimento fazendo corresponder as exigências de serviço aos pontos fortes do material:

• Fornos de vidro: Temperaturas elevadas, fusão de vidro corrosiva; preferir tijolos de alta alumina para coroas, tijolos de sílica ou tijolos especializados quando é necessária a compatibilidade com a sílica e tijolos isolantes para o suporte da superestrutura.

• Fornos de aço (EAF, panelas): Regras básicas da química das escórias. Os tijolos de magnésia-carbono e de magnésia resistem à penetração e ao desgaste mecânico; as misturas de SiC-carbono proporcionam resistência ao choque térmico para coberturas de FEA.

• Fornos de cimento: Escórias de grande comprimento, abrasivas e básicas; refractários de magnésia e revestimentos monolíticos especiais são comuns.

• Fornos de tratamento térmico e de forja: Alta alumina para zonas quentes; tijolos isolantes utilizados quando os ciclos rápidos e a redução do consumo de combustível são prioritários.

A seleção deve incluir a modelação do custo do ciclo de vida (custo inicial do material, horas de trabalho de instalação, perdas térmicas, intervalos de manutenção). Escolha tijolos ligeiramente mais caros se estes reduzirem o tempo de inatividade ou aumentarem a estabilidade do processo.

6. Métodos de instalação e factores de acabamento que determinam a vida útil

A escolha do material, por si só, não garante o desempenho. A qualidade da instalação define se um revestimento atinge a vida útil esperada.

Práticas fundamentais

• Preparação da superfície: Remover as incrustações soltas, a tinta, os óleos e os contaminantes que interferem com a ligação dos tijolos.

• Controlo conjunto: Utilizar juntas de argamassa finas e uniformes (geralmente 1-2 mm para revestimentos de precisão) para evitar fugas de gás e concentração desigual de tensões.

• Materiais de ligação: Utilizar argamassas que correspondam quimicamente ao tipo de tijolo; as argamassas não correspondentes criam camadas fracas.

• Padrões de assentamento: As juntas escalonadas, os cabeçalhos e os esticadores interligados e a existência de juntas de dilatação evitam planos fracos contínuos e longos.

• Ancoragem: As ancoragens mecânicas ou as ancoragens de aço são frequentemente necessárias para revestimentos pesados ou quando se prevê um movimento diferencial.

• Tolerâncias: Manter a planura e o alinhamento; pequenos desajustes conduzem a concentrações locais de tensão.

Opções de instalação

• Trabalho em tijolo seco: Tijolos pré-formados assentes em argamassa. Ideal para formas exactas e reparações modulares.

• Combinação de betão vazado + tijolo: Os materiais fundidos preenchem geometrias difíceis, enquanto os tijolos proporcionam superfícies de desgaste.

• Betão projetado ou pistola: Útil para reparações rápidas ou áreas onde o acesso é difícil. É necessário equipamento adequado e operadores com formação para atingir a densidade necessária.

7. Melhores práticas de pré-aquecimento, cura e secagem

A secagem incorrecta é uma das causas mais comuns de falha precoce. A água retida na argamassa ou nos poros do corpo pode vaporizar-se, provocando uma fragmentação explosiva.

• Rampa de aquecimento controlada: Utilizar aumentos de temperatura faseados para permitir a saída da humidade sem uma rápida acumulação de pressão de vapor. As referências da indústria recomendam taxas de rampa específicas relacionadas com a espessura e o material do revestimento.

• Planeamento da ventilação: Prever aberturas de ventilação e aberturas controladas para permitir a saída de vapor durante o aquecimento inicial.

• Controlo: Utilizar termopares nos pontos críticos e registar as temperaturas. Parar ou abrandar a rampa se surgirem picos anómalos.

• Estabilização pós-calor: Depois de atingir a temperatura de funcionamento, permitir um período de funcionamento estável para que os ligantes e as fases se equilibrem antes de aplicar cargas mecânicas ou térmicas totais.

8. Modos de falha comuns e pistas de diagnóstico

A compreensão dos padrões de falha ajuda a selecionar soluções que evitem a recorrência.

• Desgaste químico (dissolução): Recessão suave da face de trabalho com problemas de correspondência química; amostras e análises de escória revelam incompatibilidade.

• Fragmentação térmica: Descamação ou desprendimento de pedaços grandes devido à humidade retida ou a mudanças rápidas de temperatura; normalmente um problema de secagem/controlo.

• Erosão/abrasão: Superfícies ásperas e esburacadas onde o fluxo mecânico ou os sólidos colidem; o SiC ou os tijolos mais densos resistem a isto.

• Fissuração por expansão diferencial: Padrões regulares de fissuras em interfaces ou cantos onde diferentes materiais se encontram;改 projeto para incluir juntas de dilatação ou materiais adjacentes compatíveis.

• Penetração de metal ou escória: Manchas escuras, canais ou enfraquecimento interno; indica que é necessária uma baixa porosidade ou que são necessárias adições de carbono. ssfbs.com+1

9. Tácticas de manutenção, inspeção e reparação que permitem poupar dinheiro

As inspecções planeadas e as pequenas reparações periódicas evitam falhas catastróficas.

• Calendário de inspeção: Verificações visuais semanais, monitorização do estado do forno mensalmente enquanto o forno está desligado e inspecções completas do revestimento durante as paragens programadas.

• Mapeamento do desgaste: Monitorizar as taxas de desgaste e as localizações através da medição da espessura em pontos fixos; a análise de tendências prevê a substituição de janelas.

• Técnicas de reparação de remendos: Utilizar materiais vazados ou tijolos pré-fabricados para pequenos orifícios; assegurar que as superfícies de colagem estão limpas e que as reparações recebem uma cura adequada.

• Inventário de reserva: Manter um pequeno stock dos tipos de tijolos mais comuns, ferragens de ancoragem e argamassas para permitir reparações temporárias rápidas.

• Registo de dados: Correlacionar os incidentes do processo com a degradação do revestimento; muitas vezes, as anomalias operacionais provocam um desgaste acelerado.

10. Segurança, manuseamento e considerações ambientais

Os materiais refractários e a sua instalação implicam riscos profissionais que exigem controlos.

• Perigos de poeiras: Cortar, moer ou manusear tijolos secos gera poeira respirável, potencialmente contendo sílica ou outras partículas regulamentadas. É obrigatória uma proteção respiratória adequada e sistemas de controlo de poeiras.

• Riscos térmicos: O trabalho em equipamento quente requer sistemas de autorização, procedimentos de bloqueio e equipamento de proteção térmica.

• Exposições químicas: Alguns refractários contêm elementos que podem produzir fumos perigosos em condições extremas; siga as orientações da ficha de dados de segurança do material (MSDS).

• Manuseamento de resíduos: A eliminação dos refractários usados deve respeitar as regras ambientais locais; existem opções de reciclagem para alguns materiais.

11. Quadros comparativos e referências rápidas às especificações

Quadro 1 Comparação rápida de tijolos refractários comuns

(Os valores são intervalos típicos; consulte as fichas de dados do fornecedor para obter números exactos).

Tabela 2. Intervalos de propriedades a verificar nas fichas de dados

(Os valores exactos dependem da classe e do grau do tijolo).

Tabela 3: Lista de verificação de instalação típica

(Ajustar aos códigos locais e aos desenhos de engenharia).

12. Perguntas frequentes (FAQ)

1. Qual é o tipo de tijolo que oferece maior longevidade na cobertura de um forno elétrico de arco?
Os tijolos de magnésia-carbono ou tijolos reforçados com SiC oferecem frequentemente o melhor equilíbrio entre a resistência ao choque térmico e a resistência à erosão em coberturas de fornos de arco. O desempenho depende dos ciclos de funcionamento e da química das escórias.

2. Como é que a porosidade aparente afecta a vida útil do tijolo?
Uma maior porosidade reduz a condutividade térmica, mas aumenta a possibilidade de penetração de metal fundido ou escória. Para as faces de trabalho em contacto com materiais fundidos agressivos, os tijolos de menor porosidade duram geralmente mais tempo.

3. Os tijolos isolantes podem substituir totalmente os tijolos densos?
Não. Os tijolos isolantes reduzem a perda de calor, mas carecem de força mecânica e resistência à abrasão. A prática típica utiliza tijolos isolantes como camadas de apoio por detrás de revestimentos de trabalho densos.

4. Quais são as causas da fragmentação precoce após uma reconstrução?
O aquecimento rápido e descontrolado, que retém a humidade ou os componentes voláteis no interior do revestimento, conduz à fragmentação explosiva. Uma ventilação inadequada ou um pré-aquecimento insuficiente contribuem para o problema.

5. Qual deve ser a espessura do revestimento de um forno?
A espessura depende da temperatura do processo, do fluxo de calor esperado e da carga mecânica. A modelação térmica e as normas baseadas na experiência determinam a espessura necessária, mas os revestimentos de trabalho típicos variam entre 50 mm em fornos pequenos e várias centenas de milímetros em fornos industriais pesados.

6. A qualidade do tijolo é mais importante do que a qualidade da instalação?
Ambos são importantes. Os tijolos de qualidade superior não podem superar um mau acabamento. Os erros de instalação são frequentemente responsáveis pela maioria das falhas iniciais.

7. Com que frequência se devem efetuar as inspecções dos refractários?
Verificações visuais semanais, verificações de estado mensais e vistorias completas durante as paragens planeadas. Pode ser necessário um controlo mais frequente para fornos de alto rendimento.

8. Que equipamento de proteção individual é essencial durante a instalação?
Respiradores de pó classificados para sílica, proteção ocular, luvas e proteção auditiva. Para trabalhos a quente, são necessários vestuário de proteção térmica e autorizações para trabalhos a quente.

9. Existem opções de refractários amigos do ambiente?
A reciclagem de tijolos usados para aplicações de baixa qualidade e a seleção de processos de fabrico com menor consumo de energia reduzem o impacto ambiental. Os fornecedores publicam cada vez mais dados sobre o ciclo de vida; avalie as opções com antecedência.

10. Quando é que devo optar por materiais vazados monolíticos em vez de tijolos?
As peças fundidas são adequadas para formas complexas, reparações rápidas ou quando a minimização das juntas melhora o desempenho. Os tijolos continuam a ser preferíveis quando é necessária uma precisão dimensional, substituições modulares ou uma maior resistência mecânica.

13. Lista de controlo de seleção prática

1. Definir a temperatura máxima de funcionamento e os picos transitórios.

2. Amostragem e análise de escórias e química da atmosfera.

3. Escolher uma família química compatível com as escórias.

4. Decidir sobre as camadas de isolamento para o rosto de trabalho versus as camadas de isolamento de reserva.

5. Especificar os objectivos de porosidade, densidade e CCS.

6. Planear o método de instalação, o tipo de argamassa e a ventilação.

7. Criar um plano de monitorização da secagem e do termopar.

8. Programar os intervalos de inspeção e o inventário de peças sobressalentes.

9. Documentar a segurança, os controlos de poeiras e as referências MSDS.

10. Monitorizar as taxas de desgaste e ajustar os materiais quando ocorrem alterações de funcionamento.

14. Recomendações finais

1. Utilizar uma abordagem de sistemas: a seleção de materiais, a qualidade da instalação e o funcionamento formam uma tríade que controla a vida útil e o custo.

2. Para as zonas de alto rendimento expostas a escórias básicas, preferir os tijolos de magnésia ou magnésio-carbono; para as zonas quentes oxidantes, escolher tijolos de alta alumina; quando existe compatibilidade com a sílica, as instalações de tijolos de sílica cuidadosamente controladas oferecem uma resistência química superior.

3. Invista na formação dos instaladores e aplique protocolos rigorosos de secagem; a maioria das falhas iniciais está relacionada com a mão de obra e não com defeitos intrínsecos do material.

4. Mantenha os dados: meça o desgaste, registe os incidentes e utilize a análise de tendências para fazer escolhas de materiais mais inteligentes nas reconstruções subsequentes.