72º Congresso Anual da ABM
Anais do Congresso Anual da ABM
ISSN 2594-5327
vol. 72, num. 1 (2017)
AVALIAÇÃO DA ADIÇÃO DE Nb2O5 COMO FORMADOR DE FASE
VÍTREA NO REFRATÁRIO DE ALTA ALUMINA *
Elton Douglas Heriger Pereira1
Camila Valentina Ribeiro Portilho2
José Charles Moraes de Oliveira3
Elias Fagury-Neto4
Adriano Alves Rabelo5
Resumo
Refratários de alta alumina apresentam boa refratariedade, elevada resistência
mecânica em altas temperaturas, boa resistência à variação bruscas de temperatura
sem se romper sendo utilizados em revestimento de panelas e válvulas siderúrgicas
devido sua propriedade anfótero e ter aplicações sobre à ação de escórias básicas.
Neste trabalho procurou-se avaliar o efeito de adições de 1,5; 3,0 e 4,5%p. de Nb2O5
em refratário de alta alumina, estes obtidos a partir de uma mistura de diversos tipos
de alumina, 5,0 %p. ZrO2 nanométrica (TZ-8Y) e agregado de mulita, sinterizados
em temperaturas de 1400 e 1600 °C. Como nestes refratários a ZrO2 não surte o
efeito de microtrincamento, a formação de fase vítrea a partir de Nb2O5 e a
incorporação de agregados ao refratário foram fundamentais nas propriedades
obtidas. Foram avaliadas propriedades tecnológicas como densidade e porosidade
aparente pelo método de Arquimedes, formação de fases por difração de raios-X e
análise microestrutural por microscopia eletrônica de varredura e resistência ao
choque térmico.
Palavras-chave: Fase vítrea; Nióbia; Resistência ao choque térmico.
EVALUATION OF THE ADDITION OF Nb2O5 AS A VITREA PHASE FORMER IN
HIGH ALUMINA REFRACTORY
Abstract
High alumina refractories show good refractoriness, high mechanical strength at high
temperatures, good resistance to sudden temperature variation without breaking and
being used in coating pans and steel valves due to their amphoteric properties and to
have applications on the action of basic slag. In this work we tried to evaluate the effect
of additions of 1,5; 3.0 and 4.5% wt. Of Nb2O5 in high alumina refractory, these obtained
from a mixture of various types of alumina, 5.0% wt. ZrO2 nanometer (TZ-8Y) and mullite
aggregate, sintered at temperatures of 1400 and 1600 ° C. As in these refractories ZrO2
does not have the effect of micro-cracking, the formation of glassy phase from Nb2O5
and the incorporation of aggregates to the refractory were fundamental in the properties
obtained. It was evaluated technological properties such as density and apparent
porosity by the Archimedes method, phase formation by X-ray diffraction and
microstructural analysis by scanning electron microscopy and resistance to thermal
shock.
Keywords: Vitreous phase; Thermal conductivity; Resistance to thermal shock.
1
2
3
4
5
Engenharia de Materiais, Graduando, Bolsista CNPq-PIBic, Instituto de Geociência e
Engenharias, Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará, Marabá, Pará, Brasil.
Engenharia de Materiais, Graduando, Bolsista FAPESPA-PIBic, Instituto de Geociência e
Engenharias, Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará, Marabá, Pará, Brasil.
Engenharia de Materiais, Mestrando, Instituto de Geociência e Engenharias, Universidade Federal
do Sul e Sudeste do Pará, Marabá, Pará, Brasil.
Engenharia de Materiais, Dr., Pro-reitor de Graduação da Universidade Federal do Sul e Sudeste
do Pará, Marabá, Pará, Brasil.
Engenharia de Materiais, Dr. Diretor Adjunto do Instituto de Geociência e Engenharias,
Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará, Marabá, Pará, Brasil..
* Contribuição técnica ao 72º Congresso Anual da ABM – Internacional e ao 17º ENEMET - Encontro
Nacional de Estudantes de Engenharia Metalúrgica, de Materiais e de Minas, parte integrante da
ABM Week, realizada de 02 a 06 de outubro de 2017, São Paulo, SP, Brasil.
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1 INTRODUÇÃO
No decorrer dos últimos anos, números mostram que o consumo de
refratários tem caído drasticamente, porém, isto prova que a indústria de refratários
tem se ajustado a nova realidade do setor siderúrgico, onde estes tem como sua
principal função atender as exigências inerentes à produção e refino de aço, além da
redução de custos, durabilidade ao ataque de escória, elevada resistência mecânica
em altas temperaturas, boa resistência à variações bruscas de temperatura sem se
romper e obtenção de produtos de elevada qualidade [4]. A partir de tais contextos
siderúrgicos, refratários de alta alumina, Al2O3-ZrO2 e Al2O3-ZrO2-Mul vem se
destacando principalmente em revestimentos de panelas de refino, distribuidores e
válvulas siderúrgicas devido estes terem carácter anfótero e propriedades de
resistência à corrosão por escórias básicas, choque térmico, propriedades
mecânicas à altas temperaturas e durabilidade frente às atuais solicitações
operacionais.
O intuito deste trabalho foi verificar a influência da variação de Nb2O5 como
formador de fase vítrea no refratário, tal formação é importante já que abre à
possibilidade de ganho na resistência mecânica devido à formação de fase vítrea
acarretando em uma maior densificação do mesmo, além de que, a condutividade
térmica na fase vítrea formada é maior acarretando também em uma maior
resistência ao choque térmico.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Para realização deste trabalho, foram utilizadas aluminas diferenciadas, de
modo a estimular a reatividade pelas diversas distribuições de tamanho de
partículas. Os óxidos usados foram: alumina calcinada, alumina reativa, essas
processadas na Hydro Alunorte, bem como alumina eletrofundida fornecidos pala
Cevipla Cerâmica & Equipamentos para Universidades Ltda, e alumina calcinada
com pureza (APCG, Alcoa Brasil). Além de diferentes aluminas se utilizou, zircônia
nanométrica estabalizada com 8% em mol. de Y2O3 (TZ8Y Tozoh Japan), nióbia
com pureza de 97,5% em mol (CBMM S.A) e agregados de eletrofundido de mulita.
A Tabela 01 expressa as formulações estabelecidas para o desenvolvimento
desse trabalho.
Tabela 01: Formulações utilizadas para confecção dos refratários.
Componente
Alumina APCG
Alumina calcinada
Alumina eletrofundida
Alumina reativa
Agregado de Mulita
Zircônia TZ8Y
Nióbia
F1(%p.)
45
7,5
15
7,5
20
5
0
F2(%p.)
44,1
7,35
14,7
7,35
20
5
1,5
F3(%p.)
43,2
7,2
14,4
7,2
20
5
3
F4(%p.)
42,3
7,05
14,1
7,05
20
5
4,5
Fonte: autor.
Os pós de partida foram pesados em balança digital de precisão, na
proporção de acordo com as formulações já especificadas na Tabela 01 e todos
adicionados em recipiente de polietileno sem pigmentação, juntamente com 1,0%p.
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de PVB (Butvar B-98) para atuar como defloculante na formação da barbotina, bem
como álcool isopropílico e esferas de zircônia como meio de moagem nas
proporções condizentes com a melhor eficiência do processo. Em seguida o
recipiente foi colocado no moinho de bolas por 1,5 h para homogeneização da
mistura, dando origem a uma barbotina. Posteriormente utilizou-se jato de ar quente
para a secagem da solução, e o material sólido resultante foi peneirado em peneira
1,8 mesh devido a presença do agregado de mulita grosseiro.
O passo seguinte foi a conformação dos corpos de prova, utilizando prensa
hidráulica manual com prensagem uniaxial, onde o resultou na fabricação de corpos
de prova s corpos do tipo prismaticos. Na conformação utilizou-se uma pré-carga de
2,5 toneladas por 10 segundos, uma carga intermediária de 5,0 toneladas durante
10 segundos e uma carga final de 7,5 toneladas durante 10 segundos. Após a
conformação, as amostras foram secas em estufa por 24h a 100 °C (±5 °C). Seguiuse, então, com calcinação a 300 °C/1h em forno mufla com taxa de aquecimento de
1 °C/min, assim, os CP’s foram sinterizados nas temperaturas de 1400 e 1600 ° por
5 horas, com taxa de aquecimento de 10 °C/min até 800 °C; 5 °C/min de 800 a 1400
°C; e 3 °C/min de 1400 a 1600 °C para os casos necessários. O resfriamento foi
lento, no próprio forno com taxa de aproximadamente 13 °C/min.
Por fim, os CP's sinterizados foram pesados e mensurou-se suas dimensões
com auxilio de paquímetro de precisão.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Propriedades Tecnológicas
Os resultados obtidos através do ensaio de Arquimedes estão expressos na
Tabela 2. Estes demonstram as propriedades tecnológicas de Absorção de Água
(AA), Porosidade Aparente (PA) e Densidade Aparente (DA) e retração linear de
queima (RLQ). Os dados tabelados são médias obtidas após tratamento estatístico
dos resultados individuais dos corpos de prova submetidos à sinterização nas
diferentes temperaturas.
Tabela 02: Resultados das propriedades tecnológicas das amostras.
Temperatura Formulação
F1
1400 °C
F2
F3
F4
F1
1600 °C
F2
F3
F4
AA (%)
11,92
9,59
6,22
6,24
6,34
PA (%)
30,72
25,72
17,87
17,53
19,01
DA (g/cm3)
2,88
2,94
3,08
3,04
3,20
RLQ (%)
0,67
1,70
1,75
5,64
5,38
8,63
1,60
2,87
24,20
5,37
9,04
3,08
3,40
3,25
5,89
6,27
5,64
Fonte: autor.
Em uma análise dos resultados obtidos, é necessário uma atenção especial
para a formulação F3 e F4, mesmo em temperaturas de sinterização onde ocorreu
baixa formação de fase vítrea, conforme será mostrado na Microscopia eletrônica de
Varredura, essas formulações chamam a atenção devido uma diminuição
significativa nos teores de absorção de água e de porosidade aparente, quando
comparados com os resultados com os da formulação F1 que não possui adição de
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Nb2O5. Isso pode ser atribuído devido a adição da Nb 2O5 em teores acima de 3,0%p.
nesta formulação, favoreceu a densificação dos corpos de prova, já nas amostras
sinterizadas a 1600 °C devido a formação de fase vítrea em grandes quantidades
houve uma brusca diminuição de absorção de água e porosidade aparente na
microestrutural, tal fato é atribuído principalmente pelo aumento da força motriz de
sinterização, tempo, além de que na presença de fase liquida durante a sinterização
a consolidação das partículas é aumentada drasticamente. Nota-se que houve um
aumento na absorção de água e porosidade aparente da formulação F3 para a F4,
essa anomalia pode ser explicada devido na formulação F3 apesar de menor teor de
Nb2O5 a formação de fase liquida durante a sinterização foi maior quando
comparado com a formulação F4, isso deve ao fato que com teores de Nb2O5 acima
de 3,0%p. durante a sinterização houve formação de algum tipo de fase vapor em
vez de fase liquida.
Com a variação das formulações percebe-se que as propriedades
tecnológicas melhoraram gradativamente para praticamente todos os casos. F3 a
1600 ºC obteve uma porosidade de 5,37%, um resultado significativo se levarmos
em consideração o tipo de aplicação do refratário. Deve-se ressaltar que, os poros
encontrados na microestrutura são poros considerados pequenos e bem distribuídos
na microestrutura o que melhora ainda mais as propriedades térmicas destes além
de estes se enquadrarem no tipo de refratário de baixa porosidade que possuem
melhor resistência ao ataque químico, à corrosão, à penetração de gases, escórias,
metal líquido e erosão, levando este tipo de refratário um forte candidato para
revestimento de panelas siderúrgicas usadas na Aciária.
3.2 Analise Mineralógica por Difração de Raios X
Como era previsto, a predominância de picos estão relacionados a picos de
zircônia (z), a alumina (c) na forma de coríndon e mulita (m) são os elementos
predominantes na microestrutura dos diferentes refratários, havendo picos
secundários que podem estar relacionados a outras formas de alumina (A), mas que
não foram destacados por não serem relevantes no momento.
Figura 01. Difratogramas a 1400 °C para as diferentes formulações.
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Destaca-se que a partir de 3,0%p. de Nb2O5 houve formação de uma nova
fase, onde Nb2O5 reagiu com a Alumina formando a fase AlNbO 4 (an).
Deve-se levar em consideração que os corpos de provas que foram
submetidos a Difração de Raios-X foram somente aqueles sinterizados a 1400 °C
devido a pouca formação de fase vítrea encontrado nestes, todavia deve-se
destacar, segundo Acchar [5], neste tipo de refratário sinterizados a temperaturas
acima de 1550 °C a formação da fase AlNbO4 acontece de forma mais acentuada
em temperaturas de sinterização maiores.
3.3 Microscopia eletrônica de Varredura
Neste subtópco foram destacadas algumas imagens por microscopia
eletrônica de varredura, levando em consideração as fases de formação relevantes
para este trabalho.
a dd d
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 02. Micrografias de refratários sinterizados a 1600 °C. (a) F1 0% Nb2O5 (b) F2 1,5%p. Nb2O5
(c) F3 3,0%p. Nb2O5 (d) F4 4,5%p. Nb2O5
Na figura 01, (a) e (b), nota-se uma microestrutura com uma dispersão de
Zircônia bastante homogênea nos pontos triplos dos grãos, onde a zircônia neste
caso atua como um reforço na matriz de Alumina, aumentando assim sua
tenacidade à fratura. Na imagem (b) com 1,5%p. de Nb2O5 não houve formação de
fase vítrea a partir da adição de Nb2O5, assim a microestrutura ficou bastante
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parecida com a microestrutura da imagem (a), nota-se uma distribuição de grãos
grandes, onde estes são de Alumina Calcinada e grãos pequenos e esféricos de
Alumina Reativa.
Nas imagens (c) e (d) são relacionadas as formulações com maior percentual
de Nb2O5, nesta temperatura de sinterização houve formação de fase vítrea a partir
de Nb2O5, esta formação foi comprovada a partir do ensaio de EDS durante a
micrografia eletrônica de varredura, logo esta fase liquida formada durante a
sinterização, quando vitrificada, segregou para os contornos de grãos da Alumina,
envolvendo o grão. Na figura (c) é possível ver grãos de alumina envolvidos pela
fase vítrea, principalmente os grãos de maior reatividade, como os grãos de Alumina
Reativa e Calcinada. No caso da Alumina Calcinada a fase liquida durante a
sinterização levou esta a um crescimento anormal de grão, Hassan [6] afirma que o
aumento do teor de Nb2O5 favorece o crescimento anormal dos grãos de Al2O3, Hsu
[7] também constatou que há aumento da densificação, assim como o aumento do
crescimento de grão, com o aumento do teor de Nb2O5 e uso de temperaturas mais
elevadas. Nota-se também que com maiores teores de Nb2O5 houve dispersão de
partículas de Zircônia sobre o grão eletrofundido de Mulita.
(a)
(b)
Figura 03. Formação de fase vítrea a partir de da Nb2O5 e segregação nos contornos de grão de
Alumina. Amostra, F4-4,5%p. de Nb2O5. (a) Sinterização à 1600 °C/5h, (b) Sinterização à 1400 °C/5h.
Na figura 03, observa-se que a temperatura de sinterização foi determinante
na microestrutura obtida, em (a) vemos que houve uma grande formação de fase
líquida e durante a solidificação deste a fase vítrea segregou para os contornos de
grão dos grãos de Alumina, em alguns casos levando até a um crescimento anormal
de grão, como mostrado anteriormente. Em (b) nota-se uma leve formação de fase
vítrea, nota-se também que em (b) os poros abertos são de maiores tamanhos, este
fato, como explicado nas propriedades tecnológicas está associado a formação de
maior quantidade de fase líquida durante a sinterização, onde em (a) é maior que
em (b).
O EDS foi utilizado diversas vezes para confirmação da composição nos
pontos e microestruturas estudadas, sendo que, como era de se esperar, os
espectros apontaram os elementos pertinentes às fases identificadas visualmente.
3.4 Resistência ao Choque Térmico
Dos 16 corpos de prova submetidos ao choque térmico, onde estes foram 2
CP de cada formulação para as duas temperaturas de sinterização, nenhum destes
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apresentaram falha catastrófica assim como a presença de trincas a olho nu durante
as ciclagens térmicas. É importante lembrar que a alumina é reconhecida por sua
baixa resistência ao choque térmico, devido a isso a incorporação da adição de
Nb2O5 formando fase vítrea aumenta a condutividade térmica e assim melhora
propriedades de resistência ao choque térmico.
Na tabela 3 podemos verificar que todos os corpos de prova, mesmo os que
não foram adicionados Nb2O5 apresentaram uma bom comportamente frente a
ciclagem térmica, sem apresentarem trincas e sem apresentarem fratura, para as
formulações F1 e F2 que possuem 0%p. e 1,5%p. de Nb 2O5 o fato destes
apresentarem boa solicitação frente ao choque térmico pode ser explicado em
virtude da presença da Zircônia e de partículas grosseiras como Alumina
eletrofundida e Agregados eletrofundidos de Mulita que causam microtrincamento na
matriz além de também a presença de poros de pequenos tamanho distribuídos ao
longo da matriz.
A temperatura de ensaio 800 °C vai até cerca de 70% da temperatura de trabalho
para esse tipo de refratário quando aplicado na indústria siderúrgica de metalurgia
de panela, sendo capaz de gerar tensões térmicas suficientes para simular as
solicitações de serviço.
Tabela 03: Observações tomadas nos ensaios de choque térmico para barrinhas sinterizadas a 1400 e
1600°C , indicando o ciclo em que surgiu a primeira trinca (visível a olho nu) e o ciclo no qual ocorreu
ruptura do CP. A indicação >15 representa as amostras que suportaram todos os ciclos sem fratura.
Δ800 °C
Temperatura de sinterização
e Formulação
Quantidade
de CP
1400 °C
1600 °C
F1
F2
F3
2
2
2
Ciclo em que
apareceu a 1°
trinca
-
Ciclo da
fratura
F4
2
-
>15
F1
2
-
>15
F2
2
-
>15
F3
2
-
>15
F4
2
-
>15
>15
>15
>15
Fonte: autor.
De acordo com a figura 04, nota-se que os valores de resistência ao choque
térmico não difere muito dos valores dos refratários que não tiveram ciclagens
térmicas, isso demonstra que as diferentes formulações mostraram um bom
desempenho frente ao choque térmico. Percebe-se que os valores do Módulo de
ruptura a flexão foram maiores nos corpos de prova sinterizados a 1600 °C e com
formação de fase vítrea na microestrutura.
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(b)
Figura 04. Comparativas do MRF nas diferentes formulações com e sem choque térmico. Em (a)
temos os CP sinterizados a 1600 °C e em (b) temos a 1400 °C.
Nota-se que alguns valores de do módulo de ruptura a flexão foram mais altos
mesmo nos corpos de prova que passaram pela ciclagem térmica, isso pode ser
associado à grande dispersão de valores quando um corpo cerâmico é ensaiado,
que está associado tanto a quantidade de defeitos, como ao próprio processo que o
ensaio foi executado, assim, conclui-se que para uma melhor validação dos
resultados é sugerido que mais corpos de prova sejam ensaiados além de um
tratamento estatístico de Weibull.
4 CONCLUSÃO
A análise dos refratários estudados revelou microestruturas compostas de αalumina, mulita e AlNbO4, todas de alta refratariedade, evidenciando os resultados
obtidos fora dos padrões normais. Destaca-se a presença da zircônia estabilizada
como o principal mecanismo de reforço da matriz e de propíciar boa resistência
mecânica, onde a resistência mecânica também está associada com a adição de
Nb2O5 e formação de fase liquída durante a sinterização.
A formação de fase vítrea foi mais apreciável nas formulações com maior teor
de Nb2O5 F3 e F4 e sinterização de1600 °C/5h, porém em F4 temos uma menor
formação de fase liquida que em F3, isso está associado devido que com essa
porcentagem de Nb2O5 houve formação de fase vapor, isso acarretou em um
aumento da AA e da PA quando comparado com F3. Os agregados eletrofundidos
de Mulita assim como a fase vítrea formada teve um papel determinante na
propriedade de resistência ao choque térmico, uma vez que a fase Mulita tem uma
melhor resistência frente ao choque térmico que a fase matriz de Alumina, além
desta possuir uma granulometria grosseira que ajuda com o microtrincamento na
matriz, já em relação a fase vítrea aumenta a condutividade térmica do refratário o
que acarreta em uma propriedade quando submetido a diferentes gradientes de
temperatura.
Dentre todas as formulações, destaca-se, a formulação F3 (3,0%p. de Nb2O5)
que obteve os melhores resultados de propriedades tecnológicas, assim como de
resistência mecânica e uma boa resistência frente ao choque térmico sem sofrer
muito dano. Destaca-se também sobre essa formulação a formação de fase vítrea e
segregação desta nos contornos de grão da Alumina Calcinada, uma boa dispersão
de partículas de Zircônia sobre a matriz, inclusive em grãos de agregado de mulita e
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uma presença pequena de poros onde estes são de pequeno tamanho e bem
distribuídos pela microestrutura, o que ajuda em aplicações onde estes estão
submetidos a ataque de escórias, como por exemplo, a linha de escória, em fornos
siderúrgicos de tipo panela, ou seja, a porosidade elevada, em aplicações como a
siderurgia, é fator preponderante para a degradação dos refratários.
Dessa forma, as formulações estudadas neste trabalho são promissoras se
considerarmos suas aplicações e os resultados das propriedades termomecânicas
avaliadas aqui.
Agradecimentos
O presente trabalho foi realizado com apoio do Conselho Nacional de
Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico – CNPq – Brasil.
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Propriedades microestruturais. Cerâmica 58, 2012, 280-285
[3] C. S. Bitencourt, V.C. Pandolfelli. Refratários contendo carbono:
propriedades, características e variáveis em sua composição. Cerâmica, 59,
2013, 84-114.
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desgaste dos refratários MgO-C usados na linha de escória de panelas de aço.
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Dissertação (Mestrado em Ciência dos Materiais) – Instituto Militar de Engenharia,
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