Alto Forno

0
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MINAS,
METALÚRGICA E DE MATERIAIS (PPGE3M)
JAKSON MATTIELLO
ESTUDO DE CARACTERIZAÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO

OPERACIONAL DOS PRINCIPAIS COMPONENTES REFRATÁRIOS UTILIZADOS
EM FORNOS ELÉTRICOS A ARCO
Porto Alegre
2016
1
JAKSON MATTIELLO

Dissertação submetida ao Programa de

Pós Graduação em Engenharia de Minas,
Metalúrgica e de Materiais (PPGE3M) da
Universidade Federal do Rio Grande do
Sul, como requisito parcial à obtenção do
título de Mestre em Engenharia, área de
concentração de Ciência e Tecnologia
dos Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Saulo Roca Bragança
Porto Alegre
2016
2
JAKSON MATTIELLO

Esta dissertação foi analisada e julgada

adequada para a obtenção do título de
Mestre em Engenharia, em área de
concentração de Ciência e Tecnologia de
Materiais, e aprovada em sua forma final
pelo Orientador e pela Banca
Examinadora designada pelo Programa
de Pós Graduação em Engenharia de
Minas, Metalúrgica e de Materiais da
Universidade Federal do Rio Grande do
Sul.
______________________________________________________
Orientador: Prof. Dr. Saulo Roca Bragança
Aprovado em: ____ / ____ / _________
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Pedro Melo – UFRGS __________________________________
Prof. Dr. Wagner Vianna – UFRGS __________________________________
Dr. Ricardo T. da Cruz – IFRGS __________________________________
Porto Alegre
2016
3
A minha família
que sempre me apoiou e deu força.
Ao meu orientador pelo incentivo e ajuda
em todos os momentos dedicados a este trabalho.
4
AGRADECIMENTOS
A minha família por sempre acreditar na minha capacidade e me incentivar a

estudar.
A minha namorada Márcia pelo incentivo e companheirismo.
Ao Prof. Dr. Saulo Roca Bragança, pela orientação, amizade e pelo grande
apoio durante o período de execução deste trabalho, expresso a minha profunda
gratidão.
À Gerdau Riograndense, em especial aos Eng. Tiago Alliatti Beleza e Sandro
Luiz Zahner por possibilitarem a realização deste trabalho.
Ao Dr. Ricardo Thomé da Cruz e ao Eng. Rafael Sonaglio por toda a ajuda
durante a realização do trabalho.
Aos amigos Márcio Samuel Fernandes Maurer, Alexandro Oliveira e Rafael
Santiago pelo apoio na execução do trabalho.
5
RESUMO
O setor siderúrgico, assim como os demais setores da indústria, vem buscando

alternativas para a redução dos custos de produção e aumento de produtividade. Em
aciarias elétricas, os principais custos de produção do aço podem ser divididos, de
forma simplificada, entre o custo dos insumos e o custo das matérias primas. Os
refratários estão entre os cinco maiores custos na produção do aço em usinas semi-
integradas. Entretanto, o conhecimento detalhado da microestrutura e do
comportamento desses materiais ainda é bastante restrito aos seus fabricantes.
Tendo em vista a importância dos refratários na produção do aço, este trabalho teve
como objetivo gerar conhecimento acerca de sua microestrutura e comportamento
em operação, com foco na diminuição do consumo e maximização dos lucros da
empresa. Para tal, com o intuito de conhecer detalhadamente sua microestrutura e
prever seu desempenho, foram realizadas análises de caracterização em laboratório
e testes que simularam as condições de operação. Após os testes laboratoriais, os
materiais selecionados foram testados em operação em forno elétrico a arco,
buscando encontrar o melhor conjunto de materiais sob o ponto de vista de
estabilidade do processo e custo de refratários. O cenário que apresentou melhores
resultados em relação à performance e ao consumo específico foi a configuração A,
onde foram utilizados os tijolos A, massa de soleira X, massa de reparo K e canal
EBT P. Além disso, a substituição do tijolo C pelo tijolo A gerou uma redução de
custo de 40%, e o conhecimento gerado com a caracterização do canal EBT
proporcionou uma redução de 29,9% no preço desse item.
Palavras-chave: refratários; aciaria; forno elétrico a arco.

6
ABSTRACT
The steel industry, like other sectors of the industry, is seeking alternatives to reduce
production costs and increase productivity. In electric steelworks, the main steel
production costs can be divided, in a simplified way, between the cost of inputs and
the cost of raw materials. Refractories are among the five largest costs in steel
production in semi-integrated mills (mini-mills). However, detailed knowledge of the
microstructure and behavior of these materials is still quite restricted to their
manufacturers. Given the importance of the refractories in the production of steel,
this study aimed to generate knowledge about their microstructure and behavior in
operation, focusing on the reduction of consumption and maximization of profits. For
that, in order to know in detail the microstructure and predict its performance,
characterization analyzes and tests simulating the operating conditions were
performed in the laboratory. After laboratory tests, the selected materials have been
tested in operation in electric arc furnace, seeking to find the best set of materials
from the point of view of stability of the process, and cost of refractories. The
scenario that best results presented, in terms of performance and the specific
consumption, was Configuration A, where bricks A, ramming mix X, repair mix K and
EBT P were used. Moreover, the replacement of Brick B by brick A, generated a cost
reduction of 40%, and the information gathered with the characterization of EBT,
reduced the price of that item by 29.9%.
Keywords: refractories; steelmaking; electric arc furnace.

7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Principais linhas de produção do aço.................................................... 18

Figura 2 – Fluxo de produção típico de uma aciaria de aços carbono................... 19
Figura 3 – Forno Elétrico a Arco (FEA)................................................................... 22
Figura 4 – Fluxo do processo de carregamento e operação do forno elétrico da
Gerdau Riograndense............................................................................................. 23
Figura 5 – Jato supersônico convencional e jato supersônico coerente............... 23
Figura 6 – Modelo convencional e EBT.................................................................. 24
Figura 7 – Componentes que podem ser utilizados em um distribuidor de LC..... 25
Figura 8 – Esquema de solidificação de aço no molde.......................................... 26
Figura 9 – Estimativa de consumo de refratários por indústria.............................. 27
Figura 10 – Consumo de materiais refratários no mundo...................................... 28
Figura 11 – Construção Forno Elétrico a Arco....................................................... 29
Figura 12 – Forno elétrico a arco em corte e detalhe do conjunto EBT................. 30
Figura 13 – Efeito do tratamento térmico sobre a tendência a hidratação,
tamanho de grão e densidade de compostos de magnésia levemente
calcinada................................................................................................................. 33
Figura 14 – Representação das Energias Interfaciais (γSL - Sólido - Líquido,
γLV - Líquido - Vapor, γSV - Sólido - Vapor) e Ângulo de Contato........................ 34
Figura 15 – Esquema geral do mecanismo de corrosão de refratários óxido-
carbono................................................................................................................... 37
Figura 16 – Diagrama esquemático da penetração de escória líquida em
refratário.................................................................................................................. 38
Figura 17 – Diagrama simplificado de fase CaO – MgO........................................ 42
Figura 18 – Diagrama de fase CaO - SiO2............................................................. 43
Figura 19 – Diagrama de fases MgO - SiO2.......................................................... 44
Figura 20 – Corte isotérmico a 1600ºC no diagrama CaO - SiO2 – MgO............. 45
Figura 21 – Sistemas CaO - FeO e CaO - F2O3.................................................... 46
Figura 22 – Sistemas MgO - FeO e MgO - F2O3................................................. 47
Figura 23 – Efeito do MgO sobre as isotermas de solubilidade a 1600ºC no
sistema CaO - MgO - FeO - SiO2 em contato com ferro metálico....................... 48
Figura 24 – Vista em corte da montagem dos tijolos de segurança do forno...... 49
8
Figura 25 – Vista superior da montagem dos tijolos de trabalho do forno elétrico

a arco...................................................................................................................... 50
Figura 26 – Montagem dos tijolos do forno elétrico a arco..................................... 50
Figura 27 – Imagem da porta de escória do forno................................................. 51
Figura 28 - Vista em corte da montagem do bloco da porta de escória do FEA.... 51
Figura 29 – Formas para acomodação da massa na carcaça do forno................. 52
Figura 30 – Detalhe da montagem do canal EBT e corte d região de vazamento
do forno.................................................................................................................. 53
Figura 31 - Amostras de massas refratárias de socagem ( A, B, C )..................... 55
Figura 32 - Amostras de massas de reparo a quente (D, E).................................. 55
Figura 33 – Luva refratária do canal EBT............................................................... 56
Figura 34 – Materiais refratários utilizados no forno - Configuração A.................. 60
Figura 35 – Materiais refratários utilizados no forno - Configuração B.................. 60
Figura 36 – Esquema de realização do teste.......................................................... 60
Figura 37 – Diminuição do percentual do FeO ao longo dos anos......................... 62
Figura 38 – Consumo de massa de reparo a quente.............................................. 63
Figura 39 – Variação no percentual de Mgo da escória......................................... 63
Figura 40 – Imagem em lupa eletrônica tijolos MgO-C das amostras A, B e C..... 64
Figura 41 – Microestrutrura em MEV em diferentes magnitudes (Tijolo A)............ 65
Figura 42 – Microestrutrura em MEV em diferentes magnitudes (Tijolo B)............ 66
Figura 43 – Microestrutrura em MEV em diferentes magnitudes (Tijolo C)............ 66
Figura 44 – Composição química via EDS (Tijolo B).............................................. 67
Figura 45 – Composição química via EDS (Tijolo A).............................................. 68
Figura 46 – Composição química via EDS (Tijolo C).............................................. 68
Figura 47 – Difratograma (Tijolo A)......................................................................... 70
Figura 48 – Difratograma (Tijolo C)......................................................................... 70
Figura 49 – Difratograma (Tijolo B)......................................................................... 71
Figura 50 – Curvas da análise termogravimétrica (TG) e análise
termogravimétrica diferencial (DTG) das amostras de tijolos A, B e C com as
transformações ocorridas durante a análise........................................................... 72
Figura 51 – FTIR com a identificação dos picos principais (Tijolos A, B e C)........ 73
Figura 52 – Comparação da distribuição granulométrica das massas
refratárias de reparo............................................................................................. 75
Figura 53 – Comparação da distribuição granulométrica das massas refratárias
9
de socagem............................................................................................................ 76
Figura 54 – Análise comparativa - Massas de reparo (K e J) – Técnica de
difração de raios X.................................................................................................. 77
Figura 55 – Análise comparativa - Massas de socagem (X, Y e Z) – Técnica de
difração de raios X.................................................................................................. 77
Figura 56 – Fração fina (passante # 48) das massas refratárias sinterizadas a
1400ºC.................................................................................................................... 78
Figura 57 – Difração de raios-X (Luva P)............................................................... 80
Figura 58 – Aspecto Geral (Luva P)....................................................................... 81
Figura 59 – Análise química via microssonda (Luva P) / Pontos e áreas
relacionados à Tabela 5......................................................................................... 81
Figura 60 – Análise química via microssonda (Luva P) / Pontos e áreas
relacionados à Tabela 6.......................................................................................... 83
Figura 61 – Difração de raios-X (Luva Q)............................................................... 84
Figura 62 – Análise química via microssonda (Luva Q) / Pontos e áreas
relacionados à Tabela 7.......................................................................................... 85
Figura 63 – Difração de raios- X (Luva R).............................................................. 86
Figura 64 – Análise química via microssonda (Luva R) / Pontos e áreas
relacionados à Tabela 8....................................................................................... 87
Figura 65 – Luvas P, Q e R (após o uso).............................................................. 88
Figura 66 – Consumo específico de refratários do FEA - Configuração A............. 89
Figura 67 – Consumo específico de refratários do FEA - Configuração B............. 90
Figura 68 – Consumo de refratários por região do FEA......................................... 91
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Refratários Utilizados por Região e Sub-região do Forno........................30

Tabela 2 – Composição química das massas refratárias...........................................74
Tabela 3 – Retração dos corpos de prova sinterizados a 1400°C.............................78
Tabela 4 – Composição química das luvas EBT........................................................79
Tabela 5 – Análises dos pontos e áreas da Figura 59...............................................82
11
LISTA DE SÍMBOLOS
AF Alto-forno
Al Alumínio
Al2O3 Alumina
Al4C3 Carbeto de alumínio
AlN Nitreto de alumínio
B4C Carbeto de boro
BOF Basic oxygen furnace
C Carbono
C2S Silicato de cálcio
CaB2 Diboreto de cálcio
CaO Óxido de cálcio
CO Monóxido de carbono
Cu Cobre
DRX Difração de raios X
DTG Termogravimetria derivada
EBT Eccentric Bottom Tapping
EDS Energy dispersive x-ray
EOF Energy optimizing furnace
Fe2O3 Óxido de ferro (Hematita)
FEA Forno elétrico a arco
FeO Óxido de ferro (Wustita)
FRX Fluorescência de raios X
FTIR Espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier
K Temperatura Kelvin
LC Lingotamento contínuo
LD Linz-Donawitz
MEV Microscópio eletrônico de varredura
Mg Magnésio
MgCO3 Carbonato de magnésio
MgO Óxido de magnésio
Mn Manganês
12
MnO Óxido de manganês

N2 Nitrogênio
P Fósforo
RD Redução direta
RF Redução fusão
S Enxofre
Si Silício
SiC Carbeto de silício
SiO2 Óxido de Silício
Sn Estanho
TG Termogravimetria
ZrB2 Diboreto de zircônio
 Tensão
13
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.............................................................................. 15
2 REVISÃO DA LITERATURA......................................................... 17
2.1 PRINCIPAIS ROTAS DE PRODUÇÃO DO AÇO.......................... 17
2.1.1 Produção de Aço em Usinas Integradas................................... 18
2.1.2 Produção de Aço em Usinas Semi-integradas.......................... 19
2.2 ACIARIA ELÉTRICA...................................................................... 19
2.2.1 Pátio de Sucatas.......................................................................... 20
2.2.2 Refino Primário dos Aços em Forno Elétrico a Arco............... 21
2.2.3 Refino Secundário....................................................................... 24
2.2.4 Lingotamento Contínuo.............................................................. 25
2.3 REFRATÁRIOS.............................................................................. 26
2.3.1 Refratários Usados em Fornos Elétricos a Arco...................... 28
2.3.2 Refratário Magnesíticos.............................................................. 32
2.3.3 Refratários de Magnésia Carbono (MgO-C)............................... 34
2.4 MECANISMOS DE DESGASTE DOS MATERIAIS DOS 36
REFRATÁRIOS..............................................................................
2.4.1 Corrosão Química........................................................................ 37
2.4.2 Mecanismos de Desgaste Termomecânicos............................. 38
2.4.2.1 Choque Térmico.................................................................... 39
2.4.2.2 Abrasão e Erosão................................................................. 40
2.5 ESCÓRIAS..................................................................................... 41
3 MATERIAIS E MÉTODOS............................................................. 49
3.1 DADOS TÉCNICOS DO FORNO EM ESTUDO............................ 49
3.1.1 Montagem Refratária do Forno Elétrico a Arco........................ 49
3.2 REFRATÁRIOS ESTUDADOS...................................................... 53
3.2.1 Tijolos MgO-C............................................................................... 53
3.2.2 Massas Refratárias de Cura a Quente....................................... 54
3.2.3 Conjunto EBT............................................................................... 55
3.3 ANÁLISES REALIZADAS.............................................................. 56
3.3.1 Análise Granulométrica............................................................... 57
3.3.2 MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura)............................. 57
3.3.3 DRX (Análise de Difração por raios X)...................................... 58
14
3.3.4 Análise Termogravimétrica (TG e DTG)..................................... 58

3.3.5 Análise de Fluorescência de raios X (FRX).............................. 58
3.3.6 Análise por Infravermelho (FTRI)............................................... 59
3.3.7 Ensaio de Sintetização................................................................ 59
3.4 TESTE DOS REFRATÁRIOS EM OPERAÇÃO............................ 59
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO..................................................... 62
4.1 AVALIAÇÃO DOS DADOS DE PROCESSO DA ACIARIA........... 62
4.2 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS REFRATÁRIOS.............. 64
4.2.1 Caracterização dos Tijolos MgO-C............................................. 64
4.2.1.1 Análise por Imagem (Lupa Eletrônica)........................................ 64
54.2.1.2 Caracterização Microestrutural (MEV/EDS)................................ 64
4.2.1.3 Difração de Raios X (DRX)........................................................... 69
4.2.1.4 Análise Termogravimétrica (TG e DTG) e Infravermelho (FTIR)... 71
4.2.2 Caracterização das Massas ....................................................... 74
4.2.3 Análise das Luvas EBT................................................................ 79
4.3 RESULTADOS OPERACIONAIS.................................................. 88
5 CONCLUSÕES................................................................................ 92
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................ 96
REFERÊNCIAS............................................................................................. 97
15
1 INTRODUÇÃO
O aço é um dos materiais mais utilizados no mundo e por ser um produto

pertencente à classe de commodities, seu preço normalmente é determinado pelo
mercado, dessa forma, cabe às empresas atuarem internamente para reduzir ao
máximo seus custos de produção.
O consumo de refratários por tonelada de aço produzido no Brasil tem
diminuído constantemente ao longo dos anos, saindo de valores de 40 kg/t nos anos
70 para menos de 10 kg/t atualmente. Esse comportamento está bastante ligado ao
fato dos fabricantes de refratários estarem constantemente desenvolvendo materiais
de melhor qualidade e preços competitivos. Porém, para alcançar custos cada vez
mais baixos é necessário um profundo conhecimento do processo de aciaria assim
como a escolha correta dos materiais refratários.
Entretanto, a substituição dos materiais refratários em aciarias não é uma
tarefa simples, pois os impactos de uma escolha mal executada de determinado
componente refratário pode comprometer, além do custo do aço, o desempenho da
aciaria e a segurança das pessoas. Sendo assim, é necessário um estudo detalhado
dos materiais e processos para que as alterações, quando realizadas, tragam bons
resultados operacionais e assegurem a segurança das pessoas.
Neste trabalho foram estudados os principais componentes refratários
utilizados em fornos elétricos a arco. Com o objetivo de aumentar o conhecimento
acerca das matérias primas, empregadas na confecção destes materiais, todos os
refratários foram submetidos a análises microestruturais e de composição química.
Além disso, uma parcela desses materiais foi selecionada e testada em escala
industrial com o objetivo de comprovar a qualidade dos materiais, além de comparar
diferentes tipos de refratários em condições de operação semelhantes.
Este trabalho tem como objetivo geral a diminuição do custo dos refratários
dos fornos elétricos a arco, através do conhecimento detalhado dos materiais
empregados e de possíveis materiais substitutos. Além disso, serão estudados
dados históricos para compreender melhor a influência dos parâmetros de processo
da Aciaria no consumo de refratários.
Os objetivos específicos do trabalho são caracterizar os principais materiais
refratários utilizados em fornos elétricos a arco, testando os mesmos em escala
industrial com o objetivo de correlacionar a microestrutura dos materiais com seu
16
desempenho em operação, identificando os refratários que melhor atendam as

condições operacionais exigidas e que possuam o menor custo possível.
17
2 REVISÃO DA LITERATURA
Para nortear esse trabalho investigativo, e com finalidade de fundamentá-lo

teoricamente, foram consultadas bibliografias publicadas e materiais correlatos.
Buscou-se construir uma visão abrangente acerca de pesquisas e
contribuições anteriores relacionadas ao tema estudado, objetivando o aumento do
conhecimento do autor sobre o tema, assim como o enriquecimento científico do
trabalho.
Seguem na sequência, as bases conceituais sobre as quais recai o estudo
realizado para a elaboração dessa dissertação.
2.1 PRINCIPAIS ROTAS DE PRODUÇÃO DO AÇO
O aço é uma liga metálica que contém geralmente de 0,002 a 2,11% de

carbono, além de outros elementos de liga, sendo empregado de forma intensiva em
numerosas aplicações tais como máquinas, ferramentas e construções. Existem
atualmente duas rotas principais para a produção de aço no mundo:
a) Usinas Integradas: operam as três fases de transformação do processo
siderúrgico – redução, refino e laminação, produzindo aço a partir do ferro-
gusa líquido proveniente do alto-forno. A transformação do ferro-gusa em aço
é feita em conversores a oxigênio (LD/BOF).
b) Usinas Semi-integradas: operam somente duas fases do processo siderúrgico
– refino e laminação, utilizando como carga metálica sucata, ferro-gusa e/ou
ferro esponja, matérias-primas que são carregadas em fornos elétricos a arco
(FEAs), onde é realizada a fusão da carga e refino primário do aço.
Ambas rotas podem ser identificadas na figura que segue.
18
Figura 1 – Principais linhas de produção do aço
Fonte: ROSSI (modificado), 2014.
Atualmente, dois terços do total de aço produzido no mundo (1,6 bilhões de

toneladas) provém de usinas integradas com conversores a oxigênio (LD/BOF).
Praticamente, o restante da produção mundial provém de usinas semi-integradas
com fornos elétricos a arco. Existem também processos como o de redução direta
(RD), redução fusão (RF) e EOF (Energy Optimizing Furnace). Porém, esses são
responsáveis por um menor volume de produção (ROSSI, 2014).
2.1.1 Produção de Aço em Usinas Integradas
Em usinas integradas, a produção do aço tem como matéria-prima principal o

minério de ferro e, como reatores, o alto-forno (AF) e o conversor da aciaria.
Sinteticamente, o alto-forno é um reator que opera em contracorrente, cuja
carga metálica ferrosa, carregada pelo topo, desce em direção a uma “zona de
reação”. Juntamente com a carga metálica, são carregados o coque ou o carvão
vegetal, matérias-primas responsáveis por fornecer energia química e produzir os
gases redutores.
A redução dos óxidos de ferro se processa, à medida que o minério, o agente
redutor e os fundentes (calcário ou dolomita), descem em direção contrária aos
gases oriundos da queima do carbono que reagem com o oxigênio do ar, soprado
pelas ventaneiras, localizadas na parte inferior do alto-forno (ARAÚJO, 1997).
19
O produto do alto-forno chama-se ferro-gusa, (ferro com teores de carbono

entre 4 e 5%), e o mesmo será utilizado como matéria prima no processo de refino,
realizado em reatores conhecidos como conversores ou convertedores da aciaria.
Nesses equipamentos, utiliza-se como carga, basicamente, ferro-gusa líquido,
sucata de aço e fundentes. A composição química e temperatura do aço serão
ajustadas pela injeção de oxigênio através de uma lança inserida pela parte superior
do conversor.
As principais vantagens do processo LD/BOF são a alta produtividade,
podendo atingir 600 toneladas por hora e a possibilidade de fabricação de uma vasta
gama de tipos de aço (GUMIERI, 2002).
2.1.2 Produção do Aço em Usinas Semi-integradas
Usinas semi-integradas são plantas que não possuem a fase de redução,

operando somente as fases de refino e laminação. Essas usinas utilizam como
matéria-prima metálica o ferro-gusa, ferro esponja ou sucata metálica, adquiridas de
terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas para sua posterior
laminação.
2.2 ACIARIA ELÉTRICA
Em uma aciaria elétrica se produz aços a partir da fusão de sucata metálica,

ferro-gusa sólido ou ferro esponja em um forno denominado forno elétrico a arco.
Abaixo, segue demonstração ilustrativa desse processo.
Figura 2 - Fluxo de produção típico de uma aciaria de aços carbono
Fonte: ROSSI (modificado), 2014.

20
A primeira etapa na produção de aço, em aciarias elétricas, é a separação e

processamento da sucata no pátio de sucatas. Após a preparação das matérias-
primas, o processo de produção de aço em aciarias elétricas pode ser dividido em
três etapas principais:
a) Refino Primário (oxidante): nesta etapa é realizada a fusão da carga metálica,
retirados elementos como o Si, P, Al, Mn, ajustado o percentual de C e
temperatura de vazamento do aço. Além disso, é realizada a adição de
elementos de liga (ferroligas) no momento do vazamento do aço.
b) Refino Secundário: nesse estágio da produção é realizado o acerto da
composição química sob condições redutoras e ajuste da temperatura de
lingotamento do aço.
c) Lingotamento do aço: processo pelo qual o aço líquido é solidificado em um
produto semi-acabado.
A seguir, são descritas as etapas supracitadas.
2.2.1 Pátio de Sucatas
A produção do aço em uma aciaria elétrica inicia no pátio de sucatas, local

onde a sucata é recebida dos fornecedores, separada por tipo, em caso de
necessidade processada, e estocada.
Segundo a NBR 16229 (ABNT, 2013) as sucatas podem ser classificadas em
três categorias principais:
a) Interna: gerada pela própria usina, constituída de cascões de panela, lingotes
curtos, derramamentos de aço, pontas cortadas na tesoura de lingotes, de
placas ou de tarugos, recortes da linha de acabamento, etc.
b) De processamento: proveniente da transformação do aço em produto
acabado, restos de estamparia, retalhos de chapa, etc.
c) De obsolescência: comumente chamada de “ferro velho” que corresponde ao
aço consumido em uma região nos últimos 15 a 20 anos.
O processamento da sucata ferrosa tem como finalidade retirar impurezas,
reduzir seu tamanho e aumentar sua densidade, buscando diminuir a entrada de
elementos nocivos ao aço (Cu, Sn, S, P) e aumentar a produtividade do forno.
Os principais métodos utilizados no processamento da sucata são os
seguintes:
21
a) Prensa tesoura: prensa a sucata e, em seguida, através de uma tesoura tipo

guilhotina, corta a sucata. Em alguns casos esta sucata é transferida para um
sistema vibratório para remover terra ou qualquer outro tipo de impureza.
b) Shredder: equipamento composto por moinho e grelhas que promovem, além
da retirada de material orgânico e terra, a retirada de material não ferroso
como o alumínio, cobre etc.
c) Prensa pacote: prensa responsável por gerar pacotes de sucata, geralmente
utilizada para processar embalagens metálicas (latas de alimentos
descartadas).
d) Oxicorte: equipamento utilizado para cortar sucatas de grandes dimensões,
como navios, blocos de máquinas industriais, engrenagens de grandes
dimensões, etc.
Além da sucata, utilizam-se no forno elétrico a arco o ferro-gusa sólido ou o
ferro-esponja, conforme a disponibilidade da usina e custo das matérias primas.
Após o processamento da sucata, a mesma é carregada no cestão
juntamente com outros insumos como, a cal calcítica, a cal dolomítica e em alguns
casos, materiais carburantes. Dentro do cestão, a carga é distribuída criteriosamente
a fim de se evitar danos ao interior do forno durante o descarregamento, e melhorar
o desempenho do mesmo. Uma vez pronto, o cestão é transportado para o interior
da aciaria, para abastecer o forno elétrico a arco.
2.2.2 Refino Primário dos Aços em Forno Elétrico a Arco
Originalmente, o FEA era somente uma unidade de fusão para reciclar sucata
de aço. Atualmente, devido a numerosas modificações, tem se tornado um reator
elétrico e químico (MOURÃO, 2007). Pela possibilidade de controlar a temperatura
do banho, as condições de oxidação e de redução da escória, logo foram
reconhecidas as vantagens de utilização do FEA para a produção de aços de
qualidade, sendo que seu campo de aplicação estendeu-se também a aços menos
nobres. Hoje em dia, com o desenvolvimento das mini usinas, o FEA é responsável
por mais de 30% da produção mundial de aço (ARAÚJO, 1997).
O forno elétrico a arco é composto basicamente por uma carcaça metálica
revestida por material refratário e painéis refrigerados. Esta carcaça é coberta pela
abóbada, através da qual descem os eletrodos de grafita, que são os condutores de
22
eletricidade responsáveis pela formação do arco elétrico e pela transferência de

energia para a sucata, a fim de promover a fusão da carga (JOHN, 2009).
A Figura 3, ilustra o Forno Elétrico a Arco (FEA).
Figura 3 - Forno Elétrico a Arco (FEA)
Fonte: ENCYCLOPÆDIA BRITANNICA, 2016.
O FEA possui três aberturas principais:

a) Abóbada: abertura superior para o carregamento do forno;
b) Porta de escória: por onde se realiza a retirada da escória, injeta-se oxigênio
e carburante, coletam-se amostras de aço e verifica-se a temperatura do
banho;
c) Bica de vazamento: por onde é vazado o aço do interior do forno.
A operação do forno elétrico a arco pode ser subdividida em quatro etapas
principais: carregamento, fusão, refino oxidante e vazamento.
O carregamento é realizado após a subida dos eletrodos e abertura da
abóbada. Normalmente é realizado mais de um carregamento por corrida como está
demonstrado na Figura 4 (exemplo para dois carregamentos).
23
Figura 4 - Fluxo do processo de carregamento e operação do forno elétrico da Gerdau Riograndense
Fonte: VILELA (adaptado), 2008.
A fusão da carga é realizada por meio do arco elétrico formado entre os

eletrodos e a sucata, e pela energia química fornecida pelos injetores, que ficam
posicionados principalmente em regiões não cobertas pelo arco elétrico (pontos
frios).
Em relação aos injetores, grande parte dos fornos utiliza a tecnologia de
injetores multifuncionais que operam como queimadores e injetores de oxigênio. Em
relação à injeção de oxigênio, existem dois tipos principais de jatos, os jatos
supersônicos convencionais e supersônicos coerentes (Figura 5).
Figura 5 - Jato supersônico convencional e jato supersônico coerente
Fonte: MATHUR; MESSINA, 2001.
Os jatos coerentes se caracterizam por conseguir, praticamente, manter sua

forma original desde a saída do bico injetor. Já o jato convencional é mais suscetível
a perder sua forma original, diminuindo sua velocidade. Um jato sem coerência
causa maior formação de respingos e aumenta a quantidade de oxigênio na
atmosfera do banho e, muitas vezes, não é capaz de ultrapassar a escória gerando
oxidação excessiva. Por outro lado, o jato coerente penetra no aço líquido sem gerar
respingos e reage com os elementos dissolvidos no banho (ROSSI, 2014).
24
No refino oxidante, além da injeção de oxigênio para o fornecimento de

energia química e ajuste da composição, é injetado material carbonoso (usualmente
coque de petróleo) para a formação da escória espumante, que será retirada do
forno antes do vazamento do aço. As principais funções da escória espumante são:
aumentar a eficiência da transferência de energia do arco elétrico para o banho,
proteção do banho contra a atmosfera e diminuição de perdas térmicas do forno
(VILELA, 2008).
Em relação ao sistema de vazamento existem duas configurações principais
de fornos elétricos: com bica convencional e bica EBT (eccentric bottom tapping).
Nos fornos com bica convencional, o aço é retirado por uma bica lateral, já nos
fornos; com o sistema EBT, o aço é vazado por uma bica excêntrica, posicionada na
parte inferior do forno.
Figura 6 - Modelo convencional e EBT
Fonte: FIGUEIRA (adaptado), 2007.
Após o vazamento, o aço é encaminhado ao refino secundário, processo que

é executado em equipamento denominado forno panela.
2.2.3 Refino Secundário
O refino secundário é realizado fora do equipamento de fabricação do aço

bruto (Forno Elétrico a Arco ou Conversor a Oxigênio) (MOURÃO, 2007). Pela maior
precisão e melhor ajuste da composição química e temperatura do aço, grande parte
das usinas siderúrgicas utiliza a técnica de metalurgia da panela, já que as reações
metalúrgicas ocorrem na própria panela em que o aço é vazado.
Os principais processos de refino realizados no forno-panela são:
a) Desoxidação;
b) Dessulfuração;
c) Desgaseificação (retirada de hidrogênio e nitrogênio).
25
Além disso, no Forno Panela, pode ser realizado o ajuste da composição

química e temperatura do aço, e a alteração da morfologia de inclusões. Depois de
finalizado o refino secundário, o aço está pronto para ser encaminhado ao
lingotamento contínuo onde será solidificado.
2.2.4 Lingotamento Contínuo
O processo de lingotamento contínuo (LC) dos aços é o último estágio em

aciaria em que se trabalha com o metal ainda no estado líquido. O lingotamento
contínuo tem como missão solidificar o aço em uma forma desejável de tal maneira
que possa ser utilizado nas etapas seguintes da cadeia produtiva. (MOURÃO, 2007).
Após o final do refino secundário, a panela em que o aço foi vazado é
transportada ao lingotamento contínuo sendo posicionada sobre o distribuidor. Este
é um recipiente formado por uma carcaça metálica revestida por refratários, que tem
como funções principais armazenar o aço líquido entre a panela e os moldes, e
alimentar os veios. O fluxo do aço da panela para o distribuidor é controlado por um
sistema de movimentação do tampão, ou mais modernamente chamado de válvula
gaveta. (ARAÚJO, 1997).
A Figura 7 apresenta os dois sistemas.
Figura 7 - Componentes que podem ser utilizados em um distribuidor de LC
Fonte: RIZZO, 2006.
O aço do distribuidor é vazado pelos veios para o molde (Figura 8), o qual é
considerado a parte mais importante do lingotamento contínuo. Nele, ocorre o início
da solidificação do aço líquido e é quando se definirá o perfil do produto chamado
bloco, placa ou tarugo (MOURÃO, 2007).
26
Figura 8 - Esquema de solidificação de aço no molde
Fonte: RIZZO, 2006.
Como visualizado na Figura 8 (exemplo de lingotamento de placas), abaixo do

molde as máquinas de lingotamento possuem um sistema de rolos os quais tem por
função suportar o peso do tarugo e conduzi-lo para fora da máquina, dando lugar ao
novo aço que entra no molde. Após passar pelos rolos, o tarugo é cortado na
dimensão especificada e está pronto para ser encaminhado ao beneficiamento
interno ou comercializado ao cliente externo.
2.3 REFRATÁRIOS
Refratários são materiais estruturais utilizados em grandes volumes na

indústria do aço, fornos de vidro e fornos para fabricação de cimento. Geralmente,
são produzidos na forma de tijolos pré-queimados ou na forma de materiais
monolíticos crus, aplicados por moldagem ou projeção (LEE; ZHANG, 1999).
Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 2001), na
norma NBR 10237 (Materiais Refratários – Classificação), do ponto de vista químico,
os refratários podem ser classificados como ácidos, básicos ou neutros.
Os refratários ácidos contêm grandes quantidades de sílica e alumina e
reagem com escórias básicas. Esses materiais podem ser subdivididos em duas
subclasses principais, os refratários silicosos e os silicoaluminosos.
Refratários básicos são refratários cujo constituinte principal é a cal, magnésia
ou ambos, e que podem reagir com escórias acidas em elevadas temperaturas. Os
refratários básicos podem ser subdivididos em refratários magnesianos,
magnesiano-cromiticos, cromomagnesianos, dolomiticos e de magnésia-carbono.
27
Refratários neutros são resistentes ao ataque químico de escórias ácidas ou

básicas em altas temperaturas tais como, refratários aluminosos, de alumina-
carbono, de alumina-carbeto-carbono, de sílico-carbono, aluminosos-cromiticos,
cromiticos, de carbono, e grafíticos.
Os materiais refratários desempenham um importante papel na indústria do
aço, sendo responsáveis por cerca de 60% do consumo em termos de volume
(LOBATO, 2009).
Na Figura 9, representa-se o consumo de refratários.
Figura 9 - Estimativa de consumo de refratários por indústria
Outros
Não Metálicos 10%
15%
(cimento, vidro
e cal)
Não Ferrosos
15% (alumínio,
cobre, prrata, Aço
zinco) 60%
Fonte: LOBATO, 2009.
A produção de refratários para a siderurgia tem aumentado ao longo dos

anos. Entretanto, o aumento da produção de refratários está atrelado ao aumento da
produção de aço, já que o consumo específico de refratários por tonelada de aço
produzido vem decrescendo, conforme indica a Figura 10.
28
Figura 10 - Consumo de materiais refratários no mundo
Fonte: ABM, 2015.
A redução do consumo específico de refratários é uma tendência nacional e

mundial resultante do aprimoramento dos produtos e processos. Como pode ser
observado na Figura 10, na década de 60 precisava-se de 30 kg ou mais de
refratários para produzir uma tonelada de aço; em 1985; eram necessários por volta
20 kg para produzir a mesma tonelada de aço, quantidade, que hoje, está abaixo
dos 10 kg (LOBATO, 2009).
2.3.1 Refratários Utilizados em Fornos Elétricos a Arco
De forma geral, a construção dos fornos elétricos a arco pode ser dividida em
tijolos permanentes, tijolos de trabalho e massas refratárias (massas de cura a
quente). Normalmente, como primeiro revestimento da carcaça metálica do forno
elétrico a arco, são utilizados tijolos permanentes magnesianos, podendo ser
utilizada mais de uma camada deste material (Figura 11, detalhe A).
Acima dos tijolos permanentes da soleira do forno é colocada uma camada de
massa refratária seca (Figura 11, detalhe B), a qual entrará diretamente em contato
com o aço líquido e a escória formada no FEA. A resistência mecânica dessa
camada é consequência de sua sinterização no decorrer das primeiras corridas da
campanha. As massas refratárias utilizadas em fornos elétricos são compostas
29
basicamente de MgO e CaO. O que diferencia a composição de massas de soleira,

rampa e reparo a quente, são os aditivos responsáveis pela sinterização.
Durante a instalação e compactação da massa refratária, são utilizadas
formas metálicas que ao final da aplicação são retiradas criando o perfil desejado
para o forno.
As paredes laterais (linha de metal e linha de escória) são montadas
utilizando-se tijolos a base de MgO-C (Figura 11, detalhe C). A montagem correta do
forno é de suma importância para o processo, tendo influência direta no volume útil
e, consequentemente, na capacidade de carregamento, eficiência dos injetores,
consumo de eletrodos, entre outros fatores.
Figura 11 – Construção do Forno Elétrico a Arco
Fonte: RHI, 2013.
O canal EBT (Eccentric Bottom Tapping), também denominado de ‘furo de

corrida’ no jargão industrial, é outro importante componente refratário do forno. Ele é
composto por um conjunto de peças refratárias segmentadas, denominadas luvas
refratárias, as quais são montadas uma sobre a outra formando um canal por onde
se dá o fluxo do aço do forno para a panela (Figura 12).
30
Figura 12 - Forno elétrico a arco em corte e detalhe do conjunto EBT
Fonte: RHI, 2013.
O canal EBT trouxe muitos ganhos para o processo de aciaria quando

comparado a bica convencional. Dentre eles pode-se citar: a redução de passagem
de escória do FEA para a panela, a possibilidade de manter certa quantidade de aço
no forno, para auxiliar na fusão do próximo carregamento, e a segurança
operacional. Como desvantagem, tem-se o alto custo dos materiais refratários
empregados no canal EBT.
Na Tabela 1, pode-se observar os diversos tipos de refratários utilizados por
região e sub região do forno. Basicamente, os refratários permanentes ou de
segurança são compostos por tijolos magnesianos. Já os tijolos de trabalho (que tem
interação com o aço e escória), são à base de MgO-C, assim como o canal EBT.
Tabela 1 - Refratários utilizados por região e sub-região do forno

Região Sub-região Família de Refratários
Permanente Fundo e Parede Magnesianos
Linha de Metal Parede Magnesia-Carbono
Linha de Linha de Escória Magnesia-Carbono

Escória
Injetores Magnesia-Carbono
Furo de
EBT Magnesia-Carbono
Corrida
Soleira
Massas Rampa Massas Magnesianas
Reparo a Quente
31
Conforme referido anteriormente, dentre os materiais utilizados na construção

de Fornos Elétricos a Arco, podemos identificar:
a) Tijolos: os tijolos permanentes ou de segurança, comumente utilizados em
fornos elétricos a arco, são tijolos magnesianos. Esses materiais são
amplamente empregados graças a suas características de excelente
resistência ao ataque por escórias básicas e baixa vulnerabilidade ao ataque
por óxidos de ferro. Em relação aos tijolos de trabalho, os refratários mais
utilizados em FEAs são da classe dos MgO-C por possuírem uma excelente
resistência a oxidação e baixa degradação pela escória. Os tijolos refratários
serão estudados mais profundamente no decorrer deste trabalho.
b) Massas: as massas secas são amplamente utilizadas na construção de fornos
elétricos, sendo compostas basicamente por MgO e CaO, tendo variações
nos teores de Fe2O3 e SiO2, óxidos que afetam sua fusibilidade. As massas à
base de MgO e CaO são muito utilizadas na produção de aço devido,
principalmente, ao seu caráter básico e a boa disponibilidade do mineral,
além da relativa facilidade de fabricação (TOMBA MARTINEZ, 2009). Em
relação a composição química das massas, os altos teores de MgO
proporcionam resistência ao ataque do FeO presente na escória. Embora,
certos teores de FeO presentes nas massas auxiliem na sinterização, níveis
elevados de FeO podem comprometer a refratariedade do material. O CaO
neutraliza a infiltração da SiO2 presente na escória. A SiO2 é uma impureza
indesejada nas massas refratárias por causar a diminuição da refratariedade
(ECKSTEIN; ZETTL; WAPPEL, 2013). A sinterização das massas secas
depende fortemente da quantidade e tipo dos componentes minoritários da
mistura SiO2, Al2O3 e FeO/Fe2O3. Segundo a literatura, o Fe2O3 melhora a
sinterização no processo de fabricação da dolomita. Os óxidos de ferro
(Fe2O3/FeO) aumentam a capacidade de sinterização do material pela
formação de um líquido transitório de ferrita de cálcio (Ca2Fe2O5) e magnésio
wustita (MgO/FeO) que, no entanto, podem desestabilizar a fase periclásio
(MgO) (YEPREM, 2007). As massas utilizadas em fornos elétricos a arco são
geralmente aplicadas por vibração ou compactação, adquirindo resistência
mecânica durante a operação do forno, através da sinterização que se dá
pela interação térmica com a escória e o aço líquido. A sinterização das
partículas refratárias no topo da camada de massa é muito importante, pois
32
evita taxas de desgaste elevadas durante a campanha do forno. Uma baixa

taxa de desgaste diminui a frequência de reparação do forno, o consumo de
refratários e o risco de temperaturas altas na carcaça metálica (CHESTERS,
1973). Resumidamente, os principais requisitos das massas para modernos
fornos elétricos são:
i. Fácil e rápida aplicação;
ii. Excelente comportamento de sinterização e rápida ligação cerâmica;
iii. Alta densidade e baixa porosidade em operação;
iv. Alta estabilidade mecânica e resistência ao impacto de sucata;
v. Alta resistência ao aço líquido e ao ataque de escória; Alta resistência
à erosão a quente (ECKSTEIN; ZETTL; WAPPEL, 2013).
2.3.2 Refratários Magnesíticos
A maioria dos refratários magnesianos são produzidos a partir de sinter de

periclásio sintético proveniente da água do mar ou de depósitos ricos em magnésia,
como as magnesitas (MgCO3) (JONES, 2001).
A calcinação tem grande importância na produção da matéria prima para a
produção de refratários de qualidade. Esse processo gera o crescimento de cristais
de periclásio por coalescência, com segregação das impurezas. A calcinação é
realizada até o início da fusão dos constituintes mais fusíveis que aglutinam os grãos
formando aglomerados bastante duros e de dimensões convenientes para a
fabricação industrial.
Para a produção de refratários de melhor qualidade, pode ser utilizada
magnésia queimada à morte (magnésia não reativa do ponto de vista de hidratação).
Esse material é obtido por processo de calcinação em fornos rotativos a
temperaturas de cerca de 1800°C. Nesse processo (Figura 13), com o aumento da
temperatura, os cristais de magnésia crescem, a área superficial diminui e, portanto,
a tendência à hidratação diminui; como os poros tendem a desaparecer (pela
retração do material), a densidade aumenta (SEGADÃES, 1997).
33
Figura 13 - Efeito do tratamento térmico sobre a tendência à hidratação, tamanho de grão e

densidade de compostos de magnésia levemente calcinada
.
Fonte: SEGADÃES, 1997.
Segundo Segadães (1997), pode-se destacar três vantagens da queima à

morte: evitar a reidratação pelo crescimento dos cristais, formar aglomerados de
cristais pela ligação por um cimento resultante das impurezas e aditivos e evitar que
haja retração durante a queima dos refratários em sua produção.
Outra matéria-prima bastante utilizada atualmente para a produção de
refratários de alta qualidade é a magnésia fundida. As magnésias fundidas são
constituídas por grandes cristais de periclásio (500-1000 Mm) que propiciam maior
estabilidade em temperaturas elevadas, gerando uma melhor resistência à corrosão
pelas escórias (grãos sinterizados dissolvem-se mais facilmente).
As principais vantagens da utilização dos refratários básicos magnesíticos
são: o alto ponto de fusão do periclásio (superior a 2800°C), sua excelente
resistência ao ataque pelos óxidos de ferro, alcalinos e fundentes ricos em cal. Além
disso, a magnesite não está sujeita a oxidação e não é tóxica. A sua principal
limitação é a elevada expansão térmica, que torna difícil, embora não impossível,
produzir tijolos com elevada resistência ao choque térmico (SEGADÃES, 1997).
Com o objetivo de melhorar as propriedades dos refratários à base de MgO,
outros elementos são adicionados na sua fabricação surgindo, assim, subclasses
desses materiais.
34
2.3.3 Refratários de Magnésia Carbono (MgO-C)
Refratários de magnésia carbono são essenciais para a produção de aço em

indústrias siderúrgicas e, geralmente, são compostos de fases elementares (C, Al e
Si), fases não oxidadas (SiC), óxidos inorgânicos (MgO e Al2O3) e fases orgânicas
(ligantes), além de outros aditivos e impurezas (AZA et al, 2006).
As adições do carbono aos refratários de MgO proporcionaram um melhor
desempenho em serviço, no processo de produção do aço. Devido a sua estrutura
cristalina, “flocos” naturais de grafite são comumente utilizados em tijolos de MgO-C.
A adição de carbono proporciona baixo molhamento pela escória, alta estabilidade
química quando em contato com escória líquida, alta condutividade térmica e baixa
expansão térmica, melhorando a resistência ao choque térmico desses materiais
(JANSSON; BRABIE; JÖNSSON, 2005).
A diminuição do molhamento do refratário pelo metal líquido e escória é
consequência da alteração da energia de superfície causada pela adição de
carbono. O molhamento da superfície dos refratários, seja por metais fundidos ou
pela mistura de escória e metal, afeta significativamente o comportamento de
corrosão e erosão destes materiais. A extensão do espalhamento de um líquido
indica como ele molha a superfície de um sólido e, geralmente, esse efeito é
quantificado pelo ângulo de contato (Ɵ) gerado no ponto triplo entre as fases em
equilíbrio (LUZ; PANDOLFELLI, 2007).
Figura 14 – Representação das Energias Interfaciais (γSL - Sólido - Líquido, γLV - Líquido -
Vapor, γSV - Sólido - Vapor) e Ângulo de Contato
Fonte: LUZ, 2012
Na Figura 14, valores de (Ɵ) menor que 90° correspondem à molhagem da

superfície enquanto valores superiores indicam um ‘não molhamento’.
35
Entretanto, a adição de carbono tem como principal desvantagem a alta

susceptibilidade à oxidação em altas temperaturas. A consequência imediata da
oxidação de refratários contendo carbono é a perda de resistência mecânica devido
ao aumento da porosidade, o que promove uma redução de resistência à
penetração do aço e escória, intensificando o processo de deterioração do refratário
(LUZ; PANDOLFELLI, 2007).
Segundo a literatura (SADRNEZHAAD et al, 2006) existem dois mecanismos
responsáveis pela oxidação de tijolos de MgO-C:
a) Oxidação direta que ocorre a temperaturas abaixo de 1400°C.
2C(s) + O2 = 2CO(g)
(1)
ΔG°= - 223,426 – 175,3 T
b) Oxidação indireta, que ocorre a temperaturas acima de 1400°C.
MgO(s) + C(s)= Mg(s) +CO(g)

ΔG°= 648,101 + 30 T logT – 404,38T (2)
A oxidação direta do carbono com o oxigênio gasoso inicia-se entre 400° e

1200°C e PO2 ≥ 10-4 ATM (1). Em temperaturas superiores a 1400°C, a oxidação
indireta torna-se rapidamente predominante com os óxidos sólidos ou líquidos ou
subóxidos gasosos presentes no sistema (2) (RIGAUD, 1995).
Atualmente, com o objetivo de minimizar a oxidação do carbono contido no
refratário, tem-se adicionado elementos conhecidos como antioxidantes. Um desses
elementos que tem sido amplamente utilizado em refratários de MgO-C é o alumínio,
graças a sua capacidade de reagir com o carbono, formando compostos que afetam
o comportamento dos componentes do refratário conforme as reações (3,4)
(SADRNEZHAAD et al, 2006).
4Al(s) + 3C(s)=Al4C3(s)
ΔG°=- 215,894 + 41.84T, T<932K (3)
36
4Al(l) + 3C(s)=Al4C3(s)
ΔG°=- 266,521 + 96.23T, T ≥ 932K (4)
Outras reações também podem ocorrer alterando o comportamento de

oxidação dos tijolos refratários, conduzindo para taxas de oxidação mais baixas (5).
2Al(s) + N2(g) = 2AlN(s)

ΔG°=- 644,336 + 186.19T, T < 932K (5)
Segundo a literatura, existe um consenso de que há um valor ótimo na

quantidade de alumínio a ser adicionada aos refratários. Alguns aspectos devem ser
considerados, tais como: tamanhos das partículas do pó, etapas do processamento
do refratário e a porosidade inicial das peças. O excesso de Al poderá levar a
diminuição de resistência mecânica devido à formação de poros abertos e até a
diminuição de resistência à corrosão (LUZ, 2012).
Além do alumínio, outros antioxidantes também podem ser utilizados na forma
de pós metálicos (Mg, Si, ligas metálicas), carbetos (SiC, B 4C), boretos (ZrB2, CaB2)
ou uma combinação destes. A seleção dos antioxidantes varia com o material da
matriz do refratário.
2.4 MECANISMOS DE DESGASTE DOS MATERIAIS DOS REFRATÁRIOS
Quando em serviço, os materiais refratários devem resistir a altas

temperaturas, tensões mecânicas, ter boa resistência ao ataque do metal líquido,
escórias ou atmosferas corrosivas (LEE; ZHANG, 1999).
O desgaste de refratários é em geral um processo que ocorre gradualmente,
tendo como principal fator a corrosão química, sendo em alguns casos fortemente
acelerado devido aos danos causados por oscilações térmicas. De acordo com o
tipo de refratário empregado e a região em que o mesmo se encontra, o grau de
corrosão química pode variar bastante na degradação do material. Fenômenos
mecânicos também podem ter importante influência, como a erosão, abrasão e
esforços de compressão, flexão e tração (BRAGANÇA, 2012).
37
2.4.1 Corrosão Química
No processo de aciaria elétrica, os refratários são normalmente lavados por

metais ou escórias fundidas. As escórias são soluções iônicas constituidas de óxidos
de metais fundidos e fluoretos que flutuam no aço líquido. A escória é constituida de
uma fração líquida e uma fração sólida. A medida que a fracção sólida da escória
aumenta a fluidez diminui modificando a condição da escória de líquida para
“cremosa” e até para “dura” ou sólida.
Conforme Jansson, Brabie e Jönsson (2005), o processo de corrosão pode
ser definido como qualquer tipo de interação entre a fase sólida e a fase líquida,
resultando em efeitos deletérios sobre qualquer uma das fases. A resistência dos
refratários à escória pode ser determinada por relações de equilíbrio. Conforme é
conhecido, uma escória que já se encontra saturada com uma determinada fase
sólida não atacará um refratário cosnstituído da mesma fase sólida.
A taxa de corrosão é função de muitas variáveis tais como temperatura
(refratário/líquido/interface), composição, densidade do líquido, viscosidade,
difusividade, e grau de agitação do meio (LEE; ZHANG, 1999).
Ainda, segundo os mesmos autores (2004), a corrosão dos refratários em
contato com escórias é um mecanismo que se processa em 3 estágios:
c) A oxidação do carbono amorfo ou do grafite que causa um aumento da
molhagem, favorecendo a penetração ou infiltração da escória na porosidade
do refratário;
d) Processo químico de dissolução do refratário na escória líquida;
e) Erosão e retirada dos agregados expondo novamente o refratário ao ataque
pelos gases e escória.
Figura 15 - Esquema geral do mecanismo de corrosão de refratários óxido-carbono
Fonte: LEE; ZHANG, 2004.

38
As zonas dos refratários que se encontram na interface metal/escória,

invariavelmente, estão sujeitas a corrosão mais forte do que as demais regiões
(região de contato com o metal ou interface escória/ar). Quando comparadas a zona
de contato refratário/metal é a que possui a menor deterioração (SEGADÃES, 1997).
Além disso, a corrosão química tem relação direta com a porosidade do
refratário (volume de poros acessíveis, tamanho e distribuição desses poros) e com
as propiedades do líquido. Capilaridades (poros abertos ou micro trincas) são os
principais canais de penetração de escória primária em um tijolo refratário poroso. A
temperatura do tijolo também tem um efeito significativo sobre a profundidade da
penetração através do seu efeito sobre a viscosidade. A medida que a temperatura
diminui da face quente para a face fria do tijolo, a viscosidade da escória aumenta
até que se torne demasiado viscosa para continuar penetrando no refratário
(JONES, 2001).
Figura 16. Diagrama esquemático da penetração de escória líquida em refratário
Fonte: LEE; ZHANG, 1999.
2.4.2 Mecanismos de Desgaste Termomecânicos
São dois os mecanismos de desgaste dos materiais refratários, considerados

do tipo termomecânico: o choque térmico e a abrasão e/ou erosão.
39
2.4.2.1 Choque Térmico
Conforme bibliografia consultada, a resistência ao choque térmico é a

capacidade de um material manter a forma original sem fender, abrir ou lascar,
quando sujeito a variação brusca de temperatura.
Segundo (NORTON, 1949), trincas ou danos nos materiais refratários estão
associados a mecanismos indutores de tensão causados normalmente por:
a) Gradientes de temperatura abruptos (aquecimentos e resfriamentos
suficientemente capazes de gerar tensões que excedam a resistência do
material);
b) Diferença nos coeficientes de expansão térmica entre camadas do
revestimento;
c) Compressão do revestimento devido a variações permanentes de volume.
Para (CUNHA-DUNCAN; BRADT, 2003), as fraturas causadas por choque
térmico podem, em alguns casos, ser catastróficas, resultando na completa perda do
revestimento refratário. Em outros casos, podem causar danos pela formação de
trincas (spalling) trazendo uma significativa redução da vida útil do refratário.
Entretanto, a fratura não precisa necessariamente ser catastrófica; as trincas da
superfície podem simplesmente propagar, diminuindo a resistência mecânica.
Quando a tensão térmica gerada for maior que a resistência a fratura do
corpo, ter-se-á a fratura por choque térmico.
𝜎térmica > 𝜎fratura
A tensão térmica pode ser definida por 𝝈𝐭é𝐫𝐦𝐢𝐜𝐚 = 𝐄𝛂(∆𝐓) onde E é o

módulo de elasticidade, 𝛂 o coeficiente de expansão térmica e ∆𝐓 a variação da
temperatura.
Resistências mecânicas e densidades elevadas são desejáveis para que o
refratário possua boa resistência a corrosão e abrasão, mas essas propriedades são
prejudiciais para a resistência ao choque térmico do material.
Em relação à resistência mecânica uma estrutura refratária pode ficar sujeita
a dois tipos de esforços externos:
a) Esforços limitados pela tensão: esforço causado pela carga aplicada sobre o
refratário. Esse esforço deve ser contido pela resistência da estrutura
40
(resistência à fratura deve ser maior que a carga aplicada) e, para tal, são
importantes os dados de resistência à compressão a quente e módulo de
ruptura.
b) Esforços limitados pela deformação: esforço causado por variações de
temperatura e pela constrição térmica da estrutura. Para avaliar a resistência
do material a cargas térmicas, devem-se avaliar os dados de deformação
limite da estrutura.
Para a maior parte das estruturas refratárias, os esforços limitados pela
tensão são muito menores que os esforços limitados pela deformação, portanto, a
deformação limite é o parâmetro de resistência mecânica mais adequada para
avaliar se uma estrutura refratária pode resistir às forças aplicadas.
2.4.2.2 Abrasão e Erosão
A resistência à abrasão e à erosão são propriedades importantes dos

refratários, especialmente quando aplicados em zonas de fluxo de material
particulado (abrasão) ou em contato com fluídos em movimento (erosão) (SILVA,
2007)
A resistência à abrasão depende da dureza e da resistência das ligações
entre os grãos que formam o material. A dureza específica dos grãos determinará a
dureza geral do produto, mas o tipo de ligação entre os grãos pode ser fator
determinante. Durante a elevação de temperatura na zona de comportamento
elástico do material, a resistência à abrasão diminui, e quando se entra no
comportamento plástico, a resistência aumenta com a temperatura pala formação de
líquido viscoso. Por fim, em temperatura elevada, a resistência diminui com a
diminuição da viscosidade do líquido. Resumidamente, a resistência à abrasão
diminui se a superfície do refratário amolecer (SEGADÃES, 1997).
A determinação da resistência à abrasão é normalmente obtida pela medida
da perda de massa do corpo-de-prova refratário, sujeito a um fluxo de material
particulado, usualmente carbeto de silício. A quantidade, o ângulo de jateamento e a
granulometria do agente abrasivo devem ser controlados. Normalmente, os
materiais que apresentam elevado módulo de ruptura e elevada resistência à
compressão a frio apresentam elevada resistência à abrasão (LEE; MOORE, 1998).
41
2.5 ESCÓRIAS
A escória tem papel fundamental nas reações de refino, influenciando tanto

na cinética das reações quanto na composição final do aço devido ao equilíbrio
escória-banho. Ela também é importante no desempenho dos refratários do forno,
que são sensíveis a qualquer alteração efetuada tanto em suas propriedades físicas
quanto químicas. Portanto, um bom conhecimento dos fundamentos de formação da
escória é muito útil na análise do processo (FALCONI, 1980).
A escória do forno elétrico a arco é composta basicamente por óxidos que
possuem origens distintas:
SiO2
Provém principalmente da oxidação dos elementos do
a) MnO
banho;
FeO
b) CaO - Provém da cal calcítica, dolomítica ou refratários;
c) MgO - Pode ter origem na cal calcítica, dolomítica ou refratários;
d) Al2O3 - Oxidação do Al do banho.
Para Àvila (2011), a taxa de corrosão dos refratários dos fornos elétricos a
arco é fortemente influenciada pela diferença de concentração de MgO na escória e
por seu limite de solubilidade. Sendo assim, a diferença de concentração é um
parâmetro crucial para a avaliação do potencial de corrosão de uma escória para um
determinado revestimento refratário.
Conforme Ferreira (2010), o segredo para uma escória ideal, do ponto de
vista do desgaste de refratários, é encontrado quando existe o equilíbrio entre os
óxidos refratários e óxidos fundentes. O balanço entre esses, irá gerar uma escória
compatível com a qualidade dos revestimentos refratários empregados. A
complexidade em encontrar o balanço entre os óxidos fundentes, é que uns são
mais fundentes que outros, apresentando assim diferentes efeitos na solubilidade do
CaO e MgO presentes na escória.
Em escórias de fornos elétricos, os óxidos refratários comumente encontrados
são o CaO e MgO; já os óxidos fundentes são o SiO2, a Al2O3, o MnO e os óxidos de
ferro.
O balanço entre os óxidos é comumente expresso em termos de basicidade,
que é a relação entre os óxidos refratários e os óxidos fundentes.
42
De acordo com Pretorius (1996), a escória “cremosa” é a ideal para a

proteção dos refratários e para atender os requisitos metalúrgicos de fabricação do
aço.
A interação entre os óxidos da escória e os refratários pode ser compreendida
utilizando-se diagramas de fases.
Inicialmente pode-se estudar o diagrama binário simplificado CaO-MgO. No
diagrama da Figura 17, observa-se que tanto o CaO quanto o MgO puros possuem
elevadas temperaturas de fusão (CaO ~ 2570ºC e MgO ~ 2800ºC). A interação entre
os dois óxidos gera uma diminuição do ponto de fusão da mistura, tendo como ponto
de fusão mais baixo, o ponto eutético (f), formado quando a composição possui
aproximadamente 34% de MgO e 66% de CaO a uma temperatura de 2300ºC.
Figura 17 - Diagrama simplificado de fase CaO - MgO
Fonte: PRETORIUS, 1996.
Após essa breve análise, pode-se concluir que, mesmo existindo um ponto
eutético entre os dois componentes, a formação de fase líquida não é possível em
temperaturas de produção do aço, fato que demonstra a elevada capacidade
refratária desses óxidos.
Outro importante diagrama binário a ser estudado é o diagrama CaO – SiO2,
representado na Figura 18.
43
Figura 18 - Diagrama de fase CaO - SiO2
Para o autor dos diagramas acima (PRETORIUS, 1996), pode-se fazer

algumas considerações bastante importantes sobre o diagrama de fase CaO – SiO2
da Figura 18.
a) A SiO2 é um bom fundente para o CaO e pode-se obter escórias líquidas de
CaO – SiO2 em temperaturas de produção do aço;
b) A composição do líquido saturado em CaO a 1600ºC é 56% de CaO e 44%
de SiO2;
c) A temperatura sólidus desse líquido é de aproximadamente 1462ºC.
Outra importante interação entre óxidos a ser analisada é mostrada no diagrama
binário MgO – SiO2 (Figura 19).
44
Figura 19 - Diagrama de fases MgO - SiO2
Uma característica facilmente observada nesse diagrama é a elevada

solubilidade do MgO (42%) em uma escória de sílica pura a 1600 ºC. Em geral,
escórias de aciaria contém quantidades significativas de CaO, o que proporciona
uma diminuição da solubilidade do MgO na escória.
Para avaliar melhor o efeito fluidificante da sílica em MgO e CaO, pode-se
utilizar o diagrama ternário SiO2 – CaO – MgO. Como a maioria das operações de
produção de aço é realizada a 1600ºC, é conveniente analisar a secção isotérmica
do diagrama na temperatura citada. No diagrama a seguir (Figura 20), pode-se
identificar uma área sólida que não possui contato com o líquido puro, assim como
uma área completamente líquida, além das áreas de cristalização primária e
secundária.
45
Figura 20 - Corte isotérmico a 1600ºC no diagrama CaO - SiO2 – MgO
1 2
O
Conforme Ferreira (2010), a linha na cor vermelha (1) delimita o campo de

saturação do CaO. Uma escória no campo líquido, quando enriquecida com CaO, irá
apresentar uma fração líquida e uma fração sólida de Ca2SiO4, ao cruzar por essa
linha. Nesse campo, existe uma saturação simples em CaO e essas escórias
possuem boa compatibilidade com refratários dolomítcos.
A linha na cor verde (2) delimita o campo de saturação do MgO. Adicionando
uma quantidade suficiente de MgO, a escória atinge seu limite de solubilidade,
ultrapassando a linha verde (2) e entrando no campo M+L onde coexistem uma fase
sólida de MgO e uma fração líquida. Essa região é definida como região de
saturação simples em MgO e essas escórias são compatíveis com refratários de
MgO-C.
A saturação dupla (CaO e MgO) ocorre no ponto O, e as escórias com essa
composição apresentam boa compatibilidade com refratários dolomíticos e
magnésia carbono.
Outra importante classe de óxidos muito significante em operações
metalúrgicas são os óxidos de ferro (FeO, F3O4 e F2O3).
Os óxidos de ferro (FeO e F2O3) são excelentes fundentes do CaO, como
pode-se observar nos eutéticos de baixa temperatura apresentados nos diagramas
da Figura 21. A solubilidade do CaO nos óxidos de ferro é elevada, cerca de 50%
46
de CaO em FeO e 55% de CaO em F2O3, a 1600ºC. A formação desses líquidos de

baixo ponto de fusão e a grande solubilidade do CaO são muito vulneráveis a
escórias que contenham óxidos de ferro (PRETORIUS, 1996).
Figura 21 - Sistemas CaO - FeO e CaO - F2O3
A interação dos óxidos de ferro com o MgO é muito importante (Figura 22).
Os raios dos íons Mg2+ e Fe2+ são muito semelhantes e, por esse motivo, o MgO e
FeO formam uma solução sólida em toda a faixa de composição (abaixo dos
1400ºC).
47
Figura 22- Sistemas MgO - FeO e MgO - Fe2O3
Fonte: (Pretorius, 1996)
Conforme se pode observar no diagrama, a 1600 ºC, o MgO pode suportar

até 68% de Fe2O3 antes de formar uma fase líquida. Isso tem uma implicação muito
importante em termos de desgaste de refratários e mostra por que refratários de
magnésia carbono possuem um excelente desempenho quando em contato com
escórias ricas em óxidos de ferro (SEGADÃES, 1997).
Por fim, no diagrama ternário da Figura 23, pode-se analisar um diagrama
que contém os principais óxidos que compõem as escórias de um forno elétrico a
arco a 1600°C. É muito importante salientar a importância do MgO e a necessidade
de sua saturação, para minimizar o ataque da escória ao revestimento refratários
dos FEA.
Na Figura 23 apresenta-se o efeito do MgO sobre a solubilidade dos silicatos
de cálcio e óxidos de cálcio para o sistema CaO-MgO-FeO- SiO2 em equilíbrio com o
ferro metálico a 1600ºC. Nota-se que, aumentando os percentuais de MgO na
escória, o campo de C2S diminui.
48
Figura 23 - Efeito do MgO sobre as isotermas de solubilidade a 1600ºC no sistema

CaO - MgO - FeO - SiO2 em contato com ferro metálico
Vale salientar que os diagramas estudados representam situações de

equilíbrio indicando um provável comportamento das escórias, e que, em condições
industriais, podem ocorrer casos que se afastam dessas condições básicas, sendo
necessário utilizar outros recursos metalúrgicos que complementem a
termodinâmica.
49
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Nesta seção serão apresentados os materiais estudados, assim como sua

aplicação. Além disso, será realizado o detalhamento dos métodos utilizados para
a caracterização dos materiais.
3.1 DADOS TÉCNICOS DO FORNO EM ESTUDO
O estudo foi realizado em um forno elétrico a arco com diâmetro da carcaça

de 4,45 m, volume bruto de 19,74 m3 e peso médio de aço vazado de 21 t. O forno
possui dois injetores multifuncionais de parede (O2 e gás natural) com vazão de
projeto de 950 Nm3/h, além de duas lanças de oxigênio na porta de escória, com
vazões de 700 Nm3/h por lança e um injetor de coque com vazão de 6 a 18 kg/min.
3.1.1 Montagem Refratária do Forno Elétrico a Arco
A construção refratária do forno elétrico inicia-se pela montagem dos tijolos

permanentes, também conhecidos como refratários de segurança. Esses refratários
não possuem contato direto com aço líquido ou escória sendo solicitados somente
em caso de falha dos refratários de trabalho. Em geral, para essa finalidade, são
utilizados tijolos magnesianos. Nos fornos da Gerdau Riograndense, são utilizadas
três camadas (fiadas) de tijolos de segurança abaixo da soleira (região A) e uma
camada nas laterais de toda a carcaça (região B).
Figura 24 - Vista em corte da montagem dos tijolos de segurança do forno
Fonte: O Autor, 2015.

50
Após a instalação dos tijolos permanentes, são colocados os tijolos de

trabalho. Esses tijolos são instalados em toda a circunferência e na porta de escória
do forno elétrico a arco. Para essa montagem, são utilizados tijolos com diferentes
angulações, o que torna possível realizar a montagem em todo o contorno da
carcaça do forno e obter o travamento das paredes sem a utilização de concreto.
Figura 25 - Vista superior da montagem dos tijolos de trabalho do forno elétrico a arco
Na montagem das paredes e da porta de escória do forno são utilizados

tijolos de magnésia-carbono, os quais devem suportar: o ataque químico da escória
e do banho líquido, gradientes de temperatura e a atmosfera oxidante do forno.
Figura 26 - Montagem dos tijolos do forno elétrico a arco

51
A porta de escória do FEA é montada em forma de bloco por se tratar de uma

região de grande solicitação mecânica, devido à necessidade de limpeza periódica
para a retirada da escória aderida. Além disso, a região tem grande interação
química com a escória que é retirada do forno durante a operação. As Figura 27 e
28 representam, respectivamente, em imagem e corte, a porta de escória do FEA.
Figura 27 - Imagem da porta de escória do forno
Figura 28 – Vista em corte da montagem do bloco da porta de escória do FEA
Após a montagem dos tijolos de trabalho, inicia-se a instalação da massa

refratária (massa refratária de pega a quente, resistente a erosão e ataque de
52
escória). Para a acomodação da massa na carcaça do forno são utilizadas quatro

formas metálicas encaixadas uma sobre a outra, conforme os seguintes passos:
a) Colocação da forma metálica no interior da carcaça do forno;
b) Aplicação da massa refratária no entorno da forma;
c) Vibração da massa para eliminar espaços vazios;
d) Compactação da camada de massa.
As etapas descritas acima, conforme pode ser visualizado na Figura 29, são
repetidas quatro vezes, até que a altura de massa compactada seja igual à altura
dos tijolos de trabalho. As formas metálicas serão removidas apenas alguns
instantes antes do início da operação do forno.
Figura 29 - Formas para acomodação da massa na carcaça do forno
Outro importante conjunto refratário instalado no FEA é o canal EBT

(Eccentric Bottom Tapping).
Antes da colocação do canal EBT na carcaça do forno são instaladas as
sedes, peças refratárias de MgO-C de formato quadrado com orifício cilíndrico. As
sedes são posicionadas uma sobre a outra com encaixes do tipo macho/fêmea. O
conjunto de sedes tem a função de acomodar o canal EBT em seu interior,
facilitando a sua substituição sempre que necessário. As sedes são substituídas ao
fim da campanha da carcaça, somente em caso de necessidade.
Após a instalação das sedes é inserido o canal EBT, conjunto refratário
composto por cinco peças montadas uma sobre a outra com um encaixe tipo
macho/fêmea. O conjunto do canal EBT é inserido no orifício das sedes, sendo que
53
somente seu último segmento, conhecido comumente como luva externa, fica na
parte de fora do FEA. O espaço vazio entre as sedes e o canal EBT é preenchido
com massa refratária seca para evitar a infiltração de aço durante a campanha. A
montagem detalhada das sedes e do canal EBT pode ser observada com mais
detalhes na Figura 30.
Figura 30 – Detalhe da montagem do canal EBT e corte d região de vazamento do forno
A qualidade e o desgaste do canal EBT tem grande impacto na operação do

forno, tendo influência direta na quantidade de escória transferida do forno para a
panela, impactando no consumo de ligas e refratários do restante do processo. Além
disso, paradas de processo não programadas para a substituição do canal EBT
geram aumento do Power Off (tempo de forno desligado) e diminuição da
produtividade da aciaria.
3.2 REFRATÁRIOS ESTUDADOS
Nos itens abaixo segue uma breve descrição dos refratários estudados neste
trabalho.
3.2.1 Tijolos MgO-C
Foram estudados três exemplares de tijolos MgO-C empregados como tijolos

de trabalho em fornos elétricos a arco, denominados tijolos A, B e C.
Segue uma breve descrição dos materiais segundo os fornecedores:
54
a) Tijolo A - Tijolo refratário de magnésia-carbono, à base de magnésia

sinterizada e grafita lamelar, com adição de antioxidantes, ligado à
resina, curado.
b) Tijolo B - Tijolo de magnésia carbono, a base de magnésia fundida,
antioxidantes, grafite, ligado a resina.
c) Tijolo C - Tijolo refratário a base de magnésia sinterizada e
eletrofundida, quimicamente ligado, com elevada resistência à flexão a
quente, erosão e corrosão por escórias.
As análises foram realizadas por meio das técnicas de análise por imagem
(lupa); caracterização microestrutural (MEV/EDS), difração de raios X (DRX), análise
termogravimétrica e infravermelho (FTIR). Além disso, o desempenho dos três
materiais foi testado em operação em forno elétrico a arco.
3.2.2 Massas Refratárias de Cura a Quente
Cinco amostras de massas refratárias foram estudadas, dentre elas, três

massas refratárias de soleira (X, Y e Z) – Figura 31, e duas massas de reparo a
quente (J e K) – Figura 32.
Segundo os fabricantes as massas são definidas como:
a) Massa X - massa de magnésia sinterizada, seca, de pega a quente
com elevado teor de CaO, resistente à erosão por metais e escórias
básicas. Granulometria de 0 a10 mm.
b) Massa Y - massa refratária à base de magnésia sinterizada, seca, de
pega à quente, com elevado teor de CaO, resistente à erosão por
metais e escórias básicas. Granulometria de 0 a 5,60 mm.
c) Massa Z - massa de soleira de magnésia sinterizada com aplicação
principal em fornos elétricos a arco. Granulometria de 0 a 5 mm.
d) Massa J – massa de reparo a quente de magnésia sinterizada para
aplicação em fornos elétricos a arco. Granulometria de 0 a 5 mm.
e) Massa K – massa refratária à base de magnésia sinterizada, seca, de
pega à quente, com elevado teor de CaO, resistente a erosão por
metais e escórias básicas. Granulometria de 0 a 5,6 mm.
55
As análises desenvolvidas no presente trabalho tiveram por objetivo a

identificação dos componentes, fases e distribuição granulométrica tanto das
massas de soleira como das massas de reparo a quente. Além disso, procurou-se
comparar as massas em relação à fusibilidade das mesmas.
Figura 31 – Amostras de massas refratárias de soleira (X, Y e Z)
X Y Z
Fonte: o Autor, 2014.
Figura 32 – Amostra de massas de reparo a quente (J e K)
J K
3.2.3 Conjunto EBT
Foram analisadas, em laboratório, três amostras de luvas refratárias utilizadas

em canal EBT, cuja representação pode ser visualizada na Figura 33.
56
Figura 33 - Luva refratária do canal EBT
A descrição dos materiais, assim como a composição química das amostras,

é mostrada abaixo conforme dados fornecidos pelos fabricantes.
a) EBT P - refratário de magnésia-carbono, com 13% de carbono, à base
de grafita lamelar e magnésia eletrofundida, com adição de
antioxidante, ligado a resina e curado. De elevadas resistências a
oxidação, flexão a quente e ataque de escórias.
b) EBT Q - refratário de magnésia-carbono, à base de magnésia
sinterizada eletrofundida, grafita de alta pureza com metais e
antioxidantes especiais, ligado à resina e curado. De elevadas
resistências à oxidação, flexão à quente e ataque de escórias
oxidadas.
c) EBT R – refratário de magnésia fundida e ligado a carbono (grafita),
curado e impregnado.
3.3 ANÁLISES REALIZADAS
As análises realizadas buscaram a caracterização dos refratários, passando

por ensaios em laboratório até o teste dos mesmos em escala industrial, objetivando
o completo conhecimento dos materiais estudados.
57
3.3.1 Análise Granulométrica
As análises granulométricas foram realizadas com um sistema de 6 peneiras

ABNT com aberturas de 4,75 a 0,25mm. Após o peneiramento o material passante e
retido em cada peneira foi pesado, gerando-se assim o perfil granulométrico das
amostras.
3.3.2 MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura)
Para a análise dos tijolos de MgO-C e das luvas refratárias do canal EBT,
utilizou-se a tecnologia de microscopia eletrônica de varredura. O equipamento
utilizado foi um Microscópio Eletrônico de Varredura - MEV (Hitachi, TM3000), com
um equipamento acessório para espectroscopia por energia dispersiva de raios X
(EDS- Energy Dispersive X-Ray Spectrometer) da marca Oxford Instruments,
modelo SwiftED3000.
Nesta análise, as amostras foram colocadas sobre um suporte de alumínio
previamente preparado com uma fita adesiva de carbono. As amostras foram
obtidas por corte a seco e o polimento foi igualmente realizado a seco, com lixas de
grana crescente (de 100 a 1200).
O princípio de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura (MEV)
consiste em utilizar um feixe de elétrons para explorar a superfície da amostra, ponto
a ponto, por linhas sucessivas, e transmitir o sinal do detector a uma tela catódica
cuja varredura está perfeitamente sincronizada com aquela do feixe incidente. O
sinal da imagem resulta da interação do feixe incidente com a superfície da amostra.
O sinal recolhido pelo detector é utilizado para modular o brilho do monitor
permitindo a observação (DEDAVID, 2007).
O EDS (energy dispersive x-ray detector, EDX ou EDS) é um acessório
essencial no estudo de caracterização microscópica de materiais. Quando o feixe de
elétrons incide sobre um mineral, os elétrons mais externos dos átomos, e os íons
constituintes, são excitados, mudando de níveis energéticos. Ao retornarem para
sua posição inicial, liberam a energia, a qual é emitida em comprimento de onda no
espectro de raios X. Um detector instalado na câmara de vácuo do MEV mede a
energia associada a esse elétron. Como os elétrons de um determinado átomo
58
possuem energias distintas, é possível, determinar quais os elementos químicos

estão presentes naquele local (MARQUES, 2012).
A análise da composição química, através da técnica de análise via
microssonda por energia dispersa (EDS), foi realizada com o objetivo de determinar
possíveis contaminantes, que podem reagir com outros elementos diminuindo a
resistência mecânica a quente do refratário.
3.3.3 DRX (Análise de Difração por Raios X)
A avaliação de fases presentes, nas amostras, foi realizada a partir de análise

em difratômetro Phillips modelo X’Pert MPD, com o auxílio do software X’Pert High
Score. Para a realização da análise, as amostras foram cominuídas até passarem
totalmente pela peneira de 325 Mesh. Após isso, o material foi seco em estufa a
110ºC por 90 minutos. Em seguida, a amostra foi compactada sobre um suporte de
alumínio e inserida no difratômetro. Por fim, os difratogramas das amostras foram
comparados aos difratogramas de amostras de referência já catalogados.
3.3.4 Análise Termogravimétrica (TG e DTG)
A análise termogravimétrica permite deduzir a perda de massa da amostra

pelas curvas TG e DTG (diferencial térmica), e medir as variações térmicas das
transformações ou mudanças de fase da amostra. As análises dos tijolos foram
realizadas em termobalança da marca Mettler Toledo, modelo TG/SDTA 851e. Neste
equipamento, a amostra é suspensa em uma balança e seu peso é monitorado
durante o aquecimento ou resfriamento controlado, ou sob condições isotérmicas
(REED, 1995).
3.3.5 Análise de Fluorescência de Raios X (FRX)
A análise química das massas refratárias foi calculada com base nos óxidos
majoritários, determinados por fluorescência de raios X (FRX), utilizando-se
espectrômetro Shimadzu XRF1800 com fonte de radiação de Rh e potência de 4kW,
operando em 40 kV e 80 mA. A técnica de análise consiste em criar pastilhas a partir
de 3g de amostra e 3g de ligante (ácido bórico), compactados a 20 MPa de pressão.
59
Através da fluorescência de raios-X pode-se identificar quase todos os elementos da

tabela periódica, com exceção do H, He e Li além do Be, B, C, N e O, presentes em
pequenas concentrações. Essa limitação deve-se ao fato de que, elementos com
baixo peso molecular, exigem uma quantidade de energia maior que a máxima
energia cedida pelo tubo de raios-X para desestabilizar o átomo.
3.3.6 Análise por Infravermelho (FTRI)
Para a análise de infravermelho, utilizou-se um espectrômetro de

infravermelho por transformada de Fourier (FTIR – IRAffinity, Shimadzu), com o
objetivo de identificar o tipo de resina utilizada como ligante nos tijolos refratários.
3.3.7 Ensaio de Sinterização
Os ensaios de sinterização foram realizados em forno elétrico Jung, sem

controle de atmosfera e com taxa de aquecimento de 150°C/h. Após atingirem a
temperatura de 1400°C, as amostras foram mantidas a essa temperatura por uma
hora. Na etapa de sinterização das massas foi utilizada somente a fração passante
na malha 48 (abertura de 0,297mm), pois é a fração mais fina que forma a fase
ligante (matriz) que conecta as partículas maiores (agregados). A finalidade do
ensaio de sinterização é verificar a retração das amostras de massas refratárias
quando submetidas a aquecimento até 1400ºC.
3.4 TESTE DOS REFRATÁRIOS EM OPERAÇÃO
Após a caracterização, foram selecionados dois modelos de cada material

refratário para teste em forno elétrico a arco. Para o teste, foram criadas duas
configurações de montagem, com refratários distintos conforme demostrado nas
Figuras 34 e 35.
A configuração A foi composta pelos tijolos A, canal EBT P, massa de soleira
X e massa de reparo K.
60
Figura 34 - Materiais refratários utilizados no forno – Configuração A
Já na configuração B, foram utilizados os tijolos B, canal EBT R, massa de

soleira Z e massa de reparo J.
Figura 35 - Materiais refratários utilizados no forno - Configuração B
Os testes foram realizados em 12 campanhas intercaladas entre a

configuração A e B, conforme mostrado no esquema da Figura 36.
Figura 36 - Esquema de realização do teste
Todas as campanhas operaram por períodos de 21 dias com um número

médio de 27 corridas por dia, com exceção da 12° campanha que operou apenas 14
dias devido a parada da aciaria.
O objetivo dos testes foi avaliar o desempenho dos diferentes materiais em
condições reais de operação, mensurando o consumo específico de cada classe de
material. Além disso, foram realizadas 12 campanhas para minimizar o impacto de
problemas pontuais que pudessem influenciar nos resultados. Em todas as
61
campanhas foram mensurados o consumo e o custo específico dos materiais,

utilizados para fins de obter-se uma comparação precisa.
62
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção, serão apresentados os resultados obtidos ao longo de todo o

trabalho, desde a análise microestrutural dos materiais, até os testes em escala
industrial.
4.1 AVALIAÇÃO DOS DADOS DE PROCESSO DA ACIARIA
Com base na avaliação detalhada do processo da aciaria em que foi realizado

o estudo, identificou-se uma grande estabilidade na composição das escórias do
forno elétrico a arco ao longo dos últimos cinco anos. Além disso, pode-se
identificar, claramente, uma diminuição do percentual de FeO na escória conforme é
possível visualizar na Figura 37.
Figura 37- Diminuição do percentual do FeO ao longo dos anos
No gráfico, pode-se verificar uma diminuição de aproximadamente 10% no

percentual de FeO da escória do forno elétrico a arco. Tal diminuição foi causada
por: melhorias no controle do processo e substituição de injetores convencionais por
injetores com jato supersônico coerente (COJET).
63
Figura 38 - Consumo de massa de reparo a quente
Conforme demonstrado na Figura 38, houve uma diminuição de

aproximadamente 30% no consumo de massa de reparo após o ano de 2013 em
relação aos três anos anteriores. Deve-se salientar que, a diminuição do consumo
de massa de reparo não tem relação com a supersaturação de MgO na escória,
pois, conforme é possível verificar na Figura 39, houve uma diminuição no MgO da
escória nos anos de 2013 e 2014.
Figura 39 - Variação no percentual de MgO da escória

64
A análise do processo mencionada acima serviu como base para a seleção

dos materiais a serem testados em operação, buscando a utilização de refratários de
menor custo sem comprometer a segurança operacional.
4.2 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS REFRATÁRIOS
Nesta etapa do trabalho, os materiais foram caracterizados por diferentes

métodos com o objetivo de conhecer melhor a composição química e a
microestrutura dos refratários estudados.
4.2.1 Caracterização dos Tijolos MgO-C
Neste tópico são apresentados os resultados das caracterizações de

amostras de três tijolos MgO-C utilizados no estudo, os quais foram submetidos a
análise em lupa eletrônica, microscópio eletrônico de varredura (MEV), difração de
raios X e análise termogravimétrica.
4.2.1.1 Análise por Imagem (Lupa eletrônica)
Observa-se nas imagens a seguir uma visão geral da microestrutura dos

tijolos com ampliação de 6x.
Figura 40 - Imagem em lupa eletrônica tijolos MgO-C das amostras A, B e C

65
Mesmo nesta análise de menor resolução, é possível se observar diferenças

significativas na microestrutura das amostras. Os Tijolos A e B apresentam uma
distribuição mais uniforme dos agregados na microestrutura, com agregados
aparentemente de melhor qualidade, com contornos bem definidos e mais
arredondados. O Tijolo C, apresenta alguns agregados com porosidade aberta,
distribuídos em uma estrutura mais fragilizada, devido à preparação por corte e
polimento, sendo este, o mesmo procedimento para todas as amostras. Tais dados
podem ser verificados na Figura 40, abaixo.
4.2.1.2 Caracterização Microestrutural (MEV/EDS)
Figura 41 - Microestrutrura em MEV em diferentes magnitudes (Tijolo A)

66
Figura 42 - Microestrutrura em MEV em diferentes magnitudes (Tijolo B)
Figura 43 - Microestrutura em MEV em diferentes magnitudes (Tijolo C)

67
Os três tijolos analisados apresentam uma boa distribuição de tamanho de

partículas, com uma estrutura formada de partículas pequenas, médias e mais
grosseiras (Figuras 41, 42 e 43). Isto favorece o empacotamento e o aumento da
tenacidade à fratura do tijolo. Além disso, nos três materiais analisados, é possível
observar a presença de agregados com porosidade e impurezas. Alguns agregados
apresentam aspecto típico de grãos eletrofundidos, com as impurezas depositadas
no contorno de grão.
A utilização de partículas eletrofundidas contribui para uma melhora no
desempenho de refratários, aumentando a vida útil dos mesmos, embora
signifiquem um aumento no custo de produção. É um fator consagrado em termos
de melhora da microestrutura de refratários, como demonstram diversos estudos já
publicados (LEE; ZHANG, 2004).
Figura 44 - Composição química tijolo via EDS (Tijolo B)

68
Figura 45 - Composição química via EDS (Tijolo A)
Figura 46 - Composição química via EDS (Tijolo C)
A análise da microestrutura revelou, em geral, a presença de impurezas nas

partículas eletrofundidas, distribuídas ao longo do contorno de grão da
69
microestrutura dos três tijolos (Figuras 44, 45, 46). De acordo com a análise de EDS,
as impurezas presentes nos agregados das três amostras de tijolo são ricas em Si e
Ca, formando eutéticos, como silicatos de cálcio de baixa fusibilidade. Estas
impurezas presentes nos agregados podem favorecer a formação de fases líquidas
em altas temperaturas, mas, normalmente, não comprometem a qualidade do
material refratário. Elas formam uma tonalidade mais clara dentro do agregado,
sendo facilmente observáveis.
É importante destacar que, fora das regiões de eutéticos mencionadas
anteriormente, as impurezas como o Si e o Al presentes nas análises via EDS,
apresentam-se em teores baixos, sendo inerentes à matéria-prima. Quando estes
elementos estão em maiores concentrações dentro da partícula, eles podem
favorecer a formação de eutéticos e comprometer a eficiência do material refratário.
Entre os tijolos analisados, o tijolo B foi o que apresentou maior concentração de Al
ao longo da microestrutura (área 4, Figura 44A). As partículas de tonalidade mais
clara (áreas 1 e 2, Figura 44A), com alto teor de Al, foram identificadas na
microestrutura desse tijolo. Isto representa a utilização de Al (metálico) como
antioxidante neste refratário, normalmente, de dimensões de 100µm. As amostras
dos Tijolos A e C não apresentaram a presença de antioxidantes (Al, Si) na
microestrutura, portanto, uma diferença significativa entre eles.
4.2.1.3 Difração de Raios X (DRX)
A análise de fases foi realizada com amostras representativas da estrutura

geral dos tijolos (agregados e matriz). Como esperado, a análise de DRX (Figuras
47, 48 e 49) indica que as principais fases presentes nas amostras dos tijolos são
periclásio (MgO) e carbono grafite (C).
70
Figura 47 - Difratograma (Tijolo A)
Figura 48 - Difratograma (Tijolo C)

71
Figura 49 - Difratograma (Tijolo B)
Os difratogramas dos tijolos MgO-C A e C, Figuras 47 e 48, respectivamente,

mostram, do mesmo modo que fora referido na análise microestrutural, a ausência
de fases que pudessem indicar a presença de antioxidantes. Os contaminantes se
encontram em baixíssima concentração, como é esperado para um tijolo de
qualidade.
O difratograma do Tijolo B (Fig. 49) mostra que além das fases majoritárias
(MgO e C) há presença do Al (metálico) em sua composição. Neste caso, o Al atua
como antioxidante, auxiliando na formação de fases que reduzem a oxidação do
carbono.
4.2.1.4 Análise Termogravimétrica (TG e DTG) e Infravermelho (FTIR)
Conforme pode ser visto na Figura 50, as perdas de massa na faixa de

temperatura de 300-600°C, e picos correspondentes, podem ser atribuídos às
transformações das resinas orgânicas. Elas consistem em condensação, oxidação,
desidratação e as reações de decomposição que ocorrem simultaneamente. Até
900°C, o vapor de água gerado por várias reações é eliminado, sendo a perda
máxima entre 200 e 500°C. Em temperaturas acima de 400°C, CH 4, CO, H2, uma
pequena quantidade de CO2, benzeno, derivados fenólicos e compostos aromáticos
policíclicos podem ser emitidos. O produto destas reações é uma estrutura amorfa
72
de carbono, em geral, mais susceptível à oxidação. Essa estrutura tende a uma

maior ordenação, quando aquecida (em atmosfera redutora) a temperaturas
>1000°C. As três amostras apresentam quantidade semelhante de ligantes de
resina.
Figura 50 - Curvas da análise termogravimétrica (TG) e análise termogravimétrica diferencial (DTG)

das amostras de tijolos A, B e C com as transformações ocorridas durante a análise
A queima do grafite ocorre acima de 800°C. Percebe-se que as três

composições variam significativamente em relação à quantidade de grafite na
amostra: % Grafite: C < A < B.
A partir de 1000ºC, iniciam-se as reações de oxidação das partículas
metálicas. No entanto, somente na amostra B há um ganho de massa significativo
devido à oxidação do alumínio (mostrada no difratograma da amostra). Os outros
dois tijolos apresentaram um ganho de massa muito pequeno <0,5%, embora a
análise de DTG apresente picos representativos de reação de ganho de massa.
Neste caso, os teores de antioxidantes (descrito pelo fabricante como presente no
Tijolo A e ausente no Tijolo C) devem ser baixos (também não apareceram nas
análises anteriores) e relativamente muito baixos, quando comparados com o Tijolo
B.
73
As reações que sucedem a fusão do alumínio estão descritas na sequencia:

a) <1000°C: Al + 4/3C → Al4C3 (Carbono reativo do ligante ou do grafite)
b) >1100°C: Al4C3 + CO → Al2O3 (CO proveniente da combustão do grafite).
É esperada a formação de espinélio (MgAl2O4) com a reação do alumínio
fundido e/ou Al2O3 com MgO e/ou Mg(g) formado pela redução do MgO sendo uma
explicação para o aumento de massa em 600°C na amostra B; a qual está de acordo
com a literatura, (SCHACHT, 2004).
A Figura 51 apresenta os respectivos espectros no FTIR dos tijolos
analisados, procurando identificar o tipo de resina utilizada como ligante, em cada
tijolo. É importante fazer uma ressalva: de acordo com o percentual de resina
detectado no TGA e a predominância de material inorgânico, a técnica FTIR está no
limite de seu uso (5% mínimo), ficando difícil de discernir parte dos picos com a linha
de base. No entanto, por meio desta análise e dos picos em destaque na referida
figura, pode-se afirmar que a resina utilizada é do tipo fenólica (tipo das comerciais
Novolac e Resol). De acordo com o perfil das curvas apresentado na mesma figura,
não existe diferenças significativas entre as resinas utilizadas nos tijolos analisados.
Figura 51 - FTIR com a identificação dos picos principais (Tijolos A, B e C)

74
4.2.2 Caracterização das Massas
a) Composição Química – FRX
A Tabela 3 apresenta o resultado da análise química (Fluorescência de raios

X) das massas refratárias.
Tabela 2 - Composição química das massas refratárias
Amostra (%) MgO Al2O3 SiO2 CaO MnO Fe2O3 P2O5 Umidade
Massa de soleira
X 84,5 0,2 1,1 12,7 0,3 1,1 <0,1 0,14
Y 74,1 0,4 1,5 19,1 0,4 4,4 <0,1 0,0
Z 79,6 0,4 1,8 15,2 0,3 2,6 0,14 0,18
Reparo
J 59,2 1,6 4,4 24,8 0,9 8,5 0,32 0,42
K 80,4 0,2 1,0 13,9 0,3 4,0 <0,1 0,7
De acordo com a Tabela 3, os principais óxidos presentes nas amostras de

massas refratárias são MgO e CaO, tendo caráter magnesiano e dolomítico. Há
significativas variações nos teores de Fe2O3 e SiO2, o que afeta a fusibilidade das
massas. Destaca-se a Massa X, como a mais refratária de soleira, e a Massa J, que
apresenta ligação em menores temperaturas favorecendo a sinterização.
b) Análise Granulométrica
Com base na análise granulométrica das massas de reparo, Figura 52, é

constatada uma pequena semelhança na distribuição granulométrica da fração mais
grosseira. As duas massas de reparo apresentam, por exemplo, uma maior
concentração de partículas retidas na malha 10 (abertura de 2 mm). No entanto, a
massa de reparo K apresenta uma quantidade maior de partículas intermediárias
75
(1,18mm, 0,5 mm e 0,3mm de abertura), enquanto a massa de reparo J apresenta a

maior quantidade de partículas finas (retido e passante em 0,25mm).
Figura 52 - Comparação da distribuição granulométrica das massas refratárias de reparo
A análise granulométrica comparativa das massas de soleira, Figura 53,

apresentou grande diferença na distribuição granulométrica. A maior diferença foi
verificada no tamanho médio das partículas maiores (4,75mm e 2mm) e no tamanho
médio de partículas finas (< 0,25mm). A massa refratária X, além de possuir a
composição mais refratária, apresenta também o maior percentual de partículas
grosseiras, em relação às outras duas massas de soleira analisadas. A quantidade
de partículas de tamanho intermediário (1,19mm e 0,5mm) apresentou pequenas
variações para as três massas analisadas. Outro ponto importante é a grande
quantidade de partículas da massa Z passantes na malha 60 (0,25mm). A diferença
encontrada na distribuição granulométrica pode ser muito significativa do ponto de
vista da compactação e sinterização. A segregação das partículas finas e grosseiras
em diferentes camadas durante a compactação pode formar regiões com diferentes
76
taxas de sinterização e percentual de retração favorecendo a formação de trincas na

massa comprometendo o desempenho do forno.
Figura 53 - Comparação da distribuição granulométrica das massas refratárias de soleira
c) Difração de Raios X
Observa-se nas Figuras 54 e 55 que as amostras de massa refratária,

apresentam em sua estrutura as mesmas fases, quais sejam: Periclasio (MgO), cal
CaO e traços de Portlandita (Ca(OH)2). Além disso, para todas as amostras, a fase
majoritária é o Periclásio, corroborando com a fluorescência de Raios X (Tabela 3).
A técnica de DRX mostra que não há diferença nas massas refratárias quanto às
fases cristalinas, qualitativamente.
77
Figura 54 – Análise comparativa – Massas de reparo (K e J) Técnica de difração de raios X
Figura 55 – Análise comparativa – Massas de soleira (X, Y e Z) - Técnica de difração de raios X
Massa de
soleira Z
Massa de
soleira Y
Massa de
soleira X
A parte hidratável das massas de soleira pode ser um fator que venha a
prejudicar o desempenho das mesmas em uso. Ela significa a abertura de
porosidade, prejudicando o empacotamento e atrasando a sinterização, ou mesmo
impedindo-a de forma específica e localizada em um determinado ponto.
78
d) Ensaio de Sinterização
A Figura 56 apresenta a imagem das massas refratárias sinterizadas a

1400°C. A retração dos corpos de prova sinterizados a 1400ºC estão descritos na
Tabela 4.
Figura 56 - Fração fina (passante # 48) das massas refratárias sinterizadas a 1400ºC
Tabela 3 - Retração dos corpos de prova sinterizados a 1400°C
A retração dos corpos de prova em função da queima a 1400°C (Tabela 4) é

uma consequência da composição química, fases presentes, granulometria e
compactação. Salienta-se também que a retração será influenciada pela quantidade
de fase líquida formada e pela viscosidade da mesma.
Uma vez que se faz um corte por peneira, descartando a fração mais
grosseira, elimina-se principalmente boa parte dos agregados magnesianos,
potencializando-se a reatividade das massas, em relação à sinterização e, por
79
conseguinte, da retração de queima. Esta será, portanto, maior que da massa

completa. Assim, a influência da distribuição granulométrica apresenta menor
influência neste teste de retração.
Em relação às massas de reparo, pode-se dizer que a massa K apresenta
uma retração maior que a Massa J e, possivelmente, muito acentuada. Sobretudo,
deve-se considerar que as massas de reparo, além da retração de queima, devem
possuir compatibilidade com a expansão térmica das massas de socagem.
Quanto às massas de soleira, salienta-se a excessiva retração da Massa Y,
chegando a 12,97%. As outras duas massas apresentaram valores próximos entre
si.
Nota-se que a retração não reflete uma análise mais superficial da
composição química, pois depende de uma propriedade mais complexa, como é o
caso da viscosidade da fase líquida formada. Assim, a menor retração das massas
pode ser uma consequência direta da razão CaO:SiO 2 e da viscosidade elevada,
características dos silicatos de cálcio.
O teste descrito acima destaca a importância de se evitar a segregação das
massas no transporte e na aplicação, devido à elevada retração que apresenta a
parte mais fina das massas.
4.2.3 Análise das Luvas EBT
O canal EBT é um componente de grande importância na operação de fornos

elétricos a arco. Por esse motivo, esse conjunto refratário foi detalhadamente
analisado no trabalho.
Ao se analisar as propriedades físicas fornecidas pelos fabricantes
identificam-se materiais com características bastante similares. (Tabela 4).
Tabela 4 - Composição química das luvas EBT
Composição % MgO %C % CaO % SiO2 % Fe2O3 % Al2O3
EBT - P 87,7 12,3 - - - -
EBT - Q 86,8 13,2 - - - -
EBT - R 92 5,7 1,8 0,4 0,1 0,1

80
As principais diferenças são uma porosidade aparente menor e uma

resistência à compressão consideravelmente maior da amostra R, em relação às
outras.
a) Amostra P
A análise das fases minerais (Figura 57), realizada por meio de difração de
raios X mostra um material de boa pureza, sem a presença de contaminantes em
quantidade significativa. A peça apresenta magnésia, grafite e antioxidante de
alumínio.
Figura 57 - Difração de raios X (Luva P)
A Figura 58 apresenta o aspecto geral da microestrutura mostrando

agregados de tamanhos grandes e matriz de carbono. Em maiores magnitudes,
pode-se observar que os agregados são de magnésia eletrofundida e a matriz rica
em carbono grafite (Figura 59). Alguma contaminação nos agregados é usual, como
mostram as áreas mais brancas dentro dos agregados.
81
Figura 58 - Aspecto geral (Luva P)
Figura 59 - Análise química via microssonda (Luva P) / Pontos e áreas relacionados à Tabela 5

82
Tabela 5 - Análises dos pontos e áreas da Figura 59
Elementos / % massa Área 1 Área 2 Área 3 Área 4 Área 5
C 13,79 86,05 11,80 45,56 25,09
O 43,02 10,61 43,27 33,44 40,43
Mg 42,41 3,00 10,42 18,00 32,23
Al 0,22 0,20 0,19 1,34 -
Si 0,08 0,05 9,28 0,54 0,20
Ca 0,47 0,09 24,08 1,43 0,57
Outros - - 0,86 - 0,78
As análises químicas das áreas (Tabela 5) mostram uma considerável pureza

dos agregados (área 1 e 5), com exceção da área 3, mostrando uma composição
típica de uma fase de baixa temperatura de fusão. A área 4 mostra uma possível
hidratação do material. A área 2 mostra uma morfologia típica de grafite.
A análise dos pontos da Figura 60 mostra a presença de partículas de
alumínio, de acordo com a composição das áreas 2, 3 e 4 na Tabela 6. Este material
atua como antioxidante, sendo comum seu uso em tijolos de MgO-C utilizados em
linha de escória de panela de aço. Em uma reação com a magnésia é possível a
formação de espinélio, o que aumentaria a resistência ao choque térmico, além do
bloqueio dos poros ao oxigênio.
83
Figura 60 - Análise química via microssonda (Luva P) / Pontos e áreas relacionados à Tabela 6

C 23,07 46,25 45,67 38,85 54,03
O 35,53 10,08 16,21 11,37 28,62
Mg 37,24 3,52 8,02 4,32 15,45
Al - 40,01 29,93 45,39 1,65
Si - 0,07 0,09 - 0,09
Ca 0,32 0,06 0,08 0,08 0,16
Outros 1,84 - - - -
84
b) Amostra Q
Na Figura 61 é possível observar a semelhança das fases minerais da Luva Q

com as da Luva P (Figura 57).
Figura 61 - Difração de raios X (Luva Q)
A análise em MEV/EDS (Figura 62 e Tabela 7) mostra novamente partículas

de magnésia e grafite como os principais constituintes. Em princípio, a pureza é um
pouco menor em relação à Luva P, já que se observam maiores teores de ferro
(área 3 e 5).
85
Figura 62 - Análise química via microssonda (Luva Q) / Pontos e áreas relacionados à Tabela 7

C 36,85 33,14 19,87 35,31 64,28
O 11,02 7,98 42,52 36,19 23,94
Mg 27,62 30,27 25,61 26,40 10,99
Al 18,92 23,08 - - 0,33
Si 0,13 - 0,10 0,09
Ca 0,37 0,32 0,32 0,20
Fe 0,11 0,19 0,15 0,15
Outros 4,98 5,53 1,48 1,53
86
c) Amostra R
A análise de DRX confirma a ausência de carbono cristalino e Al,

apresentando apenas o periclásio (Figura 63), o que diferencia este material em
relação aos outros (P e Q).
Figura 63 - Difração de raios X (Luva R)
A análise microestrutural da Luva R mostra também uma peça que apresenta

algumas diferenças em relação às amostras P e Q. Ela apresenta teores bem
menores de carbono, sendo o ligante um material resinado em vez de ligação à
piche, e não possui grafite, apenas carbono amorfo (Figura 64 e Tabela 8). Outra
diferença é a ausência de antioxidante de Al na Luva R. Nota-se também a presença
de partículas grandes ricas em cálcio (áreas 1 e 4). A ausência deste na DRX indica
que se deve tratar de algum ‘contaminante’, mas por ser um óxido refratário, pouco
deve intervir nas propriedades finais das peças.
87
Figura 64 - Análise química via microssonda (Luva R) / Pontos e áreas relacionados à Tabela 8
C 27,55 17,07 59,71 28,17 36,97
O 38,23 42,49 24,95 33,39 35,14
Mg 12,54 39,48 14,06 12,03 26,57
Al - - - - -
Si 8,65 0,1 0,15 7,78 0,15
Ca 12,75 0,25 0,33 16,00 0,40
Fe - 0,49 0,16 - 0,34
1,63
0,20
Outros 0,27 0,12 0,64 0,42
0,39
0,40
88
d) Análise das Luvas P,Q e R post mortem
Em relação ao desgaste durante a operação, as três luvas tiveram

desempenho similar, não ocorrendo problemas operacionais durante os testes.
Mesmo quando submetidas ao número médio de 140 corridas em operação, todas
as luvas tiveram desgaste uniforme (diâmetro final abaixo de 165 mm), como se
pode observar na Figura 65. Tanto a parede das luvas quanto o canal de vazamento
mantiveram-se íntegros em todos os testes, de acordo com o padrão interno da
empresa.
Figura 65 - Luvas P, Q e R (após o uso)
4.3 RESULTADOS OPERACIONAIS
Como produto final do trabalho, seguem nos gráficos seguintes (Figuras 66,
67 e 68) os resultados dos testes realizados em forno elétrico a arco com as
Configurações A e B.
No gráfico da Figura 66 pode-se identificar uma grande estabilidade do
consumo de refratários da Configuração A ao longo das 6 campanhas. Além disso,
ao desmembrar o consumo por região, nota-se que 54% do consumo de refratários
são provenientes de massa de soleira (massa utilizada na montagem da carcaça),
seguido da massa de reparo à quente com 29% do consumo. Ao analisar o consumo
dos demais componentes refratários da Configuração A, tem-se que 9% do consumo
89
são provenientes de tijolos e 8% de componentes do canal EBT. Essa avaliação tem

como resultado um consumo de 17% de materiais moldados e 83 % de materiais
não moldados na configuração A.
Figura 66 - Consumo específico de refratários do FEA - Configuração A
Consumo
Consumo específico
específico dederefratários
refratáriosdo
doFEA
FEApor
porcampanha
campanha- Configuração A A
- Configuração
2.50
2.00
1.60
1.41 1.44 1.37
1.50 1.29 1.35
1.15
Kg/t
Kg/t
1.00 0.84 0.84

0.73 0.71 0.74
0.66 0.66
0.46 0.43 0.48
0.50 0.36 0.36 0.40
0.34
0.17 0.20
0.12 0.10 0.11 0.12 0.12 0.10 0.14 0.11 0.12 0.11
0.04 0.05
0.00
1 2 3 4 5 6 Total
Campanha
Tijolo A Massa de Soleira X Massa Reparo K Canal EBT P Total
Ao analisar os resultados da Configuração B (Figura 67), nota-se que as

campanhas 1 e 6 tiveram um consumo maior que as demais campanhas. Na
campanha 1, o maior consumo foi motivado pela montagem total do forno, e na
campanha 6, pelo menor período de operação devido a parada de produção da
aciaria, sendo que nas demais campanhas o consumo foi bastante estável.
Analisando detalhadamente os consumos, observa-se que o consumo de
massa de soleira (construção) representa 50% do consumo total, seguido da massa
de reparo que impacta em 28%. Em relação aos tijolos utilizados na Configuração B,
eles representam 14% do consumo, enquanto o canal EBT impacta em 8% do
consumo. Sendo assim, o consumo total da Configuração B é composto por 22% de
materiais moldados e 78% de materiais não moldados.
90
Figura 67 - Consumo específico de refratários do FEA - Configuração B
Consumo específico de refratários do FEA por campanha - Configuração B

2.50
2.10 2.07
2.00
1.51
1.50 1.42 1.42
1.31
1.23 1.19
Kg/t
1.00 0.81
0.76
0.68 0.71
0.64 0.66
0.52 0.56
0.45 0.44 0.45 0.42
0.50 0.38
0.29
0.24 0.21
0.13 0.11 0.11 0.12 0.15 0.11 0.12 0.12
0.06 0.07 0.09
0.00
1 2 3 4 5 6 Total
Campanha
Tijolo B Massa de Soleira Z Massa Reparo J Canal EBT R Total
Comparando as Configurações A e B, observa-se que a Configuração B

apresentou um consumo 10% maior que a Configuração A, motivado,
principalmente, pelo maior consumo de tijolos na primeira campanha onde houve a
montagem completa do forno.
De forma geral, os consumos das Configurações A e B foram muito
satisfatórios e todos os materiais apresentaram a qualidade exigida para o processo
de aciaria. Além disso, se retirados os fatores de montagem total da campanha 1 e
de parada da aciaria na campanha 6 da configuração B, tem-se resultados muito
semelhantes entre as diferentes configurações e fornecedores (Figura 68).
91
Figura 68 - Consumo de refratários por região do FEA
Consumo de refratário por região do FEA

2
Configuração A Configuração B
1.75
1.5
1.25
Kg/t
1
0.75
0.5
0.25
0
Tijolo Massa de Massa de Canal EBT Total
Soleira reparo
Tipo de refratário
Por fim, vale destacar que durante as 12 campanhas de teste, não houve
problemas operacionais causados por nenhum dos componentes refratários que
comprometessem a produção ou a segurança operacional, o que comprova a alta
qualidade dos materiais fornecidos por ambos fornecedores.
Como resultado das análises e testes, foi realizada a substituição do Tijolo C
pelo Tijolo A, gerando dessa forma, uma redução de custo de 40% nesse item,
devido a menor nobreza e consequentemente menor preço do Tijolo A. Além disso,
o conhecimento gerado com as análises dos refratários do canal EBT, assim como
com os testes realizados, trouxe uma redução de 29,9% no custo desses
componentes.
Em relação as massas refratárias identificou-se um consumo praticamente
igual entre os fornecedores, sendo que todas as massas escolhidas para o teste
apresentaram bom desempenho em operação, tanto no que diz respeito ao
consumo quanto a segurança operacional.
92
5 CONCLUSÃO
Através dos resultados obtidos no estudo foi possível concluir que:
Em relação ao desempenho do forno e dos materiais
As melhorias realizadas no forno elétrico a arco ao longo dos anos, assim

como o maior controle do processo de aciaria, possibilitaram uma diminuição de
10% no FeO da escória do forno de 2012 a 2014, tendo como consequência uma
diminuição de 30% no consumo de massa de reparo a quente nos anos de 2013 e
2014.
Como conclusão dos testes em operação, pode-se constatar que todos os
materiais testados nas Configurações A e B atenderam os requisitos necessários e
tiveram desempenho satisfatório em operação. Em relação ao consumo de
refratários, a Configuração B apresentou um consumo levemente maior devido,
principalmente, à montagem completa do forno na primeira campanha e ao menor
período de operação da última campanha. Levando-se isso em consideração, pode-
se afirmar que os resultados foram muito semelhantes.
Em relação às análises realizadas, pode-se concluir que a caracterização de
todos os materiais foi imprescindível para escolha correta dos materiais testados em
operação e para o sucesso dos testes.
Através da caracterização detalhada de novos materiais e testes estruturados
em operação, foi possível realizar a escolha dos materiais mais adequados em
relação à qualidade e custo para o forno em estudo, contribuindo para a segurança
operacional, assim como para a diminuição dos custos da empresa.
Quanto à caracterização dos tijolos
Os três tijolos analisados apresentam propriedades adequadas a sua

utilização. A análise microestrutural mostrou uma boa distribuição de tamanho de
partículas, o que favorece o empacotamento das mesmas e, consequentemente, a
otimização da densidade do conformado e o aumento da tenacidade à fratura do
tijolo. Além disso, alguns agregados apresentam aspecto típico de partículas/grãos
93
eletrofundidos contribuindo para a melhora no desempenho dos refratários,

aumentando a resistência à corrosão e, por conseguinte, a vida útil dos mesmos.
De um modo geral os tijolos apresentaram baixos teores de contaminantes ou
impurezas como óxidos de silício, alumínio, cálcio ou ferro sendo inerentes à
matéria-prima. Portanto, neste quesito, todos os tijolos analisados apresentam boa
qualidade.
A análise por difração de raios X mostrou as fases periclásio e grafite, sem a
presença de fases contaminantes. Dentre os tijolos analisados, somente o Tijolo B
apresentou alumínio (metálico). Este fato foi também verificado na análise
microestrutural. Isto significa a utilização de Al como antioxidante nesse refratário,
diferentemente dos demais tijolos analisados.
A caracterização por termogravimetria apresentou um comportamento
semelhante entre os tijolos até ~800°C. Acima desta temperatura a
decomposição/volatização de orgânicos e carbono foi C < A < B. Em temperaturas
maiores ocorre um ganho de massa mais significativo ao tijolo B devido à oxidação
do Al. Com base na análise por FTIR, pode-se concluir que as resinas utilizadas nos
três tijolos são do tipo fenólica, não existindo diferenças significativas entre elas.
A substituição do Tijolo C pelo Tijolo A gerou uma redução de custo de 40%
nesse item, devido ao menor preço do Tijolo A, sem ocorrer diferença no
desempenho do mesmo no forno.
Quanto à caracterização das massas refratárias
As massas refratárias utilizadas na soleira do forno, resume-se que as

mesmas são constituídas principalmente de óxidos de elevada refratariedade como
MgO e CaO, possuindo caráter magnesiano e dolomítico. Há significativas variações
nos teores de Fe2O3 e SiO2, o que afeta a fusibilidade das massas. Variações na
quantidade de CaO e na razão CaO/SiO2 significam também mudanças na
capacidade da massa reter as infiltrações. Por sua composição, a Massa X, é a
massa de soleira mais refratária, e a Massa J, a massa de reparo que apresenta
ligação em menores temperaturas.
A análise granulométrica comparativa das massas de soleira apresentou
grande diferença na distribuição granulométrica entre elas. A maior diferença foi
verificada no tamanho médio das partículas maiores (4,75mm e 2mm) e no tamanho
94
médio de partículas finas (< 0,25mm). A massa refratária X, além de possuir a

composição mais refratária, apresenta também o maior percentual de partículas
grosseiras, em relação às outras duas massas de soleira analisadas. A massa de
reparo J apresenta considerável maior quantidade de partículas finas (retido e
passante em 0,25mm). As diferenças encontradas na distribuição granulométrica
das massas, as quais podem ocorrer em diferentes lotes da mesma, deve ser
avaliada criteriosamente. Elas podem ser significativas do ponto de vista da
compactação e sinterização.
No teste de retração de queima a partir da confecção de corpos de prova
constituídos da fração fina das massas, a Massa K apresentou maior retração
(7,8%) em relação à Massa J (4,32%). Já para as massas de soleira, destaca-se a
excessiva retração da Massa Y, chegando a 12,97%. A massa total (finos + grossos)
apresenta uma retração de 1-2%. Isto prova a importância de se evitar a segregação
das massas, pois a fração mais fina apresenta elevada retração de queima, o que
pode causar problemas no desempenho final do produto.
A técnica de DRX mostrou que não há diferença significativa nas massas
refratárias quanto às fases cristalinas, qualitativamente. No entanto, por
apresentarem cal livre, as massas devem ser estocadas e manuseadas com cuidado
para se evitar a hidratação das mesmas.
Quanto à caracterização dos refratários do canal EBT
Por fim, quanto à caracterização dos refratários do canal EBT, após a análise
detalhada das luvas selecionadas e a análise dos testes de desempenho em
operação, concluiu-se que os materiais P, Q e R atendem tecnicamente as
necessidades da aciaria onde foram testadas. Os testes realizados com os
diferentes tipos de canal EBT atestaram a qualidade dos três materiais.
Os materiais P e Q apresentaram grande semelhança em todas as análises,
podendo-se levantar a possibilidade de serem fabricados com as mesmas matérias-
primas, tendo somente a diferença em relação à nomenclatura comercial. Ambos
apresentaram como fases o periclásio, o grafite e o alumínio (antioxidante), elevado
teor de carbono (grafite) e grão/partículas eletrofundidos. A luva R apresentou
somente a fase periclásio, com menor teor de carbono (somente amorfo) e
partículas eletrofundidas.
95
O conhecimento gerado com as análises dos refratários do canal EBT,

incluindo-se a análise das fases minerais e da microestrutura, assim como com os
testes realizados em operação, obteve-se uma redução de 29,9% no custo destes
componentes.
96
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Testar outros modelos de tijolos fabricados com matérias-primas menos

nobres e, consequentemente, de menor custo, já que se comprovou nos testes
realizados, a possibilidade de utilização de refratários de menor nobreza sem
impactos no processo.
Revisar o residual mínimo para substituição dos tijolos buscando uma
utilização maior desse componente.
Testar o conjunto EBT com orifício cônico, com foco em menor consumo de
refratários e redução da passagem de escória do forno para a panela.
97
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3, p. 1651-1655, 2007. Nota de aula. Portable Document Format (PDF).
101
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Reitor: Carlos Alexandre Neto
Vice-Reitor: Rui Vicente Oppermann
ESCOLA DE ENGENHARIA
Diretora: Luiz Carlos Pinta da Silva Filho
Vice-Diretora: Carla Schwengber ten Caten
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO (PPGE3M)

Coordenador: Carlos Pérez Bergmann
Coordenador substituto: Afonso Reguly
Mattiello, Jakson
OPERACIONAL DOS PRINCIPAIS COMPONENTES REFRATÁRIOS
UTILIZADOS EM FORNOS ELÉTRICOS A ARCO / Jakson
Mattiello. -- 2016.
100 f.
Orientador: Saulo Roca Bragança.
Dissertação (Mestrado) -- Universidade Federal do

Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Programa de
Pós-Graduação em Ciência dos Materiais, Porto Alegre,
BR-RS, 2016.
1. Refratários. 2. Aciaria. 3. Forno Elétrico a

Arco. I. Roca Bragança, Saulo, orient. II. Título.

Alto Forno

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESTUDO DE CARACTERIZAÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO

ESTUDO DE CARACTERIZAÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO

Dissertação submetida ao Programa de

Orientador: Prof. Dr. Saulo Roca Bragança

ESTUDO DE CARACTERIZAÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO

Esta dissertação foi analisada e julgada

Aprovado em: ____ / ____ / _________

Prof. Dr. Pedro Melo – UFRGS __________________________________

Prof. Dr. Wagner Vianna – UFRGS __________________________________

Dr. Ricardo T. da Cruz – IFRGS __________________________________

A minha família por sempre acreditar na minha capacidade e me incentivar a

O setor siderúrgico, assim como os demais setores da indústria, vem buscando

Palavras-chave: refratários; aciaria; forno elétrico a arco.

Keywords: refractories; steelmaking; electric arc furnace.

Figura 1 – Principais linhas de produção do aço.................................................... 18

Figura 25 – Vista superior da montagem dos tijolos de trabalho do forno elétrico

Tabela 1 – Refratários Utilizados por Região e Sub-região do Forno........................30

MnO Óxido de manganês

3.3.4 Análise Termogravimétrica (TG e DTG)..................................... 58

O aço é um dos materiais mais utilizados no mundo e por ser um produto

desempenho em operação, identificando os refratários que melhor atendam as

Para nortear esse trabalho investigativo, e com finalidade de fundamentá-lo

2.1 PRINCIPAIS ROTAS DE PRODUÇÃO DO AÇO

O aço é uma liga metálica que contém geralmente de 0,002 a 2,11% de

Figura 1 – Principais linhas de produção do aço

Fonte: ROSSI (modificado), 2014.

Atualmente, dois terços do total de aço produzido no mundo (1,6 bilhões de

2.1.1 Produção de Aço em Usinas Integradas

Em usinas integradas, a produção do aço tem como matéria-prima principal o

O produto do alto-forno chama-se ferro-gusa, (ferro com teores de carbono

2.1.2 Produção do Aço em Usinas Semi-integradas

Usinas semi-integradas são plantas que não possuem a fase de redução,

2.2 ACIARIA ELÉTRICA

Em uma aciaria elétrica se produz aços a partir da fusão de sucata metálica,

Figura 2 - Fluxo de produção típico de uma aciaria de aços carbono

Fonte: ROSSI (modificado), 2014.

A primeira etapa na produção de aço, em aciarias elétricas, é a separação e

2.2.1 Pátio de Sucatas

A produção do aço em uma aciaria elétrica inicia no pátio de sucatas, local

a) Prensa tesoura: prensa a sucata e, em seguida, através de uma tesoura tipo

2.2.2 Refino Primário dos Aços em Forno Elétrico a Arco

eletricidade responsáveis pela formação do arco elétrico e pela transferência de

Figura 3 - Forno Elétrico a Arco (FEA)

Fonte: ENCYCLOPÆDIA BRITANNICA, 2016.

O FEA possui três aberturas principais:

Figura 4 - Fluxo do processo de carregamento e operação do forno elétrico da Gerdau Riograndense

Fonte: VILELA (adaptado), 2008.

A fusão da carga é realizada por meio do arco elétrico formado entre os

Figura 5 - Jato supersônico convencional e jato supersônico coerente

Fonte: MATHUR; MESSINA, 2001.

Os jatos coerentes se caracterizam por conseguir, praticamente, manter sua

No refino oxidante, além da injeção de oxigênio para o fornecimento de

Figura 6 - Modelo convencional e EBT

Fonte: FIGUEIRA (adaptado), 2007.

Após o vazamento, o aço é encaminhado ao refino secundário, processo que

2.2.3 Refino Secundário

O refino secundário é realizado fora do equipamento de fabricação do aço

Aprovado em: / / _____