A análise dos danos refratários nos pilares da calha do forno de coque de têmpera a seco indica que melhorar a resistência à flexão e a resistência ao choque térmico dos materiais refratários é uma forma eficaz de prolongar sua vida útil. A introdução de fibras de aço em concretos de carboneto de silício de mulita proporciona reforço e tenacidade, prolongando assim sua vida útil. O tipo de ligante é crucial para a construção e desempenho de concretos refratários. Este artigo examina os efeitos de três ligantes-cimento de aluminato de cálcio puro (Secar 71), sol de sílica e pó de alumino-gel de sílica-na estrutura e propriedades de concretos para determinar o ligante apropriado.
Propriedades Físicas Gerais
Após secagem a 110 graus e tratamento térmico a 1000 graus, a amostra colada-de cimento de aluminato de cálcio apresentou a menor porosidade aparente e a maior densidade aparente, indicando que o cimento-ligadomoldáveis de carboneto de silíciotem as melhores propriedades de fluxo, facilitando a formação de amostras. A amostra ligada ao cimento de aluminato de cálcio-sofreu desidratação significativa a 850 graus, resultando em aumento da porosidade aparente e diminuição da densidade aparente. Após tratamento térmico a 1000 graus, a amostra sinterizou e encolheu, aumentando sua densidade.
A resistência à flexão-à temperatura ambiente e a resistência à compressão de amostras com diferentes ligantes aumentaram com o aumento da temperatura do tratamento térmico. Após secagem a 110 graus, a amostra colada com cimento de aluminato de cálcio apresentou a maior resistência à flexão, com 7,5 MPa, enquanto a amostra colada com pó de alumina-sílica gel apresentou a menor resistência. Isso indica que a reação química entre o cimento e a água solidifica e endurece, resultando na maior resistência, o que mais contribui para a segurança da construção de concretos refratários. Após o tratamento térmico a 850 graus, a resistência à flexão à temperatura ambiente das amostras com os três ligantes não diferiu significativamente. A amostra colada com cimento de aluminato de cálcio apresentou a maior resistência à compressão-à temperatura ambiente, 53,6 MPa. Após o tratamento térmico a 1.000 graus, a amostra colada com cimento de aluminato de cálcio apresentou a maior resistência à flexão à temperatura ambiente, com 14,3 MPa, enquanto a amostra colada com pó de alumina -sílica gel apresentou a maior resistência à compressão à temperatura ambiente, com 70,2 MPa. Isto indica que as fases monoaluminato de cálcio (CA), dialuminato de cálcio (CA2) e dodecaluminato de cálcio (C12A7) produzidas pela hidratação do cimento de aluminato de cálcio possuem alta resistência de ligação. O nano-Al2O3 e SiO2 no pó de alumino-sílica gel reagem para formar uma fase de ligação de mulita, o que pode aumentar a resistência do moldável de carboneto de silício.
Distribuição do tamanho dos poros
Após tratamento térmico a 1000 graus, o tamanho médio dos poros das amostras coladas com cimento de aluminato de cálcio (Grupo A) foi de 0,23 μm, com diâmetro médio de 0,74 μm. A distribuição do tamanho dos poros foi a mais concentrada (0,01 μm a 2 μm). As amostras coladas com sol de sílica (Grupo B) apresentaram o menor tamanho médio de poro, 0,13 μm, com diâmetro médio de 0,40 μm, e uma distribuição de tamanho de poro mais ampla (0,01 μm a 4 μm). As amostras coladas com pó de alumino-sílica gel (Grupo C) apresentaram o maior tamanho médio de poro, 0,28 μm, com diâmetro médio de 0,77 μm. A distribuição do tamanho dos poros variou de 0,01 μm a 6 μm, mas a distribuição do tamanho dos poros foi concentrada na faixa de 0,01 a 1 μm.
Resistência à flexão em altas-temperaturas
A amostra ligada-ao sol de sílica apresentou a maior resistência à flexão-em altas temperaturas, 13,7 MPa. As amostras ligadas com cimento-e com alumina-pó de sílica gel-apresentaram menor resistência à flexão em altas-temperaturas, 7,8 MPa e 8,3 MPa, respectivamente. Isso ocorre porque o nano-SiO2 no sol de sílica forma uma rede de silício-oxigênio dentro da amostra e é altamente reativo. A 1000 graus, ele reage prontamente com o micropó ativo -Al2O3 para formar uma rede de mulita, aumentando a resistência da amostra. O pó de alumina-sílica gel contém menos SiO2, portanto a rede de mulita formada na amostra a 1000 graus não é tão forte quanto a da amostra ligada ao sol de sílica-, resultando em menor resistência à flexão em altas-temperaturas. O cimento de aluminato de cálcio contém uma certa quantidade de CaO, que reage prontamente com SiO2 e Al2O3 no material em altas temperaturas para formar fases de ponto de baixo -ponto de fusão-, como 3CaO×Al2O3 e 2CaO×Al2O3×SiO2. Essas fases então se tornam líquidas em altas temperaturas, reduzindo a resistência à flexão da amostra em altas-temperaturas.
Estabilidade ao choque térmico
A amostra ligada-sol de sílica exibiu a maior resistência à flexão residual, 7,8 MPa. A amostra ligada com pó de alumina-sílica gel exibiu a menor resistência à flexão residual, 5,3 MPa. A amostra colada com cimento de aluminato de cálcio exibiu alta resistência à flexão residual e retenção de resistência à flexão. A resistência superior ao choque térmico das amostras ligadas com cimento de aluminato de cálcio-e com sol de sílica-pode ser devida à distribuição concentrada do tamanho dos poros e à estrutura da rede de oxigênio-de silício, respectivamente. Dentro de materiais refratários multifásicos heterogêneos, as diferenças nos coeficientes de expansão térmica entre as fases causam a formação de numerosas microfissuras em concretos de carboneto de silício durante a incompatibilidade de expansão térmica. Essas microfissuras não apenas absorvem a energia de deformação elástica, reduzindo a força motriz para o crescimento da trinca primária, mas também dispersam a tensão concentrada na ponta da trinca, dissipando a energia necessária para a propagação da trinca e melhorando a resistência ao choque térmico do material.
Resistência ao desgaste
Testes de abrasão foram realizados em amostras com diferentes ligantes após sinterização a 1000 graus. Os resultados mostraram que as amostras ligadas com cimento de aluminato-e com pó de alumínio-sílica gel-exibiram menos desgaste, com a amostra ligada com cimento de aluminato-exibindo o menor desgaste, com 3,75 cm³, e a amostra colada com sílica coloidal-exibindo o maior desgaste, com 7,58 cm³. Para materiais refratários heterogêneos que consistem em agregado e matriz, o desgaste por erosão normalmente remove primeiro a matriz, deixando partículas salientes e isoladas-como ilhas como o principal alvo de desgaste. Essas partículas então caem, formando rachaduras e danificando ainda mais a matriz circundante. As amostras ligadas ao cimento-de aluminato exibiram uma densidade mais alta, formando ligações Si-O-Al entre o pó de SiO₂ e o hidrato de cimento, resultando em uma ligação de matriz firme e melhor resistência ao desgaste. Nas amostras ligadas de alumino-sílica gel em pó-, o nano-Al₂O₃ reagiu com SiO₂ para formar uma matriz de mulita, aumentando a resistência ao desgaste. As amostras coladas-de sílica coloidal exibiram numerosas microfissuras na matriz, tornando-as menos resistentes ao desgaste por erosão.
Análise Microestrutural
Após o tratamento térmico a 1.000 graus, as amostras coladas com cimento de aluminato de cálcio-exibiram a ligação mais firme entre a matriz e o agregado, contribuindo para sua maior densidade, resistência e resistência ao desgaste. Além disso, a matriz continha numerosas microfissuras, resultando numa distribuição concentrada do tamanho dos poros e excelente resistência ao choque térmico. As amostras coladas com sol de sílica exibiram numerosos vazios e microfissuras, contribuindo para sua alta porosidade aparente, ampla distribuição de tamanho de poros e baixa resistência ao desgaste. Além disso, a presença de uma grande estrutura de rede de sílica-oxigênio contribuiu para sua resistência à flexão em altas-temperaturas e excelente resistência ao choque térmico. As amostras ligadas com-sílica gel em pó-de alumina exibiram uma melhor ligação entre o agregado e a matriz, com uma grande rede colunar de mulita na matriz, resultando em propriedades mecânicas superiores e resistência ao desgaste.
