Microestrutura do refratário para contato com Al

Pode-se inferir, baseado no que foi exposto anteriormente, que uma solução tecnológica para a contenção do alumínio líquido pelo revestimento refratário é a minimização de seu tamanho médio de poros. Siljan [22] faz uma análise cuidadosa desses aspectos apresentados por Matsushita [34,35] e Kaptay [36] (este último que explora novas propostas do termo ξ em função do tipo de configuração de poro), conforme pode ser visualizado em seus resultados na Figura 3.9. Por meio de cálculos especulativos, diferentes materiais refratários (E, F, F+S, G e H) foram analisados quanto as suas suscetibilidades a penetração pelo alumínio líquido de acordo com seu raio médio de poro. Observa-se que existe um raio médio de poro (aprox. 4µm) acima do qual a intrusão passa a ocorrer a uma elevada taxa, verificando-se portanto que a minimização do tamanho médio de poros deve atingir um valor específico. 0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 24,0 28,0 0 1 2 3 4 5 6 7

Raio médio de poro (µm)

Re si s tên ci a ao al u m ín io ( #) E_F F + S G H 0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 24,0 28,0 0 1 2 3 4 5 6 7

Raio médio de poro (µm)

Re si s tên ci a ao al u m ín io ( #) E_F F + S G H

Figura 3.9: Investigação da resistência ao alumínio de alguns materiais refratários (E, F, F+S, G, H) quanto à dependência do tamanho médio de poros. A composição química dos refratários pode ser obtida na literatura [35].

É destacado também que o aumento da temperatura e o uso de elementos de liga acabam por diminuir a viscosidade do alumínio quando fundido, agravando ainda mais a degradação do refratário. Pelas Equações 8 e

9, percebe-se que a diminuição da viscosidade aumenta dhc/dt.

Adicionalmente, aumentando-se a tensão superficial, eleva-se a altura de metal penetrado e diminui-se a pressão crítica necessária, como é mostrado respectivamente nas Equações 10 e 11.

Portanto, para esses efeitos, a minimização do tamanho de poro pode retardar a penetração de alumínio líquido no revestimento refratário e, conseqüentemente, reduzir sua degradação.

3.4.2.2.1 Influência da porosidade

Não foi encontrada na literatura [22,25,34,35] uma clara correlação entre a porosidade e a facilidade de penetração e ataque pelo alumínio líquido. Entretanto, o ensaio de imersão de Arquimedes para a medição da porosidade, apesar de execução e princípios simples, é sempre uma medida fundamental no entendimento da microestrutura dos materiais refratários.

A porosidade de um corpo cerâmico surge devido ao seu processo de fabricação em que, diferentemente de um processo siderúrgico que envolve fusão e solidificação, as partículas (cristalinas em sua maior parte) são empacotadas a fim de se alcançar um formato desejado para, em seguida, serem sinterizados. Cada tipo de processamento de material cerâmico se caracteriza pela forma ou maneira de aglomerar e empacotar tais partículas para alcançar um determinado formato.

Considerando-se as partículas que constituem um corpo cerâmico como esferas, percebe-se que ao se tentar empacotá-las, é possível que se formem espaços vazios entre elas (como os vãos entre bolas de tênis que preenchem uma caixa d’água). Estes são os poros iniciais do chamado “corpo a verde” cerâmico (Figura 3.10).

Além da formação das ligações cerâmicas durante a sinterização, o corpo cerâmico também se densifica, ou seja, pode eliminar uma fração desses poros. A fração de poros que restar após a sinterização pode adquirir algumas configurações e estas são classificadas da seguinte maneira (Figura 3.10) Caso b): (1) poros abertos e não conectados, que permitem a penetração

limitada de um fluido, mas sem permear totalmente a amostra; (2) poros fechados e, portanto, inacessíveis (podem já estar previamente no interior de uma partícula ou se desenvolver na própria sinterização); e (3) poros abertos e conectados.

Figura 3.10: a) Empacotamento de partículas monomodais e os espaços vazios b) Partículas após a sinterização.

Com tal variabilidade de tipos de poro, considera-se razoável o fato de não haver uma correlação direta da porosidade com o ataque do Al líquido nos refratários investigados pela literatura.

3.4.2.2.2 Permeabilidade de refratários para contato com Al

A existência de poros abertos e conectados de um material cerâmico está relacionada a uma importante propriedade microestrutural que é a permeabilidade. Não se encontraram relatos dessa propriedade na literatura da área de refratários para contato com alumínio. Braulio et al [21] relatam que a questão microestrutural é fundamental na análise sistêmica para a seleção de refratários de revestimento em cadinhos no transporte do alumínio líquido. Considera-se então a permeabilidade como uma propriedade interessante a ser estudada para o melhor entendimento microestrutural dos refratários deste trabalho.

A permeabilidade de um material é caracterizada quando um fluido é forçado a atravessar um meio poroso. A complexa interação existente entre o

Caso a

1

3 2

fluido e o canal poroso ocasiona uma mudança na energia do sistema, normalmente gerando uma queda da pressão exercida pelo fluido [37].

A equação de Forchheimer (Equação 12), utilizada para fluidos compressíveis (gases e vapores), é a mais adequada para uso em um meio rígido e homogêneo: 2 s 2 s 1 o 2 o 2 i _v k ρ v k µ L P 2 P P + = ⋅ ⋅ − (12)

onde, Pi= pressão absoluta do fluido na entrada da amostra (Pa), Po = pressão

absoluta na saída (Pa), vs = velocidade superficial do fluido (saída volumétrica

de ar/área total de fluxo em m/s), L = espessura da amostra (m), µ= viscosidade do fluido (mPa/s ou poise), ρ = densidade do fluido calculada para Po (kg/m3), k1 = constante de permeabilidade Darciana (m2) e k2 = constante de

pemeabilidade não Darciana (m) [37].

O parâmetro k1 está associado aos efeitos viscosos durante o

escoamento em baixas velocidades, ou seja, ao atrito entre as moléculas do fluido e deste com as paredes do meio poroso. Já k2, se relaciona à perda de

energia em velocidades de fluxo elevadas, sendo intensificado em decorrência de fatores como a turbulência do escoamento e a tortuosidade do meio poroso [38].

De acordo com Innocentini et al [39] , a equação de Forchheimer permite o cálculo de constantes de permeabilidade mais realistas ou confiáveis para a caracterização de cerâmicas refratárias, pois considera os efeitos turbulentos de fluxo em altas velocidades e também os efeitos da compressibilidade do fluido.

Estudos apresentados por Bonadia e colaboradores [12], mostraram a existência de uma correlação entre permeabilidade (medida na temperatura ambiente) e a área de degradação do banho criolítico no ensaio de “cup test”.

Considerando que a penetração do alumínio líquido tem maior liberdade para ocorrer nos canais contínuos formados pelos poros, pretende-se

investigar nesse trabalho qual é a influência da permeabilidade dos refratários quanto ao dano causado pela ação corrosiva do alumínio.