A pesquisa bibliográfica focada no estudo de refratários é importante devido ao fato de que o fenômeno da obstrução ocorre exatamente no canal refratário do sistema de válvula gaveta. A performance dos refratários empregados nos sistemas de válvula gaveta de distribuidor está intimamente relacionada às exigências operacionais, cujo objetivo principal é propiciar um controle de fluxo por períodos prolongados de lingotamento. Dentro deste contexto, Mcpherson[31] e Routschka[34], ressaltam alguns aspectos que merecem relevância:
Ø A temperatura de vazamento do aço líquido, que deve ser suficiente para garantir a lingotabilidade, porém se maior que 1600ºC, ataca significativamente o refratário;
Ø A vida do refratário do sistema de válvula gaveta é influenciada pelas condições de tratamento do aço, erosão e corrosão.
Ø Características dos refratários, limitações de lingotamento, metalurgia secundária e variações de fluxo e temperatura, propiciam reações de “entupimento” (obstrução) por congelamento e / ou alumina, dos canais de vazamento.
Além do conhecimento das propriedades físico-químicas dos refratários, conforme Gallo[32] é imprescindível para uma correta seleção destes, uma rigorosa análise de adequação a cada aplicação. Existem hoje à disposição no mercado, diferentes tipos de refratários para válvula gaveta, como: - liga cerâmica, tais como: MgO, MgO-Spinel, Alta Alumina, Alumina Mulita Zirconita e óxidos de Zircônio.
Os refratários ligados ao carbono, ou “resin bond”, alta alumina em sua grande maioria, tornaram-se, nos dias de hoje, segundo Gallo[32], padrão em todo o mercado. Materiais especiais como aluminas ou magnésias ligadas a carbetos ou nitretos, como por exemplo, o sialon, ainda não são empregados em escala devido ao alto custo de matérias primas e fabricação.
3.5.1 - DESGASTE FÍSICO-QUÍMICO DOS REFRATÁRIOS
A maioria dos mecanismos de desgaste químico deve-se à formação de novos minerais. Muito frequentemente leva-se a formação de componentes de baixo ponto de fusão, através de reações de redução destes minerais com decomposição ou fusão de suas estruturas cristalinas. Principais fatores que influenciam no desgaste físico-químico:
Ø Propriedades físico-químicas das matérias primas, ligas, granulometria, impregnação, outros;
Ø Descarbonetação em função do excesso de pré-aquecimento do sistema refratário;
Ø Características de operação, como: - qualidade do aço, escória, utilização de oxigênio para a limpeza ou desobstrução, temperatura de vazamento, etc.
A superfície refratária pode ser penetrada por fundentes de óxido de ferro, FeO e manganês, MnO, durante a operação de limpeza ou desobstrução do canal refratário. O FeO também forma com o córundum ou com cristais de periclásio, uma pele de spinel. Como conseqüência, observa-se um aumento de volume da zona de reação afetando a estrutura secundária, tornando-a esboroável (fenômeno que ocorre especialmente se a variação de volume é repetida em função de mudanças múltiplas de atmosfera, entre as condições de redução e oxidação).
Os efeitos físicos que desgastam os refratários[34] estão relacionados a: Ø Atrito do movimento da válvula gaveta;
Ø Injeção de oxigênio para desobstrução ou limpeza; Ø Sensibilidade ao choque térmico;
Ø Aços com alto teor de oxigênio.
Algumas características do desgaste físico são influenciadas por propriedades típicas como: - coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica, sistema ligante, resistência à abrasão. Um efeito negativo muito forte é um alto coeficiente de expansão térmica. Conforme Routschka[34] e Mcpherson[31], o primeiro choque térmico de um refratário de válvula gaveta quando da passagem da primeira porção de aço, é muito grande; mesmo tendo sido realizado um eficiente pré-aquecimento. Um gradiente de temperatura muito alto ocorre rapidamente ao longo do refratário em função de uma carga térmica não homogeneamente distribuída. Acredita-se, conforme descrito por Gallo[32] que esta condição exerça uma enorme influência
no mecanismo de congelamento (obstrução) do primeiro fluxo de aço. Segundo Mairy[46], as tensões térmicas resultantes serão dissipadas através de trincas e deslocamento de superfície. Os refratários de MgO possuem um coeficiente de expansão térmica bastante linear, os de zircônia, ZrO2, possuem um coeficiente não linear, porém, sem picos significativos em relação aos de alumina (Al2O3) e mullite (mulita).
Quanto maior a condutividade térmica, maior será o gradiente térmico o que ocasionará tensões termo-mecânica no refratário e poderá ocasionar problemas de resfriamento do canal de vazamento, principalmente se a temperatura do aço estiver próxima da linha liquidus. Nos estudos de Okamoto[47] de 2004, um parâmetro adicional, que também não deve ser negligenciado, é a dureza superficial do refratário, Segundo o mesmo, superfícies macias proporcionam a formação de lâminas de aço solidificado (fina espessura de aço solidificado), na superfície refratária em função de uma maior abrasividade quando comparadas com superfícies mais duras. Entretanto, estas lâminas são também influenciadas por efeitos de tensão superficial em função do material base e tamanho de grão.
Independente do tipo de refratário utilizado no sistema válvula gaveta, baseado nos relatos acima, verifica-se a importância de um eficiente pré-aquecimento desta região refratária, em função da condutividade térmica que pode provocar o congelamento do fluxo de aço do distribuidor para o molde. É, portanto, fundamental, a correta definição de uma curva de aquecimento para este sistema, que deve buscar um equilíbrio entre um fraco e forte pré- aquecimento.
Um pré-aquecimento insuficiente (fraco) poderá provocar trincas no refratário e um resfriamento rápido do metal líquido (obstrução).
Já um pré-aquecimento exagerado (forte), poderá provocar a oxidação da grafita, (conhecida como descarbonetação), que até hoje é um dos principais componentes deste sistema refratário.
A escolha da curva de pré-aquecimento do distribuidor a ser utilizada de acordo com Routschka[34], Mcpherson[31] e Rothfuss[33], é muito difícil. Contudo, qualquer que seja a escolhida, deve-se considerar o tipo de mecanismo a ser usado no pré-aquecimento (exemplo: maçarico), o poder calorífico do tipo de combustível a ser usado, a composição química do