Devido à hidratação e seu efeito expansivo, o uso de magnésias reativas em concretos refratários é usualmente evitado. Entretanto, magnésias cáusticas possuem maior área superficial e menor tamanho médio de cristais quando comparadas ao sínter de MgO, podendo favorecer a formação de espinélio (MgAl2O4) em temperaturas menores que as usuais, por aumentar a força motriz para reação da Al2O3 com o MgO. Além disto, a expansão volumétrica associada à hidratação da magnésia poderia ser utilizada para aumentar a resistência mecânica, viabilizando a substituição do cimento e, conseqüentemente, a redução dos custos destes concretos. Considerando-se estes aspectos, o objetivo do presente trabalho foi avaliar a incorporação de fontes de MgO com reatividades distintas (um sínter de MgO e duas magnésias cáusticas) em concretos refratários aluminosos contendo diferentes teores de cimento de aluminato de cálcio (0, 2, 4 ou 6%-p) e 1%-p de microssílica. A incorporação do cimento de aluminato de cálcio e da microssílica foi realizada com o intuito de reduzir os danos associados à hidratação do MgO. Como resultado, rotas para incorporação de fontes de magnésias com reatividade distintas aos concretos são apresentadas, sem os danos decorrentes da expansão volumétrica causada pela hidratação, potencializando a redução da temperatura de início de formação de espinélio. Os resultados também indicam que o MgO, para situações particulares, é uma alternativa adequada para a substituição do cimento de aluminato de cálcio como ligante nestes concretos.

Due to its hydration and expansive effect, the use of caustic magnesia in refractory castables is usually not recommended. However, compared to the dead-burned magnesia, the caustic one has a greater surface area and a smaller crystal mean size, which could induce spinel formation (MgAl2O4) at lower temperatures than usual by enhancing the driving force for the reaction between Al2O3 and MgO. Moreover, the volume expansion associated with the magnesia hydration could be used to develop mechanical strength, allowing the cement replacement and consequently reducing the costs of these castables. Considering these aspects, the objective of the present work was to evaluate the addition of MgO sources with different reactivity (a dead-burned and two caustic magnesias) in refractory castables with various calcium aluminate cement contents (0, 2, 4 or 6 wt%) and 1 wt% of fumed silica. The addition of calcium aluminate cement and fumed silica was carried out in order to inhibit the deleterious effects associated to magnesia hydration. As a result, different routes for magnesia sources addition with distinct reactivity to the castables are presented, without the usual damages resulting from the volumetric expansion caused by MgO hydration, which in parallel will potentially reduce the initial spinel formation temperature. The results also highlighted that magnesia is a suitable alternative to replace calcium aluminate cement as a binder in these castables, for particular compositions.

Apesar da hidratação da magnésia constituir uma dificuldade para o seu uso em concretos refratários, trabalhos recentes indicam que o controle da expansão volumétrica associada a esta reação pode ser utilizado para promover o desenvolvimento de resistência mecânica em concretos sem cimento, resultando em um ligante a base de magnésia. Considerando este aspecto, o objetivo do presente trabalho foi avaliar o potencial do MgO e da combinação MgO-SiO2 como agentes ligantes para concretos refratários. Com este propósito utilizou-se três fontes de MgO distintas, um sínter de magnésia e duas magnésias cáusticas. Para o sistema MgO-SiO2, teores distintos de microssílica (1 %-p, 2 %-p e 4%-p) foram adicionados aos concretos a fim de evitar os danos causados pela hidratação da magnésia. Os resultados obtidos destacam que para o sínter de MgO, calcinado acima de 1500 °C, a baixa razão CaO/SiO2 é um dos pré-requisitos para a redução dos efeitos deletérios associados à hidratação. Para as magnésias cáusticas (calcinadas abaixo de 1200 °C) o teor de SiO2 e CaO livre são fundamentais para determinar o efeito ligante e a integridade física final do produto. Além disto, a adição de microssílica apresentou-se como um mecanismo eficiente para controlar a hidratação de diferentes fontes de MgO, entretanto, teores elevados de microssílica podem resultar em uma redução acentuada da fluidez.

Due to its hydration, the use of fine magnesia in refractory castables is a key concern. Nevertheless, recent studies pointed out that the volume expansion associated with this reaction can be used to develop strength in cement-free castables, resulting in magnesia based binder. Considering this aspect, the objective of the present work was to evaluate the potential of MgO and MgO-SiO2 as binders for refractory castables. With this purpose, three different sources of magnesia were used, one dead-burned and two caustic ones. For the MgO-SiO2 system different amounts of fumed silica (1wt.%, 2wt.% and 4wt.%) were added to the castable compositions in order to avoid the damages caused by magnesia hydration. The results attained pointed out that for the sinter calcined above 1500 °C, the low CaO/SiO2 ratio is one of the important issues to inhibit the deleterious effects associated to the hydration. For the caustic magnesia (calcined below 1200 °C) the free SiO2 and CaO contents are fundamental for the binding potential and final physical integrity of the product. Furthermore, the addition of fumed silica was presented as an efficient mechanism to control the hydration of different MgO sources; however, high levels of fumed silica can result in a marked castable flow reduction.

Considerando-se as dificuldades para a utilização de MgO em concretos refratários, técnicas anti-hidratação têm sido propostas com o objetivo de minimizar os efeitos deletérios causados pela reação da magnésia com a água. Em paralelo, surge a necessidade de investigar novas metodologias que permitam melhor avaliar os danos causados pela hidratação. Neste sentido, uma técnica promissora consiste no acompanhamento do módulo de Young durante as etapas de cura e secagem dos concretos. No presente trabalho, concretos refratários contendo magnésia cáustica ou sínter de MgO foram avaliados por meio do acompanhamento do módulo elástico utilizando-se o método de ressonância de barras. A avaliação das etapas iniciais de processamento (cura e secagem) dos concretos por meio do uso desta técnica apresentou-se como uma alternativa adequada para detecção dos efeitos causados pela hidratação do MgO. Os resultados obtidos também destacam que, em comparação com outras técnicas comumente empregadas, as medidas do módulo elástico permitem delinear com maior precisão a evolução da microestrutura em função do tempo, além de detectar antecipadamente os danos relacionados à formação de brucita, garantindo-se assim maior sensibilidade no monitoramento de tal reação.

Considering the difficulties related to the use of MgO in refractory castables, anti-hydration techniques have been proposed, in order to minimize the drawbacks as a result of the magnesia hydration. In parallel, new methodologies should be investigated, aiming better evaluation of the damage caused by the hydration. In this context, a promising technique is the Young's modulus measurement during curing and drying processing steps of refractory castables. In this work, caustic magnesia-containing castables and dead-burned magnesia-containing ones were evaluated by following the elastic modulus profile using the resonance bar method. The evaluation of the initial stages of castables processing (curing and drying) using this technique seemed to be a proper route to detect MgO hydration. The results also highlighted that, compared with usual methods, the elastic modulus measurements results a better sample evolution profile as a function of time and earlier detection of the damage associated with brucite formation.

Dentre as diversas tecnologias existentes na produção do alumínio primário, o transporte de alumínio líquido em cadinhos (capacidade 8 a 10 t) por longas distâncias (entre 100 e 200 km) tem se tornado uma opção lucrativa para produtores e clientes. Todavia, a escolha correta do refratário de revestimento do cadinho não é uma tarefa trivial, pois uma série de propriedades deve ser considerada de modo a maximizar seu desempenho. Com isso, um estudo teórico envolvendo termodinâmica, microestrutura, resistência termomecânica, propriedades térmicas e projeto torna-se necessário. Neste trabalho, procura-se conciliar essa teoria com a prática industrial por meio da caracterização de materiais comerciais e a simulação computacional em um software desenvolvido, sendo possível a previsão do comportamento de um cadinho durante sua operação. A partir do acesso a informações da empresa parceira deste estudo, foi possível o acompanhamento industrial obtendo-se maior detalhamento sobre as reais necessidades de um projeto de revestimento de cadinhos. Portanto, suportado por três pilares "teoria", "simulação" e "prática industrial", o presente trabalho tem o intuito de ser uma contribuição tecnológica no auxílio à seleção de refratários para revestimento de cadinhos no transporte do alumínio líquido.

Among the technologies developed for aluminum industries, the long distance (over 100 to 200 km) transportation of molten aluminum (over 8 to 10 t) in crucibles has become into an advantageous process for suppliers and customers. However, choosing crucible's lining is not an obvious task, because the materials properties must be considered to maximize performance. Thus, a systemic analysis involving design, thermodynamic, microstructure, thermal conduction and thermo-mechanical factors is required. This work aims to match these theoretical aspects, the industrial results, the laboratory characterization of materials and the computing simulations using a developed software. This software is able to predict the thermal behavior of the heated containers even under operation. Therefore, the three pillars named "theory", "simulation" and "industrial results" used in the present work were applied in the selection of the refractory lining for the molten aluminum transportation crucible.

Diversos fatores interferem no desempenho e na vida-útil do revestimento refratário em unidades de calcinação de alumina. O desconhecimento das melhores práticas de seleção e qualificação dos materiais para esta aplicação foi a força motriz para este trabalho. Foram caracterizados dois materiais comerciais aplicados por projeção (um via wet-shotcrete e outro por dry-gunning), indicados para o revestimento refratário dos vasos e dutos de calcinadores de alumina. Tais técnicas são importantes, uma vez que reduzem o tempo de aplicação e o lucro cessante da unidade. Os materiais em análise foram submetidos a baterias de testes laboratoriais, os quais seguem normas técnicas internacionais. Os ensaios foram divididos segundo a representatividade das solicitações que ocorrem no revestimento em operação, e os resultados obtidos foram usados para avaliar o seu potencial desempenho. O embasamento técnico e científico utilizado neste trabalho pôde orientar o desenvolvimento, a seleção e a aplicação de novas cerâmicas refratárias para o revestimento interno de calcinadores, com o objetivo de elevar a vida-útil, a disponibilidade e a confiabilidade das unidades, possibilitando diminuir o custo com manutenções.

Several aspects are important to define the working life of refractory lining for alumina calcinations units. The lack of knowledge of the best selection practices and qualification of the materials for this application have been the driving force of this work. Two commercial materials applied by projection (wet-shotcrete and dry-gunning) were characterized. Both are usual standards of refractories for lining vessels and pipes of alumina fluid-flash calciners. All the materials analyzed were submitted to laboratorial tests, which follow international technical standards. The tests were divided in indispensable, necessary and occasional, according to the importance of the solicitations of the refractory lining under operation. The technical and scientific knowledge applied in this work can guide the development, the selection and the application of new refractory castables for the internal lining of alumina fluid-flash calciners, increasing their working life, productivity and the reliability of the units, and reducing the maintenance costs.

Na indústria do alumínio primário, um dos principais responsáveis pela deterioração do revestimento refratário nas cubas de redução eletrolítica é o ataque por banho criolítico com alta concentração de NaF, que penetra e reage com o refratário podendo, em condições extremas, causar a parada prematura de operação da cuba e grandes prejuízos econômicos. Baseando-se nos mais recentes estudos de caracterização de refratários para cubas, uma boa correlação tem sido encontrada entre a resistência à corrosão e a permeabilidade, a qual é calculada pela equação de Forchheimer para a obtenção das constantes k1 Darciana (efeito viscoso) e k2 não Darciana (efeito inercial). Entretanto, na maioria das situações, as medidas da permeabilidade têm sido efetuadas à temperatura ambiente, embora o refratário em uso esteja a superior temperatura. Este trabalho visa avaliar como esta permeabilidade se altera em temperaturas de até 700 ºC buscando, assim, uma melhor correlação dos resultados com as condições reais de operação. Pretende-se também, investigar essa propriedade em refratários empregados no revestimento de cadinhos para o transporte de alumínio líquido, com o intuito de verificar a aplicabilidade da permeametria como uma ferramenta de caracterização desses materiais cujo interesse de aplicação e desenvolvimento tem sido cada vez maior.

In the aluminium primary industry, one of the main causes for electrolytic cells lining deterioration is the chemical attack by high NaF content cryolitic bath, that penetrates and reacts with the refractory, shortening the cell’s service life and resulting great economic losses. Based on the most recent studies on characterization of alumino-silicate refractories for aluminum cell linings, a good correlation has been found between its chemical attack by molten fluorides and the permeability, which is calculated by Forchheimer’s equation in order to obtain the Darcian constant k1 (viscous effects) and non-Darcian constant k2 (inertial effects). Nevertheless, in the majority of the situations permeability parameters are obtained at room temperature. This work aims to study how the increasing temperature affects permeability from room temperature up to 700 ºC in these materials, in order to reproduce the operational conditions. It’s also the objective to investigate the permeability of lining refractories for molten aluminum transport crucibles and evaluate the technological viability of such measurement technique for these materials.

As vantagens econômicas decorrentes da comercialização de alumínio líquido por meio de cadinhos ressaltam a importância da correta seleção dos revestimentos refratários, a fim de otimizar o processo. Uma primeira etapa na seleção se relaciona ao estudo da composição química do refratário e a busca por soluções que reduzam a corrosão. Para tanto, é fundamental a escolha de composições contendo óxidos termodinamicamente estáveis e aditivos anti-molhantes, os quais colaboram para o aumento da vida útil do revestimento. Além do aspecto químico, o controle da distribuição de tamanho de poros é outra variável relevante quando se procura retardar a infiltração do metal fundido no material. Como, durante a operação, o revestimento está sujeito a uma variedade de mecanismos de desgaste, as propriedades mecânicas dos refratários também devem ser consideradas, além das características físicas que influenciam diretamente na carga útil para o transporte. Adicionalmente, os aspectos de transferência de calor, tais como cálculos de fluxo de calor e temperatura da face fria, podem ser realizados simulando-se as respostas que diferentes propostas de revestimento trariam, sem a necessidade de experiências ou riscos, quando aplicados em escala industrial. Desta forma, uma análise sistêmica para a escolha do revestimento foi desenvolvida, a qual busca englobar todos os fatores que interferem no desempenho do cadinho e na análise econômica, visando-se encontrar a melhor alternativa para conservação de energia, e aumento da vida útil e da capacidade de carga.

The growing interest in molten aluminum transportation, due to economic reasons, highlights the importance of the correct refractory lining selection for the ladles used in this operation. The chemical composition of the refractory and the search for solutions that reduce the corrosion are the first topics to be addressed. For this purpose, it is of utmost importance to select thermodynamically stable oxides and anti-wetting containing refractories, in order to extend ladle lining life. Besides the chemical approach, another central issue to delay the infiltration of molten aluminum is the control of the pore size distribution. However, the material is also subjected to wear mechanisms, e.g. during the cleaning operation. For that reason, it is also necessary to consider the mechanical strength, as well as physical properties that may consequently affect the maximum load of transported aluminum. Furthermore, heat transfer parameters, such as heat flow and cold face temperature, should also be assessed to compare different proposals, before industrial scale testing. Thus, to choose the best lining, a systemic analysis that takes into account all of the intervening factors in the ladle performance and in economic aspects was made, aiming to select the best alternative in terms of energy saving, life expectancy and aluminum capacity availability.

A distribuição granulométrica dos concretos, além de determinar o seu empacotamento, influencia sua fluidez, o que a torna uma ferramenta indispensável para a formulação de concretos auto-escoantes. Neste trabalho, comparou-se dois modelos teóricos de empacotamento de partícula: Alfred e Andreasen; sendo que este último, ao contrário do primeiro, desconsidera o diâmetro mínimo de partícula (D S). Avaliou-se o comportamento reológico de concretos refratários de alta alumina em função do modelo de empacotamento utilizado, uma vez que Alfred reproduz com maior fidelidade sistemas particulados reais, mantendo-se o coeficiente de distribuição (q) constante. Os resultados foram analisados segundo o parâmetro MPT (Maximum Paste Thickness), já conhecido para concretos de construção civil, porém ainda inexplorado na área de concretos refratários. Tal parâmetro estima a distância média entre os agregados (partículas maiores que 100mm) no concreto. Valores de auto-escoabilidade na faixa de 80 a 110% foram obtidos com os concretos formulados segundo o modelo de Andreasen. Observou-se que, de um modo geral, a fluidez se reduz com o aumento de D Se diminuição do MPT, tornando as características da massa similares às de um concreto vibrado. Propõe-se, no presente trabalho, uma nova metodologia para a formulação de concretos com base na curva-alvo acumulada, análise do MPT e avaliação do comportamento reológico da matriz.

The particle size distribution is a very important tool for self-flow castables formulation since it determines its particle packing and is close related to the flowability. In this work, two different theoretical particle packing models are compared: Alfred and Andreasen. In the latter model the smallest particle diameter (D S) is not considered, unlike in the former. The self-flow castables rheological behaviour is evaluated as a function of the packing model used, keeping the distribution modulus (q) constant. The results are analysed based on the MPT parameter, which is already known for civil engineering area, but has not yet been investigated on refractory castables. Such parameter estimates the average distance between aggregates (particles larger than 100mm) in the castable. Compositions formulated according to Andreasen’s model reached flow values between 80% and 110%. In general, the flowability is reduced by increasing D Sand decreasing MPT, which results in an appropriate behaviour for vibra-casting castables. Finally, a new methodology for castables formulation is proposed based on the accumulated particle size distribution curve, MPT analysis and the evaluation of the matrix rheological behaviour.