Estudo de caso - revestimento de cromo-alumina DVC

Desafio

Efeito do fósforo no aço-carbono em forno de indução sem núcleo

Nossa solução para desfosforização em fornos de indução sem núcleo

Existe uma forte interação entre o ferro e o fósforo e suas características redox são tão semelhantes que geralmente são reduzidas simultaneamente. É por isso que o teor de fósforo é geralmente muito alto no ferro-gusa primário que sai do alto-forno ou no ferro-esponja.

Felizmente, ainda é possível eliminar o fósforo por oxidação usando escórias de alta basicidade, nas quais o P2O5 a atividade permanece baixa, mesmo em concentrações muito altas [3] [4]. O coeficiente de partição do fósforo entre a escória e o metal pode ser muito superior a 200 assim que o índice de basicidade (ou seja, CaO / SiO2) é maior que 2.

Escórias típicas usadas em processos de desfosforização (defos para abreviar) são geralmente baseadas em cal e óxido de ferro (II). Escórias alternativas à base de bário também podem ser usadas. Além disso, misturas como refrigerante ou flúor spath são bastante comuns.

O fósforo tem, na verdade, vários efeitos negativos nas propriedades finais do aço. Basicamente, tende a aumentar a resistência à tração devido ao reforço da solução sólida de ferrita.

A produção de aço por meio da rota do forno de indução representa cerca de um terço da fabricação total de aço na Índia. As principais vantagens dos fornos de indução sem núcleo [3] residem na sua alta versatilidade, a possibilidade de parar o forno quando necessário, o muito bom controle de temperatura ao longo do processo de fusão e tratamento, a capacidade de fundir qualquer tipo de liga incluindo aços de baixo carbono .

A carga típica usada para produzir aço-carbono com forno de indução é fortemente dependente da disponibilidade local de matérias-primas, mas geralmente consiste em uma mistura de sucatas de aço, ferro-gusa e DRI (ferro diretamente reduzido) em várias proporções. Isso pode resultar em quantidades variáveis ​​de fósforo no aço de saída, possivelmente até 0.1%.

Apesar das vantagens acima mencionadas, os fornos sem núcleo apresentam algumas desvantagens e limitações, especialmente no que diz respeito ao potencial processo de desfosforização. Em primeiro lugar, a forma do vaso não está totalmente adaptada a qualquer tipo de tratamento de escória devido à pequena relação superfície / volume do banho. No entanto, isso pode ser equilibrado pela agitação eletromagnética do fundido e também possivelmente por sopro de oxigênio e / ou borbulhamento de gás inerte que são relativamente fáceis de implementar. Em segundo lugar, os revestimentos refratários tradicionais usados ​​em fornos de indução de aço não são adaptados para resistir a escórias altamente básicas a longo prazo. Revestimentos ácidos à base de sílica cristalina não resistem ao contato com a escória de desfosforação, mesmo por um curto período. Por outro lado, os refratários básicos à base de magnésia não são adaptados ao processo de fusão quando a escória ácida é formada e sua sensibilidade ao choque térmico e absorção de umidade os torna mal adaptados a processos descontínuos.

O desenvolvimento de NRM (Neutral Ramming Masses) com base em alumina ligada a espinélio neste segmento realmente tornou a desfosforização possível, ao mesmo tempo que melhorou significativamente a vida do revestimento sob operação de fusão padrão em comparação com materiais compactados secos alternativos [7]. O uso do forro Saint-Gobain NRM já comprovou sua relação custo-benefício no que diz respeito à desfosforização de aços à base de DRI, em comparação ao uso de restos de baixo teor de fósforo. No entanto, a redução da vida útil do revestimento NRM consecutiva à taxa de corrosão adicional ligada à escória de desfosforação tem um forte impacto econômico para o fabricante de aço e é um sério impedimento para o desenvolvimento desse processo em fornos de indução sem núcleo.

Produto alternativo para massas de compactação neutras ligadas por espinélio

Embora NMR forneça um compromisso interessante em frente à corrosão e choque térmico em fornos de indução de aço, incluindo possivelmente um processo de desfosforização, eles também exibem algumas limitações relacionadas ao seu design intrínseco e microestrutura. Seu sistema de ligação é baseado em no local formação de espinélio em alta temperatura, que é conhecida por fornecer boa resistência à corrosão. No entanto, a formação de espinélio vem com uma expansão de volume significativa que tende a limitar a resistência mecânica da camada sinterizada e realmente não leva a pequenos poros devido ao dimensionamento das partículas necessário para obter uma boa capacidade de compactação e uma vida útil adequada ( reatividade de finos de MgO). Presume-se que o desenvolvimento da ligação cerâmica espinela ocorra a partir de 1200 ° C [7] [8], mas as várias impurezas provenientes essencialmente da magnésia e as tensões compressivas geradas pela expansão da camada sinterizada a quente tendem a fornecer uma consolidação de o material nas camadas posteriores assim que a temperatura exceder 900-1000 ° C.

Além disso, apesar de ser um óxido básico, o MgO está longe de ser inerte em uma escória de desfosforação típica. A solubilidade de MgO em um CaO-FeO-CaF2 a escória a 1550 ° C é de cerca de 4%, mas aumentará rapidamente acima de 10% ou mais após SiO progressivo2 enriquecimento da escória ao longo do processo de dephos [7]. A tabela abaixo mostra um exemplo da evolução de uma escória dephos em um forno sem núcleo de laboratório revestido com um revestimento básico de 85% de MgO. É especialmente interessante notar o grande aumento de MgO ao longo do tempo.

 

Exp. Tempo 0 20 minutos 1 hora
CaO 63.6 59.6 31.8
Fe2O3 27.2 6.3 3.9
Al2O3 5.7 6.7 6.4
SiO2 2.3 16.0 16.8
MNO 3.9 9.9
Cr2O3 0.3 0.5
MgO 6.3 29.6
Tabela 1: Evolução da escória Dephos ao longo do tempo (% em peso de óxidos em produtos calcinados).

 

Dentro desta estrutura, o uso de refratários secos de cromo-alumina de alto grau oferece uma alternativa interessante ao NRM com base na ligação espinélio. Os materiais de cromo-alumina têm sido usados ​​com sucesso por décadas em várias operações de fabricação de aço devido à sua alta refratariedade e excelente resistência à corrosão em vários ambientes. No entanto, seu uso como cimentos secos em fornos de indução sem núcleo não é muito difundido. O uso de MgO em combinação com óxido de cromo e alumina ainda é possível, levando a vários compostos de espinélio, mas na verdade deve ser minimizado. SAINT-GOBAIN entrou com um pedido de patente tratando de uma nova solução refratária, particularmente adaptada para desfosforização em fornos de indução sem núcleo e baseada em um sistema de cromo-alumina. Este material é definido como segue, em porcentagem em peso de óxidos em relação ao peso global do material:

  • mais de 50% Al2O3, de preferência mais de 85%,
  • mais de 4% Cr2O3, de preferência mais de 7% e menos de 15%,
  • menos de 20% de MgO, de preferência menos de 1%,
  • menos de 5% de CaO, de preferência menos de 0.5%,
  • menos de 3% SiO2, de preferência menos de 0.5%,
  • menos de 5% Fe2O3, de preferência menos de 1%,
  • menos de 30% de ZrO2, de preferência menos de 5%,
  • menos de 10% TiO2, de preferência menos de 2%,
  • a soma de Al2O3+ Cr2O3+ Fe2O3+ ZrO2+ TiO2 representando mais de 80% do peso do material, de preferência mais de 97%.

A solução preferida é, na verdade, um novo cimento vibratório seco de alumina-cromo, que fornece uma solução única para aços dephos em fornos sem núcleo, graças à sua distribuição de tamanho de partícula otimizada e sistema de ligação de cerâmica.

Resultados Novo Al-Cr DVC

O novo sistema de ligação Al-Cr é baseado em uma solução sólida de cromo-alumina [9] que exibe uma resistência muito alta a ligas ferrosas e escórias. A expansão permanente ligeiramente positiva durante a sinterização fornece densificação adequada sem abrir a estrutura dos poros ou alterar a resistência da face quente do revestimento. A distribuição inicial do tamanho das partículas e o mecanismo de sinterização levam a uma estrutura microporosa que limita a penetração de qualquer metal fundido ou escória no revestimento.

 

Característico após queima de 1,600 ° C Novo Al-Cr DVC NRM típico
Densidade aparente 3.4 2.8
Porosidade aberta (%) 15 25
Tamanho médio dos poros μm <1 6
Força de esmagamento a frio (MPa) 85 20
Mudança linear permanente (%) 0.1 4
Tabela 2: Propriedades comparativas após a queima para New Al-Cr DVC e um NRM ligado a espinélio típico usado para fornos sem núcleo de aço

 

O fósforo tem, na verdade, vários efeitos negativos nas propriedades finais do aço. Basicamente, tende a aumentar a resistência à tração devido ao reforço da solução sólida de ferrita.

 

 

As matérias-primas selecionadas e a natureza da ligação cerâmica levam a uma sinterização de alta temperatura que minimiza a espessura sinterizada e mantém a maior parte do revestimento refratário na forma de pó não sinterizado, melhorando assim a resistência a rachaduras e o isolamento térmico do revestimento, apesar da maior condutividade térmica da área sinterizada. A figura 3 ilustra os comportamentos comparativos de sinterização de, respectivamente novo Al-Cr DVC e um NRM de alumina ligada por espinélio típico, ambos expostos a um gradiente térmico entre 1,600 ° C e a atmosfera ambiente. A colagem de cerâmica para o NRM padrão é concluída em torno de 1,360 ° C, enquanto a sinterização final do novo Al-Cr DVC ocorre apenas a 1,450 ° C. E há uma diferença semelhante de 100 ° C na consolidação primária também.

Performance Ceramics & Refractories é uma divisão da Saint-Gobain Ceramic Material

Fig.3: Sinterização sob gradiente térmico de um DVC Al-Cr e um NRM típico.

A figura 4 mostra uma comparação estimada dos perfis térmicos através do revestimento de um forno sem núcleo de aço nos casos de NRM e cromo-alumina. Isso ilustra o benefício do cromo-alumina que - apesar da maior condutividade térmica - aproveita a maior temperatura de sinterização para diminuir a perda de calor global através do revestimento.

 

O fósforo tem, na verdade, vários efeitos negativos nas propriedades finais do aço. Basicamente, tende a aumentar a resistência à tração devido ao reforço da solução sólida de ferrita.

Fig.4 (à direita): Perfis térmicos através do forro para resp. NRM e New Al-Cr DVC.

No que diz respeito à corrosão por escória de dephos, o benefício do sistema cromo-alumina é bastante óbvio. Grandes amostras cilíndricas com 70 mm de diâmetro foram imersas em um forno sem núcleo de alta frequência contendo 200 kg de aço de reforço de aço Mn dopado com 0.0.8% P e 10 kg de escória de dephos tendo a composição dada na tabela 3. O cilindro foi em seguida, coloque em rotação a 30 rpm por 20 minutos. A temperatura foi mantida entre 1,580 ° C e 1,620 ° C durante todo o teste.

 

Componente de escória % em peso
CaO 58.8
FeOx em escala de moinho 30.3
CaF2 10.6
Tabela 3: Composição de escória usada para testes de corrosão

 

A tabela 4 mostra os resultados obtidos em várias amostras de refratários ao final dos testes. O desempenho superior de Novo Al-Cr DVC nestas condições de teste agressivas é claramente visível em termos de aspecto e taxa de corrosão. The Cr2O3 o teor de escória ao final do ensaio foi próximo a 0.5%, o que é semelhante à concentração obtida sem qualquer contato com um refratário contendo cromo.

 

Análise química do material no produto calcinado Novo Al-Cr DVC
87.5% Al2O3
7.9% Cr2O3
0.4% MgO
3.0% TiO2
0.6% SiO2
0.2% CaO
0.1% Fe2O3
0.3% Na2O

NRM
86.7% Al2O3

12.5% MgO

0.2% SiO2
0.2% CaO
0.1% Fe2O3
0.3% Na2O

Massa básica de percussão
83.9% MgO

13.9% Al2O3

0.9% SiO2
0.9% CaO
0.2% Fe2O3
0.2% Na2O
Aspecto da amostra após o teste
Performance Ceramics & Refractories é uma divisão da Saint-Gobain Ceramic Material
produto DVC de cromo alumina
produto DVC de cromo alumina
Diminuição do diâmetro na linha de escória (%) 5% 29% 11%
Perda de volume abaixo da superfície de escória (%) 4% 20% 35%
Tabela 4: Resultados dos testes de corrosão de laboratório em condições de dephos

 

Proposta de valor

Saint-Gobain's novo Al-Cr DVC é a solução refratária a ser usada para desfosforização em fornos de indução sem núcleo. Sua ligação cerâmica exclusiva oferece excelente resistência à corrosão para qualquer escória, em particular escórias básicas altamente agressivas encontradas em processos de dephos. o novo Al-Cr DVC também exibe temperatura de sinterização mais alta, o que ajuda a manter uma camada espessa não sinterizada. As principais consequências positivas são uma melhor resistência à propagação de fissuras e aletas, vida útil prolongada e extração mais fácil do cadinho. A alta resistência mecânica e baixa expansão permanente do novo Al-Cr DVC após a sinterização leva a uma superfície quente dura densa com abrasão e resistência ao impacto superiores, em comparação com refratários alternativos como NRM convencional.

Excelente resistência à corrosão
Maior vida útil
Alta resistência mecânica e baixa expansão permanente
Resistências superiores à abrasão e ao impacto

Referência

  1. Briant, CL., Banerji, SK., Fósforo induziu fragilização a 350 ° C em um aço de ultra alta resistência, Metalurgical Transactions A, vol.10, pp.123-126, 1979.
  2. Barras e fios de aço deformados de alta resistência para reforço de concreto, Indian Standard IS 1786: 2008 4th revisão - alterada em 1 de novembro de 2012.
  3. Purhit, A., Desfosforização do aço produzido a partir do ferro esponja no forno de indução, Dissertação de mestrado, Instituto Nacional de Tecnologia Rourkela, maio de 2014.
  4. Gaye, H., & al., Traitements metal - Laitier pour l'élaboration d'aciers de qualité, Conferência «Elaboration des matériaux métalliques massifs», Fédération Française des Matériaux, Paris, 2002.
  5. Masson, JM., Elaboration de l'acier moulé - Analyze des processus métallurgiques, Techniques de l'Ingénieur M3624, ed. Techniques de l'Ingénieur, Paris, 2007.
  6. Olette, M., Gatellier, C., Lamarque, G., Secundária de metalurgia, Techniques de l'Ingénieur M7750, ed. Techniques de l'Ingénieur, Paris, 2008.
  7. Goswami, J, & al., Revestimento refratário de nova geração para fornos de indução sem núcleo, Jornal de 29th AGM e Conferência da AIIFA, Nova Delhi, pp.17-23, novembro de 2015.
  8. Sako, EY., Braulio, MAL., Pandolfelli, VC, Insights sobre o mecanismo de formação de MgAl2O4 in situ e sua correlação com a resistência à corrosão de concretos refratários contendo espinélio, Refractories Worldforum, vol.6, pp.79-83, 2014.
  9. Emblem HG., & Al., Química de estado sólido de refratários de alumina-cromo, J. of Materials Science Letters, vol.11, pp.820-821, 1992.

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