Advanced high carbon-containing refractory castables

Concretos refratários do sistema Al2O3-SiO2-SiC-C são utilizados no processo siderúrgico em equipamentos responsáveis pelo transporte de escórias e metais fundidos. Muitas são as tentativas em aumentar o teor de carbono destes materiais, visando garantir um melhor desempenho frente ao contato com escórias líquidas e o banho, devido a limitada molhabilidade das partículas de carbono. Porém, o carbono é altamente susceptível à oxidação, e assim, algumas medidas como o uso de aditivos antioxidantes tornam-se necessárias para manter este elemento na estrutura dos refratários ao longo do processo de operação. Neste trabalho propôs-se o estudo e desenvolvimento de formulações de concretos do sistema Al2O3-SiO2-SiC-C contendo 7 e 10%-p de uma mistura de fontes de carbono (piche, coque e negro de fumo). Além disso, a evolução das transformações decorrentes do emprego de três antioxidantes (Si, B4C e borosilicato de sódio) de forma isolada ou combinada foi investigada por meio de vários ensaios experimentais e práticos (com a aplicação de uma das composições em uma bica basculante em uma empresa siderúrgica), além do uso de simulações termodinâmicas efetuadas utilizandose o programa FactSage. A técnica da molhabilidade, pelo método da gota séssil, também foi utilizada na avaliação da interação entre escórias e refratários. Foi verificado que os concretos que continham a adição conjunta dos três antioxidantes estudados apresentaram menor oxidação e excelentes propriedades termomecânicas. No entanto, quando uma das composições foi aplicada em uma bica basculante verificou-se uma superior perda de massa, em relação à composição comercial utilizada, devido ao lascamento do refratário. A ação conjunta da excessiva sinterização em algumas regiões do concreto e a corrosão química no contato com metal/escória fundidos contribuíram para o desgaste deste material. Adicionalmente, cálculos termodinâmicos indicaram que os antioxidantes Al4O4C, Al2OC, TiO2, entre outros, são boas opções para o sistema refratário avaliado neste trabalho.Refractory castables in the Al2O3-SiO2-SiC-C system are applied in the iron making process, including runners for molten slags and metals. Over the past years, several attempts to increase the carbon content of these materials have been performed, aiming to attain good performance when in contact with slags and bath, due to the low wettability of the carbon particles. However, carbon is highly vulnerable to oxidation. Therefore some actions, such as the use of antioxidants, are necessary to keep this element in the refractory microstructure during service. In this work the main objective is the design and development of castable formulations in the system Al2O3-SiO2-SiC-C containing 7 and 10 wt% of a mixture of carbon sources (pitch, coke and carbon black). Besides that, the evolution of the refractories reactions, associated to the use of one of the following antioxidants (Si, B4C and sodium borosilicate glass) or their combination, was investigated by several experimental and practical (i.e. application of one composition on a tilting runner in a metallurgical company) tests and by the thermodynamic simulations developed in the FactSage software. The wettability technique, using the sessile drop method, was also applied in the evaluation of the interactions between slags and the castables. It was verified that the combined use of three antioxidants resulted in lower oxidation and excellent thermo-mechanical properties for the designed castables. However, when one of the compositions were applied in a tilting runner equipment, a superior mass loss was observed due to the refractory peeling. The excessive sintering of some parts of the castable (and the chemical corrosion at the contact with molten metal/slag led to the wearing of this material. Additionally, thermodynamic calculations pointed out that the Al4O4C, Al2OC, TiO2, and other antioxidants are good options for the refractory system investigated in this work