Tecnologia de tubos cerâmicos longos com



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Anais do 47º
Congresso Brasileiro de Cerâmica

Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

15-18/junho/2003 – João Pessoa - PB - Brasil



DESENVOLVIMENTO DE NOVO CIMENTO DE ALUMINATO

DE CÁLCIO DE CLASSE 60

L.C. Ferreira1, P.R.P. Amaral1, D. Tonon2

Rua Júlio Michelazzo, 501

São João da Boa Vista, SP – CEP 13.872-900

tecnico@elfusa.com.br

(1) Elfusa Geral de Eletrofusão Ltda, (2) Universidade Estadual Paulista

RESUMO
Cimentos de aluminato de cálcio são empregados largamente na indústria como constituinte essencial em concretos refratários convencionais, auto-escoantes, de baixo e ultra-baixo teores de cimento. Cimentos de aluminato de cálcio obtidos por processo de fusão apresentam como principal inconveniente o alto preço decorrente do elevado consumo de energia elétrica envolvido no processo de fusão. Desta forma, novas metodologias tornam-se necessárias, visando a manutenção de propriedades e redução nos custos de produção. Este estudo avalia um novo cimento de aluminato de cálcio da classe 60 obtido por processo de eletrofusão, comparando suas características em concretos refratários convencionais, baixo cimento e auto-escoante confeccionados com outros cimentos da classe 60 largamente utilizados na indústria nacional.

Palavras-chaves: cimento, aluminato de cálcio, concreto refratário.


INTRODUÇÃO
Os cimentos aluminosos são produtos tecnológicos utilizados largamente na produção de concretos refratários, sendo a fase hidráulica mais importante para a sua produção. A descoberta do aluminato de cálcio, fase mais importante do cimento alminoso, deve-se a Ebelman em 1846. Contudo, a produção industrial do cimento veio a ocorrer somente em 1913 pela Lafarge [1].

Por entrarem na constituição da matriz dos concretos refratários, as propriedades do cimento aluminoso influenciam de maneira significativa os refratários e por isso, sua qualidade torna-se um dos pontos fundamentais para o desenvolvimento de boas características. Dependendo da quantidade de alumina existente no cimento, pode-se classifica-los em três qualidades [2]:

 baixa pureza – teor de alumina variando entre 36,1 a 48,0 %;

 pureza intermediária – teor de alumina variando entre 48,1 a 68,0 %;

 alta pureza – teor de alumina variando entre 68,1 a 88,0 %.

Contudo, os cimentos aluminosos são matérias-primas de custo relativamente elevado e que tem impacto direto no valor final dos refratários. O desenvolvimento de cimentos com matérias-primas alternativas e com controles mais próximos do processo produtivo torna-se fundamental para a viabilização deste produto na indústria refratária.

A avaliação única do cimento aluminoso, muitas vezes não é suficiente para justificar sua utilização em refratários. Por isso, a avaliação das propriedades dos concretos refratários torna-se necessária para garantir bons desempenhos em uso.

Segundo Ishikawa [3] os concretos convencionais são aqueles que apresentam um teor de CaO superior a 2,5% em massa. São normalmente conformados com o auxílio de vibração, uma vez que o próprio peso da massa não é suficiente para vencer a tensão de cisalhamento necessária para a sua fluência.

Os concretos de baixos teores de cimento apresentam um teor de CaO variando entre 1,0 e 2,5% em massa de CaO, necessitando também de vibração para sua conformação.

Concretos auto-escoantes são aqueles onde o próprio peso do concreto é suficiente para vencer a tensão de cisalhamento necessária para a fluência do sistema. Concretos auto-escoantes são possíveis em praticamente quaisquer quantidades de CaO, sendo influenciados pelos seguintes parâmetros:

 distribuição do tamanho de partículas;

 formato e porosidade das partículas;

 concentração de sólidos;

 presença de aditivos.


MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho foram testados três tipos de cimentos de pureza intermediária e com teor de alumina em torno de 60%. A tabela I apresenta as propriedades gerais dos cimentos avaliados. O cimento denominado novo foi obtido por processo de eletrofusão em fornos elétricos a arco através da utilização de matérias-primas não empregadas anteriormente no processo.

Tabela I – Propriedades dos cimentos CAC 60 ensaiados.





CAC Nacional


CAC Novo

CAC Importado

TiO2 (%)

0,64

0,55

2,24

SiO2 (%)

4,31

3,58

2,60

FeO + Fe2O3 (%)

0,37

2,28

2,90

CaO (%)

33,2

35,2

30,4

MgO (%)

0,15

0,15

0,16

Na2O (%)

0,18

0,21

0,24

K2O (%)

0,05

0,07

0,05

Al2O3 (%)

61,1

58,0

61,4

Tempo de Pega (hh:mm) [4]

3:00

3:15

3:30

Superfície Específica (cm2/g) [5]

5300

3880

4400

Cone Pirométrico (C)

1470

1474

1455

Os cimentos foram utilizados em formulações de concretos refratários de alta alumina convencionais, baixos teores de cimento e auto-escoantes. Como agregado foi utilizado óxido de alumínio marrom Elfusa de alta pureza, cujas características são apresentadas na tabela II. As formulações utilizadas nos concretos são apresentadas na tabela III. Para os concretos de baixo cimento e auto-escoante, além do óxido de alumínio marrom, foram empregadas alumina Alcoa tipo A-2 e microssílica Elken tipo 971.


Tabela II – Óxido de alumínio marrom tipo ALOTAB.

Al2O3

TiO2

SiO2

Fe2O3

MgO

Cão

Na2O

K2O

MEA

PA

97,9 %

0,89 %

0,57 %

0,21 %

0,13 %

0,09 %

0,07 %

0,05 %

3,91 g/cm3

2,87 %

MEA – Massa Específica Aparente

PA – Porosidade Aparente


Tabela III – Formulação dos concretos avaliados (porcentagem em massa).




Convencional

Baixo Cimento

Auto-Escoante

ALOTAB (8,0 – 0,075 mm)

85

87

86

Cimento Aluminoso

15

4

2

Microssílica

----

5

7

Alumina

----

4

5

Aditivos

----

Hexametafosfato de Sódio

Ácido Cítrico

A quantidade de água utilizada na moldagem dos corpos-de-prova de concretos convencionais e baixos cimentos foi estabelecida pelo método ball in hand [6]. Enquanto que para os concretos de fluência livre a quantidade de água foi ajustada segundo norma ABNT NBR 13320 [7], visando a obtenção de valores entre 80 e 90% de fluidez.

Todas as formulações foram homogeneizadas em misturador do tipo planetário e em seguida corpos-de-prova prismáticos de dimensões 160 x 40 x 40 mm foram moldados. Os concretos moldados foram então curados em câmara úmida (mínimo de 90%) e com temperatura controlada (25 + 2C) por um período de 24 horas. As amostras foram então secas a 110C por 24 horas e tratados termicamente a 1200 e 1400C. Os corpos-de-prova foram então submetidos aos seguintes ensaios:

 determinação da massa específica aparente (MEA);

 determinação da porosidade aparente (PA);

 flexão a três pontos (MRF);

 variação linear permanente.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A figura 1 apresenta a quantidade de água utilizada para a moldagem dos diferentes concretos. Em todas as condições o cimento denominado CAC Novo empregou uma menor quantidade de água. Os autores acreditam que a menor área específica contribuiu para esse menor consumo de água.

Figura 1 – Quantidade de água utilizada na preparação dos corpos-de-prova dos concretos avaliados.


Os resultados comparativos de massa específica aparente (MEA), porosidade aparente (PA), variação linear permanente (VLP) e módulo de ruptura a frio (MRF) são apresentados nas figuras 2, 3 e 4.

Nos concretos convencionais a utilização de cimentos com maiores quantidades de impurezas (CAC Novo e CAC Importado) favorece a sinterização dos concretos, promovendo uma maior resistência mecânica para corpos queimados a 1400C. Nos ensaios onde o CAC Novo não apresentou superioridade de propriedades, seus resultados apresentaram ao menos valores intermediários entre o CAC Nacional e o CAC Importado.

A utilização de microssílica no sistema favoreceu um melhor empacotamento e uma redução significativa na quantidade de água utilizada na moldagem dos corpos-de-prova, conforme se verifica nos resultados dos concretos de baixos teores de cimento e auto-escoantes. Além disso, os autores acreditam que uma maior quantidade de sílica na matriz dos concretos refratários favoreceu a formação de fase líquida a temperaturas mais baixas, uma vez que o equilíbrio do sistema se desloca para uma região de formação de anortita ao invés de gelenita. Tal fato também contribui para aumentar a sinterização com progressivo aumento da resistência mecânica.



(a)


(b)


(c)


(d)


Figura 2 – Resultados de (a) MEA, (b) PA, (c) VLP e (d) MRF para concreto convencional.  CAC Nacional,  CAC Novo,  CAC Importado.

(a)


(b)


(c)


(d)


Figura 3 – Resultados de (a) MEA, (b) PA, (c) VLP e (d) MRF para concreto de baixo teor de cimento.  CAC Nacional,  CAC Novo,  CAC Importado.


(a)


(b)


(c)


(d)


Figura 4 – Resultados de (a) MEA, (b) PA, (c) VLP e (d) MRF para concreto auto-escoante.  CAC Nacional,  CAC Novo,  CAC Importado.
Nos concretos de baixos teores de cimento, apesar da utilização de uma menor quantidade de água na moldagem dos concretos a base de CAC Novo; a massa específica aparente é a todo o momento inferior aos dos demais corpos-de-prova a base de CAC Nacional e CAC Importado. Os autores atribuem este fato a uma distribuição granulométrica mais grosseira do CAC Novo, alterando o coeficiente de empacotamento do sistema.
CONCLUSÕES
Neste trabalho foi desenvolvido um novo tipo de cimento de aluminato de cálcio da classe 60. Uma redução significativa de custos foi possível através da utilização de novas matérias-primas e mudanças no processo produtivo. Ajustes foram necessários, visando a obtenção de um cimento com características compatíveis aos existentes no mercado interno e no mercado internacional.

Com a incorporação das mudanças foi gerado um novo cimento de aluminato de cálcio com boas propriedades em concretos convencionais, baixos teores de cimento e auto-escoantes.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Ferreira, L.C.; “Cimentos de Aluminato de Cálcio e Concretos Auto-Escoantes”. Anais do IV Encontro Técnico sobre Refratários e Isolamento Térmico, Betim, 2002.

2. Projeto de Norma 19:003.01-014/95; “Cimento de Aluminato de Cálcio para Uso em Materiais Refratários”. ABNT, 1995.

3. Ishikawa, M.; “Refractory Castables”. Taikabutsu Overseas, 19 [3], 7-13, 1999.

4. NBR 9997; “Cimento Aluminoso – Determinação da Consistência Normal e dos Tempos de Pega”. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.

5. NBR NM 76; “Cimento Portland – Determinação da Finura pelo Método de Permeabilidade ao Ar (Método de Blaine)”. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.

6. C 860-91; “Standard Practices for Determining and Measuring Consistency of Refractory Concretes”. ASTM – American Society for Testing and Materials.



7. NBR 13320; “Materiais Refratários – Determinação da Fluidez de Concretos Convencionais e de Fluência Livre”. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.
DEVELOPMENT OF A NEW CALCIUM ALUMINATE

CEMENT OF 60 CLASS

Calcium aluminate cement is widely employed as mainly component in conventional castables, self flowing castables, low cement and ultra-low cement castables. Calcium aluminate cements obtained through electrofusion process present as inconvenient the high commercialization price due to high energy consumption involved in their production. This work evaluates a new calcium aluminate cement from 60 class obtained through electrofusion process, comparing their characteristics in conventional refractory castables, low cement castables and self flowing castables prepared with 60 class cements widely employed in domestic market.

KEY-WORDS: cement, calcium aluminate, refractory castable.

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