No campo de materiais não metálicos e refratários, especialmente refratários, cianita, silimanita e andaluzita são coletivamente chamados de "três minerais", todos pertencentes a matérias-primas minerais com alto teor de alumina.
As principais aplicações desses três minerais em refratários monolíticos incluem: (1) como agregados refratários, como o uso de andaluzita grossa como agregado refratário; (2) como pós refratários, tais como o uso de concentrados de andaluzita e silimanita como pós; (3) como aditivos, utilizados principalmente como agentes de expansão. Entre os três minerais, a cianita é o mais utilizado. Isso ocorre porque o valor de expansão associado à reação de mulitização da cianita é o mais alto, tornando-a um excelente agente de expansão para refratários monolíticos, ajudando a compensar o encolhimento dos refratários em altas temperaturas e melhorando seu desempenho em altas temperaturas.
I. Aplicação dos Três Minerais em Concretos Refratários
Estudos recentes sobre a aplicação dos três minerais em concretos refratários concentraram-se em quatro áreas principais:
Aplicação de Cianita em Concretos RefratáriosA adição de cianita aos concretos envolve principalmente o uso de cianita proveniente de Hushan e Shuyang, com a cianita de Tongbai apresentando o maior valor de expansão, tornando-a particularmente adequada como agente de expansão em refratários monolíticos. Quando a cianita de Nanyang é adicionada aos concretos de panela, ela melhora a taxa de mudança linear dos concretos, eliminando rachaduras de contração que podem ocorrer durante o uso e resfriamento em altas temperaturas, prolongando assim a vida útil do material. Na prática, com os reparos necessários no fundo da panela, uma panela pode ser usada por 1.200 a 1.300 ciclos. Os concretos com alto teor de alumina formulados com cianita como agente de expansão apresentam melhor mudança linear pós-queima. Sem cianita, as mudanças lineares pós-queima são todas negativas, aumentando com a temperatura. A 1.300°C é -0,09% e a 1.500°C é -1,05%. No entanto, quando a cianita é adicionada, a retração diminui ou se torna uma expansão positiva; para diferentes graus (0,175 mm ou 0,09 mm) de cianita adicionada a 8% ou 10%, os concretos apresentam valores positivos em temperaturas entre 1.300°C e 1.500°C, compensando efetivamente a retração em altas temperaturas e ao mesmo tempo demonstrando expansão. Na produção, a seleção do tamanho de partícula de concentrado de cianita apropriado garante contração mínima (ou muito pequena) em altas temperaturas, mantendo ao mesmo tempo alta resistência. Geralmente, um tamanho de partícula de 0,174–0,074 mm é considerado moderado.
2.Impacto da adição de andaluzita nas propriedades fundíveis(1)Aplicação de Andaluzita em Materiais de Calha de Ferro
(1) Com a operação em larga escala dos altos-fornos, a força de abrasão do ferro fundido e da escória aumenta, especialmente na calha principal, onde as condições de trabalho estão se tornando cada vez mais duras, resultando em redução da vida útil. A andaluzita é utilizada na produção dos principais materiais de canal para melhorar seu desempenho. Dependendo dos diferentes requisitos de uso, diferentes tamanhos de partículas (0–1 mm, 0,074 mm) de andaluzita são adicionados aos concretos de calha de ferro, o que ajuda a reduzir a porosidade e a melhorar a resistência à compressão à temperatura ambiente, melhorando a estabilidade ao choque térmico. Quanto melhor for a qualidade da andaluzita, mais superior será o seu desempenho a altas temperaturas. Os concretos com adição de andaluzita podem atingir uma produção única de ferro de 80.000 a 120.000 toneladas em um alto-forno de 250 m³, com reparos e remendos intermediários, levando a uma vida útil superior a 1,5 milhão de toneladas e custos de produção reduzidos. O mecanismo utiliza principalmente a decomposição da andaluzita em altas temperaturas para produzir uma certa quantidade de mulita e fase líquida, o que melhora a estabilidade ao choque térmico e a temperatura de amolecimento sob carga dos concretos. A fase líquida gerada não só promove a sinterização para unir firmemente a matriz e o agregado, mas também preenche vazios, reduzindo a porosidade aparente e aumentando a resistência à compressão dos concretos.
(2)Pré-tratamento com pistola de dessulfurização com concretosAs pistolas de dessulfurização sofrem mudanças extremas de temperatura, onde os danos normalmente surgem de rachaduras por tensão térmica, e não de erosão. Aumentar a resistência ao choque térmico dos concretos ajuda a evitar rachaduras e lascas no corpo da pistola. A adição de andaluzita compensa o encolhimento, garantindo estabilidade de volume e melhorando o desempenho. Em testes em uma usina siderúrgica em Ningbo, as armas atingiram mais de 200 ciclos com reparos mínimos.
Impacto da adição de silimanita e cianita nas propriedades do concretoA adição de silimanita ou uma combinação de concentrados de silimanita e cianita aos concretos melhora as mudanças lineares pós-queima. Isto também afeta significativamente a temperatura de amolecimento sob carga e a resistência à compressão. Os concentrados de silimanita de alta qualidade produzem efeitos mais visíveis. Por exemplo, usando silimanita com teor de Al2O3 de 59% e bauxita de primeira qualidade como agregado, a temperatura de amolecimento (4%) excede 1.600°C; enquanto o uso de silimanita com 48% de Al2O3 reduz a temperatura de amolecimento, como visto na amostra SC-12 a 1.565°C.
Impacto da adição de pó mineral composto de silimanita natural e andaluzita nas propriedades do concretoA incorporação de pós minerais compostos melhora a resistência ao choque térmico dos concretos e reduz as alterações lineares pós-queima. A adição adequada de pó mineral composto de silimanita natural e andaluzita a concretos com baixo teor de cimento e alto teor de alumina leva a melhorias nos principais indicadores técnicos. Isto se deve principalmente à geração significativa de mulita dentro da matriz. Os pós minerais compostos formam uma fase líquida em temperaturas mais baixas (1.000–1.300°C), facilitando a formação de mulita in situ e mulita secundária, impactando positivamente o desempenho dos concretos. A quantidade ideal de adição para pó mineral composto é de cerca de 5%. Historicamente, a cianita tem sido usada principalmente como agente de expansão para compensar a contração em concretos refratários. No entanto, com maior compreensão, a combinação de andaluzita, silimanita ou os três minerais melhora efetivamente a qualidade dos materiais à base de Al2O3-SiO2, aplicáveis a refratários moldados e não moldados.
II. Aplicação dos Três Minerais em Plásticos Refratários
Em plásticos refratários, a comparação de amostras com e sem cianita mostra que os primeiros apresentam maior mudança linear após queima a 1.400°C, indicando aumento de expansão, o que beneficia a estabilidade da estrutura estrutural e reduz fissuras e lascamento. As mudanças lineares a 1.600°C mostram uma ligeira expansão em comparação com aquelas a 1.400°C.
III. Aplicação dos Três Minerais em Materiais Refratários Compactados
Depois de adicionar os três minerais, a mudança linear nos materiais de compactação com alto teor de alumina muda do encolhimento para a expansão pós-queima. Entre estes, a cianita apresenta o melhor efeito, com mudanças lineares a 1.400°C aumentando de -0,40% para +1,60%, demonstrando o papel de agente de expansão dos três minerais. No entanto, a adição dos três minerais não tem efeito significativo na resistência à compressão de materiais de compactação com alto teor de alumina a 1.400–1.500°C, uma vez que a cianita e a andaluzita se decompõem rapidamente e não são totalmente mulitizadas neste estágio de temperatura.
4. Aplicação dos Três Minerais em Materiais de Pulverização Refratários
Os materiais de pulverização refratários são refratários amorfos aplicados com ferramentas pneumáticas. Compostos por agregados refratários, pós e ligantes (ou aditivos), são classificados em materiais de pulverização leves, médios e pesados com base na densidade aparente. Materiais de pulverização leves (0,5–1,39 g/cm³) são comumente usados como revestimentos isolantes, enquanto materiais médios e pesados (1,3–1,8 g/cm³ e maiores que 1,89 g/cm³, respectivamente) podem servir como revestimentos de trabalho em temperaturas baixas a médias. fornos. Vários tipos de materiais de pulverização refratários são usados em regiões como o ventre superior de altos-fornos, câmaras de combustão de fogões a quente, câmaras regeneradoras, câmaras de mistura e várias paredes internas de dutos de ar quente, servindo para isolar, reter calor, aumentar a produção de gás. estanqueidade e proteja a pele de ferro do forno. O maior alto-forno da China (com volume superior a 5.500 m³) também utiliza materiais de pulverização refratários. A introdução dos três minerais não apenas melhora as taxas de mudança linear dos materiais refratários de pulverização, mas também melhora o desempenho do material através da introdução de novas fases de mulita. Os minerais adicionados podem ser de tipo único ou compostos. Tanto em materiais refratários para pulverização quanto em concretos, a adição dos três minerais produz resultados positivos. Dependendo dos requisitos específicos para refratários moldados ou não, o tipo apropriado ou tipo compósito dos três minerais deve ser escolhido.
V. Aplicação dos Três Minerais em Pastas Refratárias
Com o desenvolvimento de refratários não moldados, as pastas refratárias tiveram amplos avanços em P&D, produção e testes. À medida que o escopo de aplicação das pastas refratárias se expande, as pastas convencionais não podem mais atender totalmente aos requisitos da construção de fornos. A incorporação de cianita desempenha um papel significativo em novas pastas refratárias. Ao adicionar concentrados de cianita às pastas, a reação de expansão da mulitização compensa o encolhimento em altas temperaturas.
VI. Aplicação dos Três Minerais em Peças Pré-fabricadas de Blocos de Escória de Alta Resistência
Em componentes pré-moldados de blocos de escória de alta resistência para canais de drenagem de altos-fornos, a adição de agentes de expansão permite que o material se expanda uniformemente em diversas temperaturas, especialmente na faixa de 1.000 a 1.500°C. Esta expansão compensa ou reduz o encolhimento que ocorre em diferentes estágios de temperatura. O uso de agentes expansores pode preencher microfissuras causadas pela contração da matriz e tensões internas, melhorando assim a estabilidade volumétrica do material.
Em resumo, vários tipos de materiais refratários amorfos, como concretos, plásticos, materiais de compactação e pastas refratárias, utilizam três minerais - andaluzita, cianita e silimanita - em graus variados, sendo a cianita o mais amplamente utilizado. O mecanismo primário envolve a decomposição desses minerais em altas temperaturas, resultando em expansão de volume devido à reação de mulitização, que compensa o encolhimento de materiais refratários amorfos em temperaturas elevadas. Este processo leva à expansão linear positiva, mitiga a fragmentação estrutural e aumenta a estabilidade volumétrica dos materiais.
Além disso, a decomposição destes três minerais contribui positivamente para a temperatura de amolecimento da carga e para a resistência dos materiais. Outros agentes de expansão para materiais refratários amorfos incluem quartzo (SiO2), que também compensa o encolhimento em alta temperatura por meio de transformações de fase, principalmente a expansão associada à transformação de α-quartzo (quartzo de alta temperatura) em β-quartzo, como esta transição exibe a mudança de volume mais significativa.
No entanto, a cianita supera o quartzo nesta aplicação. A cianita fornece um valor de expansão relativamente maior e, após a decomposição, produz cristais de mulita que beneficiam o desempenho do material em altas temperaturas. Conseqüentemente, a cianita é comumente usada como agente de expansão em materiais refratários amorfos, isoladamente ou em combinação com andaluzita ou silimanita.
O uso eficaz de cianita, andaluzita e silimanita por meio de suas reações de mulitização pode melhorar significativamente as propriedades do material. A seleção cuidadosa do grau, dosagem e tamanho das partículas com base nas temperaturas operacionais é essencial; caso contrário, poderá levar à deterioração interna, causando fissuras de expansão e redução da densidade e resistência dos materiais.
Esses métodos aproveitam a decomposição e as reações de expansão que os acompanham dos três minerais, bem como a expansão associada às transformações de fase de quartzo, para compensar o encolhimento em alta temperatura em materiais refratários amorfos e melhorar a estabilidade do volume. Contudo, os benefícios das reações de expansão vão além disso; por exemplo, tijolos de baixa fluência e séries de tijolos modificados com alto teor de alumina usados em fogões a quente empregam reações de expansão interna para aumentar a temperatura de amolecimento da carga, a resistência à fluência e a resistência ao choque térmico. Portanto, é crucial utilizar eficazmente estes três minerais para melhorar o desempenho dos materiais refratários.
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