Author(s): Pinto, Deesy Gomes
Date: 2011
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/1891
Origin: uBibliorum
Project/scholarship: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/5876-PPCDTI/PTDC%2FCTM%2F66302%2F2006/PT;
Subject(s): Betão refractário auto-escoamento (SFRC); Betão refractário auto-escoamento - Propriedades termomecânicas; Betão refractário de 100% alumina - Propriedades termomecânicas; Betão refractário de 100% alumina - Aplicações monoliticas; Cimento de aluminato de cálcio; Alumina
Pretendeu-se, com este trabalho, contribuir para o desenvolvimento de um betão refractário auto-escoante (SFRC) sem cimento (100% alumina) para aplicações monolíticas. Os SFRC são materiais refractários não conformados que têm vindo a substituir com grande êxito os conformados, particularmente nas indústrias do ferro e do aço, cimento, cal, vidro e utilidades públicas (incineradoras de resíduos sólidos). Partiu-se de uma nova metodologia de optimização da composição granulométrica dum betão refractário, proposta por A.P. Silva(2) em 2006, resultando numa mistura de 100% alumina, em que a matriz também é responsável pelo desenvolvimento das ligações hidráulicas do sistema. A metodologia de optimização baseia-se em tratar o betão refractário como um material compósito de duas fases, que é constituído por classes comerciais de partículas grossas (agregado) e partículas finas (matriz). Usando uma matriz de características auto-escoantes previamente optimizada para a maximização da fluidez (em pasta), a minimização da adição de água e a maximização da resistência mecânica (após sinterização), iniciou-se o trabalho com a optimização da razão matriz/agregado, usando como controlo o índice de fluidez da pasta fresca e a resistência mecânica do betão sinterizado, em função da área superficial específica da mistura global. A segunda etapa do trabalho consistiu na optimização da composição granulométrica do agregado. Nesta optimização foi aplicado o “software Statistica 7.0 – Industrial Statistics”, módulo de experiências com misturas (DOE) e superfícies de respostas (superfícies triangulares, cujos vértices são 3 classes comerciais, ingredientes, de alumina tabular). As composições das misturas experimentais foram definidas por um simplex formado por 10 pontos, obtendo-se as equações matemáticas que descrevem as propriedades estudadas. Como base no trabalho de optimização, seleccionou-se a composição ideal de 100% alumina auto-escoante, que foi caracterizada enquanto mistura de partículas (pós secos), pasta fresca (argamassa húmida), produto consolidado “verde” e produto sinterizado. Para tal, realizaram-se ensaios laboratoriais de determinação da densidade de empacotamento, densidade aparente do sólido, densidade do corpo (“bulk density”), retracção linear, perda de massa, porosidade aparente, absorção de água, comportamento reológico da pasta, índice de fluidez, tempo de pressa, resistência mecânica em temperatura ambiente (MoR), em temperatura elevada (HMoR) e resistência ao choque térmico. Como houve dificuldade em encontrar referências bibliográficas sobre materiais de composição similar (sem a adição de cimento), estendeu-se a comparação do comportamento reológico e termomecânico a uma composição equivalente mas com a adição de 1% de cimento de aluminato de cálcio, com o intuito de compreender a influência de um teor reduzido de cimento sobre o comportamento da pasta fresca e o do refractário final em condições de serviço extremas (HMoR e choque térmico). Os resultados nas diferentes etapas de optimização foram validados usando a metodologia de validação estatística e demonstram que o betão refractário auto-escoante de 100% alumina (SFRC), sem cimento, pode ser uma opção legítima quando um tempo de aplicação prolongado é exigido, ou desde que uma secagem rápida não seja exigida, resultando num revestimento refractário monolítico com elevada resistência mecânica sem sacrifício da resistência ao choque térmico.
This work was aimed at contributing to the development of a Self-Flow Refractory Castable (SFRC) without cement (100% alumina) to use in monolithic linings. SFRC are unshaped materials that have been replacing shaped refractories with great success, namely in the iron and steel industries, as well as in cement, lime, glass melting and public utilities (solid waste incineration). The starting point was a new optimization methodology of the particle size composition of a refractory castable, proposed by A.P. Silva(2) in 2006, which resulted in a 100% alumina mixture whose matrix is also responsible for the development of the hydraulic bonds within the system. Such optimization methodology regards the refractory castable as a two-phase composite material containing commercial size classes of coarse particles (aggregate) and fine particles (matrix). Firstly, a self-flowing matrix already optimized for maximum flowability (as a paste), minimum added water and maximum mechanical strength (upon sintering), was used in the optimization of the matrix/aggregate ratio. The controlling parameters in this work were the fresh paste flowability index and the mechanical strength of the sintered concrete, as a function of the specific surface area of the overall mixture. The second stage of the work consisted in the optimization of the aggregate particle size composition. This optimization was carried out using the software Statistica 7.0 – Industrial Statistics, design of experiments module (DOE) and response surfaces (triangular surfaces whose apexes are 3 commercial size classes, ingredients, of tabular alumina). The experimental mixtures compositions were defined by a 10-point simplex, and mathematical equations were obtained to describe the studied properties. Based on that optimization work, the ideal self-flowing 100% alumina composition was selected and characterized as particles mixture (dry powder), fresh paste (wet mortar), green set concrete and sintered final product. To this aim, laboratorial tests were carried out to determine packing density, apparent density, bulk density, linear shrinkage, weight loss, apparent porosity, water absorption, paste rheological behaviour, flowability index, setting time, ambient and high temperature mechanical strength (MoR and HMoR), and thermal shock resistance. Since no relevant references to similar materials (without added cement) were found in the literature, the work was extended to compare the rheological and thermomechanical behaviour of the equivalent castable containing 1% of calcium aluminate cement, seeking to understand the effect of a low cement content on the fresh paste behaviour and that of the final refractory under extreme service conditions (HMoR and thermal shock). The results obtained in the various stages of the optimization work were statistically validated and demonstrate that the self-flow 100% alumina castable (SFRC) without cement, can be a legitimate choice when a long application time is desired, or as long as fast drying is not required, resulting in a monolithic refractory lining with high mechanical strength and uncompromised thermal shock resistance.
