Os refratários de isolamento térmico referem-se a refratários com alta porosidade, baixa densidade aparente e baixa condutividade térmica, também conhecidos como refratários leves. Incluem produtos refratários de isolamento térmico, fibras refratárias e produtos de fibra refratária. De acordo com a temperatura de uso: materiais refratários de isolamento para baixa temperatura, com temperatura de uso inferior a 900 °C, como tijolos de isolamento de diatomita, produtos de sílica expandida, placas de sílica-cálcio, produtos de perlita expandida, etc.; refratários de isolamento para temperatura média, com temperatura de uso entre 900 °C e 1200 °C, como tijolos refratários de isolamento térmico de argila, fibra refratária de silicato de alumínio, etc.; Materiais refratários para isolamento térmico de alta temperatura, cuja temperatura de uso é superior a 1200℃, tais como tijolos refratários de isolamento térmico de alto teor de alumínio, tijolos refratários de isolamento térmico de alumina, tijolos refratários de isolamento silicioso, tijolos de esferas ocas de alumina, tijolos de esferas ocas de zircônia, fibra refratária de alto teor de alumina, fibra refratária policristalina (fibra de alumina policristalina, fibra de zircônia policristalina, fibra de mulita policristalina), etc.
A produção de produtos refratários com isolamento térmico adota principalmente métodos de processo que permitem a formação de uma estrutura porosa, como o método de matéria-prima leve, o método de queima, o método de espuma e o método químico. Fibras refratárias amorfas, como fibras refratárias de silicato de alumínio, fibras refratárias de alta alumina, etc., são geralmente produzidas por fusão. Fibras refratárias policristalinas, como fibras de mulita, fibras de alumina, etc., são produzidas pelo método coloidal.
As principais características dos refratários isolantes são alta porosidade, geralmente acima de 45%; baixa densidade aparente, geralmente não superior a 1,5 g/cm³; e baixa condutividade térmica, geralmente inferior a 1,0 W/(m·K). Utilizados principalmente como isolamento térmico em fornos industriais, eles não só reduzem a perda de calor do forno, como também diminuem o armazenamento de calor, obtendo-se o melhor efeito de economia de energia e reduzindo o peso do equipamento térmico. Comparados aos tijolos refratários comuns, os refratários isolantes apresentam baixa resistência à corrosão por escória, resistência mecânica e resistência ao desgaste. Portanto, não são adequados para a estrutura de suporte de carga do forno e para as partes que estão em contato direto com escória, carga, metal fundido, etc.
Método de classificação de produtos refratários de isolamento
Produtos refratários para isolamento térmico referem-se a produtos refratários com porosidade não inferior a 45%. As principais características dos produtos refratários para isolamento térmico são alta porosidade e baixa densidade aparente. A condutividade térmica é baixa, a capacidade térmica é pequena e o desempenho de isolamento térmico é bom. São materiais que conservam e resistem ao calor. Podem ser usados como camada de isolamento térmico para diversos equipamentos térmicos e, em alguns casos, também como camada ativa. São materiais que economizam energia na construção de diversos fornos. A substituição de produtos refratários densos comuns por produtos refratários para isolamento térmico como materiais de construção de fornos pode reduzir as perdas por armazenamento e dissipação de calor em 40% a 50%, especialmente em equipamentos térmicos com fluxo contínuo.
Existem muitos tipos de produtos isolantes e refratários, que geralmente são divididos em três categorias de acordo com a temperatura de uso, a densidade aparente e o formato do produto.
(1) Classificados pela densidade do corpo. Os que têm uma densidade aparente de 0,4~1,3g/cm3 são tijolos leves; os que têm uma densidade aparente inferior a 0,4g/cm3 são tijolos ultraleves.
(2) Classificado por temperatura de operação. Use temperatura de 600~900℃ para material isolante de baixa temperatura; 900~120℃ para material isolante de temperatura média; acima de 1200℃ para material isolante de alta temperatura.
(3) Classificados pela forma do produto: um são tijolos refratários leves moldados, incluindo tijolos de argila, de alta alumina, de silício e alguns tijolos leves de óxido puro; o outro são tijolos refratários leves não moldados, como concreto refratário leve.
O método de produção de produtos refratários com isolamento térmico difere do de materiais densos em geral. Existem diversos métodos, incluindo principalmente o método de incineração, o método de espuma, o método químico e o método de material poroso.
1) Método de queima e adição de material. Também chamado de método de adição de combustíveis. Adicionam-se combustíveis de fácil queima, como carvão, serragem, etc., à massa de fabricação de tijolos para que o produto apresente porosidade após a queima.
2) Método de imersão. Adicione agentes espumantes, como sabão de resina, etc., à argila para fabricação de tijolos e faça-a espumar por meio de um processo mecânico. Após a queima, obtém-se um produto poroso.
3) Método químico. Utilizando uma reação química capaz de gerar gás, obtém-se um produto poroso no processo de fabricação de tijolos, geralmente dolomita ou pericláse, além de gesso e ácido sulfúrico como agente espumante.
4) Método de material poroso. Utiliza-se terra diatomácea natural ou clínquer de espuma de argila artificial, esferas ocas de alumina ou zircônia e outras matérias-primas porosas para fabricar tijolos refratários leves.
A utilização de produtos refratários isolantes com baixa condutividade térmica e pequena capacidade térmica como materiais estruturais para fornos pode economizar combustível, melhorar a eficiência da produção, reduzir o peso do forno, simplificar sua estrutura, melhorar a qualidade do produto e reduzir a temperatura ambiente, otimizando as condições de trabalho. Os produtos refratários isolantes são utilizados principalmente como camada de isolamento térmico, revestimento ou isolamento de fornos.
1. Tijolos refratários de isolamento de alumina
Os tijolos refratários de alumina com isolamento térmico utilizam coríndon fundido, alumina sinterizada e alumina industrial como principais matérias-primas para a fabricação de produtos refratários com isolamento térmico que apresentam alta resistência a atmosferas ácidas e alcalinas, resistência à redução e boa resistência ao choque térmico. Podem ser utilizados por longos períodos em temperaturas abaixo de 1700 °C. Seu processo de produção adota dois métodos: o método de espumação e o método de adição por incineração. Os produtos fabricados pelo método de espumação apresentam estrutura uniforme, baixa condutividade térmica e bom desempenho de isolamento térmico.
Os tijolos refratários de alumina com isolamento térmico são leves, possuem alta resistência à compressão, baixa condutividade térmica, baixa retração volumétrica após a recirculação e boa resistência ao choque térmico. Podem ser utilizados como camadas de isolamento térmico em equipamentos térmicos de alta temperatura ou fornos que interagem diretamente com as chamas. Também são utilizados como revestimento interno de equipamentos térmicos de precisão, porém não são adequados para locais sujeitos à corrosão que entram em contato direto com o líquido do forno e a escória fundida. Apresentam ainda maior estabilidade quando utilizados em atmosferas redutoras. A temperatura de utilização depende da pureza do produto, geralmente até 1650~1800°C. Consulte a Tabela 3-105 para obter os índices físico-químicos típicos desses produtos.
2. Tijolos refratários com alto teor de alumínio e propriedades de isolamento térmico
Os tijolos refratários isolantes térmicos de alto teor de alumínio são produtos refratários com um teor de alumínio de no mínimo 48%, fabricados a partir de bauxita como matéria-prima principal, combinada com argila, aglomerantes e serragem. Para melhorar o desempenho do produto, são adicionados alumina industrial, coríndon, sillimanita, cianita e sílica. O pó fino permite a fabricação de produtos com diferentes densidades aparentes e diferentes temperaturas máximas de uso. Normalmente, a temperatura de uso varia entre 1250 e 1350 °C, podendo chegar a 1550 °C em alguns casos.
Os tijolos isolantes de alto teor de alumínio são produzidos principalmente pelo método de espuma, e a densidade volumétrica do produto varia entre 0,4 e 1,0 g/cm³, podendo também ser fabricados pelo método de adição de incineração. Os índices físico-químicos dos tijolos refratários isolantes térmicos de alto teor de alumínio são apresentados na Tabela 3-106.
Tijolos refratários isolantes térmicos de alto teor de alumínio podem ser usados para construir camadas e peças isolantes que não sofrem corrosão ou abrasão por materiais fundidos em altas temperaturas. Quando em contato direto com a chama, a temperatura de contato superficial dos tijolos refratários isolantes térmicos de alto teor de alumínio em geral não deve ser superior a 1350 °C. Tijolos refratários isolantes térmicos de mulita podem entrar em contato direto com a chama e apresentam características de alta resistência à temperatura, alta resistência mecânica e significativa economia de energia. São adequados para o revestimento de fornos de pirólise, fornos de ar quente, fornos de rolos cerâmicos, fornos elétricos de gaveta para porcelana e diversos fornos de resistência. O tijolo refratário isolante térmico de coríndon-mulita com teor de Al₂O₃ de 82,4% pode ser usado como revestimento de forno a 1550 °C.
3. Tijolos refratários isolantes à base de argila
Os tijolos refratários isolantes térmicos à base de argila são produtos refratários com teor de Al₂O₃ entre 30% e 48%, fabricados com argila refratária como principal matéria-prima, utilizando argila refratária, grânulos flutuantes e clínquer de argila refratária como matérias-primas, além de aglomerantes e serragem. Através de processos de mistura, homogeneização, moldagem, secagem e queima, obtêm-se produtos com densidade aparente de 0,3 a 1,5 g/cm³, cuja produção representa mais da metade do volume total de tijolos refratários isolantes térmicos.
O processo de produção mais comum para tijolos refratários isolantes térmicos de argila é o método de adição por incineração com esferas flutuantes, podendo também ser utilizado o método de espuma. Consulte a Tabela 3-107 para obter os índices físicos dos tijolos refratários isolantes térmicos à base de argila.
Os tijolos refratários isolantes à base de argila têm uma ampla gama de aplicações. São utilizados principalmente em equipamentos térmicos e fornos industriais. Podem ser usados em peças que não sofrem corrosão ou contato direto com materiais fundidos em altas temperaturas. Algumas superfícies em contato direto com a chama são revestidas com uma camada refratária que reduz a erosão causada por escória e poeira de gases do forno, minimizando danos. A temperatura de trabalho do produto não excede a temperatura de teste da linha de retorno. O tijolo isolante de argila pertence à classe de materiais isolantes leves com múltiplos poros. Este material possui porosidade de 30% a 50%, apresentando isolamento térmico inferior, porém com boa resistência mecânica e à corrosão.
4. Tijolos refratários de isolamento de silicone
O tijolo refratário isolante térmico de sílica é feito de sílica como principal matéria-prima, e o produto refratário isolante térmico apresenta teor de SiO2 inferior a 91%. Além das propriedades de isolamento térmico, os tijolos refratários de sílica mantêm, em grande parte, as características dos tijolos de sílica. A temperatura inicial de amolecimento sob carga é alta e o volume se expande ligeiramente durante o processo de aquecimento, o que aumenta a integridade do forno.
O desempenho dos tijolos refratários isolantes térmicos siliciosos de grau GGR-1.20 para fornos industriais, especificados na Norma da Indústria Metalúrgica Chinesa YB386-1994, apresenta densidade aparente não superior a 1,2 g/cm³, resistência à compressão à temperatura ambiente não inferior a 5 MPa, temperatura inicial de amolecimento sob carga de 0,1 MPa não inferior a 1520 °C e teor de SiO₂ não inferior a 91%.
Este produto é adequado para o revestimento de fornos industriais ou camadas de isolamento térmico que não entram em contato direto com materiais fundidos em alta temperatura e não estão diretamente expostas a gases corrosivos. A temperatura de trabalho da alvenaria não deve exceder 1550°C.
Os tijolos refratários isolantes térmicos à base de sílica são mais prejudiciais ao corpo humano devido à poeira de sílica, e o processo de fabricação é mais complexo do que o dos tijolos refratários isolantes térmicos de argila e de alto teor de alumínio, representando uma pequena proporção da produção total de materiais refratários isolantes térmicos.
5. Tijolos refratários de isolamento de diatomita
O tijolo isolante térmico de diatomita é um produto refratário para isolamento térmico feito de diatomita como principal matéria-prima. O tijolo isolante térmico de diatomita possui poros finos e fechados, alta porosidade e bom desempenho de isolamento térmico, porém baixa resistência mecânica, especialmente após exposição à umidade, quando sua resistência diminui significativamente. Sua principal composição química é SiO2, seguido por Al2O3, além de óxidos de ferro e potássio, sódio, cálcio, magnésio e outras impurezas.
Os índices físicos dos tijolos isolantes de diatomita são mostrados na Tabela 3-108. Os tijolos isolantes de diatomita apresentam baixa resistência ao calor, com refratariedade de apenas cerca de 1280 °C, o que limita sua temperatura de uso. Podem ser utilizados apenas em camadas isolantes com temperatura inferior a 900 °C.
6. Produtos de perlita expandida
Os produtos de perlita expandida são produtos refratários de isolamento térmico feitos de perlita como componente principal. Esses produtos isolantes são fabricados com perlita expandida como agregado e cimento apropriado, silicato de sódio, fosfato, etc., após serem misturados, moldados, secos, calcinados ou curados. A densidade da perlita expandida é relativamente baixa, geralmente entre 40 e 120 g/cm³; sua refratariedade não é alta, geralmente entre 1280 e 1360 °C. A temperatura máxima de uso dos produtos com diferentes ligantes varia, geralmente abaixo de 1000 °C.
Os produtos de perlita expandida são classificados em categorias de 200, 250, 300 e 350 kg/m³, de acordo com a densidade aparente dos produtos na norma nacional. Conforme o tipo de cimento utilizado, dividem-se em produtos de perlita expandida aglomerada com cimento, produtos de perlita expandida aglomerada com silicato de sódio, produtos de perlita expandida aglomerada com fosfato e produtos de perlita expandida aglomerada com asfalto.
7. Produtos de vermiculita expandida
Os produtos de vermiculita expandida são produtos refratários com isolamento térmico, tendo a vermiculita expandida como principal matéria-prima. A produção desses produtos baseia-se na utilização de vermiculita expandida de determinado tamanho como agregado, à adição de aditivos e ligantes, mistura com água em proporções específicas e posterior moldagem, secagem, calcinação ou cura para a obtenção de produtos de isolamento térmico. Produtos com diferentes densidades aparentes, aditivos e ligantes apresentam diferentes temperaturas máximas de utilização, sendo geralmente utilizadas camadas de isolamento térmico abaixo de 1000 °C. Existem diversos tipos de produtos de vermiculita expandida, que são geralmente classificados de acordo com o tipo de ligante e agregado utilizados. Quanto ao ligante, podem ser divididos em produtos com ligante orgânico, produtos com ligante inorgânico e produtos com ligante composto orgânico e inorgânico. De acordo com o tipo de agregado utilizado, podem ser divididos em produtos com agregado simples, agregados múltiplos e produtos com aditivos.
A vermiculita expandida possui baixa condutividade térmica, baixa resistência e não é impermeável, o que restringe bastante sua aplicação. Quando um material cimentício de alta resistência é utilizado para unir a vermiculita expandida em um produto acabado, este apresenta maior resistência e suporta cargas mais elevadas. Da mesma forma, quando se utiliza um material cimentício impermeável para unir a vermiculita expandida, o produto resultante possui propriedades impermeáveis e pode ser utilizado em ambientes úmidos. A condutividade térmica do aglomerante geralmente é superior à da vermiculita expandida, portanto, a adição do aglomerante confere novas aplicações à vermiculita expandida, embora também reduza seu efeito de isolamento térmico.
8. Placa de cálcio-silício
A placa de silicato de cálcio é feita de terra diatomácea e cal como principais matérias-primas, e os produtos refratários com isolamento térmico, fabricados com a adição de fibras de reforço, também são chamados de placa de silicato de cálcio e placa de silicato de cálcio microporosa. A placa de silicato de cálcio é dividida em duas categorias de acordo com sua composição: uma é a placa de silicato de cálcio comum, cuja composição química de CaO/SiO2 é de aproximadamente 0,8 e cuja composição mineral é a tobermorita (tobermorita, 5CaO·6SiO2·5H2O); a outra é o silicato de cálcio duro, cuja composição química de CaO/SiO2 é de aproximadamente 1,0 e cuja composição mineral é o silicato de cálcio duro.
O silicato de cálcio possui excelentes propriedades, como baixa densidade, alta capacidade de separação, baixa condutividade térmica, facilidade de construção e baixa taxa de perdas. A densidade das placas de silicato de cálcio é geralmente especificada mundialmente como não superior a 220 kg/m³, sendo que algumas são subdivididas em 33 tipos, com densidades não superiores a 220 kg/m³, 170 kg/m³ e 130 kg/m³. Na China, a classificação é feita em 33 tipos, com densidades não superiores a 240 kg/m³, 220 kg/m³ e 170 kg/m³. A resistência à compressão é superior a 0,4 MPa e a resistência à flexão é superior a 0,2 MPa. A condutividade térmica (70℃±5℃) é de 0,049～0,064W/(m·K), a temperatura operacional mais alta é de 650℃ para a mulita de Torbe e de 1000℃ para o silicato de cálcio.
A placa de silicato de cálcio pode ser serrada ou pregada, sendo transformada em placas, blocos ou revestimentos. Pode ser utilizada como material de isolamento térmico para tubulações térmicas e fornos industriais em usinas de energia elétrica, indústria química, metalurgia, construção naval, etc.; para isolamento térmico e contra incêndio em edifícios, instrumentos e equipamentos; também pode ser utilizada como camada de isolamento térmico em estufas de secagem de alta temperatura e plataformas de vagões-túnel; ambos os lados da placa de silicato de cálcio podem ser revestidos com lâminas de plástico, compensado, placas de fibrocimento, etc., sendo utilizados como material de isolamento térmico. A maioria dos materiais de engenharia de isolamento térmico no mundo utiliza placas de silicato de cálcio, e em alguns países, o uso desse material para isolamento térmico na indústria chega a representar de 70% a 80%.
9. Tijolo de Partículas Flutuantes (Tijolo da Cenosfera)
Os tijolos de cenossfera são produtos refratários com isolamento térmico, fabricados com cenossferas como principal matéria-prima. No início da década de 1970, meu país começou a utilizar cenossferas de cinzas volantes para produzir tijolos refratários com isolamento térmico à base de argila. Devido à simplicidade do processo e à abundância de recursos, a qualidade do produto é boa. Desde a década de 1980, o método de clínquer poroso ou a adição de cenossferas de cinzas volantes queimadas têm sido utilizados para produzir tijolos de cenossfera.
Os tijolos de cenosfera são esferas ocas de vidro de silicato de alumínio, produzidas a partir de cinzas volantes de usinas termelétricas. Possuem leveza, paredes finas, são ocos, têm superfície lisa, baixa condutividade térmica, bom desempenho de isolamento, alta refratariedade e alta resistência à compressão, entre outras propriedades. Utilizando essas características das cenosferas, é possível fabricar materiais refratários com excelente desempenho de isolamento térmico. A produção de tijolos de cenosfera pode ser feita por um método semi-seco, que possui um processo simples e não requer acabamento.
Os tijolos de cenosfera são superiores aos materiais de isolamento térmico convencionais em termos de resistência mecânica, resistência a altas temperaturas, condutividade térmica e desempenho de uso, sendo comparáveis às fibras de silicato. Este material é amplamente utilizado em diversos fornos industriais de alta temperatura, a 1200 °C, com o objetivo de melhorar a eficiência térmica e reduzir o consumo de energia. Os tijolos de cenosfera são utilizados em fornos industriais e equipamentos de alta temperatura nos setores de metalurgia, máquinas, química, petróleo, materiais de construção, indústria leve, energia elétrica e outros. Geralmente, podem gerar uma economia de energia de 15% a 40%. Trata-se de um novo e excelente tipo de material isolante térmico leve.
10. Tijolo esférico oco
Um tijolo esférico oco de alumina
O tijolo de esferas ocas de alumina é um produto refratário isolante térmico que utiliza esferas ocas de alumina como principal matéria-prima. Os indicadores técnicos típicos dos tijolos de esferas ocas de alumina são: teor de Al₂O₃ não inferior a 98%, teor de SiO₂ não superior a 0,5%, teor de Fe₂O₃ não superior a 0,2%, densidade aparente de 1,3 a 1,4 g/cm³, porosidade aparente de 60% a 80%, resistência à compressão não inferior a 9,8 MPa, temperatura de amolecimento sob carga (0,2 MPa) não inferior a 1700 °C e condutividade térmica de 0,7 a 0,8 W/(m·K).
Em comparação com isolantes térmicos e produtos refratários comuns, o tijolo de esferas ocas de alumina caracteriza-se por um grande número de poros fechados. Portanto, possui alta resistência e estrutura porosa estável, baixa densidade e baixa condutividade térmica. É utilizado principalmente em revestimentos de fornos industriais de alta temperatura, abaixo de 1800 °C, como tijolos de revestimento para fornos de alta temperatura nas indústrias de refratários, eletrônica e cerâmica; camadas de isolamento térmico para equipamentos térmicos de alta temperatura, como fornos de gaseificação na indústria petroquímica, fornos a gás, reatores industriais a carvão; e tijolos isolantes para fornos de indução na indústria metalúrgica.
B Tijolo esférico oco de zircônia
O tijolo de esferas ocas de zircônia é um produto refratário isolante térmico feito de esferas ocas de zircônia como principal matéria-prima. A principal fase cristalina deste tijolo é a zircônia cúbica (cerca de 70% a 80% da composição mineral), e seu desempenho típico é: refratariedade superior a 2400 °C, porosidade aparente de 55% a 60%, densidade aparente de 2,5 a 3,0 g/cm³, resistência à compressão não inferior a 4,9 MPa e condutividade térmica de 0,23 a 0,35 W/(m·K).
As esferas ocas de zircônia são produtos refratários com excelente isolamento térmico. A temperatura máxima de uso seguro é de 2200 °C. Os tijolos de esferas ocas de zircônia possuem alta resistência a altas temperaturas e estrutura porosa estável, permitindo seu uso seguro em temperaturas de até 2200 °C. Devido à sua baixa densidade e baixa condutividade térmica, reduzem não apenas a perda de calor, mas também o seu armazenamento térmico. Portanto, como material de revestimento para altas temperaturas em contato direto com a chama em equipamentos térmicos, como os utilizados nas indústrias metalúrgica, petrolífera, química e eletrônica, entre outras, podem reduzir o consumo de energia e o peso do forno, apresentando excelente desempenho.
Data da publicação: 26/11/2021