Materiais Refratários

Muitas etapas do processamento de materiais são feitas a temperaturas elevadas, como por exemplo a fundição e os tratamentos térmicos. No entanto, para que isso seja possível, é necessário que existam materiais que aguentem temperaturas ainda maiores. Esse grupo é denominado de materiais refratários e é normalmente composto por cerâmicas, sendo o foco de nosso assunto de hoje. 

Para que suportem as elevadas temperaturas mencionadas, os materiais refratários devem ser química, física, mecânica e dimensionalmente estáveis. Além disso, precisam de uma elevada resistência ao choque térmico, para que não trinquem devido ao gradiente de temperatura, e de baixa condutividade térmica, para que consigam manter o calor confinado em uma determinada região.  Exemplos de materiais refratários, isto é, que apresentam essas características a elevadas temperaturas, são:

Argilas refratárias:

Esse grupo de refratários é composto essencialmente por aluminossilicatos hidratados, cuja composição varia de 20 a 45% de alumina (Al2O3), 50 a 80% de sílica (SiO2) e outros minerais em pequenas quantidades. Devido ao baixo custo e à abundância de suas matérias primas, que podem ser facilmente encontradas em diversos locais, as argilas refratárias são os refratários mais comuns e são largamente empregadas em fornos e estufas.

Refratários a base de cromita:

A cromita é o principal mineral do cromo e, devido a sua capacidade de suportar temperaturas elevadas, pode ser empregada em estado natural como material refratário. A composição química da cromita é representada por (MgFe)O.(CrAlFe)2O3, visto que parte do FeO pode ser substituído por MgO e do Cr2O3, por Al2O3 ou Fe2O3. A cromita para uso refratário deve ser rica em Al2O3 e possui normalmente baixa resistência mecânica a quente. Dessa forma, pode ser aprimorada se utilizada em combinação com magnesita. Essa combinação compõe os refratários de cromo-magnesita, utilizados geralmente nas regiões críticas de fornos de elevada temperatura, e os refratários de magnesita-cromita, bastante empregados na fundição de aços.

Refratários de zircônia:

A zircônia (ZrO2) consegue manter sua elevada resistência mecânica a temperaturas bastante elevadas e apresenta coeficiente de expansão térmica muito mais baixo do que a maior parte dos outros materiais refratários. Além disso, não é muito reativa frente a metais líquidos e gases provenientes dos mesmos. Essa combinação de propriedades faz deste material um dos melhores refratários, sendo utilizado especialmente na construção de fornos metalúrgicos e fornos para a indústria de vidros.

Vimos que os refratários necessitam de uma combinação de propriedades. No entanto, os materiais mudam suas propriedades com a temperatura, passam por transições de fase, transições de estado físico. Dessa forma, há um limite de temperatura para o qual não existem mais materiais com essas características disponíveis. Você tem ideia de quão elevadas são as temperaturas que um refratário pode suportar?

Existe uma classificação da refratariedade desses materiais, e a temperatura máxima muda dentro de cada grupo. Existem os materiais refratários, para os quais as temperaturas máximas de uso encontram-se entre 1580 a 1780°C, tendo como exemplo as argilas refratárias. Em seguida, vêm os materiais de elevada refratariedade, os quais suportam temperaturas de 1780 a 2000°C e têm como exemplo a cromita. Por fim, os materiais superrefratários, que são empregados a temperaturas superiores a 2000°C, como os refratários de zircônia. A temperatura máxima que os superrefratários suportam não é algo ainda totalmente definido, já que há uma pesquisa intensa a respeito dos mesmos, permitindo o desenvolvimento de materiais que suportem condições mais agressivas. Já é possível, no entanto, utilizá-los para temperaturas de até 2500°C.

Fontes:

Refractory Material: Definition and types – EngPedia;

Types of Refractory Materials and Their Applications – Le Sylvia;

Refratários – Portal Saber Livre.