Desenvolvimento de refratários espinelizados avançados eco-amigáveis em substituição aos materiais contendo cromo

dc.contributor.advisor1Pandolfelli, Victor Carlos
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7369376873984839
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-1711-9804
dc.contributor.authorBorges, Otávio Henrique
dc.contributor.authorlatteshttps://lattes.cnpq.br/3641422282209414
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0001-6780-4159
dc.date.accessioned2025-02-26T18:18:33Z
dc.date.issued2025-02-19
dc.description.abstractUntil the 1990s, the use of electrofused magnesia-chrome aggregates (EMCA) was widespread in refractory linings for the steel industry. Despite their efficiency and low cost, it was discovered that these materials generate toxic byproducts. Consequently, spinel-containing refractories (MgAl2O4) emerged as the main alternative, though their cost and performance have not yet reached equivalent levels. This thesis combined computational and experimental tools to design and evaluate non-toxic compositions, focusing on their thermomechanical, chemical and microstructural properties. Initially, the substitution of MgO with ZnO as a spinel-forming additive in alumina-based refractory castables was investigated. Its use enhanced the mechanical strength at intermediate temperatures and induced the early formation of zinc spinel (ZnAl₂O₄). However, the Kirkendall effect induced porosity at the alumina aggregate interfaces, highlighting the need for adjustments for steelmaking applications. Additionally, the introduction of zinc oxide enabled microwave-assisted sintering of these materials, an efficient alternative to conventional methods, leading to improved mechanical properties and greater energy efficiency. Nonetheless, zinc volatilization above 1300 °C revealed its limitations in reducing environments. Therefore, the study focused on deeper characterizing the EMCA. Inspired by the findings, four chromium-free compositions were designed and produced via fusion or sintering, both at a laboratory scale. Dilatometry and thermal conductivity tests demonstrated the promising performance of the novel compositions and the potential to tailor their properties through minor compositional adjustments. Finally, the industrial interest in the results of this thesis enabled a partnership with a multinational refractory manufacturer. In collaboration, pilot-scale tests are currently being conducted to develop industry-applicable technology capable of reducing the environmental impact associated with chromium-containing refractories.eng
dc.description.resumoAté os anos 1990, a utilização de agregados eletrofundidos de magnésia-cromo (AEMC) era largamente difundida para uso em revestimentos refratários aplicados na indústria do aço. Apesar da eficiência e baixo custo, descobriu-se que este material gera resíduos tóxicos, assim, a utilização de refratários contendo espinélio (MgAl₂O₄) se consolidou como principal alternativa, porém seu custo e desempenho ainda não se equipararam. Deste modo, a presente tese combinou ferramentas computacionais e experimentais para projetar e avaliar composições atóxicas, focando em suas propriedades termomecânicas, químicas e microestruturais. Inicialmente, investigou-se a substituição do MgO por ZnO como aditivo formador de espinélio em concretos refratários aluminosos. Seu uso promoveu o fortalecimento mecânico em temperaturas intermediárias e a formação antecipada do espinélio de zinco (ZnAl₂O₄). Contudo, o efeito Kirkendall gerou porosidade na interface dos agregados de alumina, destacando a necessidade de ajustes para aplicações siderúrgicas. Adicionalmente, a introdução de óxido de zinco permitiu a sinterização assistida por micro-ondas deste material, que se mostrou uma alternativa eficiente à rota convencional, resultando em propriedades mecânicas aprimoradas e maior economia energética. Entretanto, a volatilização de zinco acima de 1300 °C revelou as limitações de seu uso em ambientes redutores. Deste modo, optou-se pelo estudo aprofundado dos AEMC. Inspirados nos achados, quatro composições livres de cromo foram projetadas e produzidas por eletrofusão ou sinterização, ambas em escala laboratorial. Testes de dilatometria e condutividade térmica também foram realizados, demonstrando desempenho promissor das novas composições, além da possibilidade de engenheirar suas propriedades a partir de pequenos ajustes composicionais. Por fim, o interesse industrial nos resultados obtidos nesta tese possibilitou a parceria com uma empresa multinacional fabricante de refratários. Decorrente deste trabalho conjunto, testes em escala piloto estão sendo conduzidos visando a geração de tecnologia industrialmente aplicável e capaz de auxiliar a redução dos impactos ambientais relacionados à utilização de refratários contendo cromo.
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 2021/00114-2, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 2023/00386-8, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 88887.512569/2020-00, Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipIdProcesso nº 88887.600984/2021-00, Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.identifier.citationBORGES, Otávio Henrique. Desenvolvimento de refratários espinelizados avançados eco-amigáveis em substituição aos materiais contendo cromo. 2025. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21472.*
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/21472
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCâmpus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectEspinélio
dc.subjectZnO
dc.subjectAEMC
dc.subjectRefratários
dc.subjectTermodinâmica
dc.subjectToxicidade
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
dc.titleDesenvolvimento de refratários espinelizados avançados eco-amigáveis em substituição aos materiais contendo cromo
dc.title.alternativeDevelopment of advanced eco-friendly spinel-containing materials to replace chromite-based refractorieseng
dc.typeTese

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