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- Designing particle sizing and packing for flowability and sintered mechanical strengthPublication . Silva, Abílio P.; Pinto, Deesy G.; Segadães, A M; Devezas, TessalenoIn this work, alumina powders in five different commercially available size ranges were used to prepare various refractory castable mixtures, defined using the statistical design of mixture experiments (STATISTICA, StatSoft Inc.) and the EMMA 3.3 software (Elkem Materials). Those mixtures were characterized for packing density, Andreasen particle size distribution modulus (q), flowability and after sintering properties, in order to investigate the relationships between these variables. The optimization of matrix and aggregate sizes and matrix-aggregate proportion, subjected to different property requirements, brought to light the relationships between q, specific surface area (SSA) and maximum paste thickness (MPT). Those relationships were investigated for three fundamental processing steps, namely, dry powders, fresh paste and consolidated dried and sintered bodies. The optimized all-alumina castable was found to require 47.5wt.% of a fine size matrix with high flowability, which provides the necessary flow bed for 52.5wt.% of coarse aggregates, resulting in a gap-sized particle size distribution, and presented a fresh paste flowability index above 130% with minimum added water (28mg/m2) and sintered modulus of rupture above 50MPa.
- Comportamento termomecânico de um betão refractário de 100% alumina para aplicações monolíticasPublication . Pinto, Deesy Gomes; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Segadães, Ana Maria Bastos da CostaPretendeu-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.
- Effect of particle size distribution and calcium aluminate cement on the rheological behaviour of all-alumina refractory castablesPublication . Silva, Abílio P.; Segadães, A M; Pinto, Deesy G.; Oliveira, Luiz A.; Devezas, TessalenoPrevious works based on statistical design of experiments (DoE) defined a model all-alumina self-flow refractory castable (SFRC) with optimized particle size distribution for simultaneous high flowability index (FI) and superior post-sintering performance. This work compares the SFRC rheological behaviour and setting time with those of alternative all-alumina castables with different Andreasen aggregate particle size distribution modulus, and of the equivalent castables containing calcium aluminate cement. The model castable showed Bingham behaviour with low yield stress, viscosity and thixotropy, guaranteeing easier casting and less wear in the casting and/or projection equipment. However, as the coarse particle fraction increases, the castable flow tends to be non-linear and changes from Bingham to Herschel–Bulkley. The cement containing castables quickly loose flowability despite the applied shear. This work confirmed previous conclusions based on FI measurements and demonstrates the adequacy of the use of FI values in the calculation of FI response surface by DoE.
- Thermomechanical evaluation of self-flowing refractory castables with and without the addition of aluminate cementPublication . Pinto, Deesy G.; Silva, Abílio P.; Segadães, A M; Devezas, TessalenoMuch has been discussed about the advantages regarding the thermomechanical performance of self-flow refractory castables (SFRC), with very little or no addition of calcium aluminate cement (CAC) when compared to conventional composites with cement. Previous works demonstrated that a 100% alumina SFRC with optimized particle size distribution simultaneously results in high-flowability fresh paste and high mechanical strength. In this work, the thermomechanical behaviour of zero-cement ceramic matrix is compared to that of the equivalent composite with 1% CAC content. The results show that the differences in performance can be related to differences in hydration mechanisms, namely the formation sequence of calcium aluminate hydrates, which results in increased open porosity. With lower dried strength, the all-alumina castable presents lower porosity, higher mechanical strength and uncompromised thermal shock resistance, being a valuable option when fast drying or rough green handling can be avoided.