¡Descarga Materiales Refractarios: Propiedades, Clasificación y Aplicaciones en Hornos Industriales y más Diapositivas en PDF de Control de Procesos solo en Docsity!
Materiales Refractarios
Los refractarios son materiales, que en condiciones de servicio resisten elevadas temperaturas, erosión, abrasión, impacto, ataque químico, acción de gases corrosivos y otras experiencias no menos recias. Estos materiales se usan para el recubrimiento de hornos, hogares conductos chimeneas, etc.; eligiéndose alguno de los materiales existentes, según sean las condiciones reinantes en determinadas zona. La mayor parte de los refractarios son materias cerámicas fabricadas con óxidos de elevado punto de fusión (SiO2, Al2O3, Mg, y Cr2O3). No obstante, el carbón es actualmente un refractario importante. Algunos metales, como el molibdeno (Mo) (punto de fusión = 2600°C) y el Wolframio W (punto de fusión 3400°C) son refractarios y encuentras aplicación en aparatos de investigación. Incluso estos se pueden fundir en envases de cobre abundantemente refrigerados por agua, los cuales si bien no están clasificado s como refractarios, ciertamente los reemplazan. A continuación se indican los puntos de fusión de los óxidos y compuestos más utilizados en esta industria: A. Óxidos
- Sílice (SiO2) 1723 ºC
- Alúmina (Al2O3) 2050 ºC
- Cromo (Cr2O3) 2250 ºC
- Periclasa (MgO) 2800 ºC
- Zirconio (ZiO2) 2700 ºC B. Compuestos
- Espinela (Mg. Al2O3) 2135 ºC
- Foresterita (Mg.SiO2) 1900°C
- Mullita (3Al2O3.2SiO2) 1850°C
Clasificación ÁCIDOS : son aquellos que no son atacados por compuestos ácidos, son fabricados por materias primas sílico –aluminosas. BÁSICOS : son aquellos que reaccionan con escorias ácidas. Su contenido se basa en magnesita, dolomita, y magnesita -cromo. NEUTROS : son relativamente inertes, tanto las escorias silíceas como calizas. En este grupo se incluyen los refractarios de carbón, alúmina (Al2O3), Cromita (FeO.Cr2O3) y Foresterita (2MgO.SiO2) Existiría un cuarto grupo que es el de los refractarios especiales que son materiales nuevos, o muy caros, por su proceso de fabricación como los de ZiO2 y BeO y se destinan únicamente para fines de investigación y otros usos aislados, tales como energía atómica, o tecnología de turbinas de gas. Clasificación de los refractarios según su proceso de fabricación: Se clasifican en dos tipos: Ladrillos y especialidades LADRILLOS: Según la forma de ligar las materias primas existen 2 tipos:
- Cocido convencional: en el caso de los refractarios sílico -luminosos durante la cocción se produce incipiente fusión de los compuestos formados por lo óxidos constituyentes e impurezas, formando de este manera una matriz soporte que es que le da la rigidez al ladrillo.
- Cocido liga directa: en el caso de los refractarios de magnesia, se comprobó que como un contenido muy bajo de impurezas a alta temperatura (aprox.1800°C), se unían los cristales de Periclasa
Los ladrillos correspondientes a los tipos 4), 5) y 6), son cocidos en servicio u operación. En la pared refractaria se produce un gradiente de temperatura, es decir que cada punto tiene distinta temperatura. Por lo tanto se produce la cocción en aquellos puntos donde T > T cocción del refractario. Sin embargo la otra parte ya ha comenzado su proceso de cocción. El espesor cocido avanza en la medida que se desgasta el refractario.
- Electro fundidos: Mediante un electrodo se funden las materias primas llevándolas al estado líquido y luego se las vierte en un molde. El horno no tiene paredes, la misma materia prima sirve de contención y se funde en zonas aledañas al electrodo. Una vez colado el lingote, se corta con sierras abrasivas.
- Aislantes: Con los materiales se trata de reducir el flujo calórico por convección, conducción y radiación. El aislante ideal debería tener una estructura tipo colmena, de celdas diminutas y paredes muy delgadas llenas de aire y construido c on un material de baja conductividad térmica. Para lograr ello, en la elaboración del refractario aislante se mezclan las materias primas con elementos combustibles, como aserrín o
viruta de madera. Durante la cocción del aislante las sustancias combustibles se queman, dejando los agujeros que confieren al ladrillo la debida porosidad y ligereza. ESPECIALIDADES Aglutina a todos los materiales refractarios que no tienen forma definida. Existen distintos tipos:
- Tierra refractaria: Mezcla de dos o más materias primas al estado natural sin haber sufrido proceso de calcinación. Solo han sido sometidas a trituración, molienda y clasificación de tamaños (dosificación). Al ser aplicada no desarrolla ningún tipo de resistencia mecánica. Se la utiliza para sellar imperfecciones de ladrillos.
- Argamasa: La única diferencia que tiene con la tierra refractaria, es que parte de las materias primas que la constituyen son previamente calcinadas.
- Mortero: Producto construido por la mezcla de argamasa con un elemento ligante, que puede ser un cemento alumino –cálcico, que en presencia de agua le confiere a la mezcla una resistencia mecánica a temperatura ambiente. Se lo utiliza como elemento ligante entre piezas conformadas de material refractario.
- Hormigón: Por medio de una granulometría más grande y un aglomerante de propiedades hidráulicas adecuado, se pueden colar piezas monolíticas o pre moldeadas de forma tal que reemplacen a un número importante de ladrillos.
cantidad de agua (aproximadamente 4 a 6 %) para promover su total hidratación. Una vez colocada en el molde, la mezcla es vibrada de modo tal de alcanzar su máxima densidad y resistencia. Durante la vibración, el aire contenido es expulsado de la mezcla, la que siendo muy compacta adopta un comportamiento tixotrópico. Esto es que durante y después de la vibración aumenta mucho su fluidez. Propiedades químicas y físicas de los materiales refractarios y breves Explicaciones sobre métodos de control Para poder escoger el revestimiento refractario adecuado para los hornos, es preciso conocer con la mayor exactitud posible las características de los materiales refractarios por una parte y por otra las cargas del material en servicio. Como es imposible llegar al valor ideal de todas las características, se tiene que ajustar el material refractario a los conceptos de mayor importancia para su utilización y escogerlo con arreglo a los mismos. Para determinar las características de los ladrillos y especialidades se hace uso de diversos métodos de control que en la mayoría de los casos están normalizados. La relación entre cargas de servicio en hornos industriales y los aspectos fundamentales de utilización de los ladrillos refractarios viene indicada en la siguiente tabla:
Constituyentes dispersos más importantes de los materiales
refractarios
El constituyente matriz puede ser una fase vítrea o cristalina “microcristales” de composición más compleja que el constituyente disperso. La refractariedad (o la temperatura de ablandamiento) es menor para el componente matriz que para el disperso. La naturaleza del constituyente matriz es, normalmente, compleja debido a la presencia de los óxidos alcalinos (litio, sodio, potasio) y de los óxidos de hierro, que disminuyen su refractariedad. El constituyente matriz al reblandecerse o fundir a las temperaturas de cocción del material refractario, nos garantiza la consistencia mecánica del constituyente disperso. Paralelamente a los procesos de fusión parcial (o de reblandecimiento) de la matriz, suelen tener lugar reacciones sólido-liquido, procesos de crecimiento de grano, segregaciones y transformaciones cristalinas en estado sólido. Las propiedades del constituyente matriz son extremadamente importantes puesto que es la “cola” o “pegamento” que mantiene cohesionados a los cristales o granos del constituyente disperso. Así, por ejemplo., los refractarios de arcilla
cocida (Alúmina calcinada ligada mediante arcilla plástica) pueden dividirse en semisílice, bajo contenido de alúmina, etc. En general, el contenido de alúmina aumenta en el orden listado y hay una tendencia a juzgar el comportamiento tomando como base dicho contenido. Esto puede conducir a errores, puesto que la fase arcillosa que actúa como ligante tiene un profundo efecto sobre el comportamiento del material refractario aún con un alto contenido en fase alúmina. Se dan las especies químicas, cristalinas o vítreas, que dan lugar al denominado constituyente matriz y que cementan los constituyentes dispersos anteriormente citados. Se da su punto de fusión.
Constituyentes matrices de los materiales refractarios.
Por último, una fase que está siempre presente en los materiales
refractarios, en proporción y distribución variables, es la porosidad. Esta
influye decisivamente en sus propiedades y características.
Las propiedades y características del material refractario dependerán tanto
de las fases cristalinas que forman el agregado refractario (Constituyente
disperso), como de la matriz cementante y del contenido y distribución de la
porosidad.
Así, pues, desde el punto de vista de la constitución microscópica, un ladrillo
refractario es como una roca granito, riolita, etc., está formada por partículas
cristalinas cementadas por una matriz. Los refractarios electro fundidos se
fabrican por solidificación de una mezcla de materiales fundidos, de manera
análoga a como las rocas eruptivas se formarán por solidificación de un
Alto horno
En la zona del tragante, la principal solicitación es la abrasión mecánica. La silimanita es lo más conveniente para ello. En el tragante y la parte superior de la cuba, se produce la siguiente reacción (a Temperaturas de 500º C): 2CO → CO 2 + C El carbono se deposita en los poros del ladrillo, se va acumulando y provoca tensiones que agrietan el mismo. Para esta zona se utilizan ladrillos sílico aluminosos de 45% Al2O3 , con una porosidad de 18 a 20%. En la parte inferior de la cuba, vientre y etalaje las solicitaciones principales son: Abrasión y corrosión por parte de la escoria y arrabio líquido. Corrosión por álcalis (Na2O y K2O) Erosión por los gases. El ataque del álcalis es uno de los efectos más perjudiciales, pues ataca al refractario formando compuestos diversos, en general de baja refractariedad. Entran en el Alto Horno como silicatos complejos, en la ganga del mineral y en las cenizas del coque. Penetran en los poros de los ladrillos como vapores, que se condensan dentro de los mismos provocando la corrosión del ladrillo. En esta zona se utilizan ladrillos de alta alúmina (90% Al2O3), con muy baja porosidad (11 a 15%). La tendencia actual es utilizar ladrillos de carburo de silicio, muy resistentes a los vapores alcalinos, sumado al hecho de tener mu y buena conductividad Térmica. El problema es que se degrada frente a los vapores de H2O, teniendo en cuenta que se utilizan en la zona de refrigeración. La zona de toberas está sometida a choque térmico. Para ello lo más conveniente son ladrillos de silimanita. En el crisol las solicitaciones son: Corrosión por escoria. Erosión por escoria y arrabio líquido. Variación dimensional generada por tensiones térmicas y mecánicas.
del ladrillo, causando su desintegración. Se suma a ello, el esfuerzo mecánico transmitido al refractario cuando el convertidor bascula, esfuerzo éste que es transmitido fundamentalmente por el muñón traccionado. Ello indica que el refractario debe tener baja porosidad, baja permeabilidad y bajo módulo de elasticidad. Normalmente en esta zona, se utilizan ladrillos de magnesita cocida impregnada en alquitrán. Hoy en día la tendencia es utilizar ladillos de magnesio – carbono (15% de C) que son muy resistentes al ataque químico, pero su resistencia es inferior al de los magnesianos cocidos.
Horno eléctrico El revestimiento de seguridad de la solera, está constituido por varias filas de ladrillos de magnesita cocida (95% de MgO). El revestimiento de trabajo de la solera, está formado por una masa apisonada de óxido de magnesio (más de 95% de MgO), enérgicamente compactada en varias capas con un vibrador. La solera se encuentra sometida a las siguientes solicitaciones: Impacto de chatarra, erosión del acero líquido y ataque de la escoria durante el Basculamiento del horno. Para que la solera recién constituida no sea dañada durante el primer cargamento, es necesario tomar los siguientes recaudos: Cubrir toda la extensión de la solera con chapas finas. Evitar la chatarra pesada en la primera carga.
