11. MATERIALES REFRACTARIOS 11.1 Introducción
Hay refractarios que son materias cerámicas fabricadas con óxidos de elevado puntos de fusión. También hay compuestos 11.2 Clasificación de los refractarios según sus características químicas
1. Ácidos: no son atacados por compuestos compuestos ácidos. ácidos. Fabricados de materias materias silico-aluminosas silico-aluminosas 2. Básicos: Básicos: reaccion reaccionan an con escorias escorias acidas. acidas. De magnesita magnesita,, dolomita dolomita y magnesit magnesita-crom a-cromoo 3. Neutros: Neutros: son relativ relativamen amente te inertes. inertes. De carbón, carbón, alumina, alumina, cromita cromita y foresteri foresterita. ta. 11.3 Clasificación de los refractarios según su proceso de fabricación 11.3.1 Ladrillos 1. Coci Cocido do conv conven enci cion onal al:: fusión incipiente de los compuestos formando una matriz
soporte que le
da rigidez al ladrillo. 2. Coci Cocido do lig liga a dire direct cta: a: con poca impureza en los ladrillos
de magnesia, se unen los cristales de Periclasa (MgO) directamente, sin la matriz soporte o siendo muy reducida r educida (según la cantidad de impurezas) 3. Coci Cocido do e impr impreg egna nado do:: se introduce carbono, que frente a la acción de FeO produce CO, depositándose el Fe que no ataca al refractario 4. Qu Quím ímic icam amen ente te liga ligado do: No tiene cocción previa. Se calcinan las materias primas y al pastón formado se le agrega un elemento químico que produce la ligazón entre los granos. 5. Ligad Ligado o con con alqu alquit itrán rán:: Ligado de las materias primas con alquitrán bituminoso y posterior prensado. 6. Templado: Al ladrillo ligado con alquitrán se lo somete a un calentamiento a baja temperatura. Los ladrillos 4, 5 y 6 son cocidos en servicio u operación 7. Elec Electr trof ofun undi dido dos: s: Mediante un electrodo se funden las materias primas que luego se vierten en un molde. 8. Aisla slantes: Se mezclan las materias primas con elementos combustibles que durante la cocción se queman, dejando los agujeros que le dan porosidad y ligereza al ladrillo. 11.3.2 Especialidades 1. Tier Tierra ra ref refra ract ctar aria ia:: Mezcla de 2 o mas materias primas sin haber sufrido calcinación. Solo se 2. 3. 4. 5.
6. 7.
trituraron, molieron y clasificaron. Argamasa: Se diferencia de la tierra ya que algunas materias primas son calcinadas. Mortero: Mezcla de argamasa con un elemento ligante. Se usa como ligante entre piezas. Plástico: Mezcla de materias primas calcinadas, crudas y agua. Es poroso Masa Masa a proy proyec ecta tar: r: Se aplica mediante una maquina de proyección y queda adherida por impacto. Es importante tener en cuenta la humedad (poca resulta pulvurenta, mucha chorrea) y el índice de rebote que no debe ser mayor al 5%. Masa Masa para para apis apison onar ar:: Se aplica en seco, mediante repetidos golpes. Horm Hormigó igón n Tixot Tixotrop ropic ico: o: Constituido por materias primas precalcinadas, aglomerante de fragüe hidráulico y aditivos especiales. Se elabora con una menor cantidad de agua. Se vierte en el molde y se hace vibrar para sacar el aire.
11.4 Clasificación de los refractarios según su materia prima 11.4.1 Refractarios ácidos 1. Silicios: Se usa cuarzo y cuarcita. El cuarzo sufre transformaciones alotrópicas y el
pasaje entre cambios de estructura producen aumento del volumen, por lo que ambas temperaturas de transformación deben ser atravesadas muy lentamente para que no se produzcan fisuras o roturas. Tiene buena resistencia al ataque de escorias. Se usan en hornos de coque y en estufas Cowper. 2. Silico-Aluminosos: Se clasifican en dos tipos: a. Alumina entre 20-45%: Fabricados de arcillas naturales con puntos de fusión entre 1600-1785ºC, aumentando en relación directa con el contenido de alumina. No resisten el choque térmico. b. Alta alúmina (55-100%): Se fabrican agregando alumina a las arcillas naturales o íntegramente de alumina. En este último caso resisten temperaturas de 2050ºC. A medida que aumenta el contenido de alumina mejora la resistencia del material y se vuelve inerte a escorias acidas o básicas ya que la alumina es anfótera. También aumenta la conductividad térmica. Se usa en revestimiento de altos hornos, cucharas de arrabio, cucharas de acero, vagones térmicos. 3. Zircon: Se usan en procesos especiales como la producción de ladrillos de alumina pura por electrofusion. Se usan en las buzas de descarga de los repartidores de colada continua.
11.4.2 Refractarios neutros: 1. Carburo de silicio: se obtienen por electrofusion de carbono y
silicio. Soporta 2700ºC. Tiene resistencia mecánica, resistencia al choque térmico y a la abrasión. Baja expansión térmica y buena dureza. 2. Cromita: Temperatura de ablandamiento de 2100ºC. Se usan en los hornos para separar refractarios ácidos de los básicos. Se pueden mezclar con magnesita. 3. Carbono y grafito: Temperatura de disociación del carbono es de 3700ºC por lo que se lo usa como refractario en estado amorfo o cristalino. Son resistentes a las escorias. Se usan en el crisol del alto horno y en los electrodos. 4. Aceros refractarios: Aceros inoxidables al níquel o al cromo con puntos de fusión de 1400ºC. Se los usa refrigerados con agua en las puertas de carga de hornos eléctricos.
11.4.3 Refractarios básicos: 1. Dolomita: (58% CaO y 42% MgO).Punto de fusión de 2300ºC. Alta resistencia a las escorias
básicas y excelente resistencia al choque térmico. Su desventaja es la alta sensibilidad a la hidratación. Se reduce esto produciendo una sinterización parcial o agregando alquitrán. 2. Magnesita: El constituyente principal es el oxido de magnesio (periclasa) con 15% de impurezas. Funde a no menos de 2000ºC. Tiene alta refractariedad, muy resistente al ataque de escorias básicas, pero es poco resistente al choque térmico. Se usa en las soleras de los hornos eléctricos y en convertidores.
11.5 Propiedades químicas y físicas de los materiales refractarios Tipo de carga Aspectos de utilización
térmica
mecánica
térmica y mecánica Química
1. 2. 3. 4. 5. 1. 2. 3. 4. 1. 2. 1. 2.
Refractariedad Dilatación Variación lineal permanente Resistencia a los cambios bruscos de temperatura Conductividad térmica Resistencia a la compresión Resistencia a la flexión Resistencia la desgaste Porosidad y densidad Refractariedad bajo carga en caliente Resistencia a la flexión en caliente Permeabilidad al gas Resistencia a escorias
11.5.1 Solicitación térmica 1. Refractariedad: Se trata de determinar la temperatura a la que el
2. 3. 4.
5.
material se desmorona y aparece líquido o pastoso. Se realiza un ensayo calentando en un horno probetas cónicas con otros materiales con punto de fusión conocidos colocándose todos sobre una placa. El punto de fusión del material será igual al del cono pirometrico equivalente que se comba al mismo tiempo. Dilatación térmica: Es muy importante en la practica, ya que si no se tienen en cuenta, se pueden producir presiones en los bordes y roturas anticipadas de las cabezas de los ladrillos. Variación lineal permanente: Después del calentamiento y enfriamiento, quedan modificaciones de longitud que son irreversibles. Resistencia a los cambios de temperatura (Spalling): Las oscilaciones de temperatura pueden reducir la resistencia de la textura del ladrillo, produciéndose el desmoronamiento de capas. Se ensaya calentando y enfriando una probeta, verificando como se produce la desintegración y cuantos ciclos térmicos soporta. Conductividad térmica: Se mide colocando en un plato caliente un ladrillo, y en la parte superior se encuentra otro disco frío. Se miden sus temperaturas con termocuplas y después de un tiempo se mide la diferencia de temperaturas producida. El sistema esta bien aislado para que no se produzcan pérdidas de calor. Si se requiere una baja conductividad térmica, el ladrillo debe poseer más poros.
11.5.2 Solicitación mecánica 1. Resistencia a la compresión en frío: Se mide a través de un ensayo de compresión. Se usa para
asegurar que no romperá en el horno, y para determinar si fue bien cocido. 2. Resistencia a la flexión: Se somete una probeta apoyada a una carga central concentrada. Se determina también el modulo de deformación. 3. Resistencia al desgaste: No existe ningún método que tenga en cuenta el desgaste a temperaturas elevadas y por influencias químicas, que es cuando se produce el desgaste. 4. Porosidad y densidad: Se cuenta con una porosidad pequeña para elevar la resistencia mecánica. La porosidad total se mide con los volúmenes del ladrillo aparente y real (no incluye poros). 11.5.3 Solicitación térmica y mecánica 1. Refractariedad bajo carga en caliente: Es importante determinar la presencia de
compuestos de bajo punto de fusión, que al formar liquido actúa como lubricante entre las partículas inertes mas refractarias. El material se deforma por peso y temperatura. El ensayo se realiza aplicando una carga constante a una probeta y se caliente a una velocidad constante. 2. Resistencia a la flexión en caliente: Lo mismo que en frío, pero calentándolo.
11.5.4 Solicitaciones químicas 1. Permeabilidad al gas: Determina la particularidad de un cuerpo sólido poroso al paso de un gas
en un sentido, por efecto de una pendiente de presión. Los gases influyen en la duración del refractario a. Efecto del CO: En ladrillos con oxido de hierro, se descompone el CO y se acumula carbono en el interior, que puede conducir a reblandecer la estructura. b. Efecto del CH4: Por encima de los 900ºC, también se produce una acumulación de carbono que provoca el reblandecimiento de la estructura. c. Efecto de la atmosfera reductora y oxidante: a más de 1000ºC se producen reblandeimientos lentos y destrucciones de la estructura en productos que contienen mineral de cromo. 2. Resistencias a escorias: Resistencia a todo tipo de ataques químicos. Se determina haciendo un hueco en el ladrillo, colocando escoria y viendo la superficie que fue disuelta por la escoria. Cuanto más poroso sea el ladrillo, mayor será el ataque de la escoria a altas temperaturas. 11.6 Fabricación de materiales refractarios
Los ciclos que se contemplan en el proceso de elaboración son: 1. Materia prima: Se verifica su calidad y se almacena en un lugar adecuado 2. Trituración y molienda: Es importante el tamaño, la dureza y la humedad (4% optimo, menos se producen perdidas de polvos, y mas se empasta) 3. Clasificación: con zarandas y tamices. 4. Mezcla y homogenización: La dosificación se realiza según peso o volumen. El primero es mucho mas preciso. 5. Preparación del pastón: Los componentes son mezclados y se agrega agua para efectuar el prensado. 6. Moldeado: hay tres procedimientos a. Prensado mecánico: mecánico, hidráulico o fricción. La prensa mecánica transmite fuerza constante, y la presión varia en las repeticiones. La prensa hidráulica aplica presión constante y permite regular la fuerza. Por lo que con la prensa mecánica se obtiene un mejor control dimensional y no uniformidad de las propiedades, lo contrario con la prensa hidráulica. b. Extrusión: Permite una mayor densificación del producto final. c. Moldeado a mano: Si la pieza es muy grande o muy complicada. 7. Secado: Se debe eliminar el agua no combinada (intersticial). Secado al aire, o circulación de aire en un túnel. 8. cocción: Durante la cocción existe una reducción de porosidad, produciéndose una reducción dimensional del ladrillo. La temperatura de cocción depende del material, y no se debe superar la temperatura de ablandamiento del mismo. Debe tenerse un riguroso respeto de la curva de cocción para que no se verifiquen tensiones y roturas.
11.7 Uso de los materiales refractarios en los distintos hornos 11.7.1 Alto Horno: 1. Zona del tragante: Solicitación de abrasión
mecánica. Se usa Silimanita. 2. Zona superior de la cuba: El carbono se deposita en los poros y provoca tensiones que lo agrietan. Se usan ladrillos silico aluminosos de 45% de alumina con porosidad del 18-20%. 3. Zona inferior de la cuba, vientre y etalaje:
solicitaciones son abrasión; corrosión de escoria, arrabio y álcalis; erosión por los gases. Ladrillos de alta alumina 90%, con muy baja porosidad del 1115%. También se usan ladrillos de carburo de silicio, que tienen resistencia a los vapores alcalinos y buena conductividad térmica, pero se degradan con vapores de agua. 4. Zona de toberas: sometida a choque térmico. Se usan ladrillos de silimanita. 5. En el crisol: las solicitaciones son corrosión por escoria; erosión por escoria y arrabio liquido; variación dimensional. Se usan bloques de carbono ya que poseen baja humectabilidad, baja permeabilidad, gran estabilidad volumétrica y alta conductividad térmica. 11.7.2 Convertidor LD: 1. Revestimiento de seguridad: Ladrillos de magnesita cocida. 2. Zona de impacto: Sometido a impacto, erosión. Debe tener resistencia mecánica a 3.
4.
5. 6.
alta temperatura, bajo modulo de elasticidad E. Se usa magnesita cocida impregnada en alquitrán. Zona de muñones: Expuesta continuamente a la atmosfera oxidante que destruye la matriz del ladrillo, también hay esfuerzo mecánico cuando se bascula. El refractario debe tener baja porosidad, baja permeabilidad y bajo modulo de elasticidad. Se usan ladrillos de magnesita cocida impregnada en alquitrán. También se usan ladrillos de magnesio-carbono15%. Piquera: Expuesta a choques térmicos; atmosfera oxidante durante el soplado. Debe tener baja porosidad, baja permeabilidad y resistencia al choque térmico. Se usan ladrillos de magnesita ligadas con resinas o de magnesita-carbón. Región del cono superior: Sometida al ataque por oxidación y choque térmico. Se usan ladrillos de magnesita ligada con alquitrán. Región del fono: Solicitación de ataque de la escoria. Ladrillos de magnesita ligada con alquitrán y de magnesita-carbón.
11.7.3 Horno eléctrico 1. Revestimiento de seguridad de la solera: filas de ladrillos de magnesita cocida(95%de OMg) 2. Revestimiento de trabajo de la solera: masa apisonada de oxido de magnesio. Sometida a
solicitaciones de impacto, erosión y ataque de la escoria. El primer cargamento debe hacerse con chatarra fina. Se deja un resto líquido que amortigüe las cargas posteriores. 3. Paredes laterales: Ataque de escoria, ataque de humos. Se producen rajaduras originadas por el spalling, por las cuales se introduce la escoria y humos que degradan. Debe poseer baja porosidad y resistencia al choque térmico. Ladrillos de magnesita ligada en alquitrán. 4. Bóveda: sometida a temperaturas elevadas, ataques químicos de escoria y humos, tensiones por enfriamiento repentino. Ladrillos de 70-85% de alúmina y en el centro se usa un hormigón de 90% de alúmina con liga fosfórica. Se usan también ladrillos de magnesia-carbón que tienen resistencia a la corrosión, resistencia a la erosión y gran resistencia al shock eléctrico. Se puede incrementar su vida con un enfriamiento de paneles refrigerados por agua.+
11.7.4 Horno rotativo 1. Zona de sinterización: Ladrillos de magnesita cocida en liga 2. 3. 4.
5.
6. 7.
directa por su resistencia al fuego y al ataque químico. Se forma una costra que lo protege de los efectos directos de la llama. Transición zona de sinterización y seguridad: Ladrillos de magnesita-cromo (60% de OMg) pues tienen baja conductividad térmica y mejor flexibilidad. Zona de seguridad: Ladrillos de 70% de alúmina. Zona de calcinación: Se debe reducir la perdida de calor, no hay solicitaciones importantes. Se usan dos capas, una de ladrillos de 38% de alúmina sobre una de ladrillo aislante (alta porosidad). Precalentador: Las álcalis reaccionan con los silicatos de alúmina que hacen que aumente el volumen y producen el desmoronamiento. Se usan ladrillos de 45% de alúmina de baja porosidad. Ciclones: Sometido a abrasión. Ladrillos de 38% de alúmina Enfriador: Sometido a cambios bruscos de temperatura. Ladrillos de 38% de alúmina.
