Los conceptos para elegir una materia prima adecuada para ser utilizad material refractario son los siguientes: a) Refractariedad > 1500 C b) Estable en el medio ambiente deseado c) Abundante d) Barato e) Posible a altas concentraciones f) Baja toxicidad
Los puntos de fusi\u00f3n de estos compuestos son aproximadamente los siguientes Compuesto
MgO Cr2O3
T\u00ba Fusion [\u00baC]
2800 2450
Al2O3 2050 MgO\u2219CaO 2450 ZrO2 2700 SiO2 1725 ZrO2\u2219SiO2 1775
Abundante, barato y se presenta en altas concentraciones. No es muy estable, pero es abundante y puede utilizarse me MgO Abundante, barato y se presenta en altas concentraciones. Abundante, barato y se presenta en altas concentraciones. Son escasos, pero en algunos dep\u00f3sitos se ubican en alta Abundante, barato y se presenta en altas concentraciones. Son escasos, pero en algunos dep\u00f3sitos se ubican en alta
Refractarios B\u00e1sicos.
Son materiales basados en un contenido de MgO, mezclas de MgO con CaO y minerales de Cromo. Ellos se utilizan en ambientes que demandan un revestimiento qu\u00edmicamente b\u00e1sico o cuando las condiciones de operaci\u00f3n son a alt permitir el uso de ellos. Son b\u00e1sicos actualmente los revestimientos de los conve cobre, los reverberos para cobre, convertidores de oxigeno de Acero LD, la l\u00ednea los hornos cucharas para acero, la zona de clinkerizaci\u00f3n de los hornos de cement superior del regeneradores de los hornos para vidrio, etc. Refractarios S\u00edlico Aluminoso.
Como su nombre lo indica, est\u00e1n constituidos por S\u00edlice y Al dividir en dos grupos. Los materiales de arcilla con un contenido de A l2O3 < 45% y los d Al\u00famina. Los materiales de arcilla est\u00e1n constituidos esencialmente por silicato hidratado, y que al calentarse da caol\u00edn, un silicato refractario noble con m\u00e1ximo te\u00f3rico de 45,9% Al2O3. Al2O3 2SiO2 2H2O -> Al2O3 2SiO2 + 2H2O Caolinita Caol\u00edn
Los materiales de Alta Al\u00famina est\u00e1n generalmente constituidos por Mulit que en forma natural es escaso y fue encontrado originalmente en la isla de Mul. Su f\u corresponde a un 60% molar de Al2O3 y 40% Molar de SiO2 o bien 71.8% en peso de A 28.2% SiO2.
El Silicato que se encuentra en la naturaleza es el Al2O3.SiO2 que al calentars temperatura se descompone en una mezcla de 88% de Mulita y 12% s\u00edlice. 3[Al2O3.SiO2] -> 3Al2O3.2SiO2 + SiO2 Existen tres variedades de este silicato : Silimanita - Andalusita - Cianita
Los refractarios de Arcilla con un contenido de Al2O3 inferior a 45% son los m\u00 industria, pues los tonelajes de producci\u00f3n son superiores a los otros grupos.
Su costo es relativamente bajo, entre $ 100 - 300 d\u00f3lares por Ton. M\u00e9trica y s cucharas de arrabio, cubilotes, altos hornos, cucharas de fundiciones de ferrosos y no ferrosos, hornos de tratamientos t\u00e9rmicos, zona de entrada en Hornos Rotatorios Cemento. Los de Alta Al\u00famina \u00faltimamente han ampliado su campo debido a mejoras en las materias primas, dando como resultado ladrillos de baja porosidad y esta que pueden soportar los ataques de escoria tanto \u00e1cidos como b\u00e1sicos etc. Alta Al\u00famina se utilizan en las cucharas de acero, en las zonas delicadas de A ltos H boca de descarga de los Hornos de Cemento en la b\u00f3veda de los Hornos E l\u00 Refractarios de S\u00edlice
Los refractarios t\u00edpicos contienen un 96.5% de S\u00edlice como m\u00e propiedad que no es com\u00fan en los otros refractarios, que es la de poseer una buen mec\u00e1nica en caliente. No son muy densos y tienen una buena conductividad de ca utilizan en las coquer\u00edas especialmente en la mufla, tambi\u00e9n en la b\u00f3v etc. Uno de los factores que define su calidad son las impurezas como al\u00famina y c productos alcalinos.
Qu\u00edmica de los materiales refractarios de S\u00edlice y Arcillas.
Aunque las arcillas son uno de los componentes m\u00e1s numerosos en la tierra, no es de sus propiedades y composiciones. Las estructuras cristalinas de los minerales de ar relativamente complicadas; sin embargo, una caracter\u00edstica com\u00fan es una e Los minerales de arcilla que presentan mayor inter\u00e9s tienen la denominada estru caolinita. Cuando se a\u00f1ade agua, las mol\u00e9culas de agua encajan entre las ca pel\u00edcula delgada alrededor de las part\u00edculas de arcilla. Las part\u00edcula unas respecto a otras, lo cual explica la plasticidad resultante de la mezcla arcilla-ag Por lo tanto se aplica el t\u00e9rmino de arcilla a aquellos dep\u00f3sitos t\u00e9rreos singular propiedad de la plasticidad. El componente principal de la arcilla es la s\u00ed estudio fue inaccesible para los investigadores durante muchas d\u00e9cadas. Exis razones para ello, en primer lugar los silicatos son casi totalmente insolubles en cualqu disolvente, excepto en el \u00e1cido fluorh\u00eddrico, por lo cual no pueden separars m\u00e9todos de disoluci\u00f3n. Tambi\u00e9n sus reacciones t\u00e9rmicas de tra congelaci\u00f3n son lentas. Solamente la cristalograf\u00eda de Rayos X ha permiti significativamente el problema. Propiedades del Silicio.
Es un elemento tetravalente que forma predominantemente enlaces covalentes. Los \u de silicio no tienen afinidad entre si y no forman cadenas como el caso del Carbono. E cambio el Silicio tiene gran afinidad por el ox\u00edgeno. Este es divalente, por lo cual te\u00f3rica de \u00f3xido de silicio m\u00e1s simple es: O = Si = O
Pero esta uni\u00f3n no es tan simple, pues el S ilicio tiende a combinarse con cuatro me de ox\u00edgeno en vez 2 \u00e1tomos enteros. Quedan sin satisfacer cuatro valencia cuales pueden combinarse posteriormente con \u00e1tomos de silicio. La posibilidad de formar cadenas: Si - O - S i - O - S i
de longitud indefinida es la base de casi todos los silicatos y su preponderancia sobr restantes combinaciones es absoluta entre todos los elementos. Constituci\u00f3n de los Silicatos:
La unidad fundamental de la qu\u00edmica de los silicatos es por lo tanto el tetraedro s ox\u00edgeno. Este se halla como tal en los silicatos naturales m\u00e1s sencillos, los o son compuestos i\u00f3nicos cristalinos del ani\u00f3n tetravalente (SiO4)4- cationes, entre ellos es el olivino, que contiene aproximadamente 85% de ortosilicato de Mg y aproximadamente 10% de ortosilicato de Fe. Este mineral es altamente refractario y s de reblandecimiento es aproximadamente 1700 C.
El tetraedro de (SiO4)4- es tambi\u00e9n la unidad b\u00e1sica de la estructura complejos. Generalmente se le representa de la siguiente manera: (SiO4)4(Si2O7)6-
(Si3O9)12-
La unidad fundamental de ortosilicato (SiO4)4- se encuentra rara vez con independe unidad se empalma f\u00e1cilmente para formar anillos, cadenas, bandas, l\u00e1m tridimensionales. Los \u00e1tomos de Ox\u00edgeno que se unen a un solo \u00e1tom carga negativa sencilla. Como la carga total es cero, estas cargas negativas deben compensarse por cationes. La unidad doble ( Si2O7) 6- es rara y no aparece en materia inter\u00e9s cer\u00e1mico.
Compartiendo tres de los cuatro \u00e1tomos de ox\u00edgeno de la unidad S iO4 con pueden formarse l\u00e1minas de silicio- ox\u00edgeno. Se conocen dos clases de \u0 cuales contiene anillos de seis silicios y la otra con anillos alternados de cuatro y de o silicios. La de seis silicios es de fundamental importancia en las estructuras de micas y m arcilla.
La red tridimensional (SiO2)n se halla en la s\u00edlice pura, los feldespatos y las caol caracter\u00edstica esencial de las estructuras silicio-ox\u00edgeno es que los \u00e1 unidos por los de silicio y adquieren posiciones que dejan espacios de varios tama\u00f1 est\u00e1 en contraste con los \u00f3xidos i\u00f3nicos como puede verse. Los diverso forman compensando la carga negativa del esqueleto de s\u00edlice con iones met\u00 positivamente. Estos se alojan en los huecos de la red.
La red tridimensional puede disponerse de tal modo que no tenga carga sobrante (exce el borde de un cristal). Se parte entonces de la s\u00edlice pura. En este caso la dispos de los tetraedros SiO4 tiene tres posibilidades, dando cuarzo, tridimita y cristobalita y e Si-O-Si puede variar, dando las formas de baja y alta temperatura de cada variedad isom
Los cambios entre cuarzo, tridimita y cristobalita llevan consigo ruptura y reconstru enlaces Si-O, se sabe que estos cambios son muy lentos. La s\u00edlice cristaliza como los 870 \u00b0C, como tridimita entre 870 \u00b0C y 1470 \u00b0C. El cuarzo es rom hexagonal y la cristobalita es c\u00fabica. Esto explica que sean metaestables, ya que de una fase a otra es necesario la rotura de enlaces entre tetraedros, y esta uniones son fuertes. Por lo tanto los cambios son irreversibles. El siguiente cuadro muestra las den de las diferentes formas cristalinas de la s\u00edlice. Cuarzo Tridimita Cristobalita
2.65-2.66 2.26-2.33 2.27-2.32
La transformación de Cuarzo a Tridimita significa una expansión del orden del redundará en grietas si este cambio se efectúa con un aumento brusco de la temper
Los cambios entre las formas α y β de cada variedad implican solo una pequeña ro los átomos y son rápidos.
Por lo tanto, hablando estrictamente, no existe molécula independiente de ningún s (aparte de los ortosilicatos). La estructura ordenada de un silicato cristalino continúa borde del cristal. Las fórmulas químicas asignadas a tales compuestos son merament expresiones de las relaciones entre los diferentes átomos presentes.
Estas estructuras aclaran ampliamente las propiedades observadas de los silicatos, su resistencia al ataque químico y particularmente su lenta fusión y cristalización. El pun fusión de un silicato puede ser tan indefinido que el término se ha reemplazado por el C PIROMÉTRICO EQUIVALENTE (C.PE . .) la temperatura a la cual alcanza una cierta visc De hecho, el sólido simplemente se reblandece y gradualmente se hace menos y menos viscoso debido a la naturaleza insaturada de las Unidades básicas SiO4 en el fundido se formando y rompiendo enlaces constantemente. Cuando se enfría se hace cada vez má viscoso de tal modo que las unidades tienen dificultad creciente para reagrupar por si m en la red estructural cristalina ordenado y fácilmente se unen con unidades próximas en red construida al azar. Esta acción produce un vidrio. Principales materias primas.
Arcillas. El término arcilla se aplica a aquellos depósitos térreos naturales que p la singular propiedad de la plasticidad, y cuyos mayores componentes son la alúmina y s estado hidratados. Existen tres especies minerales que se distinguen por sus diferentes condiciones de formación. La caolinita formada a temperatura ambiente por la meteor de los feldespatos, la Dickita de igual composición, pero formada por condiciones hidrotermales, y la Nacrita formada a temperaturas superiores.
Las arcillas consisten generalmente de un mineral llamado caolinita (A l2O3.2SiO2.2H asociado con otros minerales usualmente de más bajo punto de fusión cuyos átomos est dentro de la malla cristalina. La estructura está integrada por estratos formados por u de tetraedros de SiO4 y otra de octaedros de AlO6, de manera que los Oxígenos libres d primera forman parte de la segunda ocupando dos vértices de cada octaedro y existien los otros vértices grupos OH.
Los depósitos de caolín o tierra de porcelana más famosos son los de China de la provinc Kiangsi, los de Cornualles y Devon de Inglaterra y los franceses donde se fabrica la porc de Limoges y Sevres.
La plasticidad consiste en la propiedad que tiene la arcilla de ser deformada mediante l externa y de mantener esta deformación cuando la acción externa es retirada. E llo se pr cuando a la arcilla se le adiciona suficiente agua y el causante de esto es la forma lamina los cristales.
La arcilla es una roca secundaria, es decir, se ha formado por envejecimiento de o en otros casos es una mezcla.
Las primeras rocas ígneas o primarias que dieron lugar a arcillas fueron los granitos, feldespatos, pigmatitos, etc. El envejecimiento de estas rocas primarias fue debido a la mecánica del agua dióxido de Carbono, ácidos húmicos, azufre, etc.
En algunos casos las rocas envejecidas han permanecido en su posición original, estas s arcillas residuales. En otros casos son transportadas por el viento, las aguas, desplaza de terrenos. El proceso de envejecimiento se puede graficar de la siguiente manera: l. K2O.Al2O3.6SiO2 + 2H2O -> Al2O3.6SiO2.H2O +KOH (Hidrólisis) Feldespato 2. Al2O3.6SiO2.H2O -> Al2O3.4 SiO2.H2O + 2 SiO2 (Desilicación) Pirofilita 3. Al2O3.6SiO2.H2O -> Al2O3.2SiO2.H2O + 4SiO2 (Desilicación) 4. Al2O3.2SiO2.H2O + H2O -> Al2O3.2SiO2.2H2O (Hidratación) Caolinita 5. Al2O3.2SiO2.H2O -> Al2O3.H2O + SiO2 6. Al2O3.H2O + 2H2O -> Al2O3 + 3H2O
Existen muchas clasificaciones de arcilla, pero Norton las ha clasificado de la siguie de acuerdo a sus propiedades: a) Arcillas blancas de calcinación. l. Caolínes -Residuales -Sedimentarios
b) Arcillas refractarias (con punto de fusión superior a l6OO C pero no necesaria calcinación blanca). 1. Caolínes (sedimentarios) 2. Arcillas refractarias - de pedernal - plásticas 3. Arcillas de alto contenido en Alúmina -gibbsita -diásporo c) Arcillas de productos arcillosos pesados (de baja plasticidad pero conteniendo fundentes). - arcillas y pizarras para ladrillos de pavimentación. - arcillas y pizarras para tubos de desagües. d) Arcillas para gres. (Plásticas con fundente) e) Arcillas para ladrillos. (Plásticos con óxido de hierro) - arcillas de terracota - ladrillos de fachada y comunes f) Arcillas fácilmente fusibles.
Los minerales arcillosos son hidrosilicatos con una estructura laminar de con tetraédrica y octaédrica del anión oxígeno, mientras que los espacios dentro de es
octaedros son ocupados por cationes de tamaño más pequeño. Los cationes característicos dentro de los tetraedros son Si4+ y Al3+, mient los cationes más comunes dentro de los octaedros son A l3+, Mg2+, Fe2+,3+. Dos o tre estos tetraedros y octaedros laminares constituyen una capa laminar.
Minerales arcillosos contienen álcalis y tierras alcalinas y agua molecular en c sustanciales, siempre entre los espacios entre capas, tales como las micas y las verm
Las más puras caolinitas son usadas para fabricar porcelanas finas y porcelanas químic pero muchas variedades de preciadas caolinitas también se usan en ladrillos refractari alta temperatura, utensilios sanitarios, aisladores, etc.
Los productos estructurales de la arcilla incluyen a los ladrillos de construcción, tuberías de aguas residuales, aplicaciones en las cuales la integridad estructural es importante. Las porcelanas adquieren el color blanco después de la altas temperaturas. En este grupo se incluye la porcelana, productos de alfarería, vajillas, la porcelana fina, artículos sanitarios. Además de la arcilla, muchos de estos productos también contienen ingredientes no pl los cuales influyen en los cambios que tienen lugar durante los procesos de secado y de cocción.
Las condiciones básicas de evaluación de un caolín de primera calidad lavado para la in cerámica son un color blanco después de calcinación (1400 C), un contenido máximo de Fe2O3 de 0.9 a l.l %, TiO2 de 03% a 0.5%, pero la suma de Fe203 + TiO2 no debe excede l.1% y un contenido mínima de 36% de Al203. Caolín Lavado Lavado de Borstewitz Borstewitz Alemania SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O MnO SO3
Caolín de de Carolina Carolina del del Norte, Estados Unidos EstadosUnidos
50.5 % - -35.6 0.6 0.1 0.1 0.3
48.46 0.06 36.53 0.15 0.03 0.13 1.34
Las arcillas ricas en caolín y altas en el contenido de alúmina (de un 26 a un 38% Alúmina) y con menos contenido de hierro, álcali, y magnesio y con un punto de fusión no inferior a 1600 - 1700 C se pueden considerar como arcillas refractarias. El chequeo de la composición química es uno de los índices más efectivos para proporcionar información en la aplicación de una arcilla caolinítica como una materia prima refractaria. La Tabla siguiente nos muestra la composición química de varias arcillas refractarias.
Cuarzos.
El cuarzo se utiliza para la fabricación de ladrillos de sílice y el mineral se denomina cua Su punto de fusión es de alrededor de 1700 C y muestra un punto de ablandamiento bie cercano a la temperatura de fusión, propiedad que le confiere una excelente resistenc mecánica en caliente, muy similar a la mostrada por la mulita. La Tabla siguiente nos m las composiciones químicas de algunos cuarzos. Sílice Alúmina Ox.Férrico Cal Magnesia Alcali
1 97.8% 0.9 0.9 0.1 0.2 0.4
2 98.6% 0.3 0.8 0.1 0.1 0.1
1= Cuarcita de Medina 2= Cuarzo lavado
El cuarzo se presenta al estado natural muchas veces como piedras semipreciosas y de colores como el cuarzo de amatista de Brasil A continuación se muestran algunas form cuarzo.
También se utiliza como materia prima arena de playa para fondos de hornos. La Diatomeas o Kieselguhr también se utiliza para fabricar ladrillos de sílice aislantes.
Un ladrillo de sílice después de la cocción en la planta de fabricación posee un bajo cont de cuarzo libre para evitar cambios de cuarzo a otras formas cristalinas durante la oper del ladrillo de sílice. Magnesita.
Se entiende como Magnesita, también a la periclasa, magnesita calcinada a muerte o ta óxido de magnesio, cuya procedencia puede ser natural o sintética. La magnesita natu carbonato de magnesio (MgCO3) es un mineral compuesto de 47.8% MgO y 52.2% de C forma pura. Depósitos comerciales de Magnesita natural, se pueden encontrar localiz varias partes del mundo, como Austria, Brasil, China, Grecia y en la ex U.R.S.S. Para ob un producto para la utilización de refractarios, éstas deben cumplir con ciertas especifi pureza. La conversión de estas Magnesitas, desde el estado natural a un producto den estable térmicamente y de una buena pureza química, es necesario someterla a una mo fina, una densificación de multi-etapas, calcinación cáustica y a un tratamiento de alta temperatura en un horno rotatorio o tipo shaft.
La siguiente tabla muestra las composiciones químicas de varias magnesitas cal muerte extraídas naturalmente. PROCEDENCIA COMPOSICION QUIMICA
GRECIA
BRASIL CHINA BRASIL CHINA
SiO2 0.50% 1.30% 3.50% Al2O3 0.03 0.80 1.50 F2O3 0.60 2.70 1.00 CaO 1.85 0.80 1.25 MgO 97.00 95.00 92.40 B2O3 0.01 0.007 0.01 MnO2 0.20 Cal/Sílice 3.7/1 0.5/1 0.36/1 Cal/Sílice ----------------------------------------------Gravedad Específica 3.42 3.20/3.35 3.20 3.20
AUSTRIA
1.00 % 1.00 5.00 3.00 90.00 0.01 3.0/1 3.35
Las Magnesitas también pueden ser obtenidas por recursos sintéticos, por extracción d del mar o de salmueras de posos profundos, frecuentemente asociadas con depósitos geológicos enriquecidos de sal. Los compuestos de Magnesio son reaccionados con ca dolomítica para dejar un producto de hidróxido de magnesio el cual es entonces lavado, espesado, decantado, calcinado cáusticamente, densificado y calentado a muerte para una magnesita con densidad y composición química deseada.
Las magnesitas derivadas de recursos marinos, están localizadas en USA, México Japón, Italia e Inglaterra.
Las magnesitas sintéticas también pueden extraerse de salmueras de pozos profundo Comercialmente, las hay en Estados Unidos, Israel, Méjico y Holanda. La siguientes ta muestran las composiciones químicas de magnesitas de agua de mar y de salmuera de profundos.
JAPON
IRLANDA INGLATERRA
SiO2 0.80% 0.20% Al2O3 0.05 0.05 0.19 0.20 Fe2O3 0.05 0.20 0.18 0.11 CaO 0.80 1.90 2.05 1.60 B2O3 0.05 0.015 0.06 0.055 MgO 98.30 97.50 97.00 96.90 MnO2 0.06 0.025 0.006 Cr2O3 0.06 CaO/SiO2 1.0/1 9.5/1 6.8/1 ---------------------------------------------------------Gravedad 3.40 3.42 3.40 Específica
ITALIA 0.30 0.45 5.50 2.10 0.18 90.70 0.008 4.0/1 3.40
INGLATERRA 0.40%
2.1/1 3.26
1.00%
-
Magnesita de agua de mar.
También las magnesitas naturales y sintéticas pueden ser fundidas eléctricamente, par obtener un producto de mayor cristalización de la periclasa, con un grano más grande u mejor densidad específica y una mejor disposición de los silicatos accesorios. Indudable conductividad térmica y la resistencia al ataque de escoria es mejorado considerablem pero el costo de este producto es considerablemente más alto debido al relativo costo d energía eléctrica. Su utilización es aquella donde se justifica hacer un esfuerzo mayo
Estudios de equilibrio de fases nos muestran que hay 4 silicatos en el sistema MgO los cuales son especialmente significativos en la tecnología refractaria. Sus nombres minerales, composición y punto de fusión aproximados están indicados en la tabla sigui Los puntos de fusión están indicados para propósitos de comparación, sólo de que mez estos compuestos pueden desarrollar una fase líquida a temperaturas bajo sus puntos d fusión individuales. TABLA Puntos de fusión de silicatos comunes presentes en la Magnesia sintética. Nombre del mineral Composición Periclasa MgO Fosterita 2 MgO.SiO2 Monticelita CaO.MgO.SiO2 Silicato DicálcidoCaO.S 2 iO2 Merwinita 3CaO.MgO.2SiO2
Razón en peso CaO/ PuntoSide O2fusión Punto°F de fusión °C -------5070 2799 0 3430 1888 0.93 2730 1499 1.87 3870 2132 1.4 2870 1577
Los puntos de fusión más bajos corresponden a los silicatos de Magnesio y calcio, Mon y Merwinita. La fosterita y silicatos funden a temperaturas de 600 a 1000°F más altos. en la refractariedad y resistencia a temperaturas elevadas son por consiguiente desarr en composiciones en las cuales la fase de silicato principal está tanto, en el silicato dicá en la fosterita. Reduciendo el contenido de B2O3 también beneficia la refractariedad resistencia, puesto que esta impureza actúa como un fundente a altas temperaturas, amenazando la temperatura de formación de líquido inicial y la creciente cantidad de lí presente.
