Materiales refractarios

Metalurgia quimicaexperimental

Salvador Ramirez Luis Gpo:2

Materiales refractarios. Se conoce como material refractario a aquellos materiales cuyas propiedades permiten que pueda soportar temperaturas muy elevadas, sin embargo estos deben de soportar una temperatura en específica sin sufrir ningún tipo de deterioro en sus condiciones internas, como por ejemplo la corrosión. Esta condición permite que los materiales refractarios sean utilizados en todos los hornos de fabricación, ya sea en las refinerías, industria química, metalurgia, industrias de vidrio y cerámica El material refractario conocido c onocido por excelencia es la cerámica. cer ámica. Estos materiales están formados por partículas diminutas de oxido, las cuales están unidas a otro material de características refractarias pero mas fino. En el área de construcción podemos encontrar encontrar varios ejemplos de materiales refractarios, tenemos el cemento refractario el cual es utilizado para soportar además de revestir paredes, así mismo se encuentra el ladrillo refractario, es muy resistente a las altas temperaturas y a los casos de abrasión, sus caras están caracterizadas por ser lisas además de que es un buen aislante térmico. Los materiales refractarios se pueden clasificar en cuatro categorías, están los ác idos, los básicos, los neutros y los especiales. El primer grupo correspondiente a los ácidos incluyen materiales como la arcilla de alumina y de sílice, son materiales poco costosos pero tienen la desventaja de ser materiales muy débiles, los refractarios básicos están basados en la magnesia, estos tienen la propiedad de tener un punto de fusión bastante elevado, por lo general son mas costosos que los ácidos. Los materiales refractarios neutros funcionan como barreras entre los ácidos y los básicos, ejemplos de estos son la magnesita y la cromatina. Por ultimo, los lo s refractarios especiales son utilizados cuando no hay una disponibilidad de oxigeno con facilidad, ejemplos de estos son e l carbono y el grafito. Las propiedades más importantes de los refractarios cerámicos es su resistencia a bajas y altas temperaturas, además de su densidad. Los refractarios densos con baja porosidad tienen mayor resistencia a la corrosión y a la erosión. Los materiales refractarios cerámicos son aquellos cuyo punto de fusión es mayor a 1700 grados Celsius. Las principales aplicaciones de estos materiales son : los ladrillos de circonio , los cuales son utilizados en la realización de pavimentos y toberas de vertido continuo , están los ladrillos de sílice los cuales son utilizados en los hornos cerámicos y los hornos coque , los ladrillos de alta alumina son aquellos utilizados en la regeneración de hornos de dañados por ácidos , también tenemos los ladrillos refractarios de alta resistencia , estos son utilizados en los revestimientos para hornos de cal y de cemento , por ultimo tenemos los ladrillos de magnesita , estos se aplican en los óxidos de fabricación del acero. FABRICACION DE REFRACTARIOS El proceso de fabricación de ladrillos refractarios consta de seis etapas: y y y y y y

Preparación de materias prima Basculación y mezclado Prensado Secado Cocción Selección y Almacenamiento

Otro método diferente es el de fundir una composición determinada en moldes para obtener ladrillos o bloques. Los materiales fabricados por este principio se denominan productos electrofundidos. En los últimos años se han implantado principios y técnicas de trabajo de la cerámica fina para fabricar productos altamente refractarios, en los que las materias refractarias



una vez molidas con la máxima finura y después de una preparación en húmedo, se moldean bien por medio de aglomerado químico o extrusión Clasificación de los materiales refractarios: No existe un criterio único de clasificación de los materiales refractarios. Así, según sea el cr iterio que se tome como base se tendrá una clasificación u otra. Las clasificaciones no son siempre muy precisas, pero tienen su utilidad. Se pueden clasificar de acuerdo con criterios diferentes, tales como A.-Composición química. B.-Propiedades ácido-base (Carácter químico). C.-Forma o presentación. Atendiendo a las características físicas del producto acabado. D.- Porosidad de los productos conformados (Finalidad). E.-Proceso de fabricación. F.-Uso. Clasificación de los materiales refractarios según su composición química A menudo se pueden clasificar los materiales refractarios según su composición química, ya que su capacidad para resistir a los ambientes a los que van a estar expuestos dependen en gran medida de su composición química. Esta clasificaciónnno siempre es altamente precisa pero es muy útil. Esta basada en el contenido del compuesto principal (Sílice, alúmina,nmagnesia, etc.) -Refractarios de sílice (% de SiO2 entre el 94 y el 97 %). -Refractarios de semi-sílice (% de A12O3 < 10 % , resto SiO2 hasta un máximo del 94 %). -Refractarios silico-aluminosos (Si presentan contenidos de A1203 comprendidos entre el 10 y el 30 %, siendo el restofundamentalmente SiO2). -Refractarios aluminosos (Si presentan contenidos de Al2O3 comprendidos entre el 30 y el 45 %, siendo el resto fundamentalmente SiO2). A su vez este tipo de refractarios se subdivide en: 30 % - 35 % de Al2O3. 35 % - 39 % de A12O3. 39 % - 41 % de A12O3. 41 % - 43 % de A12O3. 43 % - 45 % de Al2O3. Las materias primas utilizadas para su fabricación son las denominadas arcillas refractarias y los caolines. -Refractarios de alto contenido en alúmina (Si presentan contenidos de A12O3 comprendidos entre el 45 y el 56 % ) -Refractarios de muy alto contenido en alúmina (Si presentan contenidos de Al2O3 superiores al 56 %). -Refractarios de alúmina pura. -Refractarios de mullita sintética (2SiO2.3 Al2O3). -Refractarios del grupo de la sillimanita. -Refractarios basados en el Al(OH)3 y en la bauxita. -Refractarios de corindón. -Refractarios de magnesita (Si presentan contenidos de MgO comprendidos entre el 90 y el 97 %). -Refractarios de forsterita (Si presentan contenidos de MgO próximos al 40 %, siendo el resto SiO2). -Refractarios de dolomía [Si el (%CaO + %MgO> 80 %]. -Refractarios de magnesia - cromo (Si contiene entre el 5 y el 18 % de Cr2O3).



-Refractarios de cromo -magnesia (Si presentan un % Cr2O3 comprendido entre el 18 y el 32 %). -Refractarios de cromita (Si el contenido de Cr2O3 es superior al 32 %). -Refractarios especiales. -Refractarios de carbono base coque o antracita. -Refractarios de carbono base grafito ( > 30 % grafito + arcilla). -Refractarios de carburo de silicio ( % SiC > 50 %). -Refractarios de circonia (ZrO2). -Refractarios de circón (ZrSiO4). -Refractarios base carburos ( ZrC , TaC , BC , TIC, etc.). -Refractarios base nitruros ( ZrN, BN , AIN, Si3N4, etc.). -Refractarios base boruros ( CrB, etc.). -Refractarios base siliciuros (MoSi2 , WSi2, etc.). -Cermets (Compuestos metalocerámicos). Según este criterio los materiales refractarios se clasifican en: -Refractarios ácidos: Refractarios de sílice, de semi-sílice, silico-aluminosos, de carburo de silicio, de circonia y de silicato de circonio. -Refractarios básicos: Refractarios de magnesia, de dolomía sinterizada, magnesia ² cromo y de forsterita . -Refractarios neutros: Refractarios de carbono, de cromita y de cromo - magnesia. -Refractarios anfóteros: Refractarios de alta y muy alta alúmina. PRODUCTOS ELABORADOS Las propiedades exigidas a los materiales refractarios son: y

y

y

y y y

y y

Infusibilidad y estabilidad térmica, es decir, que resistan elevadas temperaturas sin licuarse ni reblandecerse. Resistencia química, poseyendo poca afinidad para las substancias en cuyo contacto han de estar a elevadas temperaturas. Permitir su moldeo en briquetas regulares, lisas y exactamente calibradas para que originen uniones lo más estrechas posible. Resistencia mecánica para no sufrir desgastes ni aun en caliente. Que resistan variaciones bruscas de temperatura sin saltar. Presentar un coeficiente de dilatación lo más pequeño posible con el fin de que hasta 1400 0C sus dilataciones y contracciones sean despreciables, pudiendo considerarse como invariable sus dimensiones. No hundirse ni aplastarse por las cargas que han de soportar. Presentar la mayor conductividad térmica posible.

Es difícil encontrar un material que reúna todas estas condiciones, pero en mayor o menor grado son poseídas por algunas substancias que pueden emplearse como materias primas en la elaboración de refractarios y entre los cuales merecen citarse: Cuarcita, arcillas plásticas refractarias, esquistos arcillosos, caolines, bauxitas, alúmina, etc. Ladrillos Refractarios. Las arcillas refractarias son la más usadas de todos los materiales refractarios disponibles porque se adaptan bien a diversas aplicaciones. La composición química de las arcillas refractarias varía desde aquellas que tienen un gran exceso de sílice libre, hasta la de las que tienen un gran contenido de alúmina. Las industrias del acero son los principales consumidores de ladrillos refractarios para el



recubrimiento de los hornos, ya sean altos hornos, hornos sencillos, de hogar abierto u otros. Otras industrias que tienen uso de ladrillos refractarios son las fundiciones, los hornos de cal, los de cerámica, los cubilotes, los hornos para bronce, etc. Los ladrillos de alúmina tienen gran aceptación industrial por ser económicos, presentan resistencias mecánicas elevadas aun en caliente, y pequeñas dilataciones, por lo que conservan su volumen, siendo poco sensibles a los cambios bruscos de temperatura; como inconvenientes se pueden señalar su mala conductividad térmica y su relativamente baja fusibilidad (1690 ²1770 OC). Los ladrillos de baja alúmina o ladrillos de chamote (25% arcilla y 75% chamote), son ladrillos muy compactos , por lo que gozan de gran resistencia mecánica a la compresión y al choque, y químicamente a la acción de las escorias, pero con el inconveniente de su dilatabilidad que los hace sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Se emplean en la construcción de hogares, hornos de reverbero, hornos altos. Hornos de crisoles para acero fundido, cerámicos, vidrio, cal y cemento. Los ladrillos de alta Alumina o de Bauxita (20% arcilla y 80% bauxita), son ladrillos que pueden soportar condiciones extraordinarias para las que no son adecuados los ladrillos más antiguos de arcilla refractaria. Los ladrillos de alta alúmina son prácticamente inertes al monoxido de carbono y no son desintegrados por atmosferas de gas natural a temperaturas hasta de 1000 OC. Este tipo de ladrillo se clasifica entre los superrefractarios, y los de casi pura alumina (+97%). Los ladrillos de alta alúmina se emplean en la industria del cemento, en los refractarios de fábricas de papel y en las instalaciones de calderas modernas. También se usan en el recubrimiento de hornos para vidrio, de hornos calentados con petroleo y en alambiques de aceite de alta presión, etc. Especialidades Refractarias. Bajo esta denominación se agrupan los refractarios no conformados, empleados en la construcción de revestimientos monolíticos, vaciado de piezas de gran tamaño, reparaciones y para pegar ladrillos. Las especialidades refractarias las encontramos en el mercado de la siguiente forma: y y y y

Morteros Refractarios Mortero Antiácido Concretos densos y aislantes Concretos de bajo cemento

Morteros Refractarios. Utilizados para pegar ladrillos entre sí y rellenar juntas entre ellos. Están constituidos por una mezcla de áridos refractarios finamente molidos, de arcillas plásticas, aditivos y ligantes especiales. Un mortero refractario, ademas de proporciona estabilidad a la mampostería, debe prevenir la penetración y ser resistente al ataque de escorias, líquidos o gases corrosivos. El mortero refractario se debe seleccionar tan cuidadosamente como el ladrillo con el cual va a ser usado y debe ser compatible con la composición química del ladrillo. Según el tipo de fraguado y su presentación, los morteros se clasifican en : y y y

Secos de fraguado térmico Húmedos de fraguado al aire Húmedos de liga química

Concretos Refractarios. Son mezclas de materiales refractarios molidos con adecuada granulometría y aditivos ligantes. Los concretos desarrollan inicialmente liga hidráulica, que les co nfiere buenas propiedades mecánicas en frío y con el incremento de la temperatura se desarrolla liga cerámica, la que les confiere alta resistencia mecánica en el uso. Para asegurar el buen desempeño del concreto es



fundamental controlar la cantidad y calidad del agua a adicionar, la forma de aplicación, el tiempo de fraguado, de curado y el calentamiento inicial del revestimiento. Los concretos tienen amplia aplicación en la construcción rápida de mamposterías monolíticas en hornos y calderas, en reparaciones de revestimientos desgastados, en la construcción de puertas y tapas de hornos y para el vaciado de formas especiales o de gran tamaño. Los concretos refractarios ofrecen ventajas frente a los ladrillos, tales como: y y

y

Alta resistencia mecánica a bajas temperaturas. Ausencia de juntas en la mampostería, lo cual redunda en economía de combustibles al impedir el paso de gases o aire frío. Racionalización y reducción de inventarios en formas especiales.

Análisis de rafractarios: La caracterización mineralógica a través de la difracción de rayos X (método de polvo cristalino), microsonda electrónica y microscopia óptica ha permitido identificar y analizar los componentes de los mismos. La difracción de rayos X ha puesto de manifiesto en los refractarios de alta alúmina y bajo contenido en cemento La técnica DRX permite la identificación de las fases cristalinas presentes en una muestra. Es posible caracterizar en una amplia variedad de materiales, su estructura cristalina. Estos análisis se realizan mediante el estudio de perfil del difractograma. La difracción y fluorescencia por RX se aplican en el desarrollo de nuevos materiales cerámicos y vítreos, así como también a nivel industrial para el control de calidad de las materias primas

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