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MATERIALES REFRACTARIOS

CURSO: MATERIALES REFRACTARIOS

CÓDIGO: 333606

OBJETIVO GENERAL

Dotar al estudiante de los conocimientos generales que le permitan desarrollar

habilidades y destrezas mediante las cuales sea capaz de gestionar con éxito el

funcionamiento operacional equipos metalúrgicos y afines, que utilicen

materiales refractarios.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. . Diseño y fabricación de productos refractarios.

2. Evaluación de productos refractarios.

3. Selección de revestimientos refractarios.

4. Análisis de fallas de revestimientos refractarios.

Capítulo 1: Aspectos básicos introductorios

Son aquellos que conservan aceptablemente

sus propiedades físicas, mecánicas y químicas al ser

expuestos a altas temperaturas por tiempo prolongado

y en contacto con otros materiales.

Son aquellos materiales que soportan altas

temperaturas ( más de 1500°C) sin fundirse

DEFINICIÓN DE MATERIAL REFRACTARIO

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES

REFRACTARIOS:

Baja conductividad eléctrica y térmica

Frágiles

Alta dureza

Buena resistencia mecánica.

Resistencias a las altas temperaturas

Fundir a temperaturas superiores a 1500°C

Factibilidad de acceso al material (Disponibilidad)

Estabilidad física.

Estabilidad química.

Costo por tonelada aceptable.

No ser nocivo para la salud.

CRITERIOS PARA CONSIDERAR UN MATERIAL

REFRACTARIO:

SUSTANCIAS QUÍMICAS QUE CONSTITUYEN

LOS MATERIALES REFRACTARIOS

Óxidos.

Carburos

Nitruros

Oxinitruros

Compuestos no metálicos.

Óxidos no refractarios.

FUNCIONES DE LOS MATERIALES

REFRACTARIOS:

Contener metales y escorias en estado líquido.

Recibir metales líquidos para transferirlos o colarlos.

Contener cargas sólidas a alta temperaturas.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS:

I: De acuerdo a su

presentación:

1. Moldeados en planta.

2. Especialidades.

3. Fibras cerámicas.

4. Productos especiales.

II: De acuerdo a la

naturaleza

química y

propiedades

fisicoquímicas

1. Ácidos

2. Materiales de alta alúmina.

3. Materiales básicos.

4. Especiales.

5. Aislantes.

Capítulo 2: Productos Refractarios y sus usos.

1. Piezas estandarizadas:

Ladrillos estándar 9” x 4 ½ “ x 2 ½ “

Arreglos de ladrillos para conformar paredes.

2. Piezas no estandarizadas

Boquillas para colada continua.

Piezas para anclajes.

Revestimientos monolíticos.

Formas especiales para hornos específicos.

Huecos y canales de colada prefabricados o

preparados en sitio.

Diferentes arreglos de ladrillos para conformar paredes

STRETCHER HEADER

3. Especialidades

Concretos refractarios.

Plásticos refractarios.

Mezclas proyectables.

Mezclas apisonables.

Morteros.

Recubrimientos.

4. Productos de fibra cerámica.

Fibras cerámicas a granel.

Mantas de cerámica.

Módulos de fibra cerámica.

5. Productos especiales:

Filtros de espuma cerámica.

Protecciones de termocuplas y termopares.

Lanzas cerámicas.

Elementos de calentamiento

Piezas para anclajes cerámicos.

Capítulo 3: Propiedades de los Refractarios.

A. PROPÍEDADES FÍSICAS.

1. Refractariedad

2. Estabilidad dimensional

3. Porosidad

4. Permeabilidad

5. Conductividad térmica

6. Calor especifico

7. Volatilidad

8. Propiedades eléctricas

A.1 REFRACTARIEDAD:

Capacidad que tienen los materiales refractarios para

resistir, soportar las altas temperaturas sin fundirse o

derretirse.

Se determina a través del ensayo del cono pirométrico

equivalente.

Depende exclusivamente de su composición química

A.2 ESTABILIDAD DIMENSIONAL:

1. Expansión térmica reversible

Coeficiente de expansión térmica

Depende :

Composición química

Temperatura.

2. Cambio lineal permanente (Contracción ó Expansión )

Depende :

Naturaleza del refractario

Temperatura alcanzada

Naturaleza física y químico medio en contacto

Tiempo de contacto

A.3 POROSIDAD:

Consiste en una serie de cavidades internas,

discontinuidades, huecos, producto del proceso de

fabricación y de la estructura de la materia prima .

Porosidad Total: Poros abiertos ( Pa )

Poros cerrados ( Pc )

Poros abiertos ( Pa )

Impermeables ( ciegos )

Permeables

De canales ( d ≥ 5 )

Espacios muertos (d < 5 )

Capilares

No capilares

La porosidad determina otras propiedades tales como :

Resistencia frente a escorias

Resistencia al Spalling

Resistencia mecánica

La porosidad define tres tipos de densidades:

1. Densidad Global ( Dg ).

2. Densidad aparente ( Da ).

3. Densidad real ( Dr ).

,Donde:

m= Masa del refractario

Vt= Volumen total del refractario

Va= Volumen aparente ( Vt – Vpa )

Vpa= Volumen de poros abiertos

Vpt= Volumen total de poros ( Vpa + Vpc )

A.4 PERMEABILIDAD:

Es la resistencia que ofrece el material refractario a

ser penetrado por gases y/o líquidos.

Depende de la cantidad de poros abiertos

comunicantes que posea el material.

Disminuye con el aumento de la temperatura ya que

el material se dilata contrayendo los poros.

La magnitud de la permeabilidad se define por un

coeficiente K

20005864

Donde:

V= Volumen del aire o gas insuflado

h= altura de la muestra

d= Diámetro de la muestra

t= Tiempo que dura el insuflado

P= Presión de insuflado

A.5 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA:

Es la capacidad que poseen los materiales refractarios para

almacenar o conducir el calor al ser sometidos a un gradiente

de temperatura.

q = Flujo calorífico

K = Conductividad térmica

A = Área de la pared

T1 =Temperatura cara caliente

T2 = Temperatura cara fría

L = Espesor del revestimiento

Donde:

A.6 CALOR ESPECÍFICO:

Cantidad de energía térmica requerida para aumentar en

1° de temperatura la masa unitaria de un cuerpo. Depende

de la porosidad y de la temperatura.

A.7 VOLATILIDAD:

Depende del tipo de red cristalina

A.8 PROPIEDADES ELÉCTRICAS:

Conductividad eléctrica: depende de la temperatura,

impurezas y materia prima

B. PROPÍEDADES MECÁNICAS.

1. Deformación piroplastica

2. Deformación por termofluencia

3. Deformación plástica de estructuras simples

4. Deformación plástica de estructuras complejas

5. Termofractura

6. Resistencia a los esfuerzos térmicos ( spalling )

7. Resistencia a la abrasión

c. PROPÍEDADES QUÍMICAS.

1. Estabilidad estructural.

2. Estabilidad frente atmósferas oxidantes y

reductoras.

3. Estabilidad frente a vapores y gases.

4. Estabilidad frente a escorias, sales y metales

líquidos.

5. Estabilidad al vacío.

MATERIAS PRIMAS PARA FABRICAR LOS

Materias primas

Materia primas naturales

Materias primas artificiales

Capítulo 4: Materias Primas

MATERIAS PRIMAS NATURALES

1. Materiales siliceos

2. Arcillas refractarias

3. Materiales de Alta Alúmina

4. Materias Primas Magnesiticas

5. Materiales Cromíticos

6. Materiales de Carbón

7. Minerales de Zirconia

8. Materiales para Aislantes

MATERIAS PRIMAS ARTIFICIALES

1. Magnesita de agua de mar

2. Alumina

3. Mulita

4. Carburo de Silicio

5. Otros

MATERIALES SILICEOS

1. Cuarcita: Se encuentran en forma de rocas arenosas, con un

contenido de 97 – 98 % en SiO2. e impurezas de Fe2O3 , K2O ,

• Escaso ablandamiento por debajo de punto de fusión.

• Alta expansión térmica.

2. Rocas silíceas: Roca sedimentaria constituida por granos se

arena natural aglomerados, contenido de SiO2 entre 90 y 96 % ,

el resto AL2O3, Fe2O3, CaO, etc.

• Se usa en estado original cortándose en bloques.

3. Arena de playa: Se usa directamente para fabricar ladrillos

siliceos y en pisos de hornos.

4. Tierras de diatomeas: Conformado por esqueletos de

microorganismos marinos.

. material aislante natural.

5. Arcillas silíceas: contienen hasta un 75 % de SiO2 , se

utilizan como morteros y para fabricar ladrillos de semi-

sílice.

MATERIALES SILICEOS

ARCILLAS REFRACTARIAS

Son silicatos de aluminio hidratado a base de partículas muy finas

1. Arcillas plásticas: son arcillas con plasticidad natural. Se

formaron por la erosión y la deposición de suspensiones en

depósitos de agua tipo laguna.

2. Arcillas magras: arcillas secundarias que se han consolidado en

rocas no estratificadas, sin plasticidad natural y fractura

concoidal.

3. Caolines o arcillas Chinas: Se forma por la caolinización del

granito. Se utilizan como plastificante, aglutinante, etc.

MATERIALES DE ALTA ALÚMINA

1. Bauxita: Esta constituida por hidratos de alúmina hasta un 80

alúmina calcinada.

- Altos contenidos de Fe2O3 y álcalis se obtiene alúmina por el

proceso Bayer.

-Bajo contenido de contaminante, para fabricar refractarios.

2. Andalusita, cianita y silimanita: son silicato naturales de alta

alúmina con propiedades diferente, que al calentarse forman el

compuesto llamado mulita ( 3AL2O3. 2SiO2 )

MATERIA PRIMAS MAGNESITICAS

1. Magnesita natural: Carbonato de magnesio ( MgCO3 ). Se

utiliza para la elaboración de productos refractarios básico, para

la industria del acero.

2. Dolomita: Carbonato doble de calcio y magnesio CaMg (CO3)2.

Sirve para la fabricación de ladrillos dolomíticos alquitranados

y otros productos para la industria del hierro y del acero.

MATERIALES CROMITICOS

Cromita: Mineral natural constituido por cromia ( Cr2O3 ) y

Fe2O3 principalmente.

Mineral escasos y costosos.

Elevada temperatura de fusión 1900 ° C.

Alta resistencia al choque térmico.

Comportamiento químicamente neutro.

MATERIALES DE CARBÓN

Antracita: Carbón amorfo.

Grafito: Estructura cristalina, textura laminar, lustre

metálico.

Alta refractariedad en ausencia de atmósfera oxidante.

Lubricante natural de poca mojabilidad por metales

líquidos y escorias.

Se utilizan en la fabricación de productos refractarios.

MINERALES DE ZIRCONIA

Oxido de Zirconio: ZrO2

Silicato de Zirconio: ZrO2. SiO2

Altas propiedades refractarias.

Escasos y costosos.

Alta resistencia a la abrasión

MATERIALES PARA AISLANTES

Vermiculita: Material con textura laminar parecidos a la

Se expanden ( veinte veces su volumen )

Temperatura de ablandamiento entre 900 y 1300 ° C.

Perlita: Proviene de la roca volcánica silícea.

Al calentarse 1000 ° C, se expande violentamente.

Temperatura máxima de fusión 1250 ° C

Arcillas, esquistos y pizarras: materiales naturales que se

expanden al ser calentado.

Temperatura de fusión entre 1100 y 1500 °c

Tiene la composición química aproximada de una

arcilla expandibles.

MAGNESITA DE AGUA DE MAR

Material de oxido de magnesio sinterizado, de alta pureza ( 92 % - 99 %

MgO ), se obtiene a partir del agua de mar, a partir de dos procesos:

a.- Proceso de precipitación de Mg ( OH2 ) a partir del agua de

mar y luego calcinado para dar MgO2.

b.- Proceso de disociación térmica de cloruro de magnesio

(MgCl ) en MgO + HCl en un reactor ( proceso Aman ).

Se utilizan en la fabricación de productos magnesiticos de alta calidad

como mezclas apisonables, ladrillos MgO – carbón y concretos

refractarios.

ALÚMINA SINTÉTICA

Se obtiene a partir de bauxita naturales mediante el proceso Bayer

(lixiviación + precipitación +decantación y filtrado + calcinación )

La alúmina calcinada se usa para fabricar fibras cerámicas, polvos y

cementos.

La alúmina fundida se obtiene de la alúmina calcinada por fusión por

encima de 2000 ° C ( obteniéndose Corindón ó alúmina alfa ).

La alúmina tubular se obtiene por sinterización temperaturas

próximas a 2000 ° C.

Alcanzan una pureza del 99 % y se utilizan en la fabricación de

ladrillos, concretos, plásticos, morteros, recubrimientos, etc.

MULITA SINTÉTICA

Se obtiene a partir de la sílice y la alúmina, lo cual puede ser a

temperaturas próximas al punto de fusión ( sinter ) ó por encima

de ( 1750-2000° C ) electro fusión.

Es estable en estado solidó ( no experimenta cambios alotrópicos )

Se utiliza en la fabricación de refractarios muliticos, en forma de

ladrillos, plástico, concretos, etc.

CARBURO DE SILICIO

Material sintético fabricado a partir de la mezcla de arena de

alta sílice y coque en polvo.

Altamente refractario, soporta 2500 ° C en atmósfera neutras.

Presenta una variedad de estructuras cristalinas.

Se utiliza para la fabricación de cerámicas y refractarios.

OTRAS MATERIAS PRIMAS SINTÉTICAS

Polvos de AL2O3, ZrO2, SiC, etc.

- Procesos avanzados ( deposición por vapor químico ).

Grafito cristalino artificial.

- A partir de carbón ó grafito amorfo.

Aditivos Sintéticos.

- Metálicos: Si, Al, Ti, Mg, etc.

- Orgánicos: alquitrán, resinas.

- Minerales: P2O5, B2O3.

ELABORACION DE PRODUCTOS.

1. Extraccion de la matéria prima.

2. Procesamiento de la matéria prima.

3. Formulacion del producto.

4. Elaboracion y conformado.

5. Secado Cocción ( piezas ).

6. Control de calidad.

7. Optimizacion y desarrollo.

Capítulo 6: Procesos de fabricación.

EXTRACCION DE LA MATERIA PRIMA.

Materias primas naturales.

Naturaleza y tenor

Pureza.

Materias primas sintéticas

Se obtienen a traves de procesos industriales

PROCESAMIENTO Y ADECUACION DE LA

MATERIA PRIMA

Trituración

Calcinación y quemado

Trituración y molienda

Cribado y clasificación

Almacenamiento

FORMULACION DEL PRODUCTO.

Naturaleza y tipo de producto.

Tipo de servicio trabajo.

Morfologia y conformación.

Propiedades exigidas al producto

Elaborar formulas tentativas.

Calidades discriminadas

Granulometrias descriminadas

Adiciones

Variables de proceso

PROCESO DE ELABORACION Y CONFORMADO

Prensado convencional ( en seco )

Proceso isostático ( en Liquido )

Extrusión

Moldeo vaciado

Fusion

SECADO Y COCCIÓN DE PIEZAS Y REVESTIMIENTO

1. Proceso de secado

2. Proceso de cocción

3. Secado y cocción de revestimientos monolíticos

Fraguado y curado

Sinterizado

Capítulo 7: Ensayos.

1. ENSAYOS PARA MATERIAS PRIMAS Y

REFRACTARIOS EN GENERAL.

Análisis químico.

Análisis granulométrico.

Pérdidas al rojo.

Resistencia a la compresión en frío (CCS)

Modulo de rotura (flexión) en frió (MOR)

Cambio lineal permanente.

Examen al microcopio.

EJEMPLOS

ANALISIS QUÍMICO:

Convencionales:

Sofisticados

Volumetría

Calorimetría

Gravimetría

Espectrofotometría

Absorción atómica.

ANÁLISIS GLANULOMETRICO:

- Tamizado por encima de 40 micras

- Método de Lavigación 40 – 10 micras.

- Métodos de Sedimentación 10 – 0.4 micras.

PERDIDAS AL ROJO:

- Compuestos carbónicos perdidas de peso

- Oxido de hierro ganancia.

ENSAYO PARA DETERMINAR LA POROSIDAD APARENTE,

PESO ESPECÍFICO, PESO VOLUMÉTRICO Y ABSORCIÓN

DE AGUA:

Equipos: Mufla, balanza, recipientes, agua hirviendo.

Material de ensayo: Probeta 229x114x63 ó 76 mm, Trozos

400 centímetros cúbicos.

Procedimiento:

1. Probetas, secar y pesar.

2. Sumergir en agua hirviendo.

3. Pesar la muestra saturada.

4. Pesar la muestra fuera del agua.

5. Volumen exterior )( 3

3 cmSWV

%100*3

Calculo de los valores de las características.

Porosidad aparente.

Agua absorbida

Peso específico

Peso volumétrico..

2. ENSAYOS PARA INVESTIGAR EL COMPORTAMIENTO DE

LOS PRODUCTOS REFRACTARIOS Y ESPECIALIDADES EN

SERVICIO.

Resistencia a la compresión en caliente.

Módulo de rotura en caliente (MOR)

Refractariedad bajo carga (RUL)

Coeficiente de expansión térmica

Análisis térmico diferencial (DTA)

Fluencia Creep

Difracción de rayos X

PROPOSITO PRINCIPAL DE LOS ENSAYOS.

Caracterizar las materias primas o productos refractarios.

Mejorar la calidad de los productos refractarios.

Desarrollar nuevos productos.

Investigar los productos de la competencia.

Establecer condiciones específicas de servicio de los distintos

productos.

Realizar análisis de falla.

Capítulo 8: Usos Metalúrgicos de refractarios, selección, calculo e

instalación

REFRACTARIO PARA LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO

A. HORNO DE COCCIÓN DE CARBONES.

i) Fosa: Paredes y piso. Alta alumina .

ii) Revestimiento de seguridad.

- Ladrillos de arcilla refractaria.

- Ladrillos o concreto aislante.

iii) Ladrillo aislante silicio alumininosos.

instalación

B. HORNOS PARA FUSIÓN DE ALUMINIO

i) Bóveda: Plástico o Castables 40 – 48 % Alúmina.

ii) Paredes Superiores:

- Ladrillos Silico Aluminosos.

- Plásticos de alta Alúmina y liga Fosfórica.

iii) Paredes Inferiores:

- Ladrillos de 85% a 90% Alúmina.

- Plásticos o concretos de alta alúmina.

instalación

iv) Piso o Solera: (Revestimiento compuesto)

- Ladrillo 85% - 95% Alúmina (Piso de trabajo)

- Capa de Ladrillos o Castable Sílico-Aluminoso.

- Concreto, aislante o ladrillos.

v) Salida de gases del horno: Castables o Ladrillos

Sílico- Aluminoso.

instalación

C. REVESTIMIENTO DE HORNO ELÉCTRICO ( ACERACIÓN )

i) Cuba.

- Solera y subsolera

- Línea de escoria

- Pared superior

- Canal o hueco de colada ( EBT )

ii) Bóveda

- Zona de mástil y orificios de humos

- Centro o zona delta

- Cuerpo

instalación

D. REVESTIMIENTO DE HORNO O REACTOR MIDREX

i) Pared de trabajo.

- Silico aluminioso de servicio extrafuerte.

- Carburo de silicio

- Mullita electrofundica

- Materiales de alta alumina

ii) Revestimiento de seguridad.: Ladrillos silico aluminosos

de alta porosidad

iii) Zonas de difícil conformación ( parte baja reactor):

Castables silico aluminosos de alta densidad

iv) Reparaciones parciales.: Masas proyectables o plásticos

refractarios.

instalación

SELECCIÓN

DE REFRACTARIOS.

Criterio económico

Criterio

Técnico

Temp. Máx. de trabajo.

Tipo de operación

Tipo de atmósfera.

Condiciones erosivas.

Forma de operación.

Tipo de funcionamiento

Capítulo 9: Tipos de desgastes y falla de refractarios

1. Resistencia al esfuerzo térmico ( spalling ).

Choque térmico.

Expansión térmica.

Gradientes térmicos.

Reacciones químicas

Transformaciones alotrópicas.

Temperatura máxima de operación

Composición química del refractario

Composición química de la escoria

Porosidad abierta del refractario

Coeficiente de difusión de las especies

reactantes

Viscosidad de la escoria

Angulo de mojado escoria refractario

Granulometría del refractario

Tipos de liga del refractario

Estabilidad intergranular ( ángulo diedro )

Agitación de la escoria durante la operación

2. Escorificacion ( Factores que afectan el desgaste )

3. Degradación físico química

Oxidación

Reducción

Evaporación volatilización

4. Erosión Mecánica

Por sólidos y partículas

Por metales líquidos

Por llamas y gases calientes

CAUSAS DE FALLAS COMUNES DE LOS MATERIALES

REFRACTARIOS

1. Fallas de diseño

2. Fallas de Instalación

3. Fallas de operación de carga y manejo de equipos.

4. Fallas de servicio.

1. FALLAS DE DISEÑO:

a. De la estructura o armazón.

b. Conformación y geometría inadecuada.

c. Calidad y naturaleza inapropiada.

d. Juntas de expansión inexistentes.

2. FALLAS DE INSTALACIÓN.:

a. Ladrillos.

b. Monolíticos.

3.FALLAS DE OPERACIÓN DE CARGA Y

MANEJO DE EQUIPOS:

a. Por impactos, por movimientos o cargas.

b. Manejo brusco del equipo o parte de el.

c. Por aperturas innecesarias y prolongadas de puertas y

tapas.

d. Por excesivo y prolongado basculamiento

e. Otros.

4. FALLAS DE SERVICIO:

a. Variación del medio de trabajo.

b. Por cambios operacionales del equipo.

c. Por tiempos excesivos de trabajo injustificado.

d. Por material refractario defectuoso o inapropiado.

e. Por obstrucción de las juntas de expansión.

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