Comparación de corrosión en metales vs refractarios

Daniel Aramburo

Andrea Palacios

Karen Rivera

1. Corrosión en materiales refractarios

Los materiales refractarios son usados, por lo general, para soportar elevadas temperaturas y

con propósitos estructurales. La corrosión en los materiales refractarios se expresa como la

pérdida de masa y espesor de la parte interna del material, expuesta a ambientes con altas

temperaturas. Existen clasificaciones de los refractarios bajo diferentes criterios; según el

espesor de la pared existen refractarios de pared delgada (menos de 25 mm de espesor) y de

pared gruesa (más de 75 mm), según su resistencia a las sustancias químicas existen los

refractarios ácidos, compuestos principalmente por sílice (SiO2) y más resistentes

(compatibles) a los ácidos, y los refractarios básicos, compuestos principalmente por Caolinita

(CaO) y Magnesita (MgO) y más resistentes (compatibles) a las sustancias básicas.

La corrosión debido a la escoria se debe en gran parte a la porosidad del material, de tal modo

que las tasas de corrosión crecen linealmente con el aumento de la porosidad, y decrecen con

el aumento de la densidad, pues a mayor porosidad menor densidad. La escoria forma dos

capas sobre la superficie del refractario, y penetra a través de los poros del mismo hasta el

freeze plane donde se solidifica debido a la baja temperatura del refractario en la parte

interna. La primera capa de escoria (interna) sobre la superficie del refractario es una capa

viscosa que en ocasiones contiene partículas refractarias producto de la erosión del material,

mientras la segunda capa (externa) es una capa fluida.

Otro factor importante en la corrosión por escoria es el gradiente de temperatura, si el

gradiente de temperatura es alto, se presentara una baja penetración de la escoria en el

material refractario, por lo que la corrosión se verá restringida únicamente a la interfaz

refractario-escoria. Este fenómeno se evidencia en los refractarios de pared delgada, en

donde la penetración es menor a 100 micras y esta situación es llamada Etapa 1, en la que las

reacciones ocurren en la superficie caliente. La temperatura de la superficie afecta la velocidad

de corrosión. Si la temperatura está por debajo de la temperatura de fusión de los productos

de corrosión (Eutéctica), no se presentara corrosión, entre cero y veinte grados Celsius por

encima de la temperatura de fusión de los productos de corrosión (Eutéctica) las tasas de

corrosión serán bajas y por más de veinte grados Celsius por encima de la eutéctica la

corrosión es rápida.

En los refractarios de pared gruesa ocurre la Etapa 2 caracterizada por toda la penetración del

refractario y una extensiva ruptura por corrosión en la superficie caliente, además de

presentarse una elevada temperatura. Es posible que pase a una tercera etapa en la que hay

presencia de partículas erosionadas debido a una alta viscosidad de la escoria, creando como

consecuencia una disolución del refractario, por esto es aconsejable no exceder una

temperatura mayor a 20°C en la cercanía del material refractario y la escoria.

2. Corrosión en Metales

La corrosión en los metales se clasifica según la apariencia del metal corroído de la siguiente

forma:

2.1. Corrosión Uniforme.

La corrosión uniforme se caracteriza por un desgaste de la superficie del metal. “Todos

los metales están sujetos a este tipo de ataque bajo alguna condición”1. Esta es la

forma más común de corrosión y no es muy tenida en cuenta desde el punto de vista

técnico debido a que la vida útil del equipo puede ser estimada mediante la

comparación de pruebas simples.

Se debe a una reacción electroquímica que se produce uniformemente en la superficie

expuesta, el metal se hace más delgado hasta el punto de colapsar.

Los métodos de prevención para este tipo de corrosión más utilizados son el diseño y

selección de materiales apropiados, uso de inhibidores, control de pH, recubrimientos

metálicos, pinturas, protección catódica y anódica, entre otros.

2.2. Corrosión Localizada

Ataque sobre la superficie de un metal en áreas pequeñas, ocurre bajo condiciones en

las cuales las partes más grandes de la superficie del material no son atacadas o son

atacadas en menor grado que en los sitios localizados. La corrosión localizada se divide

en dos según el lugar donde se produce.

2.2.1. Corrosión Macroscópica.

La corrosión macroscópica es la corrosión externa, puede observarse a simple

vista y existen diferentes mecanismos entre los cuales están:

2.2.1.1. Corrosión Galvánica

La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales diferentes que están

en contacto directo o eléctricamente conectados se encuentran

expuestos a un electrolito corrosivo o conductor. La diferencia de

potencial existente entre dos metales distintos en las condiciones

anteriormente descritas produce flujo de electrones entre ellos. El

metal menos resistente se vuelve anódico mientras el metal más

resistente se convierte en catódico, siendo mayor la tasa de corrosión

en el ánodo que en el cátodo.

La velocidad de corrosión depende de la diferencia del potencial entre

los metales, la naturaleza del ambiente, la polarización del par

galvánico, y las relaciones geométricas de los electrodos (metales).

1 Vila. G. Corrosión. Electroquimica – Mecanismos y métodos de control. Universidad Nacional de

Colombia (1992) pg 136.

Los métodos de prevención más utilizados para este tipo de corrosión

en los metales son: seleccionar combinaciones de metales en lo

posible muy cercanos en la serie galvánica, aislar pares galvánicos

mediante aislantes plásticos, uso de inhibidores para disminuir la

agresividad del ambiente, diseñar la parte anódica sobredimensionada

con relación a la catódica, instalar un tercer material menos resistente

con respecto a los otros dos utilizados con el fin de que actúe como

ánodo y destruir el par galvánico.

2.2.1.2. Corrosión en rendijas (Crevice Corrosion)

Ocurre en rendijas, grietas o hendiduras, formadas en límites de

metales ensamblados y se manifiesta en forma de picaduras. Este tipo

de corrosión está relacionado con pequenos volúmenes de solución

corrosiva estancados en dichas irregularidades de la superficie.

La corrosión se produce debido a la “migración de aniones de sales

atmosféricas en el medio, como cloruros o sulfatos hacia el interior de

la rendija, produciendo una nueva sal metálica que precipita. Estas

sales se hidrolizan y producen ácidos que disminuyen el pH acelerando

la corrosión de la parte interior de la rendija”.2

Dentro de los métodos de corrosión para este tipo de corrosión se

encuentran: evitar curvas agudas en zonas estancadas en el diseño,

utilizar empaques no absorbentes o fibrosos, usar soldaduras en juntas

en lugar de pernos o remaches.

2.2.1.3. Corrosión erosión

Este tipo de corrosión se presenta debido a la aceleración en la

velocidad de deterioro del metal, causada por un movimiento relativo

entre el fluido corrosivo y la superficie metálica.

“La velocidad de fluido es un factor importante en la determinación de

la velocidad de remoción del material”.3

Los equipos que sufren este tipo de corrosión son los sometidos a la

acción de fluidos en movimiento como tuberías y accesorios como

codos, bombas, válvulas, hélices e intercambiadores de calor.

Algunos métodos de prevención son: cambiar el diseño de ciertas

partes del equipo como variando la geometría, aumentando el

diámetro de tubería con el fin de disminuir turbulencias y choques.

Otra recomendación es remover los sólidos por decantación y

2 Vila. G. Corrosión. Electroquimica – Mecanismos y métodos de control. Universidad Nacional de

Colombia (1992) pg 158. 3 Vila. G. Corrosión. Electroquimica – Mecanismos y métodos de control. Universidad Nacional de

Colombia (1992) pg 148.

filtración., y en especial disminuir la temperatura ya que es la principal

causante de la corrosión erosión.

2.2.1.4. Corrosión por picaduras (Pitting)

Por lo general ocurre sobre superficies metálicas que se encuentran

sumergidas en alguna solución o sobre superficies que se encuentran

expuestas a la atmosfera donde hay humedad o películas de

condensado.

Esta da como resultado agujeros o cavidades con forma de platillos

cónicos o hemisféricos con paredes irregulares que posiblemente se

llenan de los productos de corrosión.

Una picadura puede pasar por cuatro etapas:

Iniciación

Propagación

Terminación

Reiniciación

Métodos de prevención usados para este tipo de corrosión son: uso de

inhibidores, modificar el ambiente, trabajar con temperaturas bajas,

utilizar recubrimientos.

2.2.1.5. Corrosión selectiva

Este tipo de corrosión consiste en la remoción de uno de los metales

de una aleación, ya sea por ataque diferencial o por dilución del

componente anódico con respecto a la matriz.

La decincificacion por ejemplo, es la remoción del cinc de un latón que

puede reconocerse por un cambio de su original color amarillo oro a

rojizo.

2.2.2. Corrosión Microscópica

La corrosión microscópica es aquella que requiere de un medio óptico

(microscopio) para ser localizada.

2.2.2.1. Corrosión intergranular

Causada por diferencia de potenciales que existen entre la zona de

granos y la zona de límites debido a la variación en su composición

química que se desarrolla por migración de impurezas que originan la

separación o precipitación de una segunda fase o constituyente en la

región.

Dicho “constituyente puede ser anódico, catódico o neutral con

respecto al material base”1.

Los métodos de prevención más usados para este tipo de corrosión

suelen ser: emplear aceros inoxidables, tratamientos térmicos entre

1066 a 1121 °C.

2.2.2.1.1. Corrosión por esfuerzo (Stress corrosión)

Este tipo de corrosión también es llamado corrosión bajo tensiones, el

cual se da por la acción combinada del esfuerzo de tensión y el

ambiente corrosivo generando grietas o fracturas.

Algunas de las variables influyentes en este tipo de corrosión pueden

ser: tensiones mecánicas, medio corrosivo y la temperatura.

Existen unos métodos de prevención teniendo en cuenta las

condiciones primarias que producen la corrosión tales como:

tratamientos térmicos, eliminación de iones agresivos, adición de

inhibidores, recubrimientos orgánicos, protección catódica, evitar

desalineamiento de secciones unidas.

3. Comparación métodos de análisis de corrosión en metales y no metales

3.1. Para analizar la corrosión en metales podemos utilizar diagramas de Pourbaix

utilizando potenciales químicos de oxidación donde indicamos regiones de inmunidad

donde el metal no es atacado, región de corrosión en el que se observa el ataque

general y la región de pasividad donde encontramos una capa estable de un oxido.

Para los refractarios se usan diagramas de fase que nos muestra las relaciones de

fusión de un sistema químico, al localizar el punto donde están los constituyentes del

cerámico. Analizando la interface del cerámico y la escoria, el componente en

equilibrio entre la escoria y el cerámico, teniendo en cuenta la línea de la temperatura

y otros componentes de la escoria que puede afectar.

3.2. Para los cerámicos se pueden utilizar modelos de ataque como por ejemplo el

Modelo de Konig que nos permite relacionar la velocidad de corrosión en las paredes

de un alto horno por medio de la relación en el equilibrio de espesor X ( X incrementa

linealmente a medida que la conductividad térmica, Tc aumenta ), el Modelo de Endell,

Fehling y Kley muestra la relación entre la corrosión de la escoria en un recipiente de

paredes gruesas con revestimiento refractario exponiendo que el ataque de la escoria

aumenta con la solubilidad del refractario y disminuye con la viscosidad de la escoria.

4. Conclusiones

4.1. Utilizando herramientas como diagramas, modelos, formas y casos de estudio

podremos lograr una decisión asertiva a la hora de elegir materiales y diseñar procesos

para la industria química.

4.2. Utilizando herramientas como las formas de corrosión en los metales, sabiendo

por ejemplo donde encontrar una corrosión por hendidura o que causa una corrosión

por picadura o como disminuir una corrosión intergranular se pueden prevenir o

disminuir la corrosión en el diseño de procesos.

4.3. La corrosión en los metales se debe fundamentalmente a reacciones

electroquímicas de oxidación – reducción, mientras en los materiales cerámicos la

corrosión es debida fundamentalmente al material en contacto, por lo general escoria,

que a altas temperaturas en contacto con el refractario forma líquidos del material

refractario y desgasta el material, haciéndolo perder peso y espesor.

4.4. Los metales al carecer de porosidad, únicamente presentan corrosión en la

superficie externa directamente en contacto con la atmósfera corrosiva, por el contrario,

los materiales refractarios, pueden presentar corrosión interna, debido a su porosidad.

4.5 En los metales hay presencia de agentes oxidantes y reductores dependiendo del

caso pero es entendible que la corrosión depende del material y de su exposición al

ambiente, como es el caso del ladrillo que se va corroyendo hasta acabar con el 40%

de su funcionamiento dentro del horno. Sin embargo en algunas ocasiones es

impredecible saber que puede pasar ya que algunos compuestos con matriz cerámica

tienen valores de tenacidad a la fractura superiores a ciertos metales, esto debido a

que los materiales refractarios soportan altas temperaturas sin fundirse o

descomponerse, químicamente son inertes bajo medios agresivos y tienen baja

conductividad térmica.

5. Bibliografía

5.1. Vila. G. Corrosión. Electroquimica – Mecanismos y métodos de control.

Universidad Nacional de Colombia (1992).

5.2. Schacht. C. Refractories Handbook. Marcel Dekker Editorial. New York.

5.3. Baboian R. Corrosion tests and standards: Application and Interpretation. Library

of Congress cataloging-in-Publication Data. (2005) pg 369-371.

5.4. Fontana M., Green N. Corrosion Engineering. Ed. Mcgraw-Hill. (1967). Pg 28-115.