19_Apunte Refractarios

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Industrias I 72.02 Materiales Refractarios

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  • Industrias I 72.02

    Materiales Refractarios

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    1 MATERIALES REFRACTARIOS ................................ ................................ ................... 3

    1.1 Introduccin ................................ ................................ ................................ .................... 3 1.2 Clasificacin de los refractarios segn su caracters ticas qumicas: ........................... 3 1.3 Clasificacin de los refractarios segn su proceso de fabricacion: ............................. 4 1.4 Clasificacin de los refractarios segn su materia prima ................................ ............. 7

    1.4.1 Diagrama binario slice almina ................................ ................................ ............ 9 1.5 Propiedades qumicas y fsicas de los materiales Refractarios y breves explicaciones sobre mtodos de control ................................ ................................ ................................ ...... 11 1.6 Fabricacin de materiales refractarios ................................ ................................ ......... 19 1.7 Uso de los materiales refractarios en los distintos hornos ................................ ......... 22

    1.7.1 Alto Horno ................................ ................................ ................................ ............ 22 1.7.2 Convertidor LD ................................ ................................ ................................ .... 24 1.7.3 Horno elctrico ................................ ................................ ................................ ..... 27 1.7.4 Horno rotativo................................ ................................ ................................ ....... 30

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    1 MATERIALES REFRACTARIOS

    1.1 Introduccin Los refractarios son materiales, que en condiciones de servicio resisten elevadas temperaturas, erosin, abrasin, impacto, ataque qumico, accin de gases corrosivos y otras experiencias no menos recias. Estos materiales se usan para el recubrimiento de hornos, hogares conductos chimeneas, etc.; eligindose alguno de los materiales existentes, segn sean las condiciones reinantes en determinadas zona. La mayor parte de los refractarios son materias cermicas fabricadas con xidos de elevado punto de fusin (SiO 2, Al2O3, Mg, y Cr2O3). No obstante, el carbn es actualmente un refractario importante. Algunos metales, como el molidbeno Mo (punto de fu sin = 2600C) y el Wolframio W (punto de fusin 3400C) son refractarios y encuentras aplicacin en aparatos de investigacin. Incluso estos se pueden fundir en envases de cobre abundantemente refrigerados por agua, los cuales si bien no estn clasificado s como refractarios, ciertamente los reemplazan. A continuacin se indican los puntos de fusin de los xidos y compuestos ms utilizados en esta industria: a) OXIDOS: Slice (SiO2) 1723C Almina (Al 2O3) 2050C Cromo (Cr2O3) 2250C Periclasa (MgO) 2800 C Zirconio (ZiO 2) 2700C b) COMPUESTOS: Espinela (Mg.Al 2O3) 2135C Foresterita (Mg.SiO 2) 1900C Mullita (3Al2O3.2SiO2) 1850C

    1.2 Clasificacin de los refractarios segn su caractersticas qumicas: 1) ACIDOS: son aquellos que no son atacados por compues tos cidos, son fabricados por materias primas slico aluminosas. 2) BSICOS: son aquellos que reaccionan con escorias cidas. Su contenido se basa en magnesita, dolomita, y magnesita -cromo.

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    3) NEUTROS: son relativamente inertes, tanto las escorias si lceas como calizas. En este grupo se incluyen los refractarios de carbn, almina (Al 2O3), Cromita (FeO.Cr 2O3) y Foresterita (2MgO.SiO 2) Existira un cuarto grupo que es el de los refractarios especiales que son materiales nuevos, o muy caros, por su pro ceso de fabricacin como los de ZiO 2 y BeO y se destinan nicamente para fines de investigacin y otros usos aislados, tales como energa atmica, o tecnologa de turbinas de gas.

    1.3 Clasificacin de los refractarios segn su proceso de fabricacion: Se clasifican en dos tipos: Ladrillos y especialidades

    A) LADRILLOS: Segn la forma de ligar las materias primas existen 2 tipos: 1) Cocido convencional: en el caso de los refractarios slico -luminosos durante la coccin se produce incipiente fusin de los comp uestos formados por lo xidos constituyentes e impurezas, formando de este manera una matriz soporte que es que le da la rigidez al ladrillo. 2) Cocido liga directa: en el caso de los refractarios de magnesia, se comprob que como un contenido muy bajo de impurezas a alta temperatura (aprox.1800C) , se unan los cristales de Periclasa (MgO) directamente, sin la matriz soporte o siendo ella muy reducida (segn el contenido de impurezas). 3) Cocido e impregnado: la impregnacin ejerce sobre el ladrillo una funcin protectora contra el ataque de las escorias. Cuanto mas poroso sea el ladrillo, posee una mayor superficie expuesta a la corrosin de la misma. De esta manera se introduce carbono, el cual frente a la accin del FeO de la escoria produce CO, depositndose el Fe que no ataca al refractario. El ladrillo es expuesto al vaco, se inyecta e alquitrn que penetra en los poros por diferencia de presin. Se impregnan los refractarios bsicos, logrndose una importante resistencia al impacto (por ejemplo carga de chatarra). 4) Qumicamente ligado: No tiene coccin previa. Lo que se hace es la calcinacin de las materias primas. En el pastn formado se agrega un elemento qumico que produce a travs de reacciones qumicas la ligazn entre los granos, l ogrndose la resistencia necesaria para ser transportado, instalado y soportar en peso propio de la instalacin. Al evitarse la coccin se obtiene una importante reduccin en el costo. 5) Ligado con alquitrn: La ligazn de las materias primas se logra c on la adicin de un alquitrn bituminoso y posterior prensado.

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    6) Templado: Al ladrillo ligado con alquitrn se lo somete a un calentamiento a baja temperatura ( 400 a 500 C) a fin de lograr la deposicin del carbono y obtener la resistencia necesari a. Los ladrillos correspondientes a los tipos 4), 5) y 6), son cocidos en servicio u operacin.

    En la pared refractaria se produce un gradiente de temperatura, es decir que cada punto tiene distinta temperatura. Por lo tanto se produce la coccin en aquellos puntos donde T > T coccin del refractario. Sin embargo la otra parte ya ha comenzado su proceso de coccin. El espesor cocido avanza en la medida que se desgasta el refractario. 7) Electrofundidos: Mediante un electrodo se funden las materias primas llevndolas al estado liquido y luego se las vierte en un molde. El horno no tiene paredes, la misma materia prima sirve de contencin y se funde en zonas aledaas al electrodo. Una vez colado el lingote, se corta con sierras ab rasivas. 8) Aislantes: Con los materiales se trata de reducir el flujo calrico por conveccin, conduccin y radiacin. El aislante ideal debera tener una estructura tipo colmena, de celdas diminutas y paredes muy delgadas llenas de aire y construido c on un material de baja conductividad trmica. Para lograr ello, en la elaboracin del refractario aislante se mezclan las materias primas con elementos combustibles, como aserrn o viruta de madera. Durante la coccin del aislante las sustancias combustib les se queman, dejando los agujeros que confieren al ladrillo la debida porosidad y ligereza. B) ESPECIALIDADES : Aglutina a todos los materiales refractarios que no tienen forma definida. Existen distintos tipos: 1) Tierra refractaria: Mezcla de dos o mas materias primas al estado natural sin haber sufrido proceso de calcinacin. Solo han sido sometidas a trituracin, molienda y clasificacin de tamaos (dosificacin).

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    Al ser aplicada no desarrolla ningn tipo de resistencia mecnica. Se la utiliza para sellar imperfecciones de ladrillos. 2) Argamasa: La nica diferencia que tiene con la tierra refractaria, es que parte de las materias primas que la constituyen son previamente calcinadas. 3) Mortero: Produc to construido por la mezcla de argamasa con un elemento ligante, que puede ser un cemento alumino clcico, que en presencia de agua le confiere a la mezcla una resistencia mecnica a temperatura ambiente. Se lo utiliza como elemento ligante entre piezas c onformadas de material refractario. 4) Hormign: Por medio de una granulometra ms grande y un aglomerante de propiedades hidrulicas adecuado, se pueden colar piezas monolticas o premoldeadas de forma tal que reemplacen a un nmero importante de ladri llos. 5) Plstico: Es una mezcla de materias primas calcinadas, crudas (arcillas muy plsticas) y agua. Pueden ser de endurecimiento al aire o al fuego. En servicio adquiere una menor resistencia mecnica que el hormign, pero es ms poroso lo que lo hac e un mejor aislante. 6) Masa para proyectar: Es una masa refractaria hmeda que se aplica mediante una maquina de proyeccin y queda adherida por impacto. Es importante tener en cuenta el contenido de humedad, pues si es poca la proyeccin resulta pulverulenta, si es mucha chorrea el material. Otro factor a determinar es el ndice de rebote, que refleja el material no adherido y que no debe ser superior al 5% del total. 7) Masa para apisonar: Material refractario que se aplica en seco, mediante repetido s golpes de una herramienta mecnica. De esta manera se logra una elevada densidad lo que implica una mayor resistencia a la abrasin. 8) Hormign tixotrpico: Tambin llamado hormign denso o de bajo cemento. Es un producto constituido fundamentalmente por: - Materias primas precalcinadas e inertes que conforman un espectro de mezcla de

    diferentes tamaos, de manera tal de disminuir al mximo los espacios vacos entre granos.

    - Un aglomerante de frage hidrulico. - Aditivos especiales que le confieren caract ersticas lubricantes y fluidificantes. Al minimizar el volumen de espacios vacos entre granos el contenido de cemento es bajo, lo que permite ser elaborado con una menor cantidad de agua (aproximadamente 4 a 6 %) para promover su total hidratacin. Una vez colocada en el molde, la mezcla es vibrada de modo tal de alcanzar su mxima densidad y resistencia. Durante la vibracin, el aire contenido es expulsado de la mezcla, la que siendo muy compacta adopta un comportamiento tixotrpico. Esto es que durante y despus de la vibracin aumenta mucho su fluidez.

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    1.4 Clasificacin de los refractarios segn su materia prima A) REFRACTARIOS ACIDOS :

    A.1.) SILICICOS: Las materias primas mas utilizadas para la produccin de refractarios de slice son: Cuarzo: Roca cristalina que contiene hasta 96 a 97% SiO 2. Cuarcita: Roca constituida por granos de cuarzo cristalino unidos por el aporte de sustancias siliciosas. El cuarzo sufre transformaciones alotrpicas, influenciadas principalmente por el grosor de los cristales y la distribucin de las impurezas presentes. Dichas transformaciones se producen en este orden: CUARZO a los 870 C TRIDIMITA a los 1.410 C CRISTO -

    BALITA a los 1.723 C

    El pasaje entre ambos cambios de estructura cristalina se produce con un considerable aumento de volumen. Por esta razn en la coccin de los ladrillos preparados con cuarzo, ambas temperaturas de transformacin deben se r atravesadas lentamente. De lo contrario podran producirse fisuras o roturas. Durante el enfriamiento la tridimita y cristobalita se mantienen hasta alcanzar la temperatura ambiente, es decir que las transformaciones son irreversibles. La refractariedad de estos ladrillos es de aproximadamente 1723 C. La dilatacin trmica de la slice, entre los puntos de cambios alotrpicos, es muy pequea. La resistencia al ataque de escorias es considerablemente buena, si se considera la naturaleza altamente cida d e la misma. La densidad aparente es de 1,8 gr/cm3. Resiste cargas a altas temperaturas. Se aplican principalmente en la industria del vidrio. En la industria siderrgica, se los utiliza en las paredes de los hornos de coque y en las cpulas de las estufas Cowper de los Altos Hornos.

    A.2.) SILICO -ALUMINOSOS: Estos refractarios se clasifican a su vez en dos tipos:

    - Los que tienen un tenor de almina (Al 2O3) que oscila entre un 20% y un 45%. - Los que cuentan con un 55% a un 100% de Al2O3. Los primeros son fabricados integramente con arcillas naturales. Las arcillas con las que se elaboran estos refractarios se las puede considerar como silicatos de aluminio hidratados. Entre los distintos tipos de arcilla utilizadas tenemos:

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    CAOLINITA: (2SiO2 . Al 2O3 . 2H2O) que es la arcilla mas comn. MONTMORILLONITA: ( 3SiO 2 . Al2O3 . (Mg, Ca, Na, K) O . H 2O + nH2O) es poco refractaria pero buen aglomerante. ILLITA: ( 4SiO 2 . Al 2O3 . (Fe, Mg, K, Ra) O . H 2O . nH2O) es poco refractaria. FLINT-CLAY: Es poco plstica, pero rica en almina. BALL- CLAY: Tiene buena plasticidad y buena refractariedad. Es importante determinar las impurezas que tienen las arcillas, ya que por ejemplo el Fe, Ca, Mg y el lcalis son elementos que bajan considerablemente el punto de fusin, mientras que las sustancias orgnicas influyen en la plasticidad. El punto de fusin de estos materiales oscila entre los 1.600 C y 1.785 C aproximadamente, aumentando en relacin directa con el contenido de almina. Estos refractari os no resisten bien el choque trmico. La conductividad trmica es similar a la de los silcicos, pero inferior a la de los bsicos. Los refractarios slico aluminosos que contienen entre un 55% y un 100% de Al2O3 se denominan de Alta Almina. Se fabrican agregndole almina a las arcillas naturales. Tambin se elaboran con almina pura. Entre las materias primas que aportan Al 2O3 tenemos: ANDALUCITA, SILIMANITA, CIANITA, GIBSITA, BAUXITA, DIASPORO, CORINDON, ETC. Estas se utilizan como inertes previamente calcinadas. Las propiedades ligantes son aportadas por las arcillas. Cuando el porcentaje de Al 2O3 es del 100%, estos materiales resisten temperaturas de 2.050 C. A medida que aumenta el porcentaje de almina, mejora la resistencia del material a la tempe ratura y se vuelve inerte a escorias bsicas o cidas, ya que la almina es anftera. De igual forma mejora la resistencia a los gases de combustin. Ya que pueden resistir gases oxidantes y reductores. Con el incremento del contenido de Al 2O3 aumenta la conductividad trmica. Hoy en da se utilizan cada vez mas los refractarios de alta almina, desplazando cada vez mas a los refractarios elaborados con arcillas naturales. Esto permite una mayor disponibilidad de los hornos y elementos de transporte (cuchar as de acero y vagones termo), dado el menor consumo de los mismos. Se utilizan en la fabricacin de los revestimientos de Altos Hornos, cucharas de arrabio, cucharas de acero y vagones termo.

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    1.4.1 Diagrama binario slice almina

    A.3) ZIRCON:

    Estos materiales, de uso poco comn, son dbiles cidos y bajo ciertas condiciones se comportan como neutros. Los zircn estn compuestos por Zr2SiO2 (zircn), con un 67% de ZrO 2 (zircona). La zircona pura tiene un punto de fusin de 2.700 C. Estos materiales se utilizan en procesos especiales; por ejemplo, para la produccin de ladrillos de almina pura por electrofusin, que se produce a 2.000 C. Se usan tambin en las en las buzas de descarga de los repartidores de colada continua, Tambin en cohetera.

    B) REFRACTARIOS NEUTROS : B.1) CARBURO DE SILICIO:

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    Se obtienen por electrofusin de carbono y silicio y por sus caractersticas, se pueden considerar neutros, an cuando algunos lo consi deran dbilmente cidos. Este material es muy bueno como refractario y como abrasivo. La disociacin completa del CSi se produce a 2.700 C, pero raramente se lo utiliza por encima de los 1.650 C. Se los usa en retortas, muflas, y tubos de recuperadores d e calor, tambin en zonas de hornos que requieran buena resistencia mecnica, al choque trmico y a la abrasin, baja expansin trmica y buena dureza. B.2) CROMITA: Se presenta como Cr 2O3FeO y contiene un porcentaje de Cr 2O3 del orden del 50%. Estos refractarios tienen una temperatura de ablandamiento del orden de los 2.100 C, son de caractersticas neutras, pero tienen una tendencia bsica para ciertas aplicaciones. Suelen utilizarse en los hornos para separar refractarios cidos de los bsicos. Mezclando estos refractarios con magnesita se obtienen los tipos: Cromo-magnesita y magnesita -cromo, muy buenos para resistir temperaturas mas elevadas y capas a alta temperatura. B.3) CARBONO Y GRAFITO: La temperatura de disociacin del carbono es superio r a 3.700 C, por ello, este material se uso como refractario, en estado amorfo o cristalino, o sea como carbono o grafito. Son resistentes a las escorias y poco mojados por los metales fundidos. Se usan en la fundicin de plomo, cobre, aluminio, etc. Su aplicacin mas importante es en el crisol de los Altos Hornos. Tambin se lo utiliza como electrodos en hornos elctricos. Suelen mezclarse el grafito natural con arcillas plsticas, para ser usados en crisoles. B.4) ACEROS REFRACTARIOS: Son aceros inoxid ables al nquel (8 a 20%) o el cromo (18 a 24%) y tienen un unto de fusin de 1.400 C. Se los usa en rangos de temperaturas del orden de los 1.000 C, en zonas de tratamientos trmicos, tubos de calderas, etc. Tambin se los utiliza, refrigerados con agua , en las puertas de carga de hornos elctricos; se trata de cajas de acero por las que circula agua de refrigeracin (cajas fras).

    C) REFRACTARIOS BSICOS : C.1) DOLOMITA:

    Este mineral es un carbonato doble de calcio y magnesio, que calc inado, contiene 58% de CaO y 42% de MgO.

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    Tiene un elevado punto de fusin, 2.300 C (al estado puro) y prcticamente se encuentran valores siempre superiores a 2.000 C. Tiene alta resistencia a las escorias bsicas y excelente resistencia al choque trmic o. Como desventaja tiene una alta sensibilidad a la hidratacin despus de su calcinacin. Este fenmeno es reducido llevando la calcinacin hasta los 1.700 C y mas, obtenindose as una parcial sinterizacin. Tambin se agrega alquitrn para proteger la dolomita contra la hidratacin. C.2) MAGNESITA: Es el producto refractario cuyo constituyente principal es el xido de magnesio (forma cristalina denominada PERICLASA) y la suma de impurezas que lo acompaan es del orden del 15%. La materia prima de pred ominante importancia es el carbonato de magnesio (MgCO3). El OMg se obtiene calcinando el mineral. Durante este procedimiento ocurre primero la perdida de CO 2, formndose la magnesita custica a los 1.000 C con caractersticas anlogas a la cal viva, por lo cual es fcilmente hidratable. Cerca de los 1.400 C comienzan a formarse los primeros cristales de Periclasa, aumentan de volumen con el aumento de la temperatura. Cuando los cristales han alcanzado los 20 a 25 micrones se dice que la magnesita esta calcinada a muerte, y apta para ser utilizada. En estas condiciones el OMg muy difcilmente se hidrata. El OMg puro funde a 2.800 C y aunque las impurezas siempre presentes bajan sensiblemente dicha temperatura, la magnesita utilizada funde a no menos de 2.000 C. La magnesita tiene alta refractariedad y es muy resistente al ataque de escorias bsicas. Como contrapartida es poco resistente al choque trmico. Su peso especfico es de 2,65 gr/cm3. Se aplican en las bodegas y paredes de los Hornos Siemens Mart n, paredes y soleras de los hornos elctricos y en los revestimientos de trabajo de los convertidores LD y OBM.

    1.5 Propiedades qumicas y fsicas de los materiales Refractarios y breves explicaciones sobre mtodos de control

    Para poder escoger el revestimie nto refractario adecuado para los hornos, es preciso conocer con la mayor exactitud posible las caractersticas de los materiales refractarios por una parte y por otra las cargas del material en servicio. Como es imposible llegar al valor ideal de todas las caractersticas, se tiene que ajustar el material refractario a los conceptos de mayor importancia para su utilizacin y escogerlo con arreglo a los mismos. Para determinar las caractersticas de los ladrillos y especialidades se hace uso de diversos mtodos de control que en la mayora de los casos estn normalizados. La relacin entre cargas de servicio en hornos industriales y los aspectos fundamentales de utilizacin de los ladrillos refractarios viene indicada en la siguiente tabla:

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    TIPO DE CARGA

    ASPECTOS DE UTILIZACION

    1. TERMICA

    1. REFRACTARIEDAD 2. DILATACIN 3. VARIACION LINEAL

    PERMANENTE 4. RESISTENCIA A LOS

    CAMBIOS BRUSCOS DE TEMPERATURA

    5. CONDUCTIVIDAD TERMICA

    2. MECANICA

    1. RESISTENCIA A LA

    COMPRESIN 2. RESISTENCIA A LA FLEXION 3. RESISTENCIA AL DESGAST E 4. POROSIDAD Y DENSIDAD

    3. TERMICA Y MECANICA

    1. REFRACTARIEDAD BAJO

    CARGA EN CALIENTE 2. RESISTENCIA A LA FLEXION

    EN CALIENTE

    4. QUIMICA

    1. PERMEABILIDAD AL GAS 2. RESISTENCIA A ESCORIAS

    1) SOLICITACIN TERMICA :

    1.1) REFRACTARIEDAD:

    Un material refractario est c onstituido por cristales circundados de una fase vtrea, cuando ya tiene estabilizada su estructura. Con el aumento de la temperatura se incrementa el porcentaje de vidrio y disminuye el de la fase cristalina. Es all cuando la fase vtrea comienza a trans formarse en una masa viscosa y se inicia el proceso de ablandamiento. Se trata de determinar la temperatura a la que el material se desmorona y aparece lquido o pastoso. El ensayo se realiza calentando en el horno, probetas del material de forma piramidal (conos), junto a conos de materiales que tienen punto de fusin conocidos (conos piromtricos equivalentes) los que se colocan sobre una placa.

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    El punto de fusin del material ser igual al del cono piromtrico equivalente que se comba al mismo tiempo; ello estar dado cuando la punta de la pirmide de la muestra y el cono, toquen la placa sobre la que apoyan. Existe una escala, con conos piromtricos de distinto punto de fusin, por lo que la refractariedad se da en grados ce ntgrados y en el numero de cono correspondiente.

    En la figura se observa como quedan los conos luego de la coccin.

    1.2) DILATACIN TERMICA: Todos los cuerpos experimentan una modificacin reversible del volumen por influencia de la te mperatura.

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    1. Slice 2. Almina 3. Cromo Magnesita 4. Magnesita

    En la figura se indican las dilataciones lineales reversibles de algunos ladrillos refractarios. Las curvas de dilatacin de la mayor parte de los ladrillos son rectilneas, an cuando se diferencian mucho de los valores totales entre s. Para los ladrillos de slice hasta los 700 C la dilatacin es fuerte e irregular. En cambio los ladrillos de magnesita presentan altos valores de dilatacin para altas t emperaturas. La dilatacin trmica tiene mucha importancia en la practica, ya que para los revestimientos de grandes instalaciones, se tienen que calcular las compensaciones por dilatacin. De lo contrario son de esperar presiones en los bordes y roturas anticipadas de las cabezas de ladrillos, que se cumplan con frecuencia inciertamente de resistencia insuficiente a los cambios bruscos de temperatura.

    1.3) VARIACION LINEAL PERMANENTE: Despus del calentamiento a alta temperatura y enfriamiento final, quedan frecuentemente modificaciones de longitud, denominndose como dilataciones o contracciones. Estas deben diferenciarse de la dilatacin reversible. Si un ladrillo experimenta una contraccin posterior excesiva, crecen las juntas de en proporcin, la mamposte ra se afloja y se producen fugas. En caso contrario, la dilatacin posterior

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    es tambin peligrosa, porque pueden producirse asimismo roturas de la mampostera por cargas de presin.

    1.4) RESISTENCIA A LOS CAMBIOS DE TEMPERATURA (SPALLING): Es una de las propiedades ms importantes. Las oscilaciones de temperatura pueden reducir notablemente la resistencia de la textura del ladrillo, producindose el desmoronamiento o desprendimiento de capas. Para determinar la resistencia del material al spalling o choque trmico, se ensaya calentando y enfriando una probeta y se verifica como se produce la desintegracin y cuantos ciclos trmicos soporta.

    1.5) CONDUCTIVIDAD TERMICA:

    Para medirla se utiliza un equipo que comprende un plato caliente, sobre el que se coloca el ladrillo sobre su cara ms grande , con un aislamiento alrededor a fin de asegurar un flujo de calor paralelo a travs del ladrillo. En la parte superior se encuentra otro disco fro. La temperatura de la cara caliente y la del disco se miden con termocuplas. El calor perdido desde el disco por conveccin y radiacin se calcula por formulas empricas y la conductividad trmica se calcula utilizando el calor que atraviesa el bloque y el gradiente de temperaturas despus de que se han establecido la s condiciones de equilibrio. CONDUCTIVIDAD TERMICA DE LADRILLOS COCIDOS

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    1. Aislantes 2. Arcilla 3. Cromita 4. Magnesia Cromo 5. Alta Almina 6. Magnesita 7. Carburo de silicio 8.Grafito El valor de la conductividad trmica obtenido es un valor efectivo, en cuanto que el modo de transmisin de calor a travs de un refractario tpico de 25% de porosidad, solamente se hace por conduccin parcialmente a travs de los granos de mineral y de las uniones entre un grano y el siguien te. A temperaturas elevadas tiene importancia la conveccin en los poros y especialmente, la radiacin a travs de los intersticios. Por lo tanto, existe una relacin entre la conductividad medida de la forma antedicha y la estructura o textura del ladri llo. Cuando se quiere conseguir baja conductividad se fabrican ladrillos muy porosos.

    2) SOLICITACIN MECANICA :

    2.1) RESISTENCIA A LA COMPRESIN EN FRIO:

    Se mide a travs de un ensayo de compresin. Se utiliza para asegurar que el ladrillo no romper en hornos , donde el mismo est sometido a grandes presiones. Tambin sirve para determinar si el ladrillo ha sido

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    bien cocido o no. Indica adems, la capacidad del mismo a ser transportado sin daar esquinas y aristas.

    2.2) RESISTENCIA A LA FLEXION:

    El ensayo consiste en someter a una probeta apoyada sobre dos filos, a una carga concentrada central. As se determina la resistencia a la flexin y el modulo de deformacin. Mide en general la calidad del refractario.

    2.3) RESISTENCIA AL DESGASTE:

    Existe en los hornos un ataque abrasivo producido por el material que se desliza dentro del mismo y por el efecto de choque de los gases, que en su paso rpido llevan finas partculas slidas. Los ensayos para medir la abrasin hoy utilizados (por ejemplo chorro de arena), se realizan en fro no obtenindose valores representativos ya que en servicio, el refractario se ve sometido a temperaturas elevadas modificndose su resistencia superficial, an por influencias qumicas. Por lo tanto no existe todava ningn mtodo reconocido que lo tenga en cuenta.

    2.4) POROSIDAD Y DENSIDAD:

    En la fabricacin de refractarios (a excepcin del material aislante) se cuenta normalmente con la porosidad pequea, ya que con una buena solidificacin de la masa del ladrillo se consigue elevar l a resistencia mecnica. La escasa porosidad influye tambin positivamente en otros aspectos de los ladrillos refractarios. La porosidad total de un ladrillo refractario, es la relacin entre el espacio total de los poros (ya sean poros abiertos o cerrados) de un cuerpo y su volumen, expresando en porcentajes de volumen. Se determina a travs de la densidad ( j). Porosidad total = ( j - jA ) / j La densidad (j) es conciente entre la masa y el volumen, excluyendo el espacio de los poros ( se desm enuza muy finamente el material para medirla). La densidad aparente ( jA) es el cociente entre la masa y el volumen que aparenta la pieza (no excluye los poros). La porosidad abierta abarca nicamente los poros infiltrables en el agua; la porosidad cerrada no.

    SOLICITACIN TERMICA Y MECANICA:

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    3.1) REFRACTARIEDAD BAJO CARGA EN CALIENTE: Existen refractarios que debido a su estructura cristalina se aplastan bruscamente. Otros dejan transcurrir un tiempo mayor entre el ablandamiento y posterior fusin. Es importante determinar la presencia de compuestos de bajo punto de fusin, que al formar liquido acta como acta como lubricante entre las partculas inertes mas refractarias. El material se deforma por peso y temperatura.

    REFRACTARIEDAD BAJO CA RGA EN CALIENTE

    1. Arcilla 2. Slice 3. Magnesia Cromo

    3.1) Para determinar el efecto de la carga en el refractario a temperatura, se realiza el siguiente ensayo: Sobre una probeta se aplica una carga constante, c alentndose a una velocidad constante. La atmsfera del horno debe ser oxidante y una vez terminado se determina la contraccin media porcentual referida a la longitud inicial.

    3.2) RESISTENCIA A LA FLEXION EN CALIENTE: Con el horno en servicio, surgen tensio nes en la mampostera refractaria, que pueden conducir a rotura o formacin de fisuras en los ladrillos. Para determinar su resistencia a la flexin se utilizan barras refractarias de prueba colocadas en el horno de calentamiento elctrico. Las barras se colocan sobre los filos dentro del horno, cargando a temperatura de controlen lnea ascendente, en el centro de la barra hasta su rotura.

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    3) SOLICITACIONES QUMICAS : 4.1) PERMEABILIDAD AL GAS:

    Determina la particularidad de un cuerpo slido poroso al pa so de gas en un sentido, por efecto de una pendiente de presin. Los gases influyen considerablemente en la duracin del refractario. Los ejemplos mas conocidos son: - Efecto del monxido de carbono de 400 -500 C en los ladrillos slico-aluminosos conteniendo oxido de hierro. Bajo la influencia cataltica del oxido de hierro, se produce la descomposicin del gas CO y acumulacin del carbono en el interior del ladrillo, que pueden conducir a reblandecer la estructura del ladrillo. - Efecto del metano (CH4) por encima de los 900 C. Tambin aqu se produce una acumulacin del carbono en partculas de oxido de hierro, lo que provoca el reblandecimiento de su estructura. - Efecto de la atmsfera reductora y oxidante variable a los productos que contienen mineral de cromo, a unos 1.000 o mas grados centgrados. Se producen reblandecimientos lentos y destrucciones de la estructura.

    4.2) RESISTENCIA A ESCORIAS:

    Determina la resistencia al refractario a todo tipo de ataques qumicos, incluyendo gases y vapores. El ensayo mas difundido consiste en hacer un hueco en el ladrillo y colocar en el inferior escoria finamente molida. Posteriormente se calienta hasta llevarlo a la temperatura adecuada durante un cierto tiempo. Luego se corta el materi al y se determina la superficie que fue disuelta por la escoria. Cuanto mas poroso sea el ladrillo, mayor ser el ataque de la escoria a altas temperaturas.

    1.6 Fabricacin de materiales refractarios Los ciclos que se completan en el proceso de elaboracin son:

    - Materia prima - Trituracin y molienda - Clasificacin - Mezcla u homogeneizacin - Preparacin del pastn - Moldeado - Secado - Coccin - Seleccin - Expedicin

    1) Materia prima:

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    Una vez recibida se le efecta todos los ensayos de rigor a los efectos de verificar su calidad. Luego se la almacena en lugar adecuado, cubierto o no, segn las caractersticas de la misma.

    2) Trituracin y molienda: En esta etapa no solo se busca la reduccin del tamao de los granos de las materias primas, sino obtener un con junto de partculas que posean la distribucin granulomtrica necesaria para su posterior tratamiento. Adems del tamao final del grano, es importante la dureza de la materia prima para elegir el equipo conveniente. Otra caracterstica importante es la hu medad de la materia prima. Si es menor del 4% se producen perdidas de polvos. Si es mayor del 4% el material se empasta, presentando adherencias entre partculas o con elementos de la mquina. El rendimiento de los equipos utilizados en trituracin son b ajos, oscilan entre 0,2 y 2%.

    3) Clasificacin: Una vez efectuada la reduccin del tamao de la partcula, se procede a separarlas en funcin de los distintos dimetros obtenidos. Esta operacin se realiza haciendo pasar el material a travs de zarandas o tamices, con aberturas de distintas medidas, retenindose en cada una los granos que tienen mayor tamao que los orificios de este tamiz y que han pasado por la zaranda anterior, de orificios mayores. El material retenido en el primer zaranda o tamiz, es el que tiene medidas que superan a las mximas necesarias en el proceso. Esta parte del producto, es devuelta al molino para su posterior trituracin o molienda. Cada uno de estos tamaos obtenidos, es almacenado en un silo determinado.

    4) Mezcla y homogeneiza cin: Posteriormente se procede al dosaje de los componentes, que despus de su oportuno mezclado, formaran al pastn destinado al prensado. La dosificacin se realiza segn peso o volumen. El primero es mucho mas preciso, siempre y cuando la humedad es te perfectamente controlada.

    5) Preparacin del pastn: Despus del dosaje, los componentes son mezclados y se le agrega el agua necesaria para efectuar el prensado.

    6) Moldeado: Una vez obtenida la mezcla ya homogeneizada, se la somete al moldeado, segn alguno de los tres procedimientos siguientes:

    a) Prensado mecnico b) Extrusin c) Moldeado a mano

    6.a) Prensado mecnico:

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    Existen tres tipos de prensas: 6.a.1) Mecnicas: R ealiza el movimiento de prensado desde arriba con un sistema a biela. 6.a.2) Hidrulica: Realiza el movimiento de prensado mediante la . presin de agua o aceite. 6.a.3) Friccin: El pistn esta vinculado a un tornillo sin fin, que en su otro extremo tiene una rueda horizontal, la cual se puede vincular a una o dos ruedas que giran soli darias a un eje

    normal al sentido de prensado. Con ello se logran los movimientos de ascenso y descenso del pistn.

    La prensa mecnica transmite una fuerza constante, mientras que la presin es variable en las distintas repeticiones. La prensa hidrulica aplica presin constante y permite regular la fuerza. Esta diferencia hace que con la prensa mecnica se tenga un mejor control dimensional y no uniformidad de las propiedades del material. En cambio en la prensa hidrulica es al revs. Mediante la prensa a friccin el operador puede reprensar las veces que quiera, utilizndose principalmente para piezas de considerable espesor. Es una prensa dinmica. 6.b) Extrusin:

    Permite una mayor densificacin del producto fina l. Se hace pasar la pasta a travs de una seccin determinada y luego se

    corta. Se expulsa generalmente a travs de un tornillo sin fin. Posteriormen te se prensa la pieza obtenida. 6.c) Moldeado a mano:

    Se utiliza este procedimiento si la pieza es muy grande (mas de 100 mm. De lado), o si la pieza es muy complicada. Tambin cuando las cantidades requeridas no justifican la fabricacin de la matri z metlica, la cual generalmente es muy costosa.

    7) Secado: Luego se debe eliminar el agua no combinada (intersticial). Una forma es mediante secado al aire, lo cual requiere fundamentalmente un espacio resguardado de cambios climticos. Otra forma es la uti lizacin de un tnel sometido a la circulacin de aire, con humedad controlada de modo que los valores de humedad y temperatura o lo largo del mismo sean inversamente proporcionales (es decir a mxima humedad, corresponde mnima temperatura y viceversa).

    8) Coccin: Proceso por el cual se tratan las materias primas precalcinadas, a los efectos de lograr que se produzcan ciertas reacciones qumicas y que se formen los compuestos necesarios para el consolidamiento de las partculas y el posterior uso de la pie za. Hay que tener en cuenta que durante el mismo existe una reduccin de porosidad, producindose una reduccin dimensional del ladrillo.

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    La temperatura de coccin depende del material. Se debe cuidar de no superar la temperatura de ablandamiento del mismo , ya que se obtendran piezas deformadas y hasta pegadas entre s. Es importante controlar la uniformidad de temperatura en el horno y evitar los golpes de llama sobre el producto. Tambin se debe tener un riguroso respeto de la curva de coccin tanto que en la zona de calentamiento como enfriamiento para que no se verifiquen tensiones y roturas.

    1.7 Uso de los materiales refractarios en los distintos hornos

    1.7.1 Alto Horno Perfil del alto horno :

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    En la zona del tragante, la principal solicitacin es la abrasin mecnica. La silimanita es lo mas conveniente para ello. En el tragante y la parte superior de la cuba, se produce la siguiente reaccin (a temperaturas de 500 C): 2CO CO 2 + C El carbono se deposita en los poros del ladrillo, se va acumulando y provoca tensiones que agrietan el mismo. Para esta zona se utilizan ladrillos slico aluminosos de 45% Al2O3, con una porosidad de 18 a 20%.

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    En la parte inferior de la cuba, vientre y etalaje las soli citaciones principales son:

    - Abrasin y corrosin por parte de la escoria y arrabio liquido. - Corrosin por lcalis (Na 2O y K2O) - Erosin por los gases. El ataque del lcalis es uno de los efectos mas perjudiciales, pues ataca al refractario formando compues tos diversos, en general de baja refractariedad. Entran en el Alto Horno como silicatos complejos, en la ganga del mineral y en las cenizas del coque. Penetran en los poros de los ladrillos como vapores, que se condensan dentro de los mismos provocando la corrosin del ladrillo. En esta zona se utilizan ladrillos de alta almina (90% Al 2O3), con muy baja porosidad (11 a 15%). La tendencia actual es utilizar ladrillos de carburo de silicio, muy resistentes a los vapores alcalinos, sumado al hecho de tener mu y buena conductividad trmica. El problema es que se degrada frente a los vapores de H 2O, teniendo en cuenta que se utilizan en la zona de refrigeracin. La zona de toberas esta sometida a choque trmico. Para ello lo mas conveniente son ladrillos de silimanita. En el crisol las solicitaciones son: - Corrosin por escoria. - Erosin por escoria y arrabio liquido. - Variacin dimensional generada por tensiones trmicas y mecnicas. Los bloques de carbono son los mas adecuados para esta zona, ya que poseen baja humectabilidad frente a los lquidos, baja permeabilidad, gran estabilidad volumtrica y alta conductividad trmica.

    1.7.2 Convertidor LD El revestimiento de seguridad (para contrarrestar eventuales perforaciones), est formado por ladrillos de magnesita cocida. El revestimiento de trabajo debe ser cuidadosamente balanceado, a efectos de obtener un desgaste homogneo del mismo. De esta manera vara la calidad o el espesor de los materiales refractarios utilizados, en funcin de las solicitaciones en cada una de las regiones del LD. Hoy en da el balanceamiento del revestimiento LD se hace exclusivamente por calidad. - En la zona de impacto, se vuelca el arrabio liquido y la carga slida constituida

    bsicamente por chatarra. Por lo tanto el refractario, se ve somet ido primero al impacto y luego a la erosin por deslizamiento tanto de la chatarra como del arrabio. Se debe tener en cuenta, que este ultimo al tomar contacto con el revestimiento, hace que el mismo eleve su temperatura por encima de los 800 C. El refractario requiere alta resistencia mecnica por encima de los 800 C. En estas condiciones, el refractario debe tener un bajo mdulo de elasticidad (E) para absorber los impactos y elevada resistencia mecnica a temperaturas superiores a los 800 C, para resi stir la abrasin provocada por el deslizamiento de la chatarra. El refractario ms conveniente para ello, es de magnesita cocida impregnada en alquitrn.

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    - Debido al basculamiento del convertidor entre colada y colada, las zonas de los muones son las que se encuentran continuamente expuestas a la atmsfera oxidante. Esta oxidacin destruye la matriz del ladrillo, causando su desintegracin. Se suma a ello, el esfuerzo mecnico transmitido al refractario cuando el convertidor bascula, esfuerzo ste que es transmitido fundamentalmente por el mun traccionado . Ello indica que el refractario debe tener baja porosidad, baja permeabilidad y bajo modulo de elasticidad. Normalmente en esta zona, se utilizan ladrillos de magnesita cocida impregnada en alquitrn. Hoy en da la tendencia es utilizar ladillos de magnesio carbono (15% de C) que son muy resistentes al ataque qumico, pero su resistencia es inferior al de los magnesianos cocidos. PERFIL DEL CONVERTIDOR LD :

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    Desarrollo plano del revestimiento de trabajo balanceado.

    La regin de la piquera es agredida por los factores ambientales, ya que permanece en contacto con el metal liquido (no reactivo), apenas durante

    - algunos minutos en cada colad a. Este contacto intermitente genera choques trmicos. Adems esta sometida a una atmsfera oxidante durante el soplado. Por lo tanto el refractario deber tener baja porosidad, baja permeabilidad y resistencia al choque trmico. Se utilizan ladrillos de m agnesita ligadas con resinas o de magnesita-carbn.

    - La regin del cono superior trabaja a temperaturas relativamente inferiores, si se las compara con las de regin del bao. No es una regin critica en trminos de desgaste. Sin embargo se encuentra someti da al ataque por oxidacin y choque trmico. Se utilizan ladrillos de magnesita ligada con alquitrn.

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    - En la regin del fondo la principal solicitacin es el ataque de la escoria, ya que la escoria se encuentra en emulsin dentro del bao metlico. Se utili zan ladrillos de magnesita ligada con alquitrn y actualmente la tendencia es magnesita -carbn.

    1.7.3 Horno elctrico

    El revestimiento de seguridad de la solera, esta constituido por varias filas de ladrillos de magnesita cocida (95% de OMg). El revestimiento de trabajo de la solera, sta formado por una masa apisonada de oxido de magnesio (mas de 95% de OMg), enrgicamente compactada en varias capas con un vibrador. La solera se encuentra sometida a las siguientes solicitaciones: Impa cto de chatarra, erosin del acero liquido y ataque de la escoria durante el basculamiento del horno. Para que la solera recin constituida no sea daada durante el primer cargamento, es necesario tomar los siguientes recaudos: - Cubrir toda la extensin de la solera con chapas finas. - Evitar la chatarra pesada en la primer carga. Durante las cargas subsiguientes siempre se deja un resto liquido, para que sirva de amortiguante de las cargas posteriores. En las paredes laterales el ataque de la escoria si gue siendo el responsable del desgaste de los refractarios, aunque en menor medida que la pared lateral inferior. Tambin es atacado por los humos provenientes de la aceracin, cuyo principal agente de corrosin es el FeO que transportan. La perdida de mat erial refractario se debe a rajaduras originadas por el spalling, por las cuales se introduce la escoria y los humos ocasionando su degradacin.

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    El refractario entonces deber tener baja porosidad y resistencia al choque trmico. Por eso las paredes se co nforman con ladrillos de magnesita ligada en alquitrn. La bveda de un horno elctrico tiene forma de cpula y contiene electrodos, para la salida de humos y en algunos casos, para la carga continua de materias primas. La existencia de estas aberturas deb ilita la bveda. La bveda esta sometida a: Temperaturas elevadas causada por la radiacin del arco, ataques qumicos por parte de la escoria y por los humos y por las tensiones termomecnicas que ocasiona en enfriamiento repentino, que ocurre cuando se desplaza la bveda para la carga, seguida de un calentamiento rpido. Las bvedas de los hornos generalmente estn conformadas con ladrillos de 70 -85% de Al2O3 y en el centro de la bveda se utiliza un hormign de 90% de Al 2O3 con liga fosfrica. Una nueva tendencia es la de utilizar ladrillos de magnesia -carbn. Su resistencia a corrosin y erosin es muy buena, sumada a su gran resistencia al shock elctrico. Debido a que su conductividad trmica es alta, su vida se puede incrementar, mediante un enfriamie nto intenso desde el exterior con paneles refrigerados por agua, para reducir la temperatura de la superficie en servicio. En los esquemas siguientes se detallan tanto los paneles como las bvedas refrigeradas.

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    1.7.4 Horno rotativo En la zona de sinterizacin se utilizan ladrillos de magnesita cocida en liga directa, ya que tienen alta resistencia al fuego y al ataque qumico. En esta zona se forma una costra, con las acumulaciones proceden tes de los crudos adheridos al revestimiento y que lo protege de los efectos directos de la llama,

    cambios bruscos de temperatura e infiltraciones. Entre la zona de seguridad y la sinterizacin, se encuentra el limite de la c ostra protectora y en el caso de una direccin irregular de la llama el extremo de la misma somete al revestimiento a grandes esfuerzos. Generalmente se utilizan ladrillos de magnesita-cromo (60% de OMg), pues tienen baja conductividad trmica y una mejor flexibilidad, lo cual es ventajoso para un funcionamiento libre de costras. La experiencia indica que es recomendable establecer una zona de seguridad, con ladrillos de 70% de Al 2O3. El esfuerzo a que se somete el revestimiento refractario en la zona de ca lcinacin, es de importancia secundaria en lo que respecta al concepto qumico y trmico. El revestimiento debe ser con vistas a un balance trmico favorable, principalmente aislante. El revestimiento clsico para la reduccin de las perdidas de calor en e sta zona del horno , es la colocacin de dos capas a base de revestimiento de trabajo con ladrillos de 38% Al 2O3, sobre una capa de ladrillo aislante (alta porosidad). Dentro del precalcinador, los lcalis son normalmente el origen de formaciones de costras y corrosiones. Los lcalis reaccionan con los silicatos de almina, formando as los compuestos de feldespato. Estas reacciones van unidas a un aumento de volumen y producen un desmoronamiento de las superficies de los ladrillos. Se utilizan ladrillos de 45% de Al2O3 de baja porosidad.

    El refractario de los ciclones, est sometido a abrasin y el del enfriador a cambios bruscos de temperatura. En ambos se utilizan ladrillos de 38% de

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    Al 2O3.