AISLANTE Y MATERIALES REFRACTARIOS(Traducción)

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5. AISLANTE Y MATERIALES REFRACTARIOS Programa Aislante y materiales refractarios: Tipos de aislamiento y aplicación, espesor económico del aislante, ahorros de calor y criterios de aplicación, tipos de Refractarios, selección y aplicación de materiales refractarios, pérdida de calor. 5.1 Propósito del aislante Un aislante térmico es un conductor pobre del calor y tiene una conductividad térmica baja. El aislante se utiliza en edificios y en procesos de fabricación para prevenir aumento o pérdida de calor. Aunque su propósito primario es el económico, también proporciona a un control más exacto de temperaturas de proceso y a la protección del personal. Previene la condensación en superficies frías y la corrosión resultante. Tales materiales son porosos, conteniendo gran número de células de aire inactivas. El aislante térmico entrega las siguientes ventajas: • Reduce el consumo de energía total • Las ofertas mejoran control de proceso manteniendo temperatura de proceso. • Previene la corrosión guardando la superficie expuesta de un sistema refrigerado sobre el punto de condensación. • Proporciona a la protección contra los incendios al equipo. • Absorbe la vibración. 5.2 Tipos y aplicación El aislante se puede clasificar en tres grupos según las gamas de temperaturas para las cuales se utilizan. Aislantes de la baja temperatura (hasta 90°C)

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5. AISLANTE Y MATERIALES REFRACTARIOS

ProgramaAislante y materiales refractarios: Tipos de aislamiento y aplicación, espesor económico del aislante, ahorros de calor y criterios de aplicación, tipos de Refractarios, selección y aplicación de materiales refractarios, pérdida de calor.

5.1 Propósito del aislante

Un aislante térmico es un conductor pobre del calor y tiene una conductividad térmica baja. El aislante se utiliza en edificios y en procesos de fabricación para prevenir aumento o pérdida de calor. Aunque su propósito primario es el económico, también proporciona a un control más exacto de temperaturas de proceso y a la protección del personal. Previene la condensación en superficies frías y la corrosión resultante. Tales materiales son porosos, conteniendo gran número de células de aire inactivas. El aislante térmico entrega las siguientes ventajas:

• Reduce el consumo de energía total

• Las ofertas mejoran control de proceso manteniendo temperatura de proceso.

• Previene la corrosión guardando la superficie expuesta de un sistema refrigerado sobre el punto de condensación.

• Proporciona a la protección contra los incendios al equipo.

• Absorbe la vibración.

5.2 Tipos y aplicación

El aislante se puede clasificar en tres grupos según las gamas de temperaturas para las cuales se utilizan.

Aislantes de la baja temperatura (hasta 90°C)

Este rango cubre los materiales de aislamiento para los refrigeradores, los circuitos de agua fríos y calientes, los tanques de almacenaje, etc. Los materiales de uso general son corcho, madera, magnesia al 85%, fibras minerales, poliuretano y poliestireno expandido, etc

Aislantes medios de la temperatura (90 – 325°C)

Los aisladores en este rango se utilizan en la baja temperatura, calefacción y vapor levantando el equipo, las líneas de vapor, los conductos etc. del tubo. Los tipos de materiales usados en esta gama de temperaturas incluyen la magnesia del 85%, el asbesto, el silicato de calcio y las fibras minerales. etc.

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Aislantes de alta temperatura (325° C - arriba)

Las aplicaciones típicas de tales materiales son los sistemas del vapor, el secador y los hornos super calentados, etc. del horno. Los materiales más extensivamente usados de este rango son asbesto, silicato del calcio, fibra mineral, mica y vermiculita basada en aislante, arcilla refractaria o silicona basada en aislante y fibra de cerámica.

Material de aislante

Los materiales de aislante se pueden también clasificar en tipos orgánicos e inorgánicos. Los aislantes orgánicos se basan en los polímeros del hidrocarburo, que se pueden ampliar para obtener estructuras altamente vacías.

Ejemplo: Thermocol (poliestireno ampliado) y forma polivinílica del uretano (PUF).

El aislante inorgánico se basa en los materiales silíceos/aluminosos/del calcio en formas fibrosas, granulares o del polvo.

Ejemplo: Lanas minerales, silicato etc. del calcio.Las características de los materiales de aislamiento comunes están como sigue:

Silicato del calcio: Utilizado en la tubería de la planta del proceso industrial donde son necesarias la alta temperatura del servicio y la fuerza compresiva. Las gamas de temperaturas varían a partir del 40 C a 950 C.

Lanas minerales de cristal: Éstos están disponibles en formas flexibles, losas rígidas y secciones preformadas del trabajo del tubo. Bueno para el aislante termal y acústico para la calefacción y las tuberías de refrigeración del sistema. La gama de la aplicación de temperaturas es - 10 a 500 C

Thermocol: Éstos se utilizan principalmente como aislante frío para la tubería y la construcción de cámaras frigoríficas.

Secciones de silicato de calcio Lana de vidrio mineralFig 5.1

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Caucho de nitrilo ampliado: Éste es un material flexible que forma una barrera integral del vapor de célula cerrada. Convertido originalmente para el control de la condensación en trabajo del tubo de la refrigeración y líneas de agua enfriadas; también utilizado hoy en día para el aislante de la canalización para el aire acondicionado.

Lana mineral de roca: Esto está disponible en un rango de formas de productos laminados ligeros para las losas rígidas pesadas incluyendo secciones preformadas del tubo. Además de buenas características del aislante térmica, puede también proporcionar aislamiento acústico y es retardante de incendios.

Uso del aislante moldeado

Los materiales del revestimiento se pueden obtener en bulto, bajo la forma de secciones moldeadas; semi-cilíndricas para los tubos, losas para los buques, los bordes, las válvulas etc. La ventaja principal de las secciones moldeadas es la facilidad de la aplicación y del reemplazo al emprender las reparaciones para el revestimiento dañado.

La conductividad térmica de un material es la pérdida de calor por área de unidad por espesor del aislante de la unidad por diferencia de la temperatura de la unidad. La unidad de medida es W-m2/m°C o W-m/°C. La conductividad térmica de materiales aumenta con temperatura. Por lo tanto conductividad térmica se especifica siempre a la temperatura promedio (medio de las temperaturas calientes y frías de la cara) del material de aislante.

Las conductividades térmicas de los materiales de aislante calientes y fríos típicos se dan en tabla 5.1 y el cuadro 5.2.

Tabla 5.1.- Conductividad térmica de aislante de calor

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Tabla 5.2.- Conductividad térmica del aislante frío

5.3 Cálculo del espesor del aislante

El modelo más básico para el aislante en un tubo se muestra abajo. r1 muestra el radio exterior del tubo, r2 muestra el radio de la tubería+ aislante.

La pérdida de calor de una superficie se expresa como

H = h X A x (Th-TA)

Donde

h = coeficiente de transferencia de calor, W/m2-K

H =Pérdidas de calor, Vatios

Ta=Temperatura ambiente promedio, ºC.

Ts= Temperatura superficial del aislante actual/deseada, °C

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Th = temperatura superficial caliente (para la tubería de fluido caliente), °C y temperatura superficial fría para tubería de fluido frío

Para los tubos horizontales, el coeficiente de traspaso térmico se puede calcular con:

h = (A + 0.005 (Th - TA)) x 10 W/m2-K

Para los tubos verticales,

h = (B + 0.009 (Th - TA)) x 10 W/m2-K

Usando los coeficientes A, B según lo dado abajo.

k = conductividad térmica del aislante en la temperatura indicada de Tm, W/m-C

tk = espesor del aislante, milímetros

r1 = radio externo real del tubo, milímetros

r2 = (r1 + tk)

Rs= Resistencia térmica de la superficie

Rl = Resistencia del aislante =

El flujo del calor de la superficie del tubo y del ambiente se puede expresar como sigue:

H= Flujo de Calor, en Watts

De la ecuación antedicha, y para los Ts deseados, Rl puede ser calculado. De Rl y el valor de la conductividad térmica k conocida, espesor del aislante puede ser calculado.

Espesor equivalente de aislamiento para tubería:

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5.4 Espesor económico del aislante (ETI)

El aislante de cualquier sistema significa gastos en inversión de capital. Por lo tanto el factor más importante de cualquier sistema de aislamiento es analizar el aislante térmico con respecto a coste. La eficacia del aislante sigue la ley de retornos en disminuciones. Por lo tanto, hay un límite económico definido a la cantidad de aislante, el cual es justificado. Un espesor grande es poco económico y no se puede recuperar con pequeños ahorros de calor. Este valor límite se llama como espesor económico de aislamiento. Un caso ilustrativo se da en el cuadro 5.3. Cada industria tiene diversos costes del combustible y eficiencia de la caldera. Estos valores se pueden utilizar para calcular el espesor económico del aislante. Esto muestra que el espesor para un conjunto dado de las condiciones resulta en el coste total más inferior de aislamiento y pérdida de calor combinado durante un periodo de tiempo dado. El cuadro siguiente 5.4 ilustra el principio de espesor económico del aislante.

Aislante de Insulation50 milímetro comparado con el anuninsulatedpipe: litreoil 275-25= 250 Kcal/m260 por el aislante de year50 milímetro comparado con 100 milímetros de aislante: 25-15= 10Kcal/m9litreoil por yearHeat

Aislante de 50 milímetros comparado con la tubería sin aislante: 275-25= 250 Kcal/m

260 litros de combustible por año

Tubería de 50 mm de aislante comparado con la de 100 milímetros de aislante:

25-15= 10Kcal/m

9 litros de aislante por año

Cuadro 5.3 ilustración del aislante óptimo

El método más simple de analizar si usted debe utilizar 1” o aislante 2” o 3 el” es comparando el coste de pérdidas de energía con el coste de aislar el tubo. El espesor del aislante para el cual el coste total es mínimo se llama como espesor económico. Referir la fig. 5.4 La curva que representa el coste total reduce inicialmente y después de alcanzar el espesor económico que corresponde al coste mínimo, aumenta.

La determinación del espesor económico requiere la atención a los factores siguientes.

i. Coste de combustible

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ii. Horas de operación anuales

iii. Contenido de calor del combustible

iv. Eficacia de la caldera

v. Temperatura superficial de funcionamiento

vi. Diámetro del tubo/espesor de la superficie

vii. Coste estimado de aislante.

viii. Exposición promedio al ambiente manteniendo la temperatura del aire.

Figura5.4.- Determinación del espesor económico de aislamiento.

Procedimiento para calcular el espesor económico del aislante

Para explicar el concepto de espesor económico del aislante, utilizaremos un ejemplo. (Referir el cuadro 5.3) considerar una tubería del vapor de 8 barras de 6’’ de diámetro que tiene longitud de 50 m. Evaluaremos el coste de pérdidas de energía cuando utilizamos aislante de 1”, 2” y 3’’ para descubrir el espesor más económico.

Un procedimiento paso a paso se da abajo.

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1. Establecer la temperatura superficial del tubo descubierto, por la medida.

2. Observar las dimensiones tales como superficie del diámetro, longitud y sección del tubo considerado.

3. Asumir una temperatura ambiente media. Aquí, hemos tomado 30°C.

4. Puesto que estamos haciendo los cálculos para el espesor disponible en el comercio del aislante, algunos cálculos de ensayo y del error serán requeridos para decidir la temperatura superficial después de poner el aislante. Para comenzar con asumir un valor entre 55 y 65 C, que es seguro, temperatura del tacto.

5. Seleccionar un material de aislante, con valores sabidos de la conductividad térmica en la gama de temperaturas del aislante explicado. Aquí la temperatura media es 111° C. y el valor de

k = 0.044 W/m2 °C para las lana mineral.

6. Calcular los coeficientes de transferencia térmica superficiales de superficies descubiertas y aisladas, usando ecuaciones discutidas previamente. Calcular la resistencia térmica y el espesor de aislante.

7. Seleccionar r2 tales que el espesor equivalente del aislante de la tubería iguale al espesor del aislante estimado en el paso 6. De este valor, calcular el espesor radial del aislante del tubo = r2-r1

8. Ajustar los valores deseados de la temperatura superficial de modo que el espesor del aislante esté cerca del valor estándar de 1” (25.4 milímetros).

9. Estimar la superficie del tubo con diverso espesor del aislante y calcular la pérdida de calor total de las superficies usando el coeficiente de transferencia de calor, diferencia de temperatura entre la superficie del tubo y ambiente.

10. Estimar el coste de pérdidas de energía en los 3 escenarios. Calcular el presente de la red de los costes energéticos futuros durante una vida del aislante típico de 5 años.

11. Descubrir el coste total de poner el aislante en el tubo (material + el coste laboral)

12. Calcular el coste total de costes energéticos y de aislante para 3 situaciones.

13. El espesor del aislante que corresponde al coste total más inferior será el

espesor económico del aislante.

Ejemplo. Cuadro 5.3 para el espesor económico del aislante

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Descripción Unidad 1'' 2'' 3''Longitud de tubería, L m 50 50 50Diámetro exterior de la tubería descubierta, d1 mm 168 168 168Área de la superficie de la tubería, A m2 26,38 26,38 26,38Temperatura ambiente, Ta °C 30 30 30Temperatura de la pared de la tubería descubierta, Th °C 160 160 160Temperatura de la parede deseada, con aislante, Tc °C 62 48 43Material de aislante Lana mineralTemperatura media del aislante, Tm = (Th+Tc)/2 °C 111 104 101,5Conductividad del material aislante, k (De catálogo) W/m°C 0,044 0,042 0,04Emisividad de la superficie de la tubería descubierta: 0,95 0,95 0,95Emisividad de la sup. del revestimiento del aislamiento (Típicamente Al) 0,13 0,13 0,13

CálculosCoeficiente de transferencia de calor de la superficie descubierta caliente W/m2°C 15 15 15h= (0,85+0,005(Th-Ta)*10 Coeficiente de transferencia de calor después del aislamiento W/m2°C 4,7 4 3,75h'= (0,31+0,005*(Tc-Ta)*10 Resistencia Térmica Rtm= (Th-Tc)/(h'*(Tc*Ta)) °C-m2/W 0,7 1,6 2,4Espesor de aislamiento t= k*Rtm (Si la superficie fua plana) mm 28,7 65,3 96r1= diámetro extrerior/2 mm 84 84 84teq = r2 x ln (r2/r1) = (seleccionar r2 para que teq = t ) mm 28,7 65,3 106,3Radio exterior de aislamiento, r2 = mm 109,2 135,9 161,9Espesor de aislamiento t= k*Rtm (Si la superficie fua plana) mm 25,2 51,9 77,9Área de la tubería aislada, A m2 34,29 42,66 50,85Pérdidas totalesdesde la superficie descubierta, Q = h x A x ( Th - Ta) kW 51,4 51,4 51,4Pérdida total de la superficie aislada, Q' = h' * A' * (Th - Ta) kW 5,16 3,07 2,48Ahorro de energía por el aislamiento proveído P = Q- Q' kW 46,3 48,4 49Hora de trabajo anuales, n: Hrs 8000 8000 8000Ahorros de energía después de proveer aislamiento, E = P x n kWh/año 370203 386892 391634

Económicos:Costo del vapor Rs/kg 0,7 0,7 0,7Costo de la energía de vapor, p Rs/kWh 1,11 1,11 1,11Ahorros monetarios anuales, S = E x p Rs 412708 431313 436599Factor de descuento para calcular NVP del costo de las pérdidas de energia % 15% 15% 15%Costo del aislante (material + mano obra) Rs/m 450 700 1100Costos totales de aislamiento Rs/m 22500 35000 55000Costos anuales de pérdidas de energía Rs/año 46000 27395 22109NVP del costo anual de pérdidas de energía para 5 años Rs 154198 91832 74112 Costos totales (aislante & NVP de pérdidas de calor) Rs 176698 126832 129112

Observar que el coste total en más inferior al usar el aislante 2’’, por lo tanto es el espesor económico del aislante.

5.5 Fórmula simplificada para el cálculo de la pérdida de calor

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Varias cartas, gráficos y referencias están disponibles para el cómputo de la pérdida de calor. La pérdida de calor superficial se puede computar con la ayuda de una relación simple según lo dado abajo. Esta ecuación se puede utilizar hasta la temperatura superficial 200°C. Los factores como velocidades del viento, conductividad del material de aislamiento, etc. no se han considerado en la ecuación.

S = [10+ (Ts-TA) /20] x (Ts-TA)

Donde

S = Pérdida de calor superficial en kCal/hr m2

Ts = Temperatura superficial caliente en °C

TA = Temperatura ambiente en °C

Pérdidas totales de calor /hr (Hs) = S x A

Donde A es la superficie en m2

De acuerdo con el coste de energía térmica, la cuantificación de la pérdida de calor en Rs. puede ser resuelto como debajo:

Pérdida de calor anual en valor monetario (Rs.) = coste del combustible x Hf (Rs. /kg)

Donde

GCV = poder calorífico grueso del combustible kcal/kg

ήb = eficacia de la caldera en %

Ejemplo de caso

La tubería del vapor diámetro de 100 milímetros no se aísla para el vapor de abastecimiento de la longitud de 100 metros a 10 kg/cm2 al equipo. Descubrir los ahorros de combustible si se aísla correctamente con 65 milímetros de material de aislamiento.

Se asume:

Eficacia de la caldera - el 80%

Coste de gasolina y aceite - Rs.15000/tonne

Temperatura superficial sin el aislante – 170°C

Temperatura superficial después del aislante – 65°C

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Temperatura ambiente – 25°C

Pérdida de calor existente

S = [10+ (Ts-TA) /20] x (Ts-TA)

Ts = 170°C

TA = 25°C

S = [10+ (170-25) /20] x (170-25) = 2500 kCal/hr-m2

S1 = S = Pérdida de calor existentes (2500 kCal/hr-m2)

Sistema modificado

TA – 25°C

Substituir estos valores

S = [10+ (65-25) /20] x (65-25) = 480 kCal/hr m2

S2 = S = Pérdida de calor existente (480 kCal/hr-m2)

Cálculo de ahorros de combustible

Dimensión del tubo = φ de 100 milímetros y 100 m long.

Superficie Existente (A1) = 3.14 x 0.1 x 100 = 31.4 m2

Superficie después del aislante (A2) = 3.14 x 0.23 x 100 = 72.2 m2

Pérdida de calor total en sistema existente (S1 x A1) = 2500 x 31.4 = 78500 kCal/hr

Pérdida de calor total en sistema modificado (S2 x A2) = 480 x 72.2 = 34656 kCal/hr

Reducción en pérdida de calor = 78500 - 34656 = 43844 kCal/hr

No. de la operación de las horas en un año = 8400

Pérdida de calor total (kCal/yr) = 43844 x 8400 = 368289600

Poder calorífico del aceite combustible = 10300 kcal/kg

Eficacia de la caldera = 80%

Precio del aceite combustible = Rs.15000/Tonne

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Ahorros de gasolina y aceite anuales = 368289600/10300 x 0.8

= 44695 kg//year

5.6 Materiales refractarios

Cualquier material se puede describir como material “refractario” si puede soportar la acción de sólidos, de líquidos o de gases abrasivos o corrosivos en las temperaturas altas. Las varias combinaciones de condiciones de funcionamiento en las cuales se utilicen los materiales refractarios, hacen necesario fabricar un rango de materiales refractarios con diversas características. Los materiales refractarios se hacen en combinaciones y dimensiones de una variable diversas y para diversas aplicaciones.

Los requisitos generales de un material refractario se pueden resumir como:

• Capacidad de soportar temperaturas altas.

• Capacidad de soportar cambios de temperaturas repentinos.

• Capacidad de soportar la acción de la escoria del metal fundido, del vidrio, de gases calientes, del etc.

• Capacidad de soportar la carga en las condiciones del servicio.

• Capacidad de soportar la carga y fuerzas abrasivas.

• Coeficiente de expansión térmica bajo.

• Debe poder conservar calor.

• No debe contaminar el material con el cual entra en el contacto.

5.7 Características de materiales refractarios

Algunas de las características importantes de materiales refractarios son:

Punto de fusión: Las sustancias puras derriten sostenidamente en una temperatura definida. La mayoría de los materiales refractarios consisten en partículas de fusión elevada pegadas juntas. En alta temperatura, el vidrio se funde y a las subidas de temperatura, la escoria resultante aumenta en cantidad en la solución parcial de las partículas refractarias. La temperatura en la cual esta acción da lugar a falla de un test piramidal (cono) para utilizar su propio peso se llama, por conveniencia, el punto de fusión del material refractario. El cuadro 5.4 muestra el punto de fusión de algunos compuestos puros usados como materiales refractarios.

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Tabla 5.4.- Puntos de fusión de compuestos puros

Tamaño: La talla y la dimensión de los materiales refractarios es una parte de la característica del diseño. Es una característica importante en diseño puesto que afecta a la estabilidad de cualquier estructura. La exactitud y la talla es extremadamente importantes para permitir la guarnición apropiada de la dimensión de una variable refractaria y reducir al mínimo el espesor y las juntas en la construcción.

Densidad a granel: Una característica útil de materiales refractarios es la densidad a granel, que define el material presente en un volumen dado. Un aumento en densidad a granel de un material refractario dado aumenta su estabilidad del volumen, su capacidad de calor, así como resistencia a la penetración de la escoria.

Porosidad: La porosidad evidente es una medida del volumen de los poros abiertos, en los cuales un líquido puede penetrar, como porcentaje del volumen total. Esto es una característica importante en casos donde el material refractario está en contacto con carga y las escorias fundidas. Una porosidad evidente inferior es deseable puesto que prevendría la penetración fácil de la talla refractaria y la continuidad de poros tendrá influencias importantes en comportamiento refractario. Una gran cantidad de pequeños poros son generalmente preferibles a un número equivalente de poros grandes.

Resistencia a la compresión fría: La resistencia a la compresión fría, que es considerada por alguno ser de importancia dudosa como característica útil, revela poco más que la capacidad de soportar los rigores del transporte, se puede utilizar como indicador útil a la suficiencia de la combustión y de la resistencia de abrasión en consonancia con otras características tales como densidad a granel y porosidad.

Cono equivalente pirométrico (PCE): La temperatura en la cual un material refractario se deformará bajo su propio peso se conoce como su temperatura de ablandamiento que sea indicada por PCE. Los materiales refractarios, debido a su complejidad química, derriten progresivamente sobre un rango de la temperatura. Por lo tanto, la refractoriedad o el punto de fusión es evaluada idealmente por el método de fusión del cono. El cono estándar equivalente el cual se derrite en el mismo fragmento que el cono de la prueba se conoce como el cono equivalente pirométrico.

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Figura 5.5

Así en la figura. la refractoriedad de la muestra A es mucho más alta que B y la C. El equivalente cono pirométrico indica solamente la temperatura de ablandamiento. Pero, en servicio el material refractario se sujeta a las cargas que deformarán al refractario en una temperatura mucho más baja que lo indicada por PCE. Con el cambio en las condiciones ambientales, tales como atmósfera de reducción, el valor de P.C.E. cambia drásticamente.

Refractoriedad bajo carga (RUL): La refractoriedad bajo prueba de carga (prueba de RUL) da una indicación de la temperatura en la cual los ladrillos se derrumbarán, en condiciones del servicio con la carga similar.

Arrastramiento en la temperatura alta: El arrastramiento es una característica dependiente del tiempo que determina la deformación en un rato dado y en una temperatura dada por un material bajo tensión.

Estabilidad volumétrica, extensión, y contracción del volumen en las temperaturas altas: La contracción o la extensión de los materiales refractarios puede ocurrir durante servicio. Tales cambios permanentes en dimensiones pueden ser debido a:

i) Los cambios en las formas alotrópicas que causan un cambio en gravedad específica.

ii) Una reacción química que produce un nuevo material de la gravedad específica alterada.

iii) La formación de fase líquida.

iv) Reacciones de la sinterización.

v) Puede también suceder a causa de aplicar flux con polvo o por la acción de álcalis en los materiales refractarios de arcilla refractaria, para formar silicatos del álcali-alúmina, causando la expansión y la interrupción. Éste es un ejemplo que se observa generalmente en hornos.

Extensión térmica reversible: Cualquier material cuando está calentado, se amplía, y contrae en el enfriamiento. La extensión térmica reversible es una reflexión en las transformaciones de la fase que ocurren durante la calefacción y el enfriamiento.

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Conductividad térmica: La conductividad térmica depende del producto químico y de las composiciones mineralógicas así como la fase vidriosa contenida en el material refractario y la temperatura de aplicación. La conductividad cambia generalmente con subida de la temperatura. En caso de que la transferencia de calor se requiera a través de un trabajo de ladrillo, por ejemplo en recuperadores, los regeneradores, amortiguadores, etc., el material refractario debe tener alta conductividad. La conductividad térmica inferior es deseable para la conservación del calor proporcionando al aislante adecuado.

Las provisiones para el aislante de reserva, conservan calor pero al mismo tiempo aumenta la temperatura caliente de la cara y por lo tanto la demanda en la calidad refractaria aumenta.

Por consiguiente, el aislante en el techo en hornos de hogar abierto no se proporciona normalmente, si no causaría el incidente debido al goteo severo. Dependiendo de la característica del material refractario usado en la cara caliente, como la capacidad soportadora de alta temperatura, puede ser requerido que la calidad del ladrillo sea aumentada para corresponder con la temperatura de la subida causada cerca sobre el aislante.

Los materiales refractarios ligeros de conductividad térmica inferior encuentran aplicaciones más amplias en los hornos del tratamiento térmico de temperatura moderadamente baja, donde su función primaria generalmente es la conservación de la energía. Está más en caso dehornos de tipo en lotes donde la capacidad baja de calor de la estructura refractaria reduciría al mínimo el almacenaje del calor durante la calefacción intermitente y los ciclos de enfriamiento.

5.8 Clasificación de materiales refractarios

Los materiales refractarios se pueden clasificar en base de la composición química y al uso y a los métodos de fabricación como se muestra abajo:

Clasificación basada en la composición química Ejemplos

ÁCIDO---cuál combina fácilmente con las bases. Silicona, Semisilica, Aluminosilicato.

BASICO, el cual consiste principalmente en los óxidos metálicos que resisten la acción de bases.

Magnesita, cromomagnesita, dolomita.

NEUTRAL el cual no combina; ni con los ácidos ni las bases.

Cromo, puro. Alúmina

Especial Carbón, carburo de silicio, Zirconia.

Clasificación basada en uso finalClasificación basada en el método de fabricación

Foso de colada del horno- Proceso seco de la prensa - molde fundido - normal formada, (encendido o químicamente pegado.)

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- Sin formar (plásticos Monolíticos-, masas pegadas, moldeable con fuego, en spray)

Materiales refractarios basados mineralmente son clasificados según su composición química:

i. Los ladrillos ácidos contienen por lo menos el 92% de óxido de silicio (SiO2);

ii. Los ladrillos Semi básicos contienen por lo menos el óxido de silicio 65%, pero alúmina menos del 30% (A12O3);

iii. Los ladrillos neutrales contienen por lo menos alúmina 30%;

iv. Los ladrillos básicos contienen por lo menos óxido de magnesio 60% (MgO).

v. Los materiales refractarios sintéticos ej. Carburo de son producidos derritiendo y echando procesos.

La estructura del horno consiste principalmente en los ladrillos refractarios y el cemento, que deben poder soportar las altas temperaturas del horno y deben ser seleccionados y construidos cuidadosamente. La estructura del horno puede contener materiales refractarios monolíticos, que se pueden formar in situ, ej. ésos usados para los encendedores de la hornilla. Hay tres tipos básicos de materiales refractarios monolíticos

Conformables; Moldeables; Mezclas de presión

Diversas zonas del horno funcionan normalmente en diversas temperaturas. La selección correcta de materiales refractarios para las varias piezas del horno y para los varios componentes de los hogares ej., paredes, tierra etc, es importante. Este proceso es gobernado no sólo por las características como conductividad térmica, la extensión, el etc, pero también por la experiencia del diseñador o del constructor del horno.

El hogar es la región más importante y lo más seriamente posible tratada de un horno. Debe poder llevar la carga requerida y soportar ataque químico y desgaste mecánico. La selección de materiales refractarios del hogar es menos crítica para la tapa y los hornos encendidos en la parte inferior, que para la tapa encendida, solamente tipos de presión.

Para la fuerza óptima y aislante termal, las paredes, azotea y hogar de la mayoría de los hornos se construyen utilizando capas de materiales refractarios. El aislante térmico se determina cerca

las características térmicas del material refractario, y estas características son importantes para minimizar la transmisión y del almacenaje de las pérdidas de calor. El cuadro 5.5 compara las características térmicas de típico de materiales refractarios de alta y baja densidad. Las pérdidas

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de calor estructurales pueden ser reducidas por el uso de materiales refractarios de masa térmica baja, para la construcción del horno.

Tabla 5.5 Propiedades del material refractario típicas

Característica

Alta masa térmica(Materiales refractarios de alta densidad)

Masa termal inferior(Fibra de cerámica)

Conductividad termal, W/m K 1.2 0.3

Calor específico, J/kg K 1000 1000

Densidad, kg/m3 2300 130

5.9 Materiales refractarios típicos en uso industrial

Dependiendo del área de la aplicación tal como calderas, hornos, estufas, cocinas, etc, temperaturas y atmósferas encontraron diversos tipos de materiales refractarios a utilizarse. Las instalaciones típicas de materiales refractarios se muestran en el cuadro 5.6

Guarnición refractaria de un arco del horno Paredes refractarias de un interior del horno con los bloques de la hornilla

Figura 5.6

Materiales refractarios de arcilla refractaria

Los materiales refractarios de arcilla refractaria, tales como ladrillos refractario, las arcillas refractarias silíceas y los materiales refractarios aluminosos de la arcilla consisten en los silicatos de aluminio con varias cantidades de silicona que se extienden el contenido SiO2 de menos del 78% y que tienen menos del 44% de Al2O3.

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El cuadro 5.6 muestra que como la cantidad de impurezas aumenta y la cantidad de Al2O3 disminuye, el punto de fusión del ladrillo de arcilla refractaria disminuye. Debido a su bajeza relativa y localización extensa de las materias primas usadas para fabricar los ladrillos refractarios, este material encuentra uso en la mayoría de los hornos, de los hornos, de las estufas, etc.

Cuadro 5.6: Propiedades de los ladrillos de arcilla refractaria típicos

Ladrillo El por ciento SiO2

El por ciento de Al 2O3

Otros componentes

PCE 0C

Súper servicio 49-53 40-44 5-7 1745-1760

Alto servicio 50-80 35-40 5-9 1690-1745

Intermedio 60-70 26-36 5-9 1640-1680

Alto servicio(silíceo)

65-80 18-30 3-8 1620-1680

Bajo servicio 60-70 23-33 6-10 1520-1595

El ladrillo refractario es la forma más común de material refractario. Es utilizado extensivamente en el hierro y la industria de acero, metalurgia no ferrosa, industria del vidrio, hornos de la cerámica, industria del cemento, y por muchos otros.

Altos materiales refractarios de alúmina

Los materiales refractarios de silicato de Aluminio que contienen más del 45% de alúmina se llaman generalmente como materiales de alúmina elevados. La concentración de alúmina se extiende a partir del 45 a 100%. La refractoriedad de los altos materiales refractarios de alúmina aumenta con aumento en porcentaje de alúmina. Las aplicaciones de los altos materiales refractarios de alúmina incluyen el hogar y el eje de hornos, de hornos de cerámica, de hornos de cemento, de los tanques de cristal y de los crisoles para derretir una amplia gama de metales.

Ladrillo de silicona

El ladrillo de silicona (o el Dinas) es un material refractario que contiene por lo menos 93% de SiO2. La materia prima es rocas de calidad. Los varios grados de ladrillo de silicona han encontrado uso extenso en los hornos de fundición del hierro y el acero. Además del alto punto de fusión de refractarios de los refractarios multi-tipo, las otras características importantes son su alta resistencia al choque térmico (escama) y su alta refractoriedad. Encuentra uso típico en industria de vidrio y del acero.

La característica excepcional del ladrillo de silicona es que no comienza a ablandar bajo altas cargas hasta que se acerca a su punto de fusión. Este comportamiento pone en contraste con el de

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muchos otros materiales refractarios, por ejemplo los materiales del silicato del aluminio, que comienzan a fundirse y a arrastrarse en las temperaturas considerablemente más inferiores que sus puntos de fusión. Otras ventajas son la resistencia al flujo y al desgaste, estabilidad del volumen y alta resistencia a la escamación.

Magnesita

Los materiales refractarios de la magnesita son químicamente materias primas, conteniendo por lo menos óxido de magnesio en 85%. Se hacen de la magnesita natural (MgCO3). Las características de los materiales refractarios de la magnesita dependen de la concentración de enlace del silicato en las temperaturas de funcionamiento. La magnesita de la buena calidad resulta generalmente de una relación de transformación CaO-SiO2 de menor que 2 con una concentración mínima de ferrita, particularmente si los hornos alinearon con la operación refractaria en oxidar y reducir condiciones. La resistencia de la escoria es muy alta particularmente para encalar y planchar las escorias ricas.

Materiales refractarios de la cromita

Aquí, una distinción se debe hacer entre los materiales refractarios de la cromo-magnesita y los materiales refractarios de magnesita-cromita. El material de Cromomagnesita contiene generalmente 15-35% Cr2O3 y MgO 42-50% mientras que los materiales refractarios de la magnesita-cromita contienen por lo menos el MgO del 60% y 8-18% Cr2O3.

Los materiales refractarios de la Cromo-magnesita se hacen en una amplia gama de calidades y se utilizan para construir las piezas críticas de hornos de alta temperatura. Estos materiales pueden soportar las escorias y los gases corrosivos y tener alta refractoriedad. Los productos de la magnesita-cromita son convenientes para el servicio en las temperaturas más altas y en contacto con las escorias más básicas usadas en la fusión de acero. La Magnesita-cromita tiene generalmente una mejor resistencia que al desgaste que la cromo-magnesita.

Materiales refractarios del Zirconia

El dióxido de circonio (ZrO2) es un material polimórfico. Hay ciertas dificultades en su uso y fabricación como material refractario. Es esencial estabilizarlo antes de la aplicación como material refractario. Esto se alcanza incorporando pequeñas cantidades de calcio, óxido del magnesio y del cerio, etc. Sus características dependen principalmente del grado de estabilización y de la cantidad de estabilizador así como la calidad de la materia prima original. Los materiales refractarios del Zirconia tienen muy de alta resistencia en la temperatura ambiente que se mantiene hasta temperaturas tan altas como 1500°C. Son, por lo tanto, útiles como materiales de la construcción de alta temperatura para los hornos y los estufas. La conductividad térmica del dióxido de circonio se encuentra para ser mucho más inferior que el de la mayoría de los otros materiales refractarios y del material por lo tanto se utiliza como material refractario aislante de temperatura alta.

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Puesto que la Zirconia exhibe pérdidas térmicas muy inferiores y no reacciona fácilmente con los metales líquidos, es determinado útil para hacer los crisoles refractarios y otros recipientes para los propósitos metalúrgicos. La Zirconia es un material refractario útil para los hornos de cristal sobre todo puesto que no es mojado fácilmente por los vidrios fundidos y debido a su reacción inferior con ellos.

Materiales refractarios del óxido (alúmina)

Los materiales refractarios de alúmina que consisten en el óxido de aluminio con pequeños rastros de impurezas se conocen a menudo como alúmina pura. El alúmina es uno de los óxidos lo más químicamente posible estables conocidos. Es mecánicamente muy fuerte, insoluble en agua y vaporizable a mucho calor, y en la mayoría de los ácidos inorgánicos y de los álcalis. Sus características hacen conveniente para formar de los crisoles para el carbonato sódico, el hidróxido de sodio y el peróxido de fusión del sodio. Tiene una alta resistencia en atmósfera oxidante y de reductora. El alúmina se utiliza extensivamente en industrias de la transformación del calor. El alúmina porosidad elevada se utiliza para los hornos de guarnición que funcionan hasta 1850°C.

Monoliticos

Los materiales refractarios monolíticos (molde de la pieza única en la dimensión de una variable del equipo tal como uno para una cuchara mostrada en el cuadro 5.7) están substituyendo el tipo convencional materiales refractarios encendidos a una tasa mucho más rápida en muchas aplicaciones incluyendo los de hornos industriales. Las ventajas principales que son:

Cuadro 5.7 guarnición monolítica para una cuchara

• Elimina juntas que es una debilidad inherente

• El método de aplicación es más rápido y las medidas expertas en gran número no se requieren.

• El transporte y el manejo son simples

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• Las ofertas mejoran su alcance para reducir el tiempo muerto de las reparaciones

• Las ofertas considerablemente alcanzan a reducir inventario y eliminan formas especiales.

• Es un ahorrador del calor

• Tiene resistencia mejor al desgaste

• Tiene mayor estabilidad del volumen

Los varios medios se emplean en la colocación del monolíticos como la presión, echando, el pegado, pintando (con vaporizador), el lanzar con una honda de arena, masas a presión, etc. se utilizan sobre todo en aplicaciones frías donde es importante la consolidación apropiada del material. La misma práctica se puede adoptar con los materiales de la configuración del aire y de configuración del calor. Las herramientas de presión apropiadas necesitan ser seleccionadas.

Moldeables por nombre implica un material de la configuración hidráulica en naturaleza. Cemento del aluminato del calcio que es el aglutinante, tendrá que ser salvado correctamente para prevenir la absorción de la humedad. Su fuerza comienza a deteriorarse después de un período de 6 a 12 meses.

Materiales de aislamiento

Los materiales de aislamiento reducen grandemente las pérdidas de calor a través de las paredes. El aislante es efectuado proporcionando a una capa de material que tiene una conductividad de pocas calorías entre la superficie caliente interna de un horno y la superficie externa, así causando la reducción de la temperatura de la superficie externa.

Los materiales de aislamiento se pueden clasificar en los grupos siguientes

• Ladrillos aisladores

• Moldes aislantes

• Fibra de cerámica

• Silicato del calcio

• Capa de cerámica

Los materiales de aislamiento deben su conductividad inferior a sus poros mientras que su capacidad de calor depende de la densidad a granel y del calor específico. La estructura del material de aislamiento del aire consiste en poros minuciosos llenados de aire que tienen en sí conductividad térmica muy inferior; el calor excesivo afecta a todo el material de aislante nocivamente, pero las temperaturas a las cuales los varios materiales pueden ser calentados antes de que este efecto nocivo ocurra, difiere extensamente. Claramente, por lo tanto, la opción de un

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material de aislamiento debe depender de su eficacia para resistir conductividad de calor y de la temperatura que soportará.

Uno de los materiales de aislamiento más ampliamente utilizados es tierra de diatomitas, también conocida como guhr del kiesel que se compone de una masa de los esqueletos de las plantas acuáticas minuciosas depositadas hace miles de años en las bases de los mares y de los lagos. Químicamente esto consiste en la silicona contaminada con la arcilla y la materia orgánica. Una amplia gama de materiales refractarios aisladores con combinaciones amplias de características está disponible ahora.

Las características físicas importantes de algunos materiales refractarios aisladores se muestran en la tabla abajo:

Tabla 5.7.-Características físicas de los materiales refractarios aislantes.

Tipo Conduct. Térmica a 400°C

Temperatura max. Segura° C

Fuerza a la compresión en frío kg/cm2

Porosidad % Densidad de granelKg/m3

Diatomita grado Sólido

0.025 1000 270 52 1090

Diatomita grado Poroso

.014 800 110 77 540

Arcilla .030 1500 260 68 560

Alúmina elevada

.028 1500-1600 300 66 910

Silicona .040 1400 400 65 830

Moldeables y Concretos

Las guarniciones y las secciones monolíticas del horno pueden ser aumentadas echando aisladores refractarios de concreto, y estampando en el lugar ciertos agregados ligeros pegados convenientemente. Otras aplicaciones incluyen la formación de las bases de los carros de horno de túnel usados en la industria de cerámica. Los ingredientes son similares a ésos usados para hacer los materiales piezas refractarias, salvo que los concretos contienen una cierta clase de cemento, Portland o un cemento de alto contenido de alúmina.

Fibra de cerámica

La fibra de cerámica es un material de aislante en masa térmica inferior, que revolucionalizó los sistemas de la guarnición del diseño del horno.

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La fibra de cerámica es una manufactura de material del silicato del alúmina mezclando y derritiendo el alúmina y la silicona en la temperatura de 1800 – 2000°C y rompiendo el fluido fundido soplando el aire comprimido o cayendo el derretido en un disco de giro para formar flojamente bultos de fibra de cerámica. La fibra a granel se convierte a los varios productos incluyendo la manta, tiras, chapeando y los módulos asegurados, el papel, las tarjetas formadas y las dimensiones de una variable, cuerda, fieltros húmedos, el cemento la masilla etc., todos para aplicaciones de aislante.

Figura 5.8.- Aislante de fibra cerámica

Las fibras se producen generalmente en dos grados de temperatura basados en el contenido de Al2O3. Una adición reciente es la fibra de silicato del aluminio añadida del Zr O2, que ayuda a reducir los niveles de la contracción de tal modo que clasifican la fibra para temperaturas más altas. La temperatura de funcionamiento recomendada continua para las fibras se da en el cuadro siguiente 5.8:

Tabla5.8 Temperatura de operación recomendada continua para fibras Al2O3 SiO2 ZrO2

1150oC 43 - 47 % 53 - 57 % -

1250oC 52 - 56 % 44 - 48 % -

1325oC 33 - 35 % 47 - 50 % 17 - 20 %

Estas fibras se producen en bultos de lanas y entrecruzadas en la masas de mantas de varias densidades que se extienden a partir de 64 a 190 kg/m3. Productos convertidos y sobre 40 diversas formas se hacen de las mantas para adaptarse a varios requisitos.

Características importantes de la fibra de cerámica

Las características de fibras de cerámica son una combinación notable de las características de materiales refractarios y del material de aislante tradicional.

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1. Bajar la conductividad termal

La conductividad termal inferior - 0.1 kCal/m horas °C a 600°C para la manta de la densidad 128 kg/m3 - permite la construcción de guarniciones más finas con la misma eficacia térmica que la de materiales refractarios convencionales. Por lo tanto, para la misma dimensión envolvente exterior el volumen del horno es mucho más grande. Es 40% más eficaz que el ladrillo aislante de la buena calidad y 2.5 veces mejores que producto de asbesto. La característica aisladonte de la fibra de cerámica es mejor que producto del silicato del calcio.

2. Ligero

La densidad media de la fibra de cerámica es 96 kg/m3. Es un décimo del peso del ladrillo aislador y una mitad el de las tarjetas de silicato del asbesto/del calcio. Para los nuevos hornos los soportes estructurales se pueden reducir por el 40%.

3. Bajar el almacenaje del calor

Las guarniciones de la fibra de cerámica absorben menos calor debido a una densidad más baja. El horno puede ser calentado y enfriado a velocidades más rápidas. El calor salvado en un sistema de guarnición de la fibra de cerámica está típicamente en el radio de acción de 2700 - 4050 kCal/m2 (1000 - 1500 BTU/pie2) con respecto a 54200-493900 kCal/m2 (20000 - 250000 BTU/pie2) para el sistema convencionalmente alineado.

4. A prueba de golpes térmicos.

La guarnición de la fibra de cerámica resiste el choque térmico debido a su matriz resistente. También los ciclos de calentamiento rápido y enfriamiento rápido son posibles mejorando la disponibilidad y productividad del horno.

5. Resistencia química

La fibra cerámica resiste la mayoría de los ataques químicos y no es afectada por hidrocarburos, agua y vapor presentes en humos.

6. Resistencia mecánica

Esta característica permite que los hornos alineados de fibra sean fabricados en un departamento y expedidos al sitio en forma ensamblada sin el miedo a daños.

7. Coste inferior de la instalación

No se requiere ningunas habilidades especiales mientras que se estandarizan las prácticas de la aplicación. Las guarniciones de la fibra no requieren ningún tiempo de secado o curado y se pueden calentar a la capacidad de las hornillas después de que la instalación se termine sin la preocupación de quebrarse o romperse desescamándose.

8. Mantenimiento simple

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En caso de daño físico la sección defectuosa puede ser quitada y un pedazo de reemplazo agregado rápidamente. Las secciones enteras del panel pueden ser prefabricadas para una instalación rápida con tiempo de gasto mínimo.

9. Facilidad del manejo

Todas las formas del producto se manejan y se pueden fácilmente cortar más rápidamente con un cuchillo o las tijeras. Los productos formados por vacío pueden requerir corte con una sierra de cinta.

10. Eficacia térmica

La conductividad térmica inferior de la fibra de cerámica se puede hacer uso ventajoso por el poco espesor de alineación y volumen reducido del horno. La respuesta rápida del horno alineado de fibra de cerámica también permite un control más exacto y una distribución de temperatura uniforme dentro del horno.

Las otras ventajas ofrecidas por la fibra de cerámica se resumen abajo:

• Horno ligero

• Trabajo de fabricación del acero simple.

• Tiempo de gasto inferior

• Productividad creciente

• Capacidad adicional

• Coste de mantenimiento bajo

• Una vida de servicio más larga

• Una eficacia térmica más alta

• Reacción más rápida

Altas capas de la emisividad

La emisividad, la medida de la capacidad de un material a absorbe e irradia calor, ha sido considerada por los ingenieros como una característica física inherente que como la densidad, calor específico y conductividad termal, no es fácilmente favorable a cambiar de magnitud. Sin embargo, el desarrollo de altas capas de emisividad ahora permite que la emisividad superficial de materiales sea aumentada, con las ventajas resultantes en eficacia del traspaso térmico y en la vida de servicio de los componentes del traspaso térmico. Las altas capas de la emisividad se aplican en la superficie interior de hornos. El cuadro 5.9 muestra la emisividad de los varios

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materiales de aislamiento incluyendo altas capas de la emisividad. La alta capa de la emisividad muestra un valor constante sobre la variación de temperaturas de proceso.

La aplicación de las capas de la alta emisividad en compartimientos del horno promueve la transferencia rápida y eficiente del calor, calefacción, y la vida extendida de materiales refractarios y de componentes metálicos tales como tubos y elementos de calefacción radiantes. Para los hornos intermitentes o donde se requiere la calefacción rápida, el uso de tales capas fue encontrado útil para reducir el combustible o la potencia para el ajuste de 25-45%. Otras ventajas son uniformidad de la temperatura y vida refractaria creciente

Cuadro 5.9 emisividad de materiales refractarios en diversas temperaturas

Los hornos, que funcionan a temperatura alta, tienen emisividades de 0.3. Usando altas capas de la emisividad esto puede ir hasta 0.8 aumentando efectivamente así la transferencia de calor radiante.

5.10 Selección de materiales refractarios

La selección de materiales refractarios para cualquier aplicación determinada se hace con objeto de alcanza el mejor funcionamiento del horno, del estufa o de la caldera del equipo y depende de sus características. Además, la elección de un material refractario para una aplicación dada será determinada por el tipo de horno o la unidad de calefacción y las condiciones que prevalecen ej. la atmósfera gaseosa, la presencia de escorias, el tipo de la carga etc. del metal. Está, por lo tanto,

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claro que la temperatura es de ninguna manera el único criterio para la selección de materiales refractarios.

Cualquier diseñador o industria del horno debe tener una idea clara sobre las condiciones del servicio a la cual el material refractario se requiere para hacer frente. Los fabricantes o los utilizadores del horno tienen que considerar los puntos siguientes, antes de seleccionar un material refractario.

I) Área de la aplicación.

II) Temperaturas de trabajo.

III) Extensión de la abrasión y del impacto.

IV) Carga estructural del horno.

V) Tensión debido al gradiente de temperatura en las estructuras y las fluctuaciones de la temperatura.

VI) Compatibilidad química al ambiente del horno.

VII) Conservación de combustible y de transferencia de calor

VIII) Consideraciones de costos.

Es por lo tanto, esencial tener una evaluación objetiva de las condiciones antedichas. Un gravamen apropiado de las características deseadas proporcionaría a las guías de consulta para la selección de los materiales refractarios apropiados.

Sería importante mencionar aquí que el fabricante del horno o un usuario también está implicado con la conservación de la energía. El combustible se puede salvar de dos maneras: por el aislante o por un funcionamiento más rápido. Ambos estos métodos dan coste energético inferior por tonelada de producto.

5.11 Pérdidas de calor de las paredes de horno

En hornos y estufas, las pérdidas de calor de las paredes de horno, afectan a la economía del combustible substancialmente. El grado de las pérdidas de la pared depende de:

i) emisividad de paredes;

ii) conductividad de materiales refractarios;

iii) espesor de pared;

iv) si el horno o el horno está funcionado continuamente o intermitentemente.

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Diversos materiales tienen diversa potencia de radiación (emisividad). La emisividad de las paredes cubiertas con la pintura de aluminio es más inferior que la de ladrillos. La Fig. 5.10 (A) muestra el coeficiente de disipación de calor para las condiciones siguientes:

a) superficie áspera vertical plana.

b) Paredes pintadas de aluminio verticales.

Fig 5.10 A.- Coeficiente de transferencia de calor para diferentes condiciones En aire permanente a 40°C

Fig 5.1. Rango de conductividad de un material refractario

Las variaciones de la conductividad térmica para los materiales refractarios típicos (ladrillo de silicona, ladrillo de arcilla refractaria y ladrillo del aislante) con temperatura, se representan en la figura (B). Así en una temperatura dada de 600°C, la conductividad del ladrillo del aislante es el solamente 20 por ciento de la cantidad para ladrillo de arcilla refractaria.

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Las pérdidas de calor pueden ser reducidas aumentando el espesor de pared, o con la aplicación de ladrillos aisladores. La temperatura de pared exterior y las pérdidas de calor para una pared compuesta de cierto espesor del ladrillo refractario del aislante son mucho más inferiores debido a poca conductividad del ladrillo aislante con respecto a un ladrillo refractario.

En el caso de la operación del horno por lotes, los períodos de funcionamiento ("ON") se alternan con los períodos ociosos ("OFF"). Durante apagado el período, el calor almacenado en los materiales refractario se disipa gradualmente, principalmente con la radiación y la convección de la cara fría. Además, un cierto calor es obstruido por el aire que atraviesa el horno. La disipación del calor salvado es una pérdida, porque el calor perdido está por lo menos en parte impartida otra vez a los materiales refractarios durante el período próximo de "ON", así expendiendo el combustible para generar el calor. Si un horno funciona 24 horas cada tercer día, prácticamente todo el calor salvado en los materiales refractarios se pierde.

Pero si el horno funciona 8 horas por día, no todo el calor almacenado en los materiales refractarios se disipa. Para un horno con la pared de ladrillo refractario (350 milímetros) se estima que el 55 por ciento del calor salvado en los materiales refractarios es disipado de la superficie fría durante 166 horas de período en reposo. La estructura de las paredes de horno de materiales refractarios aisladores y encajonados en cáscara reduce el flujo de calor a los alrededores. La inserción de un bloque de la fibra entre el material refractario aislador y la cubierta de acero puede reducir más lejos la pérdida. La pregunta general que uno pide es cuánta pérdida de calor puede ser reducida por la aplicación del aislante. La respuesta es que depende del espesor de los ladrillos refractarios y del aislante y de la continuidad de la operación del horno.

Para resumir, las pérdidas de calor de las paredes dependen de:

• Temperatura interior.

• Temperatura del aire exterior.

• Velocidad de aire exterior.

• Configuración de paredes.

• Emisividad de paredes.

• Espesor de paredes.

• Conductividad de paredes.

Las conclusiones siguientes pueden ser extraídas:

El espesor de paredes y la conductividad de paredes se pueden controlar fácilmente por el fabricante del horno.

Mientras que el espesor de pared aumenta, las pérdidas de calor reducen. Mientras que el espesor del aislante se aumenta, las pérdidas de calor reducen.

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El efecto del aislante en la reducción de pérdidas de calor es más pronunciado que el incremento de espesor de pared. Ásperamente 1 cm del ladrillo del aislante es equivalente a 5 a 8 cm del material refractario (ladrillo refractario).

En hornos intermitentes, las paredes finas de materiales refractarios aisladores son preferibles a las paredes gruesas de un material refractario normal para la operación intermitente puesto que menos calor se almacena en ellas.

Un acercamiento para alcanzar menos capacidad del almacenaje del calor sería utilizar el material de aislamiento en sí mismo para formar la guarnición refractaria interna. Los materiales refractarios robustos con fuerza bastante buena y resistencia a la escamación se pueden utilizar para las temperaturas en el rango de 1300°C. Se llaman aislante de cara caliente.

Los ladrillos aislantes de cara caliente son más ligeros de los materiales refractarios normales, pesando solamente de un tercio a una mitad, a lo mucho. Por lo tanto, el almacenaje del calor en el aislante de cara caliente se reduce mucho.

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PREGUNTAS

1. Un aislante térmico tiene:(a) baja conductividad térmica, (b) alta conductividad térmica (c) coeficiente de convección elevado (d) coeficiente de convección bajo.

2. ¿Cuáles son las ventajas del aislante con a más de aumento/pérdida de calor?

33. Dar los ejemplos de los materiales para los aislantes de temperatura media.

4. Dar los ejemplos de los materiales para aislantes de alta temperatura.

55.

Indicar las ventajas de aislantes moldeados.

6. Explicar el término espesor económico de aislante.

7.

Del siguientes cuáles son la característica es la más importante para un ladrillo aislante(a) Porosidad (b) Resistencia mecánica (c) Propiedades químicas (d) Resistencia a la compresión

8. ¿Qué son los moldeables?

9. Explicar abreviadamente cómo se hace la fibra de cerámica.

10.Cuál del siguiente, cuando se añade al silicato del aluminio ayuda a reducir el nivel de la contracción de fibra cerámica

(a) Zr O2 (b) SiO2 (c) Al2O3 (d) CaSO4

11. El término manta se refiere a:(a) Fibra cerámica (b) Ladrillo refractario (c)Ladrillo aislante (d) moldeables

12. Explicar las ventajas de la fibra de cerámica con las características respectivas.

13.

Descubrir de la figura dada en este capítulo, la emisividad a 1000°C para lo siguiente:(a) Ladrillo refractario (b)Ladrillo de alúmina elevada (c)Fibra cerámica (d)Recubrimiento de alta emisividad

14.Nombrar las tres clasificaciones de materiales refractarios en base de la composición química.

15.

El material refractario más común usado en hornos es(a) ladrillo refractario (b)Ladrillo de Zirconia (c)Ladrillo de Magnesita (d) ladrillo de sílice

16. Establecer abreviadamente los criterios de la selección de materiales refractarios.

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REFERENCIAS

REFERENCES

1. Handbook on Refractories by D.N.Nandi, Tata McGraw, New Delhi, 1987.

2. Thermal Insulation and Refractories –PCRA

3. Insulation and Refractories – British Energy Efficiency Office

4. Handbook on Refractories by D N Nandi, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi

www.seav.vic.gov.au/ftp/advice/business/info_sheets / EnergySaving-Insulatio_0_a.pdf

www.pcra.org