Hugo Ordóñez, Refratechnik Cement GmbH

La Familia CF, ladrillos refractarios de alta flexibilidad y

aplicación universal

Refractario: (Del lat. refractarĭus, obstinado, pertinaz).

Dicho de un material que resiste la acción del fuego sin alterarse Fuente: Diccionario de la Real Academia de la Lengua

Definición

Carbon (C)

Calcia (CaO)

Magnesia (MgO)

Chromite (Cr2O3)

Alumina (Al2O3)

Silica (SiO2)

Zirconia (ZrO2)

Materias primas para materiales refractarios

Pirámide de materias primas para refractarios (según H. Barthel)

Minimización de - Infiltración - corrosión

Optimización de la estructura + Flexibilidad + Resistencia mecánica

Desarrollo de refractarios

REFRACTARIOS

Esfuerzos térmicos PUREZA MgO, Cont. fases

secundarias

AREAS DE OPTIMIZACIÓN

El conjunto de propiedades es un compromiso para lograr un balance apropiado para la aplicación

Propiedades características

Materias primas para ladrillos de magnesio (DBM)

El MgO no se encuentra en la corteza terrestre

MgO + CO2 (atmósfera) MgCO3 MgO + H2O (atmósfera) Mg(OH)2

Materias primas para ladrillos básicos Naturales Cristal grande (magnesita natural) (MgCO3) Cristal fino (gel de magnesita) Procedente de agua de mar (0.24 mg/l de MgO ) Sintéticas de lagos salados (~12 % MgCl2 = 5 % MgO) o de salmueras (~21.5 % MgCl2 = 9 % MgO)

LAS RELACIONES CAO/SIO2 Y CAO/FE2O3

DETERMINAN LA COMPOSICIÓN MINERAL RESULTANTE

CAO/SIO2 SILICATOS FERRITAS -------------------------------------------------- < 0.93 M2S + CMS MF = 0.93 CMS MF 0.93 - 1.40 CMS + S2 MF = 1.40 C3MS2 MF 1.40 - 1.87 C3MS2 + S2 MF = 1.87 C2S MF >1.87 C2S, (C3S), C MF, C2F

Fases minerales presentes en ladrillos básicos,

DEPENDIENDO DE LA COMPOSICIÓN DE LAS IMPUREZAS QUE ACOMPAÑAN A LA PERICLASA , SE PUEDEN FORMAR DISTINTOS COMPUESTOS Mineral Fórmula Abreviatura T fusión (°C) ---------------------------------------------------------------------------------------------- Periclasa MgO M 2800 Forsterita MgO·SiO2 M2S 1890 Monticellita CaO·MgO·SiO2 CMS 1490 Merwinita 3CaO·MgO·2SiO2 C3MS2 1575 Belita 2CaO·SiO2 C2S 2130 Alita 3CaO·SiO2 C3S 2070 Magnesio Ferrita MgO·Fe2O3 MF 1715 Ferrita Dicálcica 2CaO·Fe2O3 C2F 1435 Óxido de Calcio CaO C 2580

Formación de fases minerales

Evolución del revestimiento refractario en la zona de fuego del horno rotativo de clinker

Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat. Refractories Worldforum 5 (2013)(4)

Uso

en

zo

na

de

fu

ego

NOMBRE FÓRMULA NOMBRE FÓRMULA Espinela MgAl2O4 Cromita Fe2+Cr2O4 Hercinita FeAl2O4 Manganocromita Mn2+Cr2O4 Galaxita MnAl2O4 Cocromita Co2+Cr2O4 Gahnita ZnAl2O4 Nicromita Ni2+Cr2O4 Magnesioferrita MgFe2

3+O4 Zinccromita Zn2+Cr2O4 Magnetita Fe2Fe2

3+O4 Magnesioculsonita MgV23+O4

Jakobsita Mn2+Fe23+O4 Vuorelainita Mn2+V2

3+O4 Trevorita Ni2+Fe2

3+O4 Coulsonita Fe2+V23+O4

Cuproespinela Cu2+Fe23+O4 Quandilita TiMg2O4

Franklinita ZnFe23+O4 Ulvita TiFe2

2+O4 Magnesiocromita MgCr2O4 Brunogeierita Fe2+Ge4+O4

Algunos miembros de la familia de las espinelas

Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat. Refractories Worldforum 5 (2013)(4)

Fórmula genérica de la espinela pleonástica: ([FexMg1-x]Al2O4)

La tecnología de elastificación con espinela pleonástica es una invención de Refratechnik y está patentada.

Espinela pleonástica

Sección delgada pulida de espinela pleonástica, el elastificante de prestaciones superiores para ladrillos básicos

¿Cómo elastifica la espinela?

La espinela molida, con una determinada distribución de tamaño de partículas,se distribuye de manera homogénea en la matriz de MgO. El dibujo ilustra una sola partícula de espinela (en rojo) inmersa en la matriz circundante de MgO

Los coeficientes de expansión térmica del MgO (la matriz) y la espinela son distintos: CEMgO =13.85·10-6 K-1

Ceesp. =8,8·10-6 K-1

Cuando se calientan los ladrillos, el MgO de la matriz alrededor de los granos de espinela se expande más (+ 57%) que el grano de espinela, lo cual ejerce una presión inmensa sobre el grano.

¿Cómo elastifica la espinela?

La imposibilidad de expandirse fractura la matriz y surgen micro fisuras alrededor del grano de espinela, que actúan como un elastificante: el modulo de Young se reduce significativamente

¿Cómo elastifica la espinela?

Microestructura de ladrillos básicos con distintos elastificantes

MgCr2O4

CROMITA

MgAl2O4

ALUMINATO DE MAGNESIO

Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat Refractories Worldforum 5 (2013)(4) Copyright Refratechnik Cement GmbH

FeAl2O4

HERCINITA

(Mg,Fe)(Al,Fe)2O3

ESPINELA PLEONÁSTICA

Microestructura de ladrillos básicos con distintos elastificantes

Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat Refractories Worldforum 5 (2013)(4) Copyright Refratechnik Cement GmbH

¿Qué hace diferentes a las espinelas aparte de su composición química?

Estabilidad química frente al resistor (MgO)

¿Qué reacciones ocurren?

(Mg,Fe)Al2O3 (E. Pleonástica)

+ estable que

MgAl2O4 (aluminato de magnesio)

+ estable que

FeAl2O4 (hercinita)

+ estable que

MgCr2O4 (cromita)

FeAl2O4 y MgCr2O4 contienen menos MgO, lo que genera mayores gradientes de concentración entre el elastificante y la matriz . Esto favorece procesos de difusión de iones a elevadas temperaturas.

Corrosión de la espinela por difusión

Microestructura de un ladrillo de Magnesia elastificado con Hercinita electro fundida. Los granos de hercinita muestran huecos dejados por la difusión de iones de hierro desde la espinela hacia la matriz circundante de MgO. Flechas rojas

Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat Refractories Worldforum 5 (2013)(4) Copyright Refratechnik Cement GmbH

Microestructura de un ladrillo de Magnesia elastificado con MA espinela “in situ”. (elipse) Es notable el hueco en el interior del grano de espinela, causado por la difusión de iones de aluminio hacia la matriz circundante de MgO. ¡ Este fenómeno también afecta la Hercinita!

Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat Refractories Worldforum 5 (2013)(4) Copyright Refratechnik Cement GmbH

Corrosión de la espinela por difusión

Magnesia Magnesia Productos AF Magnesia-Pleonasta TOMAG® A1 Chromita Espinela típico

R TSR

= CC

S/G

RTSR = Thermal Shock Resistance Parameter, CCS = Cold Crushing Strength, G = Shear Modulus

Límite operativo de hornos de clinker

La elastificación con espinela pleonástica incrementa la elasticidad de los ladrillos

Resistencia al Choque Térmico (RTSR =CCS/G ) de distintos tipos de ladrillos básicos

Comportamiento de la hercinita y la espinela pleonástica frente a la corrosión causada por distintos tipos de clinker (Análisis en el microscopio de calentamiento por etapas)

hercinita espinela pleonástica

Cemento Portland Ordinario (OPC) Cemento Resistante a Sulfatos (SRC)

1408 °C

1386 °C

1410 °C

1400 °C

La elastificación con espinela pleonástica incrementa la resistencia al ataque termoquímico de las fases líquidas del clinker.

MgO sinterizado + hercyinita fundida

MgO sinterizado +

Esp. pleonástica fundida

MgO alta pureza +

Esp. pleonástica fundida

MgO alta pureza + hercyinita fundida

3,08 14,1 21 76 5,1

1600 6,4

3,09 14,6 22,8 103 5,7

1600 12,2

3,02 14,6 25 90 6,1

>1700 13,9

3,01 14,25 23,6 90 5,8

>1700 7,7

Densidad (g/(cc) Porosidad aparente (%) Módulo Elástico (GPa) RCF (MPa) MOR (MPa) Rbc, ta (°C) MOR @ 1200 °C

Fuente: MAGNESIA BRICKS CONTAINING IRON SPINEL TROUBLESHOOTERS FOR THERMOMECHNICALY STRESSED KILNS Holger Wirsing, Hans-Jürgen Klischat, Carsten Vellmer, Copyright Refratechnik Cement GmbH, Göttingen.

MÓDULO DE RUPTURA @ 1200 °C

modulo de ruptura en caliente (Mpa)

MgO natural+Cromita

Campos de aplicación familia CF esquemático

RESISTENCIA MECÁNICA Y TERMOMECÁNICA

RESIS

TENC

IA T

ÉRM

ICA

Y

TER

MO

QU

ÍMIC

A

MgO natural sinterizado+MA espinela

o hercinita

Almag CF Topmag CF

Reframag CF

Perilex CF

Fuente: MAGNESIA BRICKS CONTAINING IRON SPINEL TROUBLESHOOTERS FOR THERMOMECHNICALY STRESSED KILNS Holger Wirsing, Hans-Jürgen Klischat, Carsten Vellmer, Copyright Refratechnik Cement GmbH, Göttingen.

Esp. pleonástica de alta pureza

Esp. p

leoná

stica d

e alta

purez

a

Los miembros de la familia CF

Fuente: Refratechnik Cement GmbH, Göttingen.

Areas de aplicación en el horno rotativo

Fuente: Refratechnik Cement GmbH, Göttingen.

Perilex® CF Reframag® CF Topmag® CF Almag® CF

Toneladas 55.534 268 147 261

Referencias

Hasta agosto 2015, instalaciones exitosas en 262 hornos alrededor del mundo *

* Fuente: Refratechnik Cement GmbH, Göttingen.

INFORMACIÓN ADICIONAL: Refratechnik Cement GmbH

Refratechnik México S.A. de C.V. www.refra.com