Materiales Refractarios

usados en el proceso de

Die Casting

David W. White,

Gerente De Ventas Nacional

The Schaefer Group, Inc.

OH, USA

Salvador Tovar Fco.

Representante en Mxico

The Schaefer Group, Inc.

Mxico

Resumen

Los materiales Refractarios; por definicin, se supone

que deben ser resistentes al calor y a las altas

temperaturas que se exponen, al estrs mecnico, el

esfuerzo, tensin y estrs trmico, corrosin, erosin de

slidos, lquidos y gases, difusin de los gases, y

abrasin mecnica a diferentes temperaturas.

En el sector del procesamiento del aluminio, los

requisitos de las propiedades de los materiales

refractarios son muy diferentes a otras aplicaciones.

Resumen

A pesar de que la temperatura de aleacin de aluminio y sus aleacin proceso es mucho menor que el del acero, que es el nico problema de penetracin en los refractarios.

Por lo tanto, el material refractario debe estar diseado de manera que se observe la caracterstica de no- mojabilidad por aluminio fundido. La propiedad no-mojabilidad has sido introducida en los refractarios con aditivos especiales, donde las pruebas directas correlacionar las propiedades no estn disponibles.

Resumen

En el presente trabajo se analiza la prdida de

energa por una decisin errnea de la seleccin de

refractario, el anlisis de las condiciones de

operacin, la seleccin adecuada de materiales

para una instalacin de alto desempeo as como las

propiedades de los materiales; requeridas para su

aplicacin en aluminio y las ventajas de uso de los

refractarios de ltima generacin

Seleccin de material refractario

Las eleccin de material refractario depende de una serie de factores tcnicos:

Propiedades qumicas y fsicas del material refractario

Tipo y diseo de hornos,

Combustibles y quemadores.

Rapidez de fusin, aleaciones a fundir,

Tipo de carga y el mtodo de carga

Prcticas de limpieza y acondicionamiento del metal,

Junto con las siguientes consideraciones que son:

Costo

Disponibilidad

Propiedades qumicas y fsicas del

material refractario

Punto de fusin:

La mayora de materiales refractarios

son partculas aglomeradas que

observan altas temperaturas de

fusin. El punto de fusin del material

refractario es la temperatura que se

determina en base a la prueba del

cono piromtrico, temperatura

cuando el cono se reblandece

Propiedades qumicas y fsicas del

material refractario

Tamao y forma:

El tamao y la forma de los

refractarios es una parte del

diseo del horno, ya que afecta a

la estabilidad del hogar. Tamao

exacto es muy importante para

poder usar adecuadamente el

material refractario dentro del

horno y para minimizar el espacio

entre la construccin las juntas.

Densidad

Esla propiedad de los materiales

refractarios es determinante,

siendo la cantidad de material

refractario en un volumen

espesfico (kg/m3).

Un incremento en la densidad

aparente de un refractario

aumenta:

Estabilidad dimensional

Capacidad de calentamiento

Resistencia a penetracin escoria.

Propiedades qumicas y fsicas del

material refractario

Porosidad aparente

Es el volumen de los poros abiertos, donde el lquido puede penetrar, siendo un porcentaje del volumen total del refractario.

Esta propiedad es importante cuando el material refractario est en contacto con carga fundida y escoria.

Con una porosidad aparente alta, evita material fundido penetre en el refractario.

Es preferible tener un gran nmero de poros pequeos que grandes poros.

Resistencia a la compresin

en fro

Es la resistencia de los refractarios

a su trituracin, que ocurre

principalmente durante el

transporte.

Se utiliza como uno de los

indicadores de la resistencia a la

abrasin, junto con otros

indicadores como son densidad

aparente y porosidad.

Propiedades qumicas y fsicas del

material refractario

Creep a alta temperatura

Creep es una propiedad

dependiente del tiempo, a su vez,

determina la deformacin en un

momento dado y a una

temperatura dada por un material

refractario bajo estrs.

Estabilidad Volumtrica,

expansin y contraccin en

altas temperaturas

La contraccin o expansin de los refractarios pueden tener lugar durante la vida til de. Tales cambios permanentes en las dimensiones puede deberse a:

Los cambios en las formas alotrpicas, que causa un cambio en la gravedad especfica una reaccin qumica que produce un nuevo material, modificando su gravedad especfica en la formacin de fase lquida de polvos sinterizados

Fusin las reacciones y de la escoria o por la accin de lcalis en materiales refractarios.

Propiedades qumicas y fsicas del

material refractario

Expansin trmica Reversible

El material se expande cuando se calienta, y se contrae cuando se enfra.

La expansin trmica reversible es un reflejo de las transformaciones de fases que ocurren durante el calentamiento y enfriamiento.

Propiedades qumicas y fsicas del

material refractario Conductividad trmica

Depende de la composicin qumica - mineralgica y el contenido de materiales refractarios a y de la temperatura de aplicacin.

Para nuestro propsito requerimos una baja conductividad trmica es conveniente para la conservacin de calor, ya que el material refractario acta como un aislante. Aislamiento adicional conserva el calor pero, al mismo tiempo aumenta la temperatura de la superficie caliente y, por ende, una mejor calidad refractaria.

Normalmente esto se logra mediante la captura una mayor proporcin de aire en la estructura cermica. Algunos ejemplos son:

Antiguamente se adicionaban al compsito de Materiales naturales como el asbesto que es un buen aislante pero no es especialmente un bueno material refractario.

Las lanas minerales se encuentran disponibles que combinan buenas propiedades de aislamiento con buena resistencia al calor, pero estos no son rgidas

Ladrillos porosos son rgidos a las altas temperaturas y tienen razonablemente baja conductividad trmica

Actualmente se tienen a disposicin materiales que ofrecen mejores propiedades trmicas que a un costo beneficio excelente

EL PROBLEMA PRINCIPAL DE LOS HORNOS DE

REBERVEROS ES LA PRDIDA DE CALOR FIJO

Que es la prdida de calor fijo?

Si la carcasa del horno tiene una temperatura de 100C (y hay varios puntos con esta temperatura) esto indica que se estn perdiendo 3,200 BTU por metro cuadrado/hora .

Con slo reducir a 60C, se puede ahorrar hasta 1,650 BTU/m2-hr.

Si se tiene programado revestir el horno para este ao o comprar un horno nuevo, es recomendable seleccionar el material refractario construccin muy cuidadosamente.

Muchas veces estamos tan centrados en los refractarios en contacto con el metal fundido, que se presta poca atencin a la parte aislante

Que es la prdida de calor fijo?En el diseo de refractarios se estimaba que debera existir un plano de solidificacin (el punto en el que el metal lquido se solidificara, si existiese una filtracin a travs del

refractario de trabajo) se alojra en la cara caliente o primera capa de material refractario.

Esta aseveracin ya no es vlida. En los Hornos de Fundicin las temperaturas de la carcasa localizadas, por debajo de lnea de metal estn diseadas para que observen una temperatura entre 50-55C, en lugar con antigua tecnologa 70-85C , hace tan slo unos aos.

Que es la prdida de calor fijo?

Ahora la nueva tecnologa, se basa en el uso de materiales sper aislantes, que pueden ser utilizados en el techo y el piso de los hornos para reducir an ms la prdida de energa.

Algunos hornos tienen que tener los controles de quemadores individuales, con el fin de reducir el consumo de energa en periodos largo de paro operacional, como en fines de semanas largos, slo para mantener los hornos solo en mantenimiento, tomando el enfoque usado en los carros termo de las aceras.

Hemos reducido de manera efectiva la prdida de calor hasta el punto de que los quemadores en el horno operan a fuego bajo, reduciendo los consumos de energa y elevar la temperatura tan pronto se requiera.

Recuerda que cuando el horno se utilizaba slo para mantener temperatura? Esto se ha eliminado.

Controlando prdida de calor fija

Por lo tanto, se pueden realizar algunas cosas sencillas para ahorrar miles de dlares al ao si la planeacin de su revestimiento refractario es el adecuado, desde un punto de vista operacional:

Cubriendo las pozas entre cargas

Una simple tapa de poza automtica solo cuesta $3.500, misma que se auto-paga en 13 meses, por los ahorros de prdida de energa radiante

Controlando prdida de calor fija

Resumen de puntos de control

Condiciones normales de funcionamiento en hornos.

Propiedades de los materiales refractarios en aplicaciones con

aluminio lquido.

Qu tan importante es la resistencia de un refractario?

Qu es un material refractario no-mojable realmente?

Ventajas de los refractarios de liga fosfrica en aluminio

El Bueno, El Mejor y El ptimo de los recubrimientos de

los hornos de reverbero de bao hmedo.

Condiciones tpicas de operacin en Hornos

de reverbero y la vida de refractarios

La destruccin de los refractarios se origina principalmente en la cara del refractario expuesto a flamas directas, gases, metal lquido, atmsfera del Horno, etc. generando grietas y fracturas.

El deterioro trmico se produce cuando hay fluctuaciones presurosas de temperatura causando diferenciales de expansin o contraccin.

Deterioro mecnico es causado por cambios en la estructura fsica , originado por alguna fuerza externa o un objeto, al momento de la carga, limpieza, etc.

Deterioro Qumico, que se produce por una reaccin de uno o ms de los componentes minerales de la masa refractaria y con las sustancias qumicas o componentes minerales de combustible, oxidacin, elementos de aleacin, etc.

Casusas de falla de refractarios

Expansin trmica

Mal curado y seleccin de materiales de fusin parcial o fragmentacin de revestimiento existente

Ataques qumicos y corrosin del proceso

Abuso mecnico

Falla en colocacin de anclas (soldadura inadecuada, pobre prevencin de expansin de materiales.

Astilla miento por abrasin y erosin

Mano de obra previa pobre

Ciclos trmicos inadecuados

Errores de operacin

Condiciones normales de

funcionamiento en hornos

El entorno del refractario puede

describirse como:

rea muy reductora por debajo de la lnea de metal

rea Neutra a oxidante por encima de la lnea de

metal

Contacto con sustancias qumicas y elementos de

aleacin de aluminio como Mg, Si, Zn, Li, Na , etc.

Contacto con productos qumicos de fundentes NaCl,

KCL, NaF, AlF , etc.

Interaccin de los materiales

refractarios con Metal Refractario Liga Fosfrica:

Mg (PO3)2(Liga refractaria) + Mg (del metal) + O2

(atmsfera) = Mg2 P2O7(Reaccin de mono fosfato a di-fosfato)

Mg (PO3)2 (refractario) + Al (del metal) = Mg2 P2O7 + Al

(Al no reduce al MgO basado en termodinmica)

Mg (PO3)2 (Liga refractaria) + Si (de Metal) =

sin reaccin posible (inertes) hasta 1,200C

Al (PO4)3 (Liga refractaria) + 2 Al (de metal) = 3 AlPO4

Cemento o cermico con liga convencional:

4Al (metal) + 3 SiO2(matriz refractaria) = 2Al2O3

(corindn) + 3 Si (metal)

Esta reaccin no se produce en materiales compuestos liga fosfrica o materiales de mullita ya que la slice est protegida en su agregado ( embebidos en la matriz del refractario)

Aplicacin de Fundente

La aplicacin de fundente al aluminio fundido, antes de vaciar, se ha practicado desde hace dcadas. Los mtodos pueden haber cambiado con introducciones de productos ms sofisticados, pero los fundentes siguen siendo utilizados para la proteccin y limpieza de material fundido, coleccin y remocin de escorias y para la desgasificacin de metal.

Que se introducen por inyeccin al bao, constituyendo generalmente un gas, siendo Cloro o Nitrgeno, o una mezcla de ambos.

Los fundentes slidos se aplican en forma de polvos o grnulos y que se manufacturan en una gran variedad de composiciones especfica. Una composicin tpica consiste de cloruro de sodio de aproximadamente 48 %, potasio 48 %, criolita y 4 %. Normalmente, la criolita es una combinacin de sodio fluoruro de aluminio (Criolita Sinttica), Silicofluoruro De Sodio y/o potasio fluoruro de aluminio. Cualquiera de estas composiciones con causar graves daos materiales refractarios para hornos.

INTERACCIN CON LOS FUNDENTES

Fluoruros reaccionan con el material refractario:

2Al (Metal) + 6 NaF (Flux) = 2 AlF3 + 6Na (metal)

6 Na ( Metal) + 4 Al2O3 (refractario o escorias) = 6NaAlO2 + 2 Al

(La reaccin a NaAlO2 conduce a expansin de 30% y la descomposicin de los refractarios)

Los fundentes de cobertura contienen cloruros en su mayora no atacan de manera grave al refractario

Los Fundentes Limpieza y de remocin de escorias contienen los fluoruros y reaccionan de manera exotrmica en especial los de remocin de escorias.

Estos Fundentes tienden a atacar a los refractarios y descomponer el aglutinante y la matriz.

ATAQUE MECNICO

Choque Trmico

ATAQUE MECNICOPrincipales Causas

Mecnica de ataque:

Limpieza mecnica/remocin de escorias

Carga al horno de Chatarra/lingotes

Inductivo o agitacin mecnica

Inyeccin de gases (Cloro, Nitrgeno)

Estrs Termo-mecnico debido a un choque trmico y etapas

de variacin trmica.

ATAQUE MECNICO

Los materiales refractarios convencionales son recomendados para rampas, largueros laterales y perimetrales basndose en materiales de bajo cemento y adiciones de SiC o de zircn, con el fin de mejorar las propiedades contra el choque trmico y a la abrasin.

Los materiales de Alta almina son potencialmente mejor resistencia a la abrasin, bajo choque trmico, debido a sus propiedades de expansin trmica reversible.

La mayora de materiales de alta resistencia convencionales no son resistentes al corindn construir cuando las temperaturas de funcionamiento superar los 1,100 C.

MOJABILIDAD DE UN REFRACTARIO

Que es? Por definicin: La mojabilidad es la capacidad que tiene un lquido de

extenderse y dejar una traza sobre un slido.

Depende de las interacciones intermoleculares entre las molculas superficiales de ambas sustancias. Se puede determinar a partir del ngulo que el lquido forma en la superficie de contacto con el slido, denominado ngulo de contacto ; a menor ngulo de contacto, mayor mojabilidad.

MOJABILIDAD DE UN REFRACTARIO

Que es?

Antes de que el metal lquido pueda atacar un

revestimiento refractario debe ser capaz de mojar el refractario.

La mojabilidad se produce si la tensin superficial del

lquido (interfase aire-lquido) es mayor que la tensin

interfacial entre el refractario y metal lquido

Qu factores influyen en el

mecanismo de Mojabilidad?

Contenido de Almina de refractario

Contenido en Slice de refractario

Tamao de poro refractario

Atmsfera del horno

Elementos de aleacin

Fundente Utilizado

MOJABILIDAD DE UN REFRACTARIO

lcalis como CaO y MgO son utilizados en los

aglutinante tipo fosfrico, formando sales fosfadas.

Estos compuestos son qumicamente estables al

contacto del Al y por lo tanto "no se mojan" o son

qumicamente inertes

Como la resistencia del refractario

es importante Los problemas encontrados en el procesamiento de aluminio en

sus sistemas de fusin tales como choque trmico, estrs trmico, abrasin, impacto y abuso fsico han llevado al desarrollo de materiales refractarios de alta resistencia a la abrasin.

La resistencia se mide en nmeros puros en una hoja de datos, pero no nos indica toda la historia.

No obstante es necesario considerar los Siguientes aspectos :

Resistencia al crecimiento y propagacin de grieta

Valor de MOR

Resistencia al Impacto en las condiciones de funcionamiento

Mecanismo de aglutinacin del refractario.

Exactitud en los procedimientos de prueba

VENTAJAS DE LOS MATERIALES DE

LIGA FOSFORICA

Instalacin rpido/no requiere curado

Permiten calentamiento rpido

Se aglutina y adhiere en recubrimientos existentes

Es posible reparar en lugar de reemplazar

No mojable

Recomendados en reas de contacto con el bao.

Alta resistencia a cambios bruscos de temperatura

Recomendable en muros superiores, quemadores, dinteles y columnas.

Alta resistencia a la abrasin

Recomendable en rampas, dinteles y pisos.

Analisis de recubrimientos en hornos

reververo de cmara hmeda

Horno reverbero, con hogar hmedo con capacidad de 225 kg /hr. a 1800 kg /hr.

Alimentado con gas natural,

Un buen recubrimiento debe observar por lo :

Un refractario moldeable plstico de liga fosfrica con 70% de mullita en cara caliente. Con un espesor de 8" y

3" de material aislante moldeable no mojable

Y 1" de placa de aislamiento .

Si el metal que mantiene se encuentra a una temperatura de 730C la temperatura de la carcasa ser aproximadamente de 70C.

Un Adecuado recubrimiento

refractario

Un recubrimiento mas adecuado podra ser:

Un refractario moldeable plstico de liga fosfrica con 70% de

mullita en cara caliente. Con un espesor de 8" y

3" de material aislante de silicato de calcio moldeable no

mojable

Y 1" de placa de aislamiento

Con una temperatura de metal 730C su

temperatura carcasa ser de 62 C

El Mejor recubrimiento refractario

El mejor recubrimiento podra ser:

Un refractario moldeable plstico de liga fosfrica con 85% de

mullita en cara caliente. Con un espesor de 8" y

3" de material aislante de silicato de calcio moldeable no

mojable

Y 1" de placa microporosa

Con una temperatura de metal 730C su

temperatura carcasa ser de 51 C

Por qu el uso de Silicato de

Calcio? SILCAL es un material ligero y de baja conductividad trmica y baja

capacidad calorfica. Esto permite un mejor control de temperatura, menor prdida de calor y las temperaturas fras para la cara inferior.

Est reforzado con fibras orgnicas especiales con el fin de aumentar fuerza mecnica y maquinabilidad. Debido a sus propiedades se puede sustituir fibra cermica refractarios y alta densidad material silicato de calcio.

Resistencia a la compresin es 252 # /pulgada cuadrada

Factor K es .83

Lo mejor de todo es que no es de aluminio fundido, no penetrar en l.

Se recomienda instalarla evitando juntas en lnea recta y en caso de penetracin de metal lquido, el aluminio se solidificar antes de que llegue a la carcasa de acero.

Ventajas del Silicato de Calcio?

Baja conductividad trmica

Alta resistencia a la compresin

Excelente resistencia contra la contraccin

No ofrece fisuras

Fcil de maquinar (Barrenacin, corte, bisel, cuerdas,...)

Libre de fibras inorgnicas

Estabilidad a alta temperatura

Sustituye materiales fibrosos

No Almacena calor.

Porque el uso de Placas de Slice

Micro Porosa

La placa de slice Micro porosa es un material sper

aislante que reduce las temperaturas cuerpo a un

promedio de 5 a 10C conmarado con un bloque

normal de ladrillo aislante.

PROPIEDADES

El factor K es de .23

450% Mejor que moldeables aislantes

400% Mejor que ladrillo aislante

300% Mejor que bloque normal aislamiento

Anlisis de una reemplazo de un

revestimiento

Un tpico horno de mantenimiento se recibido para

reparacin, antes de realizar la reparacin se

colectaron datos de la temperatura de operacin y de

carcaza.

Posterior al reemplazo de recubrimiento, se colectaron

datos de la temperatura de operacin y de carcaza.

16 3

7 98

5 2 4

10

11

121314 16

15 17

80.00"

70.00"

14 Shell Temperature Location

Side Views End Views

Diseo de Recubrimiento

Refractario altamente eficiente

Esquinas interiors

redondeadas

Ensamble de arcos modulares con

esquinas redondeadas

Ranuras para filtro integradas

Recubrimiento tpico de un horno de mantenimento elctrico

Recubrimiento

altamente aislante

Alto desgaste mecnico

Extremadamente no

Mojable

No permite altas diferencias trmicos

Fcilmente reparable Flexibilidad Limitada de acuerdo a

diseo

Bajo consumo de energa Largos perodos de entrega metal

El refractario sufre contracciones a la

aplicacin de fundente

Detalles de refractario

8-1/ 2" de revestimiento Premium

3-1/ 2 " Revestimiento moldeable de refractario con liga fosfrica, 85% Alumina

4" Placa de Silicato de Calcio Baja Densidad

1" De Placa de Slice Micro porosa

No mojable por el metal

Resiste abrasin mecnica (limpieza)

Geometra Flexible

Y CON UN BAJO CONSUMO DE ENERGA

Reparacin de ollas de transferencia

Monoltico Ladrillo?

Ollas con Auto-rotacin

Revestimoento de refractario

Moldeable o ladrillo refractario? Recubrimiento de refractario

moldeable de alta eficiencia:

Cara de Trabajo 85% almina liga fosfrica.

Aislamiento con placa de Silicua Micro porosa flexible Sper aislante

Temperatura exterior de carcaza : 116C

Con Tapa Aislante

Ofrece reducir la temperatura de transferencia desde la central de fusin

Este tipo de recubrimiento transporta hasta 45,000 ton. Antes del reemplazo del refractario

Recubrimientos con Ladrillo:

El Recubrimiento de ladrillo es tan Bueno

como su junta mas dbil

Temperaturas exteriores de carcaza alta

Difcil de reparar

Se requiere mano de obra intensiva para

reparacin

En alguno casos es ms costoso que los

materiales moldeables monolticos

EL REVESTIMIEBLENTO FLEXIBLE DE PLACA SILICE

MICRO POROSA REDUCE LA TEMPERATURA EN LA

CARCAZA DE UNA CUCHARA 40%

SI TEMPERATURA DEL METAL ES DE 730c

NORMALMENTE LA TEMPERATURA SE REDUCE A 300C

EN LA CARCAZA EXTERIOR

La placa de Slice Micro porosa de " de espesor

reduce aproximadamente la temperatura de

transferencia 140

Es fcil de instalar

Se paga por s sola al que le permiten reducir su

temperatura de fusin 50 grados