CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES REFRACTARIOS

INTRODUCCIÓN

El refractario es un material consumible y de gran impacto en la producción

de acero. El logro de aceros de alta limpieza y por añadidura calidad, resulta

del esfuerzo realizado en la tecnología de refractarios, esta tecnología no

incluye únicamente al fabricante de este producto, incluye también al

fabricante de acero.

En este trabajo se hace una revisión general del campo de los refractarios de

uso en aceración, e incluye aspectos básicos, termodinámica y diagramas de

equilibrio, consumo de refractarios, etc.

La evolución de los materiales refractarios ha sido paralela a la que han

tenido los diversos procesos de fabricación de acero. Este estudio analiza las

tendencias que han dado en la aplicación de los diferentes tipos de

materiales refractarios. Se analizan las prácticas de fabricación de acero y su

influencia en la vida del refractario.

GENERALIDADES

LIMPIEZA DEL ACERO

La industria siderúrgica es el sector productivo que consume la mayor parte

de los materiales refractarios. El estudio de estos materiales se fundamenta

en la importancia trascendental que tienen en la producción de acero. El

refractario es un material combustible y por tanto no forma parte de la

constitución final del producto.

Las reacciones principales que se establecen en cualquier sistema de

producción de acero, se clasifican en las siguientes categorías:

- Líquido-Líquido (metal-escoria)

- Líquido-Sólido (escoria-refractario)

- Líquido-Gas (escoria-atmósfera del horno)

De la interrelación que se de en este tipo de reacciones dependerá que se

obtenga un producto de óptima calidad.

El acelerado desarrollo técnico de la industria en la escala mundial ha

impulsado el surgimiento de la tecnología de acero limpio, que define al

producto como un material libre de impurezas (gases, inclusiones no-

metálicas, elementos residuales indeseables, segregación, etc.). Esta

tecnología-Objetivo se ha reflejado en los grandes avances en los procesos

de fabricación. En este contexto debe asignarse un reconocimiento especial

al papel desempeñado por el refractario.

CAMPO DE ESTUDIO DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS

El campo específico de estudio de los materiales refractarios corresponde al

campo genérico de materiales cerámicos. De origen existe una separación

muy amplia entre el campo de estudio del siderurgista y refractarista;

mientras que el primero estudia elementos metálicos, el segundo estudia

compuestos no-metálicos, sin embargo, ambas disciplinas se integran en una

sola al estudiar globalmente los procesos de fabricación de acero.

El término cerámica proviene del griego keramos que significa arcilla. La

etimología es muy apropiada, ya que pone de manifiesto la gran abundancia

de este material en la corteza terrestre.

DEFINICIÓN

El concepto de refractario tiene atributos muy extensos y no existe en

consecuencia una definición exacta. La ASTM establece que la temperatura

mínima a la cual debe permanecer estable térmicamente un refractario es

de 1515oC (CPE=18), otras fuentes establecen la temperatura mínima para

un CPE de 15. Una definición aproximada de los refractarios establece que

éstos son materiales policristalinos, inorgánicos, no-metálicos, de alto punto

de fusión y que se fabrican, en general, a partir de un polvo que se conforma

mediante prensado u otro procedimiento, que se somete a continuación a

una cocción a alta temperatura y que se utilizan para fundir o contener

materiales a altas temperaturas.

CLASIFICACIÓN

La tabla (1) muestra cinco clasificaciones de los materiales refractarios. La

primera, establecida por el instituto de refractarios, permite una visión

sintetizada de los diferentes tipos y con apego al tipo de materias primas. La

segunda clasificación atiende a una sola propiedad física, la densidad. La

tercera clasificación es útil en la terminología de taller para distinguir los

diferentes tipos. La cuarta permite el conocimiento del comportamiento

químico de los diferentes refractarios a temperaturas elevadas, finalmente,

la quinta clasificación, más completa, separa los diferentes tipos de

refractarios con el componente mineralógico principal. La tabla (2) permite

obtener mayor información sobre esta clasificación, en está se detallan los

puntos de fusión y densidades de las principales especies mineralógicas de

los refractarios. El análisis de esta información es importante debido a que

un refractario no esta formado por una sola especie mineralógica, por el

contrario, su estructura contiene una amplia variedad, las cuales en algunos

casos son deseables y otros, producen un efecto negativo en sus

propiedades.

PROPIEDADES

Las condiciones de trabajo de los refractarios exigen que éstos posean una

amplia gama de propiedades que en algunos casos son antagónicos, en esta

situación se selecciona de acuerdo con la condición más crítica.

La evolución de estas propiedades requiere de principio un muestreo

adecuado considerando la naturaleza tan heterogénea de los materiales

refractarios.

Las propiedades solicitadas a un refractario son:

- Estabilidad térmica a las temperaturas de trabajo.

- Resistencia mecánica a la temperatura de trabajo.

- Estabilidad química frente a la escoria, gases y metal líquido.

- Resistencia al choque térmico.

- Capacidad para almacenar calor.

- Homogeneidad en la composición química.

- Economía.

Par evaluar estas propiedades y predecir de esta manera el comportamiento

en servicio de los materiales refractarios, se recurre al análisis de diversas

características medibles. No necesariamente el hecho de obtener valores de

especificación para las diversas características asegura un buen desempeño

del refractario, esto es como resultado de las condiciones en que se efectúa

la evaluación, es decir, la evaluación de cada una de las características

pretende simular las condiciones de trabajo, no obstante en muchos casos es

prácticamente imposible. Esta premisa pretende abrir el criterio respecto de

los resultados obtenidos.

Las características que nos permitirán predecir este comportamiento son:

1. REFRACTARIEDAD

La refractariedad es analizada mediante el examen del cono pirométrico

equivalente (CPE). Esta prueba es una medida indirecta de la temperatura de

reblandecimiento. No puede expresarse como punto de fusión debido a la

naturaleza heterogénea del refractario.

Se pueden señalar dos desventajas de esta prueba como objeto de

comprender mejor su valor, una es que la prueba es de tipo comparativo y la

otra es que la prueba es realizada en un horno con atmósfera oxidante (lo

que resulta en la práctica es una atmósfera reductora).

Este dato es muy importante para los materiales refractarios. Los

refractarios básicos no son sometidos a esta prueba debido a los elevados

puntos de fusión de sus componentes.

El valor de refractariedad se expresa de dos formas: Cono Seger y cono

Orton. Este último es el más utilizado. La escala de temperaturas del cono

Orton 07 al 42, varía de 990-2015oC. La variación de uno a otro tipo de cono

es muy irregular, generalmente fluctúa de 5-15oC.

2. RESISTENCIA MECÁNICA

A) MODULO DE RUPTURA (MOR): un ladrillo estándar o equivalente se

coloca entre dos soportes distantes 18cm. (9in) de sus centros de

apoyo. Se aplica la carga por la parte superior en el centro de los 18

cm. y se determina la fuerza necesaria para llegar a la ruptura del

ladrillo. El ladrillo estándar tiene las dimensiones de 22.8 x 11.4 x 6.3

cm. (9 x 4.5 x 2.5 in). La prueba se realiza a temperatura ambiente y a

temperaturas elevadas.

El módulo de ruptura ha sido determinado mediante ensayos no

destructivos para materiales SiO2 – Al2O3. Los valores obtenidos tienen

buena correlación con los datos reales.

B) RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN: Un ladrillo estándar o equivalente se

coloca en una prensa y se aplica presión sobre las caras más cortas. Se

determina la fuerza máxima para romper un ladrillo por compresión.

C) DEFORMACIÓN BAJO CARGA: Se evalúa la deformación que sufre una

muestra cuando se le comete a una fuerza de compresión y bajo

condiciones de temperatura próxima a la de trabajo. Esta

característica proporciona datos valiosos de las condiciones de trabajo.

El ladrillo en servicio estará sujeto a fuerzas de compresión muy

severas, producto de la expansión térmica, del peso de los ladrillos

adyacentes y de la carga que contiene.

Los resultados de esta prueba pueden darse de diferente manera, uno

de estos indica la carga aplicada, la deformación en % y la

temperatura en oC a la que se rompe la probeta.

La microestructura del refractario desarrolla una función muy

importante en esta prueba.

3. EXPANSIÓN TÉRMICA: Mediante un dilatómetro se miden las

variaciones dimensionales por cambios de temperatura. Esta característica

permite determinar el tamaño de las juntas de expansión.

Los refractarios que poseen la mayor expansión térmica son los de sílice y

magnesita. La elevada expansión térmica de los ladrillos de sílice se debe a

sus transformaciones de fase, presentando la ventaja a altas temperaturas

de que esta característica permanece constante, lo cual se traduce en una

elevada resistencia al choque térmico.

4. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA: La conductividad térmica esta muy

relacionada con la capacidad de almacenar y transferir calor, esta capacidad

depende de la composición química y de la fabricación de una pieza con

elevada densidad. Al utilizarse los refractarios como aislantes, se desea que

esta característica sea la más baja posible.

La conductividad térmica tiene una relación muy estrecha con la porosidad.

Así mismo, se atribuye a la porosidad las discrepancias en la medición, pues

difícilmente se pueden analizar dos muestras con la misma porosidad,

tamaño y distribución de poros.

La conductividad térmica de los refractarios es muy superior a la de las

escorias. Como comparación podemos citar los siguientes rangos:

Escorias 0.2 – 2.0 W/mK

Refractarios 1 – 40 W/mk

En general aumenta con un incremento de temperaturas, la excepción la

constituyen los refractarios de MgO, en los cuales disminuye al aumentar la

temperatura, lo que incrementa su capacidad aislante, pero a la vez se

incrementa el riesgo de agrietamiento debido a su elevada expansión

térmica.

Los materiales refractarios utilizados especialmente como aislantes térmicos

son las fibras cerámicas. Las fibras cerámicas tienen bajo peso específico,

muy adecuado en partes móviles, y tienen elevada resistencia al choque

térmico. Se fabrican a partir de SiO2 y Al2O3 se funden en un horno eléctrico y

se pasan posteriormente por un fibrerizador. El rango de la temperatura de

trabajo varia de 1300 – 1500oC.

La prueba según la ASTM se basa en el equipo desarrollado por Patton y

Norton, y consiste en hacer pasar un flujo de calor uniforme a través de la

muestra, el flujo se mide mediante el aumento de temperatura del agua que

refrigera su otro extremo.

5. RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO (SPALLING): Muestras de

refractarios se calientan a cierta temperatura (950oC) y posteriormente se

enfría con agua atomizada una cara del ladrillo. Se evalúa la pérdida de peso

por despostillamiento. La resistencia al choque térmico resulta de una

óptima combinación entre la expansión térmica y la conductividad térmica;

reduciéndose la relación se incrementa la resistencia al choque térmico.

6. RESISTENCIA AL ATAQUE DE ESCORIA: La velocidad de corrosión

depende de varios factores, uno de los más importantes es la composición

de la escoria y del refractario. Además de la composición de la escoria, otro

factor que interviene es la temperatura, ya que cualquier sustancia en

contacto con un refractario a temperatura elevada reaccionara con este.

La prueba que se realiza en México consiste en evaluar el grado de ataque

causado por la escoria sobre una muestra de refractario cuando esta se

deposita continuamente a cierta temperatura durante un tiempo prefijado.

7. DENSIDAD Y POROSIDAD: los refractarios no son materiales

compactos, poseen poros. Estos poros influyen en gran escala sobre las

demás propiedades de los refractarios. Un material poroso tendrá baja

conductividad térmica, alta resistencia al choque térmico, baja resistencia a

la penetración de escorias y baja resistencia mecánica.

Existen dos tipos de porosidad, la abierta y la cerrada. La porosidad abierta

expresa el volumen de poros que son medibles, existen otro tipo de poros

que por ubicación y geometría no se detectan con los porosimetros y se

consideran como porosidad cerrada.

La porosidad es valuada en función de la densidad. La densidad verdadera

considera exclusivamente el material sólido, la densidad total considera el

volumen del material sólido y todos los poros, la densidad aparente

considera el material sólido y los poros abiertos.

8. MICROESTRUCTURA: El análisis cuantitativo de las diferentes fases

que componen la estructura de un refractario puede realizarse mediante el

uso de microscopia óptica o electrónica de barrido.

La microestructura esta influenciada por diferentes aspectos del proceso de

fabricación tales como ingredientes de la mezcla, impurezas, temperatura de

cocción, etc.

El análisis microestructural es un estudio complementario con el análisis

químico, este último proporciona cantidades pero reducida información

sobre las especies mineralógicas presentes

Se utiliza el método de polvos para observar materiales conocidos, el polvo

se prepara aplicando un líquido del mismo índice de refracción que el

refractario sobre el polvo (malla menor de 200) y se cubre posteriormente

con una delgada capa plástica.

9. ANÁLISIS QUÍMICO: El análisis de los diferentes compuestos de un

refractario se constituye en el análisis más necesario para evaluar en la

práctica la calidad del mismo y aunque su cumplimiento no asegura la

obtención de las mejores propiedades mecánicas, si ofrece una idea firme de

su calidad. El análisis químico puede realizarse por las técnicas tradicionales

de vía húmeda. Lo más conveniente y exacto es realizarlo con análisis

instrumental como el equipo de fluorescencia de Rayos-X. el muestreo, como

se señaló al principio, es clave para obtener resultados confiables.

TERMODINÁMICA – DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO – REFRACTARIOS

El estudio de la termodinámica y los diagramas de equilibrio es fundamental

para comprender el comportamiento de los refractarios en servicio. Desde el

punto de vista termodinámico no existen refractarios que sean

completamente estables a las temperaturas de aceración. Esto se demuestra

con la figura, que representa la energía libre de formación de los óxidos.

Existen refractarios que tienen mayor estabilidad que otros.

El estudio de los diagramas de equilibrio comenzó a desarrollarse a

principios de siglo, hasta que se logro fabricar termopares capaces de medir

temperaturas elevadas.

Los diagramas de refractarios que se presentan en este trabajo son útiles

para analizar el efecto de los diferentes componentes en la refractariedad y

en la resistencia al ataque químico de escorias. Al referirme a refractariedad

se debe ampliar este concepto. Una disminución de la refractariedad implica

una mayor posibilidad de formación de fase líquida a las temperaturas de

trabajo. La resistencia en caliente es dependiente en forma directa de la

presencia de fase líquida. La aplicación de los diagramas con el tipo de

refractarios que se utilizan en la práctica permitiría comprender mejor su

comportamiento y adquirir los criterios básicos de diseño.

SISTEMA SÍLICE – ALUMINA – MxOy

LADRILLOS DE SÍLICE: La sílice por ser el óxido mas abundante en la corteza

terrestre y de los refractarios menos costosos, se ha utilizado extensamente

durante mucho tiempo en los hornos de fusión.

La materia prima principal de los ladrillos de sílice son las arcillas. Las

arcillas son fundamentalmente silicatos de aluminio y presentan tres

características principales importantes:

Cuando se combinan con agua forman masas plásticas que se le puede

moldear.

Una vez seca adquieren gran resistencia

El proceso de cocción aumenta su resistencia

Seger clasifica las arcillas en tres grupos, según su contenido de alúmina.

Grupo I, rica en arcilla con 41% Al2O3

Grupo II, con 20% Al2O3

Grupo III, arcillas con alto contenido de Fe2O3 y 12-18% Al2O3

La figura muestra el diagrama binario CaO-SiO2. Este diagrama es

importante para todo tipo de refractarios debido a la presencia casi general

de estas dos especies, para el caso específico de los ladrillos de sílice la cual

sirve como material de liga. Los ladrillos de sílice contienen de 2-5% CaO. la

cal prácticamente no disminuye la refractariedad de los ladrillos de sílice.

El óxido de hierro es el óxido de la escoria más negativo para los

refractarios. En lo sucesivo se analizará este óxido de diferente manera. El

FeO en el sistema FeO-SiO2 aun a bajas concentraciones promueve la

formación de fase líquida a temperaturas elevadas, al incrementarse la

proporción se incrementa la formación de fase líquida. En un sistema

altamente oxidado la refractariedad de la sílice se incrementa, debido a la

formación de hematita o magnétita en vez de wustita. La alúmina como

impureza disminuye notablemente la refractariedad debido a la formación de

un eutéctico.

LADRILLOS DE SILICIO-ALUMINOSOS (25-45% Al2O3): su refractariedad se

incrementa proporcionalmente con el contenido de alúmina.

LADRILLOS DE ALTA ALUMINA (mayor de 45% Al2O3): La clasificación de

ladrillos de alta alúmina es muy amplia. Se consideran cuatro grupos dentro

de los ladrillos de alúmina:

Sillimanita 45-65% Al2O3

Mullita 65-75% Al2O3

Bauxita 75-90% Al2O3

Corindón 90- 100% Al2O3

Para obtener ladrillos de alta alúmina, la arcilla pura debe mezclarse con

minerales del grupo de la sillimanita. Este grupo incluye a la sillimanita,

andalucita y cianita, todas con la misma fórmula (Al2O3 . SiO2).

La mullita es el refractario de alta alúmina mas extensamente usado. La

mullita tiene una composición de 72% Al2O3 y funde a 1845oC, admite un

mayor proporción de Al2O3 en solución sólida de pendiendo de las

condiciones de equilibrio. El rango general abarca de 65-75% para obtener

100% mullita, lo cual dependerá de las materias primas utilizadas,

granulometría y proceso de fabricación.

La Bauxita es la mena del aluminio. Para obtener alúmina pura se utiliza el

proceso Bayer.

LADRILLOS DE MAGNESITA: el término implica la presencia de la especie

mineralógica denominada periclasa (MgO). El término magnesita más que

indicar la composición de estos refractarios, indica una fuente de materias

primas (MgCO3).

Los refractarios de periclasa son en la actualidad los más extensamente

usados, todos los desarrollos tecnológicos han generado diversas variantes.

La razón de este auge se debe sin lugar a dudas a sus propiedades.

Estas propiedades se describen a continuación:

• El elevado punto de fusión: de acuerdo con Kanolt (1913) es de 2800 C y de acuerdo con

Mc Nally (1961) es de 2825°C, el más elevado de todas las especies mineralógicas

conocidas. Esta característica confiere una muy elevada refractariedad.

• Elevada resistencia al ataque, de escorias oxidantes: Las figuras 10 y 11 señalan los

diagramas, binarios MgO-FeO bajo condiciones, reductorás y oxidantes respectivamente. El

MgO forma con el FeO una solución con total solubilidad en el estado sólido (condiciones

reductores). Esta característica hace precisamente que la refractariedad no disminuya

notablemente, aun a proporciones de FeO elevadas.

La desventaja técnica principal es, como ya se describió, su elevada expansión térmica

(la más elevada de todos los refractarios a las temperaturas de aceracion).

La clasificación de los tipos de ladrillos de MgO es la siguiente:

0 Quemado

0 Quemado e impregnado con alquitrán (1969)

0 Ligado con alquitrán (carbón)

0 Liga carbón con adición de grafito ( y antioxidantes)

Los refractarios de periclasa son de costo elevado debido a que no existen como óxido

en la naturaleza y se requiere considerable trabajo de beneficio para extraerla a partir

de los minerales como la Breunerita MgFe (CO3)2 o bien, preparada químicamente a

partir del agua de mar (1937).

El control de composición química para una periclasa de alta calidad es la siguiente:

% sio2 < 1 %

Basicidad de 1.8 - 2.8

% (Fe2O3 +Al203) < 1%

B2O3 < 0.05 %

El agua de mar contiene de 0.15 - 0.20% de B2O5 . El control de la basicidad es muy

importante. A bajas basicidades (0.93 - 1.4) se forma monticellita ( CaO.

Mg0.Si02) y merwinita (3CaO.MgO.2SiO2 ) que son de bajo punto de fusión. Las figuras

(12), (13) y (14) muestran a mayor detalle el efecto de la basicidad, FeO y Al203

respectivamente. El uso de carbón en los refractarios de MgO incrementa

considerablemente sus propiedades. Inicialmente, el carbón se adicionó en la forma de

alquitrán, brea o resina, produciendo bajo nivel de carbón.

El carbón en el refractario presenta las siguientes ventajas:

Reduce la penetración de escoria (Figura 15)

Incrementa la conductividad térmica (figura 15) reduciendo los esfuerzos de

origen térmico.

La porosidad se reduce.

La principal desventaja técnica de los ladrillos MgO-C es su tendencia a

perder carbón por oxidación. Esta desventaja ha sido reducida con la adición

de metales antioxidantes (Figura 16).

LADRILLOS DE DOLOMITA: Los refractarios de dolomita son usados

ampliamente en Europa debido a la calidad, de la materia prima y a su bajo

costo de transporte, haciéndola más económica que los refractarios de

periclasa.

Semejante el caso de los refractarios de magnesita, la composición de los

refractarios de dolomita es CaO.MgO. La dolomita es un carbonato de calcio

y magnesio CaMg(CO3)2 , así, el nombre correcto de esta especie es doloma.

Tanto la cal como el óxido de magnesio tienen elevado punto de fusión.

Impurezas de menor punto de fusión como la sílice disminuyen su

refractariedad.

La descomposición de la dolomita produce CaO y MgO. Para obtener la

menor porosidad posible se requiere la total eliminación del CO2 mediante un

control adecuado de la temperatura.

La desventaja técnica principal dé la doloma es su elevada tendencia a

hidratarse. Este problema se ha disminuido con sistemas de

empaquetamiento especiales, con recubrimientos como el alquitrán, etc.

LADRILLOS CROMO MAGNESITA.: Debido ala naturaleza de los minerales de

cromo los refractarios MgO-Cr2O3 tienen alto contenido de impurezas. El

Cr2O3 con el FeO debe formar algún compuesto muy quebradizo, debido a

que en contacto con este óxido tiene tendencia a desconcharse.

La combinación MgO- Cr2O3 adquiere regular resistencia al óxido de hierro y

baja expansión térmica, compensándose entre ambas especies sus

desventajas.

REVESTIMIENTO Y CONSUMO REFRACTARIO: BOF-HEA-OLLAS

REFRACTARIOS EN CONVERTIDORES AL OXIGENO (BOF) : El proceso de

fabricación de acero con inyección de oxígeno tiene sus antecedentes en el

viejo proceso Bessemer (1856) con inyección de aire por él fondo y el

proceso Thomas Gilchrist (1878). El enriquecimiento con oxígeno se

comenzó a realizar en Alemania en 1931. El procesó BOF, tal y como se

conoce en la actualidad se desarrolló industrialmente a partir de 1952. Este

proceso de soplo por arriba ha sido optimizado con soplo por el fondo

mediante inyección de gases inertes para agitación, existiendo una amplia

variedad de marcas (TBM,.LBE, etc)

Uno de los aspectos más importantes a considerar del revestimiento

refractario se refiere al tema de la zonificacion. Cualquier horno de fusión

presenta zonas que varían, en la proporción del desgaste debido a

condiciones propias de trabajo. Esto motiva a experimentar el tipo y espesor

de los refractarios que resulten en un desgaste homogéneo. La figura (17)

muestra un diagrama de zonificacion de un convertidor. Se observa que

existen dos zonas críticas, la zona de muñones y la zona del orificio de

vaciado.

Otro aspecto importante se refiere ala práctica de precalentamiento. El

gradiente ideal de temperaturas durante el calentamiento que no produzca

esfuerzos térmicos debe ser lineal, esto trae como consecuencia tiempos

prolongados. El límite de la velocidad mínima lo establecen las pérdidas de

calor y la oxidación del carbón del ladrillo.

El tipo de refractarios que se utilizan en los convertidores con inyección de

oxigeno es de tipo magnesitico en diversas variedades. El ladrillo de

seguridad es prensado y quemado únicamente. El ladrillo de trabajo, debido

a la zonificación, puede ser ligado con alquitrán y quemado impregando con

alquitrán, este segundo tipo es más costoso y la tendencia es a reducir su

presencia de 40-70% actualmente a un 20%.

La siguiente tabla muestra la calidad típica de los refractarios magnesíticos

utilizados en convertidores:

El consumo de refractario de las acerías de México ha disminuido de 7-8 Kg

por tonelada de acero a 3-4 Kg/ton en un lapso de 10 años. Esto es atribuible

a mejoras en la calidad del refractarlo, pero sobre, todo, a una mayor

optimización técnica del proceso de aceración y ala calidad de las materias

primas (cal y arrabio principalmente).

Algunos de los factores del proceso de aceración que han permitido

racionalizar el consumo de refractario son:

Temperatura de fin de soplo: Se logra mejor con una buena consistencia del

silicio del arrabio. Se pretende que dentro de los límites de trabajo sea la

más baja posible (1600-1650°C). El tratamiento, relativamente moderno de

desiliconización del arrabio ayuda a lograr este objetivo.

Control del nivel de saturación de MgO en la escoria: Este aspecto esta

controlado por la basicidad ( B > 3) y grado de oxidación de la escoria (FeO

< 22%).

Control de altura de la lanza y flujo de oxigeno: La velocidad de entrada del

oxígeno puede controlarse con la cantidad y diámetro de los orificios de la

boquilla. La altura ideal debe tender a una penetración máxima sin dañar el

piso del refractario.

Eficientar la práctica de precalentamiento.

Control de la técnica de carga.

Utilización de la práctica de recubrimiento con escoria.

REFRACTARIOS EN EL -HORNO ELÉCTRICO DE ÁRCO (63~65): El horno

eléctrico de arco es el reactor de aceración que ha generado más

innovaciones tecnológicas algunas de éstas son; paneles, enfriados por agua

para paredes y bóvedas, quemadores auxiliares, electrodos enfriados por

agua, sistema para la detección rápida de escoria, vaciado excéntrico, etc.

BÓVEDA: Debido a que la sílice posee una expansión térmica uniforme a

temperaturas elevadas se había utilizado durante mucho tiempo,

actualmente ha sido desplazada por los materiales de alta alúmina y cromo-

magnesita, o bien el cambio radical con el uso de bóvedas con sistema de

paneles, la bóveda tiene diferentes secciones: la delta que incluye los

orificios para introducir los electrodos y un anillo exterior que contiene el

orificio de extracción de humos. La bóveda y el anillo de extracción de

humos, están sujetos a condiciones de trabajo muy severas, que incluyen:

1.- choques térmicos severos

2.- Ataque químico de la escoria y los humos

3.- Elevada erosión mecánica por arrastre de humos

b) PAREDES: Las paredes están sujetas a los siguientes factores de desgaste:

ataque químico de la escoria zonas de sobrecalentamiento y choque térmico

entre coladas.

Los puntos calientes se forman en los puntos adyacentes al arco de los

electrodos. Se incrementa la severidad de este fenómeno cuando no existe

una adecuada alineación de electrodos y cuando se encuentran

desbalanceadas las tres fases, causando arcos desiguales y como

consecuencia variación irregular y pronunciada del desgaste en cada fase. El

uso de fiero esponja incrementa la magnitud de los puntos calientes debido

a que su fusión requiere de mayor potencia dé trabajo. La línea de escoria es

muy irregular y su espesor varía según las condiciones del proceso. La

agresividad de la escoria debe ser controlada para lograr un mejor

rendimiento del refractario de esta zona.

Las propiedades generales que requieren los refractarios para esta zona son:

Afinidad química: Escorias acidas con refractario ácido y escorias básicas con

refractario básico. La agresividad del refractario del horno eléctrico de arco

es de tipo básico, así, escorias ácidas son negativas y estas se forman

principalmente en la etapa de fusión.

Los factores que inhiben la penetración de la escoria deben considerarse en

la fabricación de estos refractarios, tales como baja porosidad, carbón

residual, liga cerámica, etc.

c) CRISOL: El crisol esta sujeto, a las siguientes condiciones de trabajo;

erosión mecánica por el acero líquido, riesgo de desmoronamiento debido a

hidratación mientras el horno esta parado y desgaste mecánico por impacto

durante la carga de chatarra.

El desarrollo de equipos de mayor potencia de fusión (UHB) ha incrementado

el riesgo de distorsión, e inclusive el riesgo de fugas, debido a la

conductividad térmica del refractario.

Se pueden utilizar ladrillos de sílice en la zona adjunta a las placas del crisol

y terminar la instalación refractaria con material básico de tipo apisonadle.

d) CANAL DE VACIADO: .El canal de vaciado tradicional esta sujeto a una

fuerte erosión y con alto riesgo de arrastrar refractario que finalmente se

convertiría en inclusiones no-metálicas de tipo exógeno. Thyssen desarrolló

un nuevo sistema de vaciado por el fondo que entre sus ventajas presenta la

eliminación de la escoria del horno a la olla.

SISTEMA DE PANELES REFRIGERADOS POR AGUA: El sistema de paneles

refrigerados

por agua, al igual que los refractarios MgO-C, fue desarrollado en Japón en

1973.

El sistema de paneles refrigerados por agua fue desarrollado inicialmente

para las áreas de los puntos calientes. En procesos rápidos (metalurgia

secundaria) este sistema es muy ventajoso y en procesos más prolongados

resulta rentable si los paneles se ubican solo en las zonas de los puntos

calientes.

REFRACTARIOS PARA OLLAS: El concepto de olla se ha modificado. Su uso ya

no esta limitado al transporte de acero únicamente, es ahora parte esencial

de los procesos de refinación secundaria. En este nuevo enfoque, las

condiciones de trabajo se han hecho más críticas (temperaturas más

elevadas y tiempos muy prolongados de residencia).

La tecnología de horno-olla se ha acompañado de grandes cambios en los

sistemas para inyección de gases y de vaciado con válvulas deslizantes. La

tecnología convencional de una olla implicaba el uso de refractarios de sílice

o sílice-alúmina pues no se manejaban temperaturas elevadas. El sistema de

vaciado mediante barra-tapón resultaba hasta cierto punto práctico, sin

embargo, este sistema, presenta la gran desventaja de no controlar

eficientemente el flujo de descarga, teniéndose una altura limitada para

control y fuera de ahí cualquier movimiento de la barra no afecta el flujo. El

sello con barra presenta otras desventajas adicionales, como son las

dificultades del sello y la distorsión de la barra.

El tipo de refractarios de un horno-olla comprende generalmente refractarios

de alta alúmina y básicos, utilizando la técnica de zonificación y

considerándose básicamente la línea de escoria y la zona de impacto como

las más críticas. Los refractarios básicos son muy sensibles a los choques

térmicos para evitar este problema se deben tener equipos y practicas de

precalentamiento muy eficientes.

Los tiempos prolongados de residencia en las condiciones en que se efectúa

el proceso con el equipo horno-olla exige tomar precauciones entre el tipo de

refractario a usar y el tipo de aceros que se fabrican, así, la fabricación de

aceros inoxidables con refractarios MgO - C ó MgO – Cr2O3 es peligrosa

debido a la posibilidad de cesión de carbono o cromo al metal.

La experiencia industrial en cuanto al tipo de refractarios para el equipo

horno-olla es muy diverso. Existen reportes que indican buenos resultados

con dolomita, MgO - liga cerámica, etc, el tipo ideal dependerá de las condi-

ciones de trabajo de cada planta, es decir; tipo de acero a fabricar, proceso

de fabricación, ritmo de producir, costo, disponibilidad en el mercado, etc.

La instalación del refractario de las ollas se realiza tradicionalmente en

anillos. Un sistema más novedoso propone realizarlo; en espiral, con las

ventajas de ahorro de tiempo en el montaje, menor consumo de refractario y

desgaste más uniforme. La desventaja que se señala se refiere al mayor

número de piezas requeridas para formar la rampa.

DESGASTE DEL REFRACTARIO POR LA ESCORIA

Se ha analizado en este trabajo el efecto del óxido de hierro y en general de

los minerales de bajo punto de fusión sobre la refractariedad. Se analiza más

profundamente este comportamiento.

El análisis de diagrama FeO-CaO-SiO2 que incluye las líneas de solubilidad

del MgO a 1600°C permite concluir que para un rango dé basicidades

específico, la variación del FeO no debiera modificar la solubilidad del MgO.

Los estudios experimentales han mostrado una tendencia diferente, en la

que el FeO ejerce una gran influencia.

El desgaste del refractario de BOF puede reducirse logrando controlar el

nivel de saturación de MgO en la escoria y esto a su vez dependerá de las

adiciones de cal dolomítica y de su reactividad.

El desgaste del refractario de un horno eléctrico de arco puede determinarse

a partir del análisis de escorias; el peso de MgO de la escoria se obtiene a

partir del cálculo del peso de la escoria y ésta a su vez del cálculo de carga

en función del silicio o de la cal.

La disolución de la cal es un factor clave para reducir la agresividad de las

escorias sobre los refractarios. La disolución depende de varios factores,

entre ellos esta la pureza de la cal, método y grado de calcinación,

temperatura y composición de la escoria, y de la energía de agitación del

sistema. La figura (18) describe la interacción escoria - refractario, se

observa que el ataque de la escoria además de desgastar el espesor del

refractario se infiltra y modifica la composición original del material.

INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO

El tema de instalación y mantenimiento de refractarios con frecuencia se le

coloca en un papel secundario cuando se analizan estos materiales. Instala-

ción y mantenimiento son complemento indispensable para lograr un buen

desempeño de estos materiales .

El personal que coloca refractarios desempeña comúnmente la función de un

albañil tradicional y en realidad el manejo de ladrillos para construcción y de

ladrillos refractarios es muy diferente. Este personal debe conocer los

aspectos básicos del comportamiento de los ladrillos, del significado de la

expansión térmica y en general de todas las propiedades, solo así podrá él

mismo mejorar la instalación refractaria. Se considera una buena instalación

refractaria, la que es mecánicamente estable, evita las infiltraciones de

líquidos y gases y es a la vez flexible para permitir las expansiones y

contracciones de las diversas partes del horno sin que las paredes sufran

ningún debilitamiento.

La medición del desgaste del refractarlo sé efectúa ordinariamente de

manera visual después de cada colada y en función de esta inspección se

decide el grado de reparación. Este sistema de inspección esta sujeto a

muchos errores. Desde la década de los 70 se desarrolló en Suecia un

sistema, de monitoreo por rayo láser (LMS) para evaluar el perfil de desgaste

del refractario. Este sistema es más preciso, aunque los primeros modelos

(AGA LMS 1600) son de difícil manipulación.

La reparación del revestimiento refractario se efectúa con material

proyectable. Es a mi criterio una idea generalizada de que debido a su

adherencia deficiente el material proyectable no es muy útil y solo se

aconseja en reparaciones de emergencia. Esta técnica de reparación se

originó en los años 30 y desde entonces se ha extendido su uso.

Guenard et al (1983) desarrollo un excelente trabajo de investigación sobre

la práctica de los materiales proyectables (goneo). Sus conclusiones son las

siguientes:

En el momento de la operación, el material proyectable debe tener rápida

adhesión física y una adecuada distribución granulométrica (< 3 mm)

Durante el calentamiento (antes y durante la carga) el factor más crítico es

una buena resistencia mecánica.

Durante la última carga al horno, el material proyectable debe poseer una

excelente estabilidad, química y estabilidad de volumen.

La escoria que cubre el refractario desempeña una función muy importante

sobre la permanencia final del material proyectable sobre el revestimiento.

El campo de los materiales proyectables tiene un futuro muy promisorio

según las expectativas de diversos investigadores. Marino ha señalado que

el uso de refractarios monolíticos permitirá una vida indefinida del

revestimiento, si se logran desarrollar los, materiales, el equipo y la

tecnología de cómputo necesarios.

TECNOLOGÍA DE REFRACTARIOS

Como se ha señalado, el consumo de refractario en (Kg/ton) ha disminuido.

Esta disminución se debe sobre todo a innovaciones tecnológicas de los

procesos de fabricación, pero también a la mejor calidad del refractario

El aspecto tecnológico de los refractarios centra su atención en la

interrelación que se efectúa entre el productor de refractarios y el productor

de acero. Esta estructura asigna una función muy importante a la

investigación en cada campo.

La tecnología de acero limpio, tal y como se definió, solo será posible si estas

dos industrias maduran en ese terreno.

CONCLUSIONES

1.- La calidad del refractario repercute directamente en la calidad del acero,

sus efectos más negativos inciden en la presencia de inclusiones no

metálicas de tipo exógeno.

2.- La evolución de los procesos de aceración ha repercutido en condiciones

de trabajo más severas para el refractario. Los refractarios de tipo básico con

los que han respondido más eficazmente a esta nueva realidad.

3.- El buen desempeño de un refractario depende directamente de la

relación calidad del refractario - mejoras en las técnicas de fabricación de

acero. Mejorar la calidad del refractario comprende materias primas,

tecnología de manufactura y análisis de comportamiento en servicio. Mejorar

las técnicas de fabricación de acero en relación con los materia les

refractarios implica eficientar la instalación del revestimiento refractario,

estudiar los perfiles de desgaste y zonificar según los resultados y sobre

todo, implica un control muy estrecho de la composición de la escoria.