REFRACTARIOS - · PDF filela última categoría, refractarios aislantes, el resto...

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  • Universidad Tcnica de Oruro Carrera de Ingeniera Metalrgica MET 2240 Hornos Metalrgicos

    Capitulo 6

    REFRACTARIOS Los refractarios son materiales estructurales que resisten altas temperaturas y las fuerzas destructi-

    vas que se producen como consecuencia del trabajo del horno, conservando una buena estabilidad

    dimensional y qumica. Ellos juegan un rol importante en los procesos pirometalrgicos, en los cua-

    les se manejan materiales slidos (calcinas, quemadillos), lquidos (metales fundidos, escorias, ma-

    tas, speiss) y gaseosos a temperaturas elevadas. Con ellos se revisten los hornos en los que se

    obtienen los metales a partir de sus menas, y en los que se transforma el metal en productos aca-

    bados o semiacabados.

    La norma ISO R836 68, define como refractarios a aquellos productos naturales o artificiales, no

    metlicos, cuya resistencia giroscpica es igual o superior a 1 500 C.

    Desde el punto de vista tecnolgico, se define como material refractario a todo material capaz de

    soportar temperaturas elevadas, las condiciones del medio en que est inmerso, durante un periodo

    de tiempo econmicamente aceptable.

    La refractariedad de un material se define como la capacidad de mantener un grado deseado de

    identidad qumica, fsica y mecnica a alta temperatura.

    Con materiales refractarios se construyen los hornos en los que se fabrica el vidrio, el cemento, los

    materiales cermicos de construccin y el coque siderrgico. Los refractarios se usan como ladrillos

    de diferentes formas, masas preparadas, en fibras, placas, y tambin en forma granular.

    Las temperaturas de trabajo de diferentes procesos metalrgicos que utilizan materiales refractarios

    en los hornos utilizados por ellos son::

    Tostacin de sulfuros 600 950 C

    Fundicin de estao 1.200 1.300 C

    Retortas para zinc 1.400 1.600 C

    Convertidos Bessemer 1.600 C

    Toberas de alto horno 1.900 C

    Arco elctrico 2.500 C

    Las condiciones de servicio a que se ven expuestos los refractarios en estos procesos de forma ge-

    neral, exigen que los materiales sean capaces de soportar las siguientes condiciones:

    Rangos de temperatura hasta unos 1500 a 1760 C. 0

    Tensiones principalmente compresivas. Tanto a altas como a bajas temperaturas. Repentinos cambios bruscos de temperatura (choque trmico) En algunos casos, la accin de las escorias, desde las cidas a las bsicas.

  • Universidad Tcnica de Oruro Carrera de Ingeniera Metalrgica MET 2240 Hornos Metalrgicos

    En algunos casos, la accin de los materiales fundidos, siempre a altas temperaturas y capaz de ejercer grandes presiones.

    En algunos casos, la accin de los gases, incluyendo S02. CO, Cl, CH4, H20 y xidos, sales voltiles de metales, hasta metales voltiles.

    La accin del polvo y cenizas en los gases, los cuales pueden ser cidos o bsicos. Fuerzas de impacto y abrasivas tanto a altas como a bajas temperaturas.

    Un refractario puede estar sometido a un mismo tiempo a una o ms de las anteriores condiciones.

    Por otro lado, se le pueden exigir adems otras funciones:

    Almacenamiento de calor, como en el caso de los recuperadores. Conductor de calor como en las paredes de las cmaras de coquizacin. Aislante trmico, como en los hornos de mufla.

    Todas estas exigencias requieren que los materiales o productos refractarios presenten unas propie-

    dades especficas. A menudo ser necesario satisfacer al mismo tiempo varias propiedades que se

    oponen mutuamente. Por ejemplo, una alta resistencia mecnica requiere baja porosidad, lo que es

    incompatible con un comportamiento aislante. Por tanto, un refractario concreto puede presentar

    uno o ms compromisos, con sacrificio de una caracterstica para aumentar otra ms importante en

    una determinada aplicacin.

    La mayora de los refractarios estn compuestos por las siguientes sustancias:

    xidos: Arcillas refractaria x Al2O3.ySiO2

    Almina Al2O3

    Slice SiO2

    Cal CaO

    Magnesia MgO

    Cromita (Fe, Mg)(Cr, Al)2 O4

    Magnesita-cromita MgCr2O4 + MgO

    Forsterita Mg2SiO4

    xidos especiales ZrO2, ThO2, BeO

    No xidos: Carbono y grafito

    Carburo de silicio

    Compuestos raros TiC, TiB2, BN

    Metales Mo, W, Fe

    Los puntos de fusin de los materiales refractarios comunes son elevados, como se muestra a conti-

    nuacin:

    Slice 1,750 C

    Caoln 1.740 C

    Bauxita 1.600 1.820 C

    Almina 2.050 C

    Magnesia 2.165 C

    Cromita 2.050 2200 C

    Carborundum No se ablanda hasta 2.240 C

    Carbn Slido hasta 3600 C

  • Universidad Tcnica de Oruro Carrera de Ingeniera Metalrgica MET 2240 Hornos Metalrgicos

    6.1 Clasificacin de los refractarios Las tablas 6.1 y 6.2 muestran clasificaciones en base a la composicin qumica. En la primera, salvo

    la ltima categora, refractarios aislantes, el resto son materiales densos, es decir, con porosidad

    muy baja o nula.

    TABLA 6.1 Clasificacin de materiales refractarios segn composicin qumica (basado en la

    norma COPANT IRAM 12550)

    TIPO CLASE COMPONENTE PRINCIPAL

    cidos Silico-aluminoso

    Semi-slice

    Slice

    SiO2 libre o combinada: Al2O3 25 a 47.5%

    SiO2 mnimo 72%

    SiO2 mnimo 95%

    Alta almina Moldeados

    Electrofundidos

    Al2O3 mayor a 47.5% y hasta 100%

    A base de bauxita, Al2O3 mnimo 80%

    A base de corindn, Al2O3 mnimo 99%

    Ternarios: Al2O3 + ZrO2 + SiO2

    Almina cromo: Al2O3 + Cr2O3

    Bsicos Magnesia

    Magnesia cromo

    Magnesia dolomita

    Magnesia carbn

    Cromo

    Cromo magnesia

    Dolomita

    Forsterita

    Espinela

    MgO mnimo 80%

    MgO mnimo 55%

    MgO mnimo 50%

    MgO + C

    Cr2O3 mnimo 30%

    Cr2O3 + MgO

    MgO + CaO

    2MgO.SiO2 + MgO

    MgO + Al2O3

    Especiales

    (carburos)

    Carburo de silicio

    Carburos metlicos

    Grafito puro

    Grafito

    Carbono

    SiC 20 a 99% + ligantes

    De Zr, Ta, Nb, Ti, etc.

    Grafito mnimo 90%

    Grafito + arcillas

    C entre 80 y 90% (de coque o alquitrn)

    Mullita Liga cermica

    Electrofundidos

    3Al2O3.2SiO2, Al2O3 mnimo 72%

    Circonio Circona

    Circn

    ZrO2

    ZrO2.SiO2

    Otros xidos De Ti, Th, Be, Nb, Ta, Hf, etc.

    No xidos Nitruros

    Boruros

    Siliciuros

    Cermets

    BN, AlN, Si3N4

    De Cr, W, Zr, etc.

    De Mo, W, etc.

    Dichos, ms liga metlica

    Aislantes Slico - aluminoso Se clasifican segn su temperatura de uso en la

    cara caliente (entre 870 y 1 816 C)

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    TABLA 6.2 Clasificacin de materiales refractarios segn composicin qumica (basado en la

    norma ISO 1109)

    TIPO CLASE COMPOSICIN

    cidos Slice

    Semi-slice

    Silico aluminosos

    Aluminosos

    Alto contenido de Al2O3, Grupo I

    Grupo II

    SiO2 > 93%

    85% SiO2 < 93%

    10% Al2O3 < 30%; SiO2 < 85%

    30% Al2O3 56%

    Al2O3 56%

    45% Al2O3 56%

    Bsicos Productos de magnesia

    Productos de magnesia-cromo

    Productos de cromo-magnesia

    Productos de cromita

    Productos de forsterita

    Productos de dolomita

    MgO 80%

    55% MgO < 80%

    25% MgO < 55%

    Cr2O3 55%, MgO 25%

    Productos especiales Carbono (amorfo)

    Grafito

    Circn (ZnSiO4)

    Circona (ZrO2)

    Carburo de silicio (SiC)

    Carburos (otros del SiC)

    Nitruros (Si3N4; etc.

    Espinelas (MgAl2O4; etc.

    Productos de xidos puros

    La tabla 6.3 es una clasificacin segn la forma de elaboracin y presentacin; se dividen aqu los

    refractarios en dos grandes grupos, los conformados (ladrillos, placas, etc,), y los que se fabrican en

    forma de polvos u otros, para ser aplicados en reparaciones, rellenos, y usos similares.

    TABLA 6.3 Clasificacin de materiales refractarios segn sus procesos de elaboracin y

    formas de presentacin (COPANT IRAM 12550).

    1. Moldeados en fbrica (conformados): ladrillos, cuas, placas, formas curvas y especiales.

    2. No moldeados (especialidades)

    2.1 Argamasas refractarias 2.2 Enlucidos o revoques refractarios 2.3 Hormigones refractarios (densos, livianos, etc.), incluyendo el cemento fundido refrac-

    tario, basado en aluminato clcico.

    2.4 Mezclas refractarias para apisonar. 2.5 Mezclas refractarias para proyectar. 2.6 Morteros refractarios (de endurecimiento al aire, en caliente, de fraguado hidrulico). 2.7 Plsticos refractarios. 2.8 Tierras refractarias. 2.9 Materias primas refractarias (arcillas, caolines, minerales aluminosos, silicatos de Mg,

    Cr, Zr, etc.)

  • Universidad Tcnica de Oruro Carrera de Ingeniera Metalrgica MET 2240 Hornos Metalrgicos 6.2 Propiedades de los refractarios Las cualidades que debe poseer un refractario en particular, dependen del uso para el cual est des-

    tinado. Las siguientes propiedades son de importancia en refractarios utilizados en los hornos me-

    talrgicos.

    6.2.1 Composicin qumica La composicin qumica