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• Prometeo Troyano

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1 REFRACTARIOS Y ESCORIAS REFRACTARIOS.-Se llaman refractarios a aquellos materiales que resisten elevadas temperaturas, acciones químicas severas y las condiciones características de los procesos de fusión, reducción, volatilización y otras operaciones metalúrgicas. Se llaman refractarios cuando soportan una temperatura entre 1580-1770°C Se denominan altamente refractarios si soportan una temperatura entre 1770-2000°C Súperrefractarios son los materiales que resisten temperaturas superiores a los 2000°C. PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS.- Entre las propiedades principales tienen: 1.- COMPOSICION Y ESTRUCTURA a) análisis químico b) estructura, textura y constitución de fases 2.- PROPIEDADES DE SERVICIO a) temperaturas de fusión y ablandamiento b) resistencia al ataque químico c) expansión y concentración d) capacidad para soportar cargas a Temperatura elevada c) resistencia a la abrasión 3.- PROPIEDADES FISICAS a) conductibilidad térmica b) peso especifico, porosidad y permeabilidad c) calor especifico d) conductibilidad eléctrica e) resistencia a la trituración en frío. Modulo de rotura 4.- COSTOS a) materiales b) fabricación c) mantenimiento, costos COMPOSICION Y ESTRUCTURA.La composición se expresa usualmente dando el análisis químico en porcentajes de los óxidos componentes como: % Si02; %Al203; %Fe0; %Mg0 etc. La composición proporciona la base principal para clasificar los refractarios en ácidos, básicos y neutros. La fabricación de un cuerpo refractario comienza generalmente con materiales granulados, o en partículas y mediante algunos procedimientos se incorporan estos materiales a un solo cuerpo coherente tal como un ladrillo o bloques para pisos de horno. La estructura de un cuerpo refractario implica granos y cristales sólidos en una matriz vítrea. La matriz puede ser un cristal, una masa cristalina fina o una mezcla que actúa como ligante o cemento para los granos primarios del material refractario. En general la matriz no llena enteramente el espacio entre los granos de material refractario de manera tal que la estructura en conjunto es porosa. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO.Los diagramas de equilibrios son herramientas esenciales para interpretar y predecir las estructuras de los cuerpos refractarios y sus cambios estructurales durante el cocimiento y

2 servicio. Sin embargo se debe recordar que generalmente los cuerpos no están en equilibrio químico por lo que no se alcanza las constituciones de fases indicadas por los diagramas de equilibrio TEMPERATURAS DE FUSION Y ABLANDAMIENTO- PROPIEDADES DE SERVICIO.Los cambios en las propiedades mecánicas del material, como ablandamientos y eventualmente fusión pueden ocurrir sobre un rango considerable de temperaturas, por lo que la especificación de cualquier temperatura como de ablandamiento o fusión; es arbitraria y muy dependiente del procedimiento de ensayo. El método mas usado para medir el ablandamiento a temperatura elevada es la determinación del cono pirometrico equivalente (CPE). Por el procedimiento estandarizado como ensayo ASTM C-24; que consiste en introducir unos conos en forma de pirámides hechos del material refractario a ensayar, en un horno, se eleva luego la temperatura hasta que se observe un doblamiento de la punta del cono y se toma ese punto como la temperatura de ablandamiento. De acuerdo al número de cono estándar correspondiente a un determinado material refractario y de acuerdo a tablas le corresponde una determinada temperatura. En otras cosas el ensayo mas importante de la temperatura de ablandamiento puede ser la temperatura a la que comienza la deformación bajo una carga fija. RESISTENCIA AL ATAQUE QUIMICO.- Especialmente por las escorias es importante saber como se debe elegir el material refractario a emplear. Los óxidos refractarios son los mismos óxidos que forman las escorias por lo que es raro hallar un refractario que sea insoluble en la escoria. El problema consiste más bien en reducir a un mínimo la velocidad de ataque de la escoria ya que cuando una escoria permanece en contacto con una pared refractaria se forma una zona liquida sobre el lado de la escoria por la lenta disolución del refractario en la escoria adyacente a la pared. En general el líquido formado por la disolución del refractario en esta zona tiene un punto de fusión más alto que el de la escoria y una viscosidad relativamente elevada de manera tal que será retenida en la superficie como un freno a la reacción rápida. Así la acción de la escoria se reduce al mínimo seleccionando el refractario cuya disolución en la escoria aumente el punto de fusión de la misma y también su viscosidad. Son casos típicos el uso de refractarios ácidos para contener escorias acidas y refractarios básicos para escorias básicas. LA EXPANSIÓN Y CONTRACCION.- Ambas deben ser consideradas para explicar el comportamiento de servicio de los refractarios. Primeramente existe una expansión ordinaria con el aumento de temperatura y una contracción con la temperatura decreciente como ocurre en todos los sólidos. Pero además se debe tomar encuenta las deformaciones plásticas originadas por cargas: estas deformaciones son irreversibles y al tratar con ladrillos y otros cuerpos refractarios es muy importante tener en cuenta los cambios de volumen que acompañan a los cambios alotrópicos en las fases sólidas, ya que algunos cambios alotrópicos son irreversibles. Es por eso cuando se efectúa el encendido de un horno, se debe seguir un programa de calentamiento que generalmente dura 5 a 7 días simulando un calentamiento en equilibrio o

3 sea cuasiestático a fin de no producir cambios en las fases del refractario debido a reacciones bruscas de temperaturas. Entonces el calentamiento debe ser lento y controlado. Ej.; 5 a 10°C/hora CAPACIDAD PARA SOPORTAR CARGAS A TEMPERATURAS ELEVADAS.En general los refractarios que mejor soportan este tipo de cargas son los ladrillos de sílice y generalmente se usan en las bóvedas de los hornos. Los ladrillos de magnesita tienen baja capacidad de soportar cargas a temperatura elevada y además son más caros. PROPIEDADES FISICAS CONDUCTIVIDAD TERMICA.- Es una propiedad importante de los refractarios, en general es preferible la baja de conductividad térmica aunque en otras aplicaciones es deseable una conductividad elevada. CONDUCTIVIDAD ELECTRICA.Es de interés primordial en la conexión con materiales usados en hornos eléctricos. Por Ej. El grafito y el carburo de silicio que son dos materiales refractarios comunes, son relativamente buenos conductores y son muy útiles como elemento de resistencia o calefactores. REFRACTARIOS METALURGICOS. -CLASIFICACION.- Una base empleada para clasificar materiales refractarios esta relacionado estrechamente con la clasificación de las escorias en términos de acidez y basicidad. Así los materiales altos en Si02 se los considera ácidos, los altos en Ca0 o Mg0 son básicos y los materiales que son óxidos como el Al 203, Cr 203, C, SiC (no óxidos). Se denominan refractarios neutros. Una clasificación de acuerdo a su composición química es la siguiente: - refractarios ácidos (alto contenido en sílice, alto contenido en alúmina) - refractarios básicos de magnesita, dolomita, Cr Mg0, cromita, etc. - refractarios especiales Carbono y grafito, carburo de Si REFRACTARIOS ACIDOS Son aquellos con alto contenido en sílice y alúmina por ej el ladrillo de sílice es esencialmente un agregado de sílice cristalino con otros óxidos presentes. Las propiedades del ladrillo de sílice son muy importante en sus aplicaciones, ya que el sílice es el principal refractario acido que resiste a las escorias acidas. Debido a su bajo costo, y buena resistencia mecánica este ladrillo es muy común para la construcción de hornos en general. Los ladrillos de sílice son baratos; poseen alta resistencia; soportan temperaturas hasta de 1650 -1770 °C bajo carga. Su volumen es casi constante según varíe la temperatura, son de color beige claro, brillante y livianos REFRACTARIOS BASICOS.Se usan generalmente en procesos básicos donde es esencial la resistencia a escorias básicas. La magnesita Mg0 es uno de los constituyentes principales de los refractarios básicos. La Mg0 pura conocida como perioclasa tiene uno de los puntos de fusión mas elevados, 2800°C. Los demás componentes del ladrillo básico son Cr 20 3; Fe 20 3; Ca0; Al 203 etc. La cal Ca0 tiene un punto de fusión igual a 2750°C y es similar a la magnesita. Los refractarios básicos son de color verde oscuro a negro, son pesados, caros y opacos.

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ESCORIAS.Son los productos líquidos o sólidos provenientes de los procesos piro metalúrgico de fusión, conversión y refinación de metales. En estos procesos la fusión de todos los materiales (es decir la carga) producen dos productos líquidos que se encuentran en fases separadas cuando se hallan en reposo. En la inferior siempre se halla la fase metálica y encima de el, la escoria, ya que al tener menos peso especifico, esta flota sobre el metal. La función principal de la escoria es la de recoger y retirar del proceso las impurezas presentes en la carga y que no se desea en el producto metálico que se está extrayendo. La escoria es generalmente el producto de desperdicio o menos valioso y lleva consigo gran parte de las sustancia que se consideran no deseables en el producto valioso. Es decir que la escoria tiene un contenido mínimo del metal particular que se esta extrayendo. Cabe acotar sin embargo que en algunos casos como en la obtención de cobre se forman tres fases liquidas: metal, mata (que son sulfuros) y escoria. En el caso del Plomo se tienen cuatro fases liquidas: metal, mata, speiss (que son arseniuros) y escorias. PROPIEDADES QUE SE REQUIEREN DE LAS ESCORIAS.REQUERIMIENTO METALURGICO.Se debe tener una escoria que recoja y disuelva los porcentajes máximos de impurezas y arrastre la menor cantidad de metal posible. COSTO MINIMO.En la práctica es raro o muy poco frecuente que se presenten de manera natural los constituyentes de la escoria en la proporción adecuada para obtener una escoria satisfactoria. Por lo tanto se deben añadir adicionantes como caliza, arena, Fe0 etc. Esto incide en el costo de tratamiento y de igual manera tiene que ver con el contenido de calor que se aporta de tal modo que el costo del combustible debe ser asignado a la formación de la escoria. Disminuyendo así también la capacidad de tratamiento de la unidad VISCOSIDAD Y FLUIDEZ.- Es deseable no tener una escoria poco fluida ya que las de este tipo tienden a llevar en suspensión partículas de las fases metálicas, por lo que una escoria debe ser fluida y no viscosa. PESO ESPECÍFICO.- Este requerimiento no es critico ya que en general los óxidos y silicatos líquidos componentes de la escoria tienen peso específicos considerablemente menor que los metales, facilitando así la separación de fases. CORROSIVIDAD.- Se debe tener cuidado en la elección o preparación de escorias de acuerdo al tipo de refractario de que este construido el horno ya que si por ejemplo la escoria es básica y el refractario es acido se producirá un ataque químico en la zona de contacto que corroerá rápidamente al ladrillo refractario disminuyendo fuertemente su tiempo de vida e incidiendo directamente en los costos de producción.

5 COMPOSICIONES TIPICAS DE LAS ESCORIAS.Las escorias están compuestas generalmente por óxidos tales como Si02; Ca0; Fe0; Fe 203; Al 203; P 205 etc. Sin embargo los componentes principales y que se hallan en mayor proporción son la sílice Si02; el oxido de hierro Fe0; la alúmina Al 203 y la caliza Ca0. De manera algo empírica se pueden clasificar las escorias en: acidas, básicas y neutras. ESCORIAS ACIDAS.- Son aquellas que tienen alto contenido de sílice Si0 2 en la misma. En la practica las escorias acidas se las puede reconocer por ser livianas, de aspecto vidrioso y brillantes. Son de color negro brillante, a negro verdoso. Una composición típica de una escoria acida es por ejemplo: Si02=45%; Fe0=30%; Ca0=15%; Al 203=8%; el resto, otros óxidos. ESCORIAS BÁSICAS.- Son escorias con alto contenido de óxidos básicos como ser Fe203; Fe0; y Ca0. Son pesadas, de color gris - negro y opacas. Una composición típica de las escorias básicas es la siguiente: Fe0 = 40%; Si0 2=30%; Ca0=20%; Al 0 =7% 2 3 ESCORIAS NEUTRAS.Son aquellas intermedias entre ambas. Como se mencionó anteriormente es muy importante la preparación o fabricación de una escoria la cual debe ser optima en términos de mejorar el rendimiento del proceso tanto en la reducción de tiempos de procesos, minimizar costos y aumento de la producción. De acuerdo al tipo de metal que se este extrayendo se pueden utilizar los diagramas ternarios de equilibrios en los que se hallan la composición de Si02; Fe0 y Ca0 en función de la temperatura y el porcentaje de alúmina Al 203. De esta manera las líneas en el diagrama son isotermas de las que se puede elegir una escoria con una composición determinada para la preparación de la misma.

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