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CONAMET/SAM 2006

FALLAS EN REFRACTARIOS EN HORNOS Y CONVERTIDORES DE FUSION DE COBRE Ricardo Castillo B.1, Cristian Vásquez V.2 1

2

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de La Serena. [email protected], Instituto de Innovación en Minería y Metalurgia, IM2-Codelco, [email protected];

RESUMEN Una importante fracción de los costos del mantenimiento de los reactores pirometalúrgicos de fusión de cobre, tales como los hornos y convertidores CT y CPS, proviene del reemplazo de los ladrillos refractarios, particularmente en sus zonas críticas de mayor desgaste. Lo anterior justifica estudios continuos de las características físicas, químicas y mecánicas de estos materiales. Además, en forma complementaria se requiere optimizar los métodos de mantención de estos reactores pirometalúrgicos, en cuanto al reemplazo de los refractarios. Estos son los temas abordados en este artículo, proveniente de la experiencia en terreno y comparación con la literatura. Particularmente, se avanza en la caracterización de los diferentes tipos de fallas asociadas con choque térmico, erosión, abrasión, escorificación. Además, se cubren los métodos alternativos y complementarios de mantenimiento usados comúnmente para optimizar los procesos de fusión, aumentando los periodos de sus campañas operacionales, asociados a la reducción del desgaste en las zonas críticas. Palabras Claves: Ladrillos refractarios, fallas, hornos, convertidores, fusión, cobre.

1. INTRODUCCIÓN Los ladrillos refractarios son muy importantes en equipos que trabajan a altas temperaturas, tales como calderas, hornos de vidrio, cerámica, fusión de metales tales como el acero, cobre, níquel, etc. Esto es debido a que proporcionan aislación térmica, estabilidad estructural de los equipos y en los casos de fusión proporcionan protección contra los ataques químicos de las escorias y del metal fundido. Los materiales refractarios tienen grandes propiedades, tales como alta refractariedad, porosidad, baja conductividad térmica. Además deben resistir choques térmicos, erosión, abrasión y deformación en caliente. Se clasifican en Básicos, Ácidos y Neutros (tabla I). La tabla II muestra las propiedades de los refractarios según su clasificación. Las condiciones de servicio de los materiales refractarios son muy exigentes (Santander, 1989) (Piderit, 1983) y las fallas pueden ser debido principalmente a esfuerzos térmicos, esfuerzos mecánicos, impregnación y erosión. Esto último, puede provenir de la acción del baño metálico, las escorias, la inyección de sólidos y fluidos o por los polvos y humos. Todo lo anterior muestra la complejidad de los fenómenos de daños físicos, químicos, metalúrgicos y mecánicos que pueden ocurrir en servicio en forma independientes o complementarios y generalizada o local, con énfasis en los equipos pirometalúrgicos.

CLASIFICACION

TIPO DE LADRILLO

Refractarios Acidos

Magnesita (MgO) Magnesita-Cromo (Mg-Cr) Cromo-Magnesita (Cr-Mg) Forsferita (MgO y Si) Dolomita (MgO y Ca) Cromita (CrO) Grafito (Carbón) Alta Alumina (Al2O3) [ es neutra segun Normas Alemanas] Silice (Cuarzos) Silico-Aluminosos (Arcillas) Alta Alúmina [es ácida segun Normas Americanas]

Refractarios Neutros

Refractarios Básicos

Tipo de Ladrillo Acido de Arcilla

Composición Al2O3 : 31-38 % Si O2 : 55-63 %

Acido o Neutro de Alta Alúmina

Al2O3 : 45-99 % Si O2 : 45 %

Acido de Sílice

Si O2 : 45 %

Básico liga directa

Mg O : 63,4 % Cr2O3 : 16 %

Básico liga convenional

-

Básico liga química

-

Especiales Aislantes

Al2O3 : 21-23 % Si O2 : 59-61 %

Propiedades Refractariedad Normalizada. Buena estabilidad volumétrica en altas temperaturas. Baja porosidad. Alta temperatura de vitrificación. Gran resistencia al choque térmico. Gran resistencia a la desintegración. Gran resistencia mecánica. Gran resitencia al impacto, abrasión, choque térmico y carga. Gran resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Baja permeabilidad y alta antiabrasividad. Gran refractariedad. Gran fortaleza mecánica en frío y caliente. Gran resistencia al choque térmico a altas temperaturas.Gran resistencia al ataque químico ácido Baja sílice y elevado punto de fusión. Alta porosidad y Alta densidad. Gran resistencia a ambientes erosivos y corrosivos. Gran resistencia mecánica en caliente. Gran resistencia al ataque de escorias. Buena estabilidad dimensional. Elevada resistencia mecánica. Gran capacidad para desarrollar sinterización en servicio. Alta resistencia al choque térmico. Excelentes propiedades para un determinado servicio especializado. Alta porosidad. Capacidad calórica y conductividad menor que rafractarios comunes.

Tabla II: Propiedades de los refractarios según su clasificación.

La figura 1 muestra los elementos presentes en un reactor de fusión de cobre, tal como es el caso del Convertidor Teniente. Además se puede apreciar la distribución del revestimiento refractario en el manto, en contacto con cada una de las fases. Esto indica las condiciones de exigencia física, química y mecánica a que están sometidos los refractarios en sus diferentes zonas, particularmente las toberas.

Gases

ESCORIA

Aire +

METAL

Tabla I: Clasificación de los refractarios.

Fig.1: Esquema de productos generados en un Convertidor.

2. USO DE REFRACTARIOS EN HORNOS DE FUSION DE COBRE

MECANISMO DE DESGASTE

Temperatura Escorificación

A continuación se describen las principales características de los refractarios usado en hornos de fusión de cobre a nivel industrial. En la tabla III se indican las características de los revestimientos de los refractarios del convertidor teniente ubicados en el manto, las zonas de toberas, las culatas y sangrías, con su geometría y dimensiones.

Tipode ladrillo Básico Mg-Cr Básico Mg-Cr Básico Mg-Cr

Posición Manto Zona de Toberas Culatas y Sangrías

Forma Cuña Cuña Recto

Espesor [m] 0.381 0.457 0.457

Tabla III: Características del revestimiento del manto del Convertidor Teniente.

En la tabla IV se indican las características de los revestimiento de los refractario del horno eléctrico ubicados en el manto superior e inferior, con su geometría y dimensiones.

Tipode ladrillo Básico Mg-Cr Básico Mg-Cr

Posición Forma Manto zona superior Recto y Llave Manto zona inferior Recto y Llave

Espesor [m] 0.3429 0.3429

Tabla IV: Características del revestimiento del manto del Horno Eléctrico.

En la tabla V se indican las características de los revestimiento de los refractarios del horno basculante ubicados en el manto superior e inferior, además de las culatas, con su geometría y dimensiones.

Tipode ladrillo Básico Mg-Cr Básico Mg-Cr Básico Mg-Cr Arcilla Aislante

Posición Manto zona superior Manto zona inferior Culatas Manto y Culatas Manto y Culatas

Forma Cuña Cuña Recto Recto Recto

Espesor [m] 0.381 0.457 0.3048 0.0762 0.0635

Tabla V: Características del revestimiento del manto del Horno Basculante.

3. TIPOS DE FALLAS EN REFRACTARIOS Los mecanismos de desgaste de los revestimientos refractarios en servicio se presentan en la siguiente tabla VI:

Desgajamiento

Deformación bajo carga en caliente Desgaste mecánico

Atmósferas de hornos

CARACTERISTICAS

Cambio lineal permanente (contracción excesiva y expansión excesiva) Fusión (cambio del estado sólido a líquido) Reacción química entre el refractario y otro material (formación de otro material nuevo con punto de fusión más bajo) Mezcla entre el refractario y otro material (Impregnación por los poros del ladrillo) Térmico (Choque térmico) Estructural (Cambio a estructura vitrificada o vidriosa - penetración de carga, escoria o gases en el ladrillo) Mecánico (Problemas de albañilería-Reparaciones) Deformación plástica del refractario (carga mayor a la temperatura de operación del horno) Erosión (Gases - Llenado o vaciado de líquidos - Turbulencia en Zona de Toberas - Agitación del Baño de Líquido) Abrasión (Ingreso de Circulante al baño) Atmósfera reductora Desintegración por acción del monóxido de carbono Atmósfera oxidante Hidratación Vapores alcalinos Cloro o acido clorhídrico Fluor o ácido fluorhídrico Anhídrido sulfuroso o anhídrido sulfúrico

Tabla VI: Resumen de los mecanismos de desgaste en ladrillos refractarios.

De acuerdo a todos los mecanismos de desgaste que afectan a los refractarios, se puede decir que el que más afecta su estructura es la impregnación de metal líquido o escoria por sus poros internos. Este mecanismo provoca cambios en las propiedades del refractario, ya sea físicas, químicas y mecánicas. La mantención de los reactores de fusión de cobre (Convertidores Teniente y Peirce Smith) se suele generalmente realizar en la zona de toberas debido a que es donde se produce el mayor desgaste del revestimiento refractario. Con el fin de optimizar el cambio del revestimiento refractario en los Hornos y Convertidores de fusión de cobre se han planteado modelos matemáticos que predicen el desgaste del ladrillo en base a la temperatura de carcaza (Castillo et al., 2005).

4. MANTENIMIENTO REFRACTARIOS

DE

LOS

El mantenimiento de los equipos pirometalúrgicos se realiza en base principalmente al desgaste de su revestimiento refractario. Existen mantenciones totales, donde se reemplaza todo el refractario, mantenciones parciales, donde se reemplaza el refractario sólo en las zonas donde existe desgaste crítico, y transplantes, donde se reemplaza el refractario en la zona de toberas. Las figuras 2 y 3 muestran una mantención total y un transplante realizados a un Convertidor Teniente.

Fig.4: Muestra de un ladrillo desgastado. Fig. 2: Reparación general realizada al CT.

Fig.5: Zona analizada refractario desgastado.

Fig. 3: Transplante realizado al CT.

Las zonas críticas de un equipo pirometalúrgico se ubican generalmente en la zona inferior del manto y en la zona de toberas para el caso de los Convertidores. Son en estas zonas donde se produce el mayor desgaste del ladrillo refractario, sobre todo en la zona de toberas, debido al efecto fluidodinámico que se produce a causa del soplado de aire mas oxigeno.

5. ANALISIS REFRACTARIOS

DE

FALLAS

del

ladrillo

En la figura 5 se puede apreciar la zona analizada con impregnación de escoria. En este caso la profundidad de infiltración fue de 2 pulgadas. La figura 6 muestra el detalle de los elementos presentes en la zona analizada, particularmente de hierro, proveniente de la escoria.

EN

En base a la experiencia obtenida en terreno, se puede decir que para poder determinar el real estado en que se encuentran los ladrillos es necesario obtener muestras de ellos desgastados y luego realizarles un análisis microscópico para poder determinar las fases presentes en el y concluir sobre los cambios en sus propiedades físicas, químicas y mecánicas. A continuación se presenta el análisis de un ladrillo desgastado impregnado con escoria dezona del manto de un Horno Eléctrico (fig. 4 y 5).

Fig. 6: Gráfico de los elementos presentes en el refractario con escoria.

6. DISCUSION Los mayores incrementos de temperatura están asociados a la zona de ubicación de la escoria dentro del Horno o Convertidor (zona intermedia), lo que indica el efecto de desgaste mayor de la escoria respecto al metal liquido. El mayor desgaste del revestimiento refractario se produce en la zona de toberas del Convertidor Teniente y Convertidor Peirce Smith. Esto es asociado con las inyecciones de concentrado y aire, que producen turbulencia, erosión, impregnación y gradientes de temperatura localizados. Para lograr un mayor entendimiento de estos mecanismos de desgaste se requieren mayores estudios teóricos y experimentales. El menor desgaste del revestimiento refractario se produce en el Horno Eléctrico, debido al sistema de refrigeración de la carcaza.

7. CONCLUSIONES En este artículo se hizo una revisión sobre las características mas importantes de los ladrillos refractarios y se comparó con su uso en hornos de fusión de cobre a nivel industrial, Los trabajos en terreno demuestran la complejidad del comportamiento físico, químico y mecánico de los refractarios en servicio en hornos de fusión de cobre, requiriéndose mayores estudios para su entendimiento.

8. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la colaboración brindada para llevar a cabo el estudio por parte de la Fundición y Refinería ENAMI Ventanas, además de la colaboración de Fabricante de Ladrillos Refractarios RHI Chile, Fundición Caletones División El Teniente Codelco Chile e Instituto de Innovación en Minería y Metalurgia IM2, Codelco Chile.

9. REFERENCIAS 1. Santander; N., 1989, “Refractarios en Fundiciones de Cobre”. Departamento de Ingeniería Metalúrgica, USACH. 2. Piderit; G., 1983, “Refractarios: Aplicaciones en la Industria del Cobre”. Universidad de Chile, auspiciado por Refractarios Lota Green S.A. 3. Holman, J.P., 1980, “Transferencia de Calor”, 8ª Edición. 4. RHI, 2004, “Tablas Conductividad Térmica Ladrillos Refractarios”, Empresa de refractarios RHI Chile. 5. Borger; A. y Glaría; J., 2000, “Estimación de temperaturas y niveles de fases en el Convertidor

Teniente mediante mediciones sobre el manto del Convertidor utilizando técnicas no invasivas”. XI Congreso CONAMET, La Serena, Chile. 6. Ruz; P, Rosales; M. y Moyano; A., 2000, “Fenómenos de Impregnación en Materiales Refractarios”. XI Congreso CONAMET 2000, La Serena, Chile. 7. Castillo; R., Vásquez; C, Aguirre; E., Moraga; N, Puz; P, Rojas; L y Moyano; A, 2005, “Correlación entre las Temperaturas de Carcaza y Espesores de Revestimientos Refractarios en Hornos y Convertidores de Cobre”. X Congreso LatinoAmericano de Transferencia de Calor y Materia, LATCYM, Caracas, Venezuela. 8 Ruz, P., Fuentes R., Rosales M., Moyano A., Soto., “Physical simulation of refractory wear”. Copper 2003 International Conference, 2003.