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REFRACTARIOS • • •

1645 alto contenido de sílice, hasta 1800, 1 850 se inició la fabricación de los ladrillos de sílice. 1880, ladrillos de magnesita y minerales de cromo, resistentes al ataque de las escorias. Concepto • Se puede definir como refractario a todo material estable a altas temperaturas. Clasificación de los refractarios • Ladrillos y bloques: • Morteros refractarios. • Concretos refractarios. • Plásticos y apisonables: Fabricación: Arcillas refractarias, alta alúmina, magnesita, cromita - magnesita, sílice, zirconia, carbono de silicio y grafito. • Ácidos: Sílice, Silico-aluminosas. • Básicos: dolomita, magnesita, cromo-magnesía. • Neutros: cromo, grafito, carburo de silicio.

REFRACTARIOS Equilibrio y reacciones de fase en los refractarios Sistemas simples Sistemas binarios y ternarios • El sistema MgO - Al2O3, • Periclasa - espinel (Mg - MgAl2O3) • Espinel - corindón (MgAl2O4 - Al2O3) – Una composición que contiene 80 % de Al2O3, tiene una fase líquida a 2200ºC, y una fase sólida a 2 000ºC. – A 1100ºC, coexisten dos fases sólidas: corindón y espinel. El corindón es puro y el espinel disuelve magnesio en su estructura

Eutéctico ternario de 1 170ºC de: 23,25 % de CaO, 14,75 % de Al2O3 y 62 % de SiO2, Anortita: 2SiO2.CaO.Al2O3 de 1533°C, Gehlenita: SiO2.2CaO.Al2O3 de 1593°C

Control de calidad Están basadas en las pruebas estándar de la ASTM para este tipo de productos: • Tamaño y forma: C-134, sus variedades son de formas rectas, cuñas y arcos • Conductibilidad: C-134, el cono pirométrico es una medida indirecta de temperatura de remblandecimiento, permite la medición entre 66ºC y 2000ºC con rangos de 20ºC • Deformación bajo carga: C-137, con el rango de 3520 – 5480 lb/pulg2, determina la tenacidad del refractario con respecto a otro • Porosidad: C-20, rango de 18 - 20 %, depende de la presión que se utiliza en el moldeo y la granulometría,. • Dilatación y contracción: C-202; de 1/16 á 3/16 pulg/pie, es le cambio de dimensión o volumen permanente por acción de la temperatura, • Descochado: C-38; resistencia relativa a choques térmicos, para se ello se calienta la muestra hasta una determinada temperatura y luego se le enfría con agua atomizada con aire • Pérdida por abrasión: C-138; rango de 3, 57 á 10,0 cc, resistencia de la superficie a la acción de sólidos en movimiento • Permeabilidad: C-21; Oscila 2,9 á 3,25, es el paso de gases a presión a través del refractario moldeado • Modulo de ruptura: C-133: rango de 1 040 á 1 550 lbs/pulg2, resistencia a la rotura transversal a temperatura ambiente • Resistencias a las escorias: Es el control menos satisfactorio, es difícil determinar el valor de la acción aumentando la temperatura o el flujo de escorias.

Propiedades en ensayos de los refractarios • • • •

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Conductividad térmica: Varia de unos ladrillos a otros, los de carburo son buenos conductores. Los demás son malos conductores de calor varía de 0,47-1,05. Refractariedad: El punto de fusión se extiende a lo largo de un intervalo de temperatura, se emplean conos patrón, de temperatura de ablandamiento conocida. Porosidad: Depende del control tamaño de partícula de la materia prima, la presión del moldeo y la temperatura de cocción y su duración. Resistencia Mecánica: La resistencia mecánica en caliente depende de la estructura o Resistencia a la compresión: A 1600ºC, esta resistencia varía de 0.5 a 4 kg /cm2, de sílice es 4 kg/cm2, de cromo-magnesita, de 107 kg/cm2. o Resistencia a la rotura bajo carga a elevada temperatura: Es la máxima temperatura que resiste el material sin romperse bajo la acción de una carga de 2 kg/ cm2. Choque térmico: La resistencia a los cambios bruscos de temperatura está relacionada con el tamaño del grano del material, porosidad, conductividad y método de fabricación empleado. Resisten muy bien a los cambios de temperatura, los ladrillos silicio – aluminosos y los de cromo - magnesio, resisten mal los de magnesia y muy mal los de sílice. – Malos, resisten menos de 5 ciclos - Mediocres, que resisten de 5 a 10 ciclos – Medianos, que resisten de 11 a 15 ciclos - Buenos, resisten de 16 a 20 ciclos – Muy buenos, resisten de 21 a 25 ciclos - Excelentes, resisten mas de 25 ciclos

Propiedades en ensayos de los refractarios • • • •

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Densidad : se determina con material triturado y molido, por medio de un picnómetro. Permeabilidad : La permeabilidad generalmente este condicionada por el volumen de los poros cuya dimensión es de 20 - 100 µm. Resistencia frente a las escorias: Si la escoria es ácida el refractario debe de ser ácido, si es básica debe de ser básico, para evitar reaccione con la escoria. Influencia de la porosidad sobre la resistencia mecánica: La influencia de la estructura de los refractarios sobre la resistencia de estos se reduce, fundamentalmente a la porosidad. Influencia de la estructura sobre la elasticidad: Se conoce como envejecimiento. En los refractarios de magnesita se forma un nervio intercristalino compuesto de pequeños cristales de monticelita y tiene lugar una recristalización intensiva de la periclasa cuyo resultado es la reducción de la resistencia. Influencia de la estructura sobre la termorresistencia: La resistencia al calor de los refractarios depende de las tensiones térmicas que surgen tanto al existir un gradiente de temperatura como a consecuencia de la diferencia entre los coeficientes de dilatación térmica de las fases, por ejemplo, la transición de Fe2O3 - FeO en los refractarios magnesianos, etc. Coeficiente térmico de expansión o contracción: O dilatación; Es mayor en los ladrillos de magnesia al ser calentados a 1500°C que los de de sílice. Composición química: Se señalan también los límites de impurezas que pueden contener.

Tipos de ladrillos ácidos De arcilla refractaria (25 - 45 % Al2O3) • La arcilla refractaria se define generalmente como una arcilla sedimentaria cuyo CPE (cono pirométrico equivalente) no es menor que cono 19 (1315ºC). • Según ASTM los refractarios de arcilla refractaria se dividen en cinco clases: – de súper servicio: CPE 33 – alto servicio: comunes, resistentes a las escorias y resistentes al astillamiento térmico , CPE 31 1/2 – semisiliceos, – de mediano servicio – de bajo servicio. • ASTM también clasifica a las arcillas refractarias según su contenido de alúmina y de sílice (% SiO2) : • Silíceos: 65-85 Arcillas refractarias de bajo servicio CPE de 19-26 • Normales 55-65 • Semi pedernal 48-55 Arcillas muy refractarias • Pedernal 42-50 • Nodular 30-45 CPE ≥ cono 27 • Diáspora 10-20

Tipos de ladrillos ácidos •

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Los ladrillos refractarios de bajo servicio (CPE 15) y mediano servicio (CEP 29) se pueden fabricar con una sola clase de arcilla refractaria por extrusión o por prensado en seco. Los ladrillos refractarios de alto servicio (CPE 31 1/2) se hacen de una mezcla de arcillas refractarias plásticas y magras (crudas, calcinadas o en ambas formas). Los ladrillos refractarios de súper servicio se fabrican combinando arcillas del tipo pedernal y semi-pedernal para alcanzar el CPE 33. Los ladrillos refractarios de tipo intermedio, con un contenido menor de alúmina que los de súper servicio, usando de materia prima caolín precalcinado a 1550°C, Las propiedades de los ladrillos de 25 – 28 % de alúmina varían mucho respecto a las de los ladrillos de 40 o 45 % de alúmina. – Porosidad aparente: Varía de 9 % (baja) a 22.5% – Densidad total: De 1.96 á 2,36 gr/cm3. – Resistencia al aplastamiento en frío. Es variable; ha llegado hasta 10 000 lb/plg2 – Alta resistencia a la abrasión. – Refractariedad bajo carga. No es buena si se le compara con otros ladrillos más refractarios. – Resistencia al choque térmico. Estos refractarios son los que mejor resisten a cambios bruscos

Tipos de ladrillos Sílice Refractarios de sílice • Se les emplea en instalaciones de tipo ácido y que requieren que no haya alta contracción en servicio a temperaturas elevadas. • Resiste a la carga hasta 50 lb/pulg2 a grados antes de su punto de fusión (1710 1730ºC). • Relativamente alta resistencia al ataque del oxido de hierro y los álcalis. • Libre de contracción, aún a temperaturas cercanas a las de fusión (1600 - 1700ºC). • Buena resistencia al choque térmico sobre los 600ºC. Refractario de sílice denso • Se obtienen agregando 2 % de Cu2O (oxido cuproso) a la composición de ladrillo de sílice normal u ordinario. Este ladrillo denso presenta 17.6 % de porosidad. Su conductividad térmica es 28 % mayor y casi el doble de modulo de rotura que del ladrillo común y tiene dilatación térmica casi igual que este ultimo. Refractarios semi-siliceos • Propiedades intermedias entre las refractarios de arcilla refractaria y los de sílice. Se fabrican dos tipos con 75 % y 82 % de sílice respectivamente. Los ladrillos de 82 % de sílice poseen la máxima resistencia a la carga en caliente y los de 75 % alta resistencia mecánica y al astillamiento vitreo. • Los ladrillos semi-siliceos con contenido de 88 – 93 % de SiO2 fabricado con mezclas naturales o artificiales de arena y arcilla

Tipos de ladrillos Alumina Refractarios de alta alúmina • Se clasifica los refractarios silico-aluminosos según porcentaje de Al2O3 en: – Refractarios de arcilla refractaria (25 – 45 % Al2O3) – Refractarios de alta alúmina (45 – 65 % Al2O3) – Refractarios de mullita (65 – 80 % Al2O3) – Refractarios de corindón (80 a 100 % Al2O3) • Los refractarios de alta alúmina contienen un mayor contenido de alúmina que los de arcilla refractaria de súper servicio. • Los primeros refractarios de alta alúmina se fabricaron utilizando la diáspora (arcilla refractaria con 10 - 20% de SiO2) y al agotarse el material, utilizaron la bauxita calcinada (que contiene sólo 30 % de agua) Refractarios de Mullita (3Al2O3.2SiO2) • Contenido de alúmina 65 % - 80 % de Al2O3. Como hay poca mullita natural, se le obtiene por conversión de los minerales de la sillimanita o de la pirofilita. • Una vez que se tiene la mullita se fabrica el refractario con la misma técnica que los refractarios se sillimanita pero a más temperatura.

Refractarios básicos De Dolomita: Ca3Mg-CO3Ca • La roca dolomía calentada a 1200ºC se transforma en una mezcla de óxido de calcio y óxido de magnesio. La composición de la dolomita, contiene el 30.41% de CaO, 21.86 % de MgO y el 47.73 % de CO2. Después de calcinada es del orden del 40 % MgO, 58 % de CaO, 1 % de SiO2. • Es muy resistente al ataque por las escorias de acería, especialmente del FeO, alta reactividad al azufre y al fósforo De Magnesita: MgCO3 • Los ladrillos de magnesita calcinada son densos (170 lb/pie2) y muy resistentes a las escoria a temperaturas altas, pero tiene la desventaja de tener baja resistencia al desconchamiento, alto coeficiente de expansión térmica, baja capacidad para soportar cargas a temperaturas elevadas y tendencia a la contracción irreversible. • El contenido de MgO explica una alta refractariedad de los refractarios básicos. • La magnesita (carbonato de Mg) se le calcina para eliminar CO2 a 1500ºC. El óxido de Fe ayuda en la calcinación formando una liga entre la periclasa (MgO). • La magnesita resiste bien el ataque del óxido manganoso. • La magnesita se ha usado como una liga de cemento de aluminato de calcio en los hogares de hornos de recalentamiento y en escorias sintéticas para hornos de inducción. •

Refractarios básicos De Cromita: Cr2FeO4 • La cromita contiene el 32 % de hierro y el 68 % de Cr2O3 con sustitución de parte del hierro por magnesio y el cromo por aluminio. El principal mineral es la espinela cromita (Fe,Mg)O.(Cr,Al,Fe)2O3, Siendo su punto de fusión 2015ºC y su densidad de 4.5. Las cantidades de cromita requeridas en industria deben tener un alto porcentaje de Cr2O3 + Al2O3. • La cromita es un refractario a base de sesqui-óxido de cromo (45 % Cr2O3) y tiene un comportamiento neutro, posee muy poca resistencia a la compresión en caliente y a los cambios bruscos de temperatura. Refractarios de magnesita-cromo y de cromo-magnesita • Se denomina refractario de magnesita-cromo los que contienen más de 50 % de magnesita y cromo-magnesita los que tienen más de 50 % de cromo. • Los de 50 – 70 % de contenido de cromo presenta mejor resistencia a alta temperatura. • Alta resistencia en caliente, una resistencia mejorada a las escorias y estabilidad de dimensiones hasta los 1800ºC. • Porosidad: 13 % para ladrillos refractarios de magnesita-cromo y de 16% para cromomagnesita. • Resistencia y aplastamiento en frío: Modernamente en el rango de 3000 a 8000 Ib/plg2. • Los cromo - magnesita (15 - 50 % Cr2O3) se comporta mejor que los ladrillos de cromita en los ensayos bajo cargas de 2 kg/cm2.

Refractarios básicos De Forsterita: MgSiO4 • Este silicato de magnesio posee buenas propiedades refractarias. • La refractariedad depende del contenido de hierro, debe que ser muy bajo, teniendo un valor de 1750ºC aproximadamente. • Bajo carga, las briquetas son típicamente básicas, se deforman lentamente a cualquier temperatura superior a 1550ºC. • La dilatación térmica es pequeña y la resistencia a la rotura solamente es moderadamente buena. Este refractario es resistente, tanto a las escorias básicas como acidas aunque quizás no sea tanto como la sílice. • Además, la magnesita se combina con alumina, como MgO.Al2O3 (1925ºC) espinel, la magnesita forma un refractario tipo espinel con el oxido crómico MgO.Cr2O3, (2260ºC). La cal como impureza en la magnesita forma silicato y ferritas que afectan las propiedades del cuerpo. • La forsterita (2MgO.SiO2) proveyó el primer ladrillo básico con suficiente resistencia a la carga a temperaturas de servicio.

Otros refractarios Refractarios de Carbón • El carbón elemental sublima a los 3526°C, siendo el material más refractario. Pero se deteriora rápidamente en atmósfera oxidante. • El carbón amorfo es muy duro y es aislador de calor Refractarios de Grafito • El grafito natural se encuentra en cristales grandes, industrialmente se obtienen por grafitización comercial del carbón (sobre los 1000 °C). – Muy estables bajo condiciones reductoras. – Buena resistencia al choque térmico. – Baja resistencia mecánica a temperatura ambiente y muy buena a altas temperaturas. Refractarios de Carburo de Silicio • Resistencia a altas temperaturas • Alta conductividad térmica • Bajo coeficiente de dilatación térmica. • A resistencia bajo carga en caliente. • A resistencia al astillamiento • Alta la resistencia a la abrasión

Otros refractarios Refractarios monolíticos • Pueden designarse como refractarios monolíticos a los: castables, sopleteables, los plásticos y los apisonables, tiene las siguientes ventajas: • Sirve para construcciones sencillas y complicadas usando los anclajes. • Buena resistencia al choque térmico • Mantenimiento mas sencillo del homo Castables o concretos refractarios • Generalmente se utiliza para la cocción "ín situ", deben tener propiedades satisfactorias, tanto a mínimas como a máximas temperaturas. • El más utilizado es el cemento de aluminio de calcio, de fraguado hidráulico. • Aditivos plastificantes, para facilitar la instalación (una cantidad mínima) Mezclas sopleteables • Tienen las mismas composiciones que los castables, pero diferente granulometría. Solo se emplearan con pistolas a presión de aire, en seco o premezclado con agua en cámara al vacío.

Otros refractarios Cementos o morteros refractarios • Se emplean para unir los ladrillos refractarios y formas preformadas, ligando como una sola estructura, evitando que penetre gases y escorias liquidas. – Morteros fraguados al aire (en frio), secan al aire, se recomienda para las aplicaciones que requieren una alta resistencia, antes de alcanzar la temperatura de servicio. – Mortero de fraguado en caliente, no se endurece hasta que se calienta, se recomienda para las aplicaciones que no sean expuestas al exceso mecánico. • Los morteros deben ser de composición química semejante a la de los ladrillos que se están colocando. Refractarios para aislamiento térmico • El aislamiento térmico tiene como fin la conservación del calor. • Si va ahorrarse combustible. • Si va a subir o bajar el rendimiento del horno. • El aumento del costo de los refractarios. • Los materiales aislantes son: La diatomita, asbesto, vermiculita, las arcillas refractarias y caolín, silicatos de calcio, sílice, alúmina, magnesita y cromo magnesita. Refractarios de magnesia - carbón

Fabricación de refractarios Materia prima para su fabricación • Existe diversas arcillas que tienen en su composición Al2SiO5 llamados: silimanita, andalucita, cianita, topacio Al2SiO4(OH)2 y corindón (Al2O3) • Caolín: Son esencialmente alúmina, dióxido de silicio y agua, con trazas de otras sustancias, Al2(Si2O5)(OH)4. • Magras y Gredas: Estas arcillas, que contiene materia orgánica, tienen un grano fino, muy utilizados en los refractarios • Arcillas refractarias: De alta alúmina son superiores a 38 %. • DIASPORO: (HAlO2) Presenta buena plasticidad y ofrece excelentes propiedades de cocción. • GIBSITA.Al(OH)3: El de más alto contenido de alúmina se presentan siempre en forma de nódulos y considera a las bauxitas como una mezcla de gibsita y caolinita • Ganister: Es la cuarcita, tiene mas de 97 % de SiO2. El punto de fusión de la cuarcita es cercano a 1700ºC. • Arenas de cuarzo: Actualmente se utilizan en la fabricación de ladrillos ácidos y ladrillos de silicato. • Tierra diatomea: Una forma especial de sílice se presenta en la tierras diatomeas, se trata de depósitos de restos infusorios, antediluvianos • Minerales magnesita y cromita

Fabricación de refractarios • • • • •

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La arcillas se somete a un chancado primario y luego a calcinación, chamota; La chamota y partes de arcillas se le lleva a chancado secundarlo Molienda en un molino de barras, se clasifican a malla – 35 Mezcla y adición de agua para dar humedad adecuada para el prensado. Prensado y moldeado – MOLDEO A MANO. Este sistema se usa principalmente en la fabricación de formas irregulares o cuando se requiere una contextura mas porosa. – PRENSADO EN HUMEDO. Produce material de estructura muy compacta, máxima de resistencia a fricciones y raspadura, resistencia a la corrosión de las escorias. – PRENSADO EN SECO. Facilita el control de la contextura y densidad. Además, se producen moldeados de tamaño uniforme y con resistencia a la desintegración, Secado variando el tiempo según el tamaño y la humedad de la misma. De 50 á 90ºC, Cocción a 1450 - 1480ºC en un promedio de 12 á 15 días – Los refractarios se somete a cocción para darle estabilidad y fortalecer estructura, – La temperatura es gradual hasta llegar a la temperatura de cocción hasta 1480ºC, – Ladrillos de caolín a 1780ºC y algunos ladrillos básicos a 1870ºC . Durante la cocción el cuarzo se transforma en fases estables son: cuarzoβ, tridimita, cristobalita y sílice líquida. La inversión de fase a tridimita ocurre a los 575ºC, si se calienta hasta los 1250ºC el cuarzo se transforma en crsitobalita