Refractario

Un material refractario es un material que es resistente a la descomposición por calor, presión o ataque químico, y conserva su fuerza y ​​forma a altas temperaturas. Los refractarios son policristalinos, polifásicos, inorgánicos, no metálicos, porosos y heterogéneos. Normalmente se componen de óxidos o carburos, nitruros, etc. de los siguientes materiales: silicio, aluminio, magnesio, calcio, boro, cromo y circonio.

ASTM C71 define los refractarios como "... materiales no metálicos que tienen aquellas propiedades químicas y físicas que los hacen aplicables para estructuras, o como componentes de sistemas, que están expuestos a ambientes por encima de 1,000 °F (811 K; 538 °C). "

Los materiales refractarios se utilizan en hornos, hornos, incineradores y reactores. Los refractarios también se utilizan para fabricar crisoles y moldes para fundir vidrio y metales y para revestir sistemas deflectores de llamas para estructuras de lanzamiento de cohetes. Hoy en día, los sectores de la industria siderúrgica y de fundición de metales utilizan aproximadamente el 70% de todos los refractarios producidos.

Materiales refractarios

Los materiales refractarios deben ser química y físicamente estables a altas temperaturas. Dependiendo del entorno de operación, deben ser resistentes al choque térmico, ser químicamente inertes y/o tener rangos específicos de conductividad térmica y del coeficiente de expansión térmica.

Los óxidos de aluminio (alúmina), silicio (sílice) y magnesio (magnesia) son los materiales más importantes utilizados en la fabricación de refractarios. Otro óxido que suele encontrarse en los refractarios es el óxido de calcio (cal). Las arcillas refractarias también se utilizan ampliamente en la fabricación de refractarios.

Los refractarios deben elegirse de acuerdo con las condiciones a las que se enfrentan. Algunas aplicaciones requieren materiales refractarios especiales. La zirconia se utiliza cuando el material debe soportar temperaturas extremadamente altas. El carburo de silicio y el carbono (grafito) son otros dos materiales refractarios que se utilizan en algunas condiciones de temperatura muy severas, pero no se pueden utilizar en contacto con el oxígeno, ya que se oxidarían y se quemarían.

Los compuestos binarios como el carburo de tungsteno o el nitruro de boro pueden ser muy refractarios. El carburo de hafnio es el compuesto binario más refractario que se conoce, con un punto de fusión de 3890 °C. El compuesto ternario de carburo de tantalio y hafnio tiene uno de los puntos de fusión más altos de todos los compuestos conocidos (4215 °C).

El disiliciuro de molibdeno tiene un alto punto de fusión de 2030 °C y se usa a menudo como elemento calefactor.

Usos

Los materiales refractarios son útiles para las siguientes funciones:

1. Sirviendo como barrera térmica entre un medio caliente y la pared de un recipiente contenedor
2. Resistencia a las tensiones físicas y prevención de la erosión de las paredes del recipiente debido al medio caliente
3. Protección contra la corrosión
4. Proporcionar aislamiento térmico

Los refractarios tienen múltiples aplicaciones útiles. En la industria metalúrgica, los refractarios se utilizan para revestir hornos, hornos, reactores y otros recipientes que contienen y transportan medios calientes como metal y escoria. Los refractarios tienen otras aplicaciones de alta temperatura, como calentadores a fuego, reformadores de hidrógeno, reformadores primarios y secundarios de amoníaco, hornos de craqueo, calderas de servicios públicos, unidades de craqueo catalítico, calentadores de aire y hornos de azufre.

Clasificación de los materiales refractarios

Los refractarios se clasifican de múltiples maneras, según:

1. Composición química
2. Método de fabricación
3. Temperatura de fusión
4. Obstinación
5. Conductividad térmica

Basado en la composición química

Refractarios ácidos

Los refractarios ácidos generalmente son impermeables a los materiales ácidos, pero los materiales básicos los atacan fácilmente y, por lo tanto, se usan con escoria ácida en ambientes ácidos. Incluyen sustancias como sílice, alúmina y ladrillos refractarios de arcilla refractaria. Los reactivos notables que pueden atacar tanto la alúmina como la sílice son el ácido fluorhídrico, el ácido fosfórico y los gases fluorados (p. ej., HF, F ₂). A altas temperaturas, los refractarios ácidos también pueden reaccionar con cales y óxidos básicos.

• Los refractarios de sílice son refractarios que contienen más del 93 % de óxido de silicio (SiO ₂). Son ácidos, tienen alta resistencia al choque térmico, resistencia al fundente ya la escoria, y alta resistencia al desconchado. Los ladrillos de sílice se utilizan a menudo en la industria del hierro y el acero como materiales para hornos. Una propiedad importante del ladrillo de sílice es su capacidad para mantener la dureza bajo altas cargas hasta su punto de fusión. Los refractarios de sílice suelen ser más baratos y, por lo tanto, fáciles de desechar. Se han desarrollado nuevas tecnologías que proporcionan una mayor resistencia y una mayor duración del colado con menos óxido de silicio (90 %) cuando se mezclan con resinas orgánicas.
• Los refractarios de zirconio son refractarios compuestos principalmente de óxido de zirconio (ZrO ₂). A menudo se usan para hornos de vidrio porque tienen baja conductividad térmica, no se humedecen fácilmente con el vidrio fundido y tienen baja reactividad con el vidrio fundido. Estos refractarios también son útiles para aplicaciones en materiales de construcción de alta temperatura.
• Los refractarios de aluminosilicato consisten principalmente en alúmina (Al ₂ O ₃) y sílice (SiO ₂). Los refractarios de aluminosilicato pueden ser semiácidos, compuestos de arcilla refractaria o compuestos con alto contenido de alúmina.

Refractarios basicos

Los refractarios básicos se utilizan en áreas donde las escorias y la atmósfera son básicas. Son estables a los materiales alcalinos pero pueden reaccionar a los ácidos, lo cual es importante, por ejemplo, cuando se elimina el fósforo del arrabio (consulte el proceso de Gilchrist-Thomas). Las principales materias primas pertenecen al grupo RO, del cual la magnesia (MgO) es un ejemplo común. Otros ejemplos incluyen dolomita y cromo-magnesia. Durante la primera mitad del siglo XX, el proceso de fabricación de acero utilizó periclasa artificial (magnesita tostada) como material de revestimiento del horno.

• Los refractarios de magnesita están compuestos por ≥ 85 % de óxido de magnesio (MgO). Tienen alta resistencia a la escoria de cal y escorias ricas en hierro, fuerte resistencia a la abrasión y corrosión, y alta refractariedad bajo carga, y se usan típicamente en hornos metalúrgicos.
• Los refractarios de dolomita consisten principalmente en carbonato de calcio y magnesio. Por lo general, los refractarios de dolomita se utilizan en hornos convertidores y de refinación.
• Los refractarios de magnesia-cromo consisten principalmente en óxido de magnesio (MgO) y óxido de cromo (Cr ₂ O ₃). Estos refractarios tienen alta refractariedad y tienen una alta tolerancia a ambientes corrosivos.

Refractarios neutros

Estos se utilizan en áreas donde las escorias y la atmósfera son ácidas o básicas y son químicamente estables tanto a los ácidos como a las bases. Las principales materias primas pertenecen al grupo R ₂ O ₃, pero no se limitan a él. Ejemplos comunes de estos materiales son la alúmina (Al ₂ O ₃), la cromia (Cr ₂ O ₃) y el carbono.

• Los refractarios de grafito de carbono consisten principalmente en carbono. Estos refractarios se utilizan a menudo en ambientes altamente reductores, y sus propiedades de alta refractariedad les permiten una excelente estabilidad térmica y resistencia a las escorias.
• Los refractarios de cromita están compuestos de magnesia sinterizada y cromia. Tienen volumen constante a altas temperaturas, alta refractariedad y alta resistencia a las escorias.
• Los refractarios de alúmina se componen de ≥ 50 % de alúmina (Al ₂ O ₃).

Basado en el método de fabricación.

1. Proceso de prensado en seco
2. elenco fusionado
3. moldeado a mano
4. Formado (normal, cocido o unido químicamente)
5. Encofrados (monolítico-plástico, masas de apisonamiento y gunitado, hormigones, morteros, cementos vibratorios secos.)
6. Refractarios secos sin formar.

Conformado

Estos tienen tamaños y formas estándar. Estos pueden dividirse además en formas estándar y formas especiales. Las formas estándar tienen dimensiones que están conformadas por la mayoría de los fabricantes de refractarios y generalmente se aplican a hornos u hornos del mismo tipo. Las formas estándar suelen ser ladrillos que tienen una dimensión estándar de 9 pulgadas × 4,5 pulgadas × 2,5 pulgadas (229 mm × 114 mm × 64 mm) y esta dimensión se denomina "equivalente de un ladrillo". Los "equivalentes de ladrillos" se utilizan para estimar cuántos ladrillos refractarios se necesitan para convertir una instalación en un horno industrial. Hay rangos de formas estándar de diferentes tamaños fabricados para producir paredes, techos, arcos, tubos y aberturas circulares, etc. Las formas especiales se fabrican específicamente para ubicaciones específicas dentro de los hornos y para hornos u hornos particulares.

Sin forma (refractarios monolíticos)

Estos no tienen forma definida y solo se les da forma al aplicarlos. Estos tipos son mejor conocidos como refractarios monolíticos. Los ejemplos comunes son las masas de plástico, las masas de embestida, los moldes, las masas de gunitado, la mezcla de desbarbado, los morteros, etc.

Los revestimientos de vibración secos que se utilizan a menudo en revestimientos de hornos de inducción también son monolíticos y se venden y transportan como polvo seco, generalmente con una composición de magnesia/alúmina con adiciones de otros productos químicos para alterar propiedades específicas. También están encontrando más aplicaciones en revestimientos de altos hornos, aunque este uso todavía es raro.

Basado en la temperatura de fusión

Los materiales refractarios se clasifican en tres tipos según la temperatura de fusión (punto de fusión).

• Los refractarios normales tienen una temperatura de fusión de 1580–1780 °C (p. ej., arcilla refractaria)
• Los refractarios altos tienen una temperatura de fusión de 1780–2000 °C (p. ej., cromita)
• Los súper refractarios tienen una temperatura de fusión de > 2000 °C (p. ej., circonio)

Basado en la refractariedad

La refractariedad es la propiedad de la multifase de un refractario para alcanzar un grado de reblandecimiento específico a alta temperatura sin carga, y se mide con una prueba de equivalente de cono pirométrico (PCE). Los refractarios se clasifican en:

• Servicio super: valor PCE de 33–38
• Trabajo pesado: valor PCE de 30–33
• Servicio intermedio: valor PCE de 28–30
• Servicio bajo: valor PCE de 19–28

Basado en la conductividad térmica

Los refractarios pueden clasificarse por conductividad térmica como conductores, no conductores o aislantes. Ejemplos de refractarios conductores son el carburo de silicio (SiC) y el carburo de circonio (ZrC), mientras que los ejemplos de refractarios no conductores son la sílice y la alúmina. Los refractarios aislantes incluyen materiales de silicato de calcio, caolín y zirconia.

Los refractarios aislantes se utilizan para reducir la tasa de pérdida de calor a través de las paredes del horno. Estos refractarios tienen una baja conductividad térmica debido a un alto grado de porosidad, con una estructura porosa deseada de poros pequeños y uniformes distribuidos uniformemente por todo el ladrillo refractario para minimizar la conductividad térmica. Los refractarios aislantes se pueden clasificar en cuatro tipos:

1. Materiales aislantes resistentes al calor con temperaturas de aplicación ≤ 1100 °C
2. Materiales aislantes refractarios con temperaturas de aplicación ≤ 1400 °C
3. Materiales aislantes altamente refractarios con temperaturas de aplicación ≤ 1700 °C
4. Materiales aislantes refractarios ultra-altos con temperaturas de aplicación ≤ 2000 °C

Anclaje refractario

Todos los refractarios requieren sistemas de anclaje como anclajes formados por alambre, metal moldeado (por ejemplo, hexmetal) o baldosas de cerámica para soportar los revestimientos refractarios. Los anclajes utilizados para los refractarios en techos y paredes verticales son más críticos, ya que deben seguir siendo capaces de soportar el peso de los refractarios incluso a temperaturas y condiciones operativas elevadas.

Los anclajes comúnmente utilizados tienen secciones transversales circulares o rectangulares. Las secciones transversales circulares se utilizan para refractarios de bajo espesor y soportan menos peso por unidad de área; mientras que la sección transversal rectangular se usa para refractario de alto espesor y puede soportar un mayor peso de refractario por unidad de área. El número de anclajes depende de las condiciones de operación y de los materiales refractarios. La elección del material, la forma, la cantidad y el tamaño de un anclaje tiene un impacto significativo en la vida útil del refractario.

Los tableros de artesa no requieren anclajes metálicos, sino que se pegan entre sí con una pasta y polvo refractario especial. Una buena práctica es usar una combinación de pasta y polvo para asegurarse de que el sistema sea a prueba de fugas y se mantenga unido durante la larga duración de las fundiciones.