MATERIALES REFRACTARIOSREFRACTARIOS

Conceptos Básicos PropiedadesDefinicionesDefiniciones

Jlm / 06-12-2007

• Definiciones

Indice

• Definiciones• Funciones

Cl ifi ió• Clasificación• Materias primas principales• Propiedades Físicas y Químicas• Tipos de ligasp g• Selección de refractarios

Determinación del MaterialMétodo de InstalaciónAnclajes Proceso de Secado

• Ejemplos de Análisis comparativoj p p

Que es un material refractario?

Los materiales refractarios son aquellos que pueden ser expuestos a altas temperaturas sin perder sus funcionesexpuestos a altas temperaturas sin perder sus funciones ,es decir aquellos cuya PRINCIPAL característica es la

Resistencia al CalorREFRACTARIOResistencia al Calor

Su instalación es imprescindible en temperaturas deSu instalación es imprescindible en temperaturas de proceso > 1000°C ya que los metales no las resisten

Pueden ser definidos también como :

Materiales No metálicos que son difíciles de fundir a altas temperaturas. En general lo constituyen oxidos de

t lp g y

metales :

Ej. Al (aluminio) : Punto de fusión 660 °CAl2O3 (alumina) : Punto de fusión 2050 °C

Si bi h t i l i dSi bien hay materiales que parecieran encuadrarse en eta definición NO son considerados como refractarios , ej. : cerámicas , materiales de construcción , alfarería , fire-proff ,etc. Esto tiene que ver con :, q

EL DESTINO FINAL PARA EL CUAL ESTAN DISEÑADOS

KAOLITE 2200 HS CARBOXITE 27

RA RA

Aislante RefractarioAislanteK = 0.3

RefractarioK = 1.3

(*) Conductividad : Valores Aprox. en W / º K. m

Clasificación de los Refractarios : Según distintas formas de clasificarlosSegún distintas formas de clasificarlos

Por Tipo :AGLOMERADOS MONOLITICOS PREFORMADOS FIBRAS

Clasificación de los Refractarios : Según distintas formas de clasificarlosSegún distintas formas de clasificarlos

Cl ifi ió Q í i

Por Tipo :

Clasificación Química :

RO2 ROACIDOS ( PH <7) BASICOS ( PH >7)

R OSiO2 , ZrO2 CaO , MgO

NEUTROS ( PH 7)

R2O3

Al2O3 Cr2O3Al2O3 , Cr2O3

R + O =

ACID Zirconia ZrO2

Zircon ZrO2 . SiO2

Clasificación Química :

2 2

Silica SiO2 Semi-Silica SiO2 + Fireclay Kaolin Aluminous Fireclay Sillimanite SiO2 . Al2O3 Mullite 3Al2O3 . 2SiO2 NEUTRAL Bauxite Al2+ Alumina Al2O3 Carbon C Silicon Carbide SiC Chrome Cr2O3+ Chrome-Alumina Cr2O3. Al2O3 Chrome-Magnesite BASIC Magnesite-Chrome Spinel Al2O3 . MgO Magnesite MgO+

Periclase MgO Periclase MgO Dolomite MgO.CaO

Punto de Fusión - Clasificación según Temperatura :Las principales materias primas son Oxidos que tienen un altopunto de fusión , en general mayor al requerido por el proceso :

Periclasa MgO 2800°CEspinela MgO.Al2O3 2135°CF t it 2M O SiO 1890°CForsterita 2MgO.SiO2 1890°CMullita 3Al2O3.2SiO2 1850°C

Estas temperaturas son válidas únicamente para materias puras. En la práctica los refractarios contienen contaminaciones , como así también , son fabricados de varios componentes , por lo que , p , p qsu punto de fusión siempre es menor que el componente puro de mayor valor.

Punto de Fusión - Clasificación según Temperatura :

Aprovechando esta propiedad , podemos clasificar a los refractarios dependiendo de la temperatura, en la cual los conos refractarios se calientan, hasta doblarse.

SK 10 Temp.de doblado 1330°C PCE 133 (1330°C )SK 20 1560°C 156SK 20 1560°C 156SK 30 1680°C 168SK 40 1900°C 190SK 40 1900°C 190

De acuerdo a la norma DIN Standard 51 060 los refractarios deben mostrar un SK > 17 (PCE 150) Esta es una clasificación antigua que es válida fundamentalmente para ladrillos de alúmina y tiene el límite mayor es SK = 42 (temp. doblado = 1980 º C) , además la resistencia mecánica cae mucho antes de la temperatura de doblado.

Diagramas de Fases - Clasificación según Materias Primas :

Dependiendo de las Materias Primas utilizadas , los refractarios pueden ser :Ejemplo : Sistema Binario Alúmina – Silice (Al2O3 – SiO2)

Basados en Materias Primas NaturalesRefractario Fundido

Basados en Materias Primas Sintéticas 100% Basados en Materias Primas Sintéticas100% Sílice

Alúmina

Mulita

Diagramas de Fases :

Ejemplo : Sistema Ternario Alúmina – Silice – Oxido de Ca (Al2O3 – SiO2 – CaO )( )

Principales Materias Primas:Naturales Aluminosas

Al2O3% Tempº CVermiculita 12 1100Vermiculita 12 1100Perlita 14 1200Arcillas 21/41 1300Arcillas 21/41 1300Chamotte 42/48 1600Andalusita 58/60 1650Sillimanita 63/65 1550Mullita 70 1700Bauxita 80/88 1700

Principales Materias Primas:Naturales No Aluminosas

Tempº CCarbon C > 3000Carbon C > 3000Cromita C2O3 2275Silice SiO2 1725Silice SiO2 1725Magnesitas MgO 2800Dolomitas MgO – CaO > 2000

Principales Materias Primas:Sintéticas

Tempº CAlumina Electrofundidas 1800Aluminas Tabulares 1800Aluminas Marrones 1700Carb ro de Silicio 1500Carburo de Silicio 1500Oxidos de Zircono 1650Magnesitas (agua de mar) 1550Magnesitas (agua de mar) 1550Espinelas 1700Aluminas Bubble 1800Cementos Cálcico-aluminosos

Propiedades Físicas y Químicas :Densidad , Porosidad,

Densidad Aparente =V (cm3) M (gr /cm3)

V

Densidad Específica = MVE (cm3)

vv-

(gr /cm3)

M (gr)

pVE

VE (cm3) (g /c 3)

P id d A tv

x 100 ( % )Porosidad Aparente = Vx 100 ( % )

DE - DAPorosidad Total =

DE DADE

x 100 ( % )

Propiedades Físicas y Químicas :

Resistencia a las Resistencia a Resistencia a las Solicitaciones Físicas : la Compresión

(CCS)ASTM C 133ASTM C 133

Resistencia a la Flexión (MOR)Resistencia a ( )

la Abrasión (Indice de Abrasión)

ASTM C 133

)ASTM C 704

Propiedades Físicas y Químicas - EROSION :

Según la Norma ASTM C-704 , el Indice que mide

la resistencia a la erosión se expresa en c.c.C i # 36Csi # 36

V0V1 100 x100x 25 mm

1 kg de Csi Malla 36

450 Segundos

65 psi de presión

Tobera de vidrio (una por vez)

IA = V0 – V1

Propiedades Físicas y Químicas - EROSION :

Material Competencia CARBOMUL 202

Propiedades Físicas y Químicas - EROSION :RESISTENCIA A LA EROSION de los Hormigones Refractarios

16 - 18 c.c.KAOTUFF

10 c.c.

3 c cACTCHEM

3 c.c.

Hormigones Convencionales

De Bajo Cemento y Antierosivos Semiaislantes

Antierosivo

RESISTENCIA A LA ABRASION EN FRIO Aplicación en CEREALERASPropiedades Físicas y Químicas - ABRASION :

RESISTENCIA A LA ABRASION EN FRIO Aplicación en CEREALERAS

RESISTENCIA A LA CAVITACION de los Hormigones RefractariosPropiedades Físicas y Químicas - CAVITACION :

g

Hormigón Civil de Alta resistencia

Hormigón AntierosivoAntierosivo

RESISTENCIA A LA CAVITACION de los Hormigones RefractariosPropiedades Físicas y Químicas - CAVITACION :

g

Propiedades Físicas y Químicas :

Resistencia al Shock Térmico :Los Refractarios son materiales frágiles que no soportan los cambiostérmicos como lo hacen algunos metalestérmicos como lo hacen algunos metales .Si las tensiones que se generan superan la resistencia del material ,este se parte generando grietas progresivas hasta llegar a la rotura.

Método de Medición

En Agua En AireSe calienta hasta 950ºC y se lo enfría

i t h t lSe calienta hasta 950ºC y se lo enfría

i t iLadrillos Acidos > 5Ladrillos de Chamote > 15 Magnesia alto hierro > 10sucesivamente en agua ,hasta la rotura . Para LADRILLOS SILICO -ALUMINOSOS (ACIDOS)

sucesivamente con aire comprimido,hasta la rotura . Para LADRILLOS BASICOS.

Ladrillos de Chamote > 15 Ladrillos de Alúmina > 15Ladrillos de Mulita > 20L d ill d C i 25

Magnesia alto hierro > 10 Magnesia bajo hierro > 25Magnesia Cromo > 30E i l i C 50Ladrillos de Csi > 25 Espinelas sin Cromo > 50

Propiedades Físicas y Químicas :Conductividad Térmica :La Conductividad térmica es el valor que determina el Poder Aislantede los refractarios . Materiales de baja conductividad son usados comoAi l t i t l d d f t i

Carburo de Silicio

W / K . m

Aislantes , mientras los de de mayor , como refractarios.

CarbónCarburo de Silicio

Magnesia 60%

CorundumCorundum

Carbón de Silicio 40%

SíliceCromita

Corundum 90%

99%

Ladrillos Sil-Alum.Zirconio

LadrillosLadrillos Aislantes

Propiedades Físicas y Químicas :Conductividad Térmica :

• Aislación de baja temp. 0.02 • Ladrillo MgO 5.0

• Fibra cerám. 0.07 • Ladrillo MgO-C 12.5

• Ladrillos Aislantes 0.15

• Ladrillos refr Baja alum 0 80

• Ladrillo Carbón BF 13.5

• Semi grafito 30• Ladrillos refr. Baja alum. 0.80

• Ladrillos Alta alum. 1.5

• Semi- grafito 30

• Grafito Alta conductividad 107

W/mKW/mK

Propiedades Físicas y Químicas :Calor Específico :pEl calor Específico es el factor de energía calorimétrico . Indica lacantidad de energía que necesita un gramo de un material para l d Kalcanzar un grado K . En kJ / kg . K

Propiedades Físicas y Químicas :Balance Energético de un Equipo:

PCHPCH

CCPC PCPACCPC PC

PTAC

PC = CC +PT+AC+PCH+PA+PLL

Propiedades Físicas y Químicas :Balance Energético de un Equipo:

PCHPCH

CCPC PCCCPC PC

PT

PC = CC +PT+ PCH

Propiedades Físicas y Químicas :Expansión Térmica :

Magnesia

Corundump

Los materiales experimentan cambios volumétricos bajo la influenciade la temperatura . Este valor se denomina Expansión Térmica Sílice

Corundum 99%

Reversible y no debe ser confundida con la Variación Lineal Permanente (VLP) que es el valor no-reversible que experimentan los refractarios al ser llevados a altas temperatura por primera vez.

Sílice

los refractarios al ser llevados a altas temperatura por primera vez.

Chamote

Carburo de Silicio

Refractoriedad Bajo Carga (RUL)

Refractoriedad Bajo Carga

Se somete a una probeta de 50 mm de diámetro y 50 mm Chamote p yde altura , a una carga de 0.2 N/mm2 , mientras se va calentando en una atmósfera reductora.Se grafican estas variaciones y se obtienen tres puntos

Chamote

SilimanitaSe grafican estas variaciones y se obtienen tres puntos clásicos :

Cromo-Magnesia

Silice

Temp. º CT0 T0.6 Tb

Tipos De Liga :Temperaturas de desarrollo de ligas

T º C

GA C A CA

1300

1500

1700

DESARROLLO DE

LIGA CERAMICA La LIGA CERAMICA es un mecanismo de unión cuyo proceso motriz es la REDUCCION DE LA

Í

900

1100

1300 DESARROLLO DELIGA CERAMICA ENERGÍA LIBRE SUPERFICIAL y

es acelerada por las altas temperaturas , algunos aditivos y los LIGA CERAMICA

500

700

SIN LIGA

contaminantes.

100

300

LADRILLOS

Tipos De Liga :Temperaturas de desarrollo de ligas

T º CLa liga Cerámica se

1300

1500

1700

LIGA CERAMICA

La liga Cerámica se produce por la REACCIÓN QUÍMICAentre un ARIDO y un

900

1100

1300

LIGA CERAMICASIN LIGA

entre un ARIDO y un CEMENTO cálcico-aluminoso . Es una reacción exotérmica de

500

700

DESARROLLO DELIGA

SIN LIGAalta resistencia inicial , que se va destruyendo a medida que secamos el

100

300 LIGA HIDRAULICA producto.

LADRILLOS MONOLITICOS

Tipos De Liga :Temperaturas de desarrollo de ligas

T º C

1300

1500

1700

DESARROLLO DE

LIGA CERAMICA

LIGA CERAMICA LIGA CERAMICA

900

1100

1300 DESARROLLO DELIGA CERAMICA

SIN LIGA

500

700

SIN LIGA DESARROLLO DELIGA

SIN LIGADESARROLLO DE

LIGAQUÍMICA

100

300 LIGA HIDRAULICA

MONOLITICOS YLADRILLOS MONOLITICOS MONOLITICOS YLADRILLOS

CCS (k / 2)

Tipos De Liga :Hormigones Convencionales

Resistencia vs Temp.

CCS (kg/c2) Curvas de Resistencia Vs Temperatura Para Distintos Tipos de Ligas

10001100120013001400

600700800900

1000

200300400500600

0100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

24

Temp. º C

Selección de Materiales :Proceso de desarrollo de aplicaciones

TemperaturaAcción

Física

Acción Química Medio

AmbienteCostos METODO DE

INSTALACION

DETERMINACION DE LA SOLICITACIONDETERMINACION DE LA SOLICITACION

Selección de Materiales :Determinación de la solicitación

Material Max Temp.

Chemical resistance acid

Chemical resistance alkalis

Hot Strength

Thermal shock resistanc

Liquid metal resistance

Glass contact resistance

ePure alumina

V Good Good Good Good Poor V Good Good

High Good Good Moderate Moderat Moderate Good Good Alumina eFirebrick Moderate Moderate Moderate Poor Moderate Moderate Moderate

Silicon Moderate V Good V Good V Good Excellent Excellent Excellent Carbide Magnesia Excellent Poor Good Moderat

e Poor Good Poor

Magnesium- Good Moderate Good Moderat Good Good PoorMagnesiumaluminate

Good Moderate Good Moderate

Good Good Poor

Silica (fused)

Poor Good Poor Poor Excellent Poor Good

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

Construcción de Ladrillos

Colado de HormigonesColado de Hormigones

Gunitado de Hormigones

Apisonables Refractarios

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

E i i I l i C l dEquipamiento para Instalaciones : Colado

MezcladorasMezcladoras

Vibradores Bombeadora

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

E i i I l i G i dEquipamiento para Instalaciones : Gunitado

Gunitadoras Tobera de gunitar

Bombas de agua

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

Ejemplos de distintos métodos de instalación en horno CLAUSEjemplos de distintos métodos de instalación en horno CLAUS

LADRILLO AISLANTE JM-28

HORMIGON CARBOXITE 66

LADRILLO CARBOMUL 202

HORMIGON KAOLITE 2600 LI

GUNITABLE KAOTAB 95

HORMIGON KAOTAB 95

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

Anclajes Tipo “V”

Anclajes Tipo “Y”Anclajes Tipo Y

Otros Anclajes Metálicos

Anclas Cerámicas

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

Luego de ser instalados, TODOS los materiales que involucran contenido de agua , DEBEN SER SECADOS de modo programado.g , p g

40 – 50 %Agua de Exceso de

Mezclado

8 - 15 %Agua de Reacción

Mezclado

(H2O)< 100 °C

350 °C

Hormigón % A G U A

5 – 7 % 4 – 5 %g

Química(combinada)

< 350 °C

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

Selección de Materiales :Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :

Selección de Materiales :Proceso de desarrollo de aplicaciones

TemperaturaAcción

Física

Acción Química Medio

AmbienteCostos METODO DE

INSTALACION

DETERMINACION DE LA SOLICITACIONDETERMINACION DE LA SOLICITACION

PRUEBAEXPERIENCIAPREVIA

ENSAYOS DELABORATORIO

PRUEBA

PILOTOCORRECCION

DEL ERROR

RESULTADO NO

SATISFACTORIOOK

PRODUCTO SELECCIONADO