REFRACTARIOS.Tema1.Definicion.Constitucion.Clasificacion

LOS REFRACTARIOS CONSTITUYEN UN SUBSECTOR
DENTRO DE LA INDUSTRIA CERÁMICA.
LOS REFRACTARIOS CONSTITUYEN UN CONJUNTO DE
PRODUCTOS INTERMEDIOS INDISPENSABLES EN UN PAÍS
DESARROLLADO, YA QUE SIN ELLOS SE DETENDRÍA TODA LA
ACTIVIDAD INDUSTRIAL (ESTÁN PRESENTES EN INFINIDAD DE
PROCESOS INDUSTRIALES Y DOMÉSTICOS) EN LA QUE SE DAN
CONDICIONES DE OPERACIÓN SEVERAS (ATAQUE QUÍMICO,
TENSIONES MECÁNICAS, ETC. ) Y EN LA QUE SE REQUIERE LA
UTILIZACIÓN DE TEMPERATURAS ELEVADAS
PROCESOS COMO LA COCCIÓN, LA
FUSIÓN, LA CALCINACIÓN, LA
CLINKERIZACIÓN, ASÍ COMO OTROS
MUCHOS, NO PUEDEN
DESARROLLARSE SI LOS
PRODUCTOS O LOS EQUIPOS DE
PRODUCCIÓN (HORNOS) NO ESTÁN
PROTEGIDOS POR MATERIALES
REFRACTARIOS.
SU APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA SIDERÚRGICA LES OTORGA
CARÁCTER DESUBSECTOR “ESTRATÉGICO”.
POR OTRA PARTE, UN REVESTIMIENTO REFRACTARIO-AISLANTE
(R&A)
PROTEGE A LA ESTRUCTURA PORTANTE DE LAS ALTAS
TEMPERATURAS Y HACE QUE LAS PÉRDIDAS DE CALOR A
TRAVÉS DE LAS PAREDES DE LOS HORNOS SEAN
MENORES, CONTRIBUYENDO DE ESE MODO AL AHORRO
ENERGÉTICO, DEBIDO A UN MENOR CONSUMO DE CALOR.
REFRACTARIO AISLANTE
INTERIOR
HORNO
REFRACTARIO DENSO
ADEMÁS, LOS
MATERIALES
REFRACTARIOS AYUDAN
A PROTEGER EL MEDIO
AMBIENTE
ASEGURANDO QUE LAS
TEMPERATURAS ALTAS,
NECESARIAS EN
MUCHOS PROCESOS NO
PRESENTAN UN
IMPACTO PERJUDICIAL
PARA EL MEDIO
AMBIENTE.
AMBIENTE
EXTERIOR
HORNO ELECTRICO DE
REDUCCIÓN PARA FeCr
CON BAJO CONTENIDO
EN CARBONO
REFRACTARIOS
EMPLEADOS EN
PROCESOS
INDUSTRIALES A
ALTA TEMPERATURA
REFRACTARIOS
EMPLEADOS EN
PROCESOS
INDUSTRIALES A
ALTA TEMPERATURA
DEFINICIÓN MATERIAL REFRACTARIO
REAL ACADEMIA DE LA LENGUA
Dícese del cuerpo que resiste la acción del fuego sin cambiar de estado
ni descomponerse (SIN ALTERARSE)
PRE ISO ( R 836 - 68)
Son aquellos productos naturales o artificiales cuya resistencia
piroscópica es igual o superior a 1500 ºC.
DEFINICIÓN Dr. CAMPOS LORITZ
Los materiales refractarios se engloban dentro de los materiales
cerámicos, definidos como: Materiales policristalinos, no metálicos,
inorgánicos, de alto punto de fusión y que se fabrican, en general, a partir
de un polvo que se conforma mediante prensado u otro procedimiento y
que se somete a continuación a una cocción a alta temperatura.
DEFINICIÓN TECNOLÓGICA (SALVADOR DE AZA)
TODO MATERIAL CAPAZ DE SOPORTAR, A TEMPERATURAS
ELEVADAS, LAS CONDICIONES DEL MEDIO EN EL QUE ESTÁ INMERSO,
DURANTE UN PERÍODO DE TIEMPO ECONÓMICAMENTE RENTABLE, SIN
DETERIORO O ALTERACIONES EXCESIVAS DE SUS PROPIEDADES
FISICO-QUÍMICAS
OTRA DEFINICION
- Materiales capaces de resistir temperaturas elevadas
conservando al mismo tiempo buenas propiedades
operativas frente a las solicitaciones en hornos y reactores
industriales
CONDICIONES QUE DEBEN SOPORTAR LOS
MATERIALES REFRACTARIOS
CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES DE LOS
MATERIALES REFRACTARIOS
MATERIAL REFRACTARIO: AGREGADOS DE CRISTALES O
GRANOS CEMENTADOS POR UNA MATRIZ CRISTALINA O
VÍTREA, CON UN CIERTO GRADO DE POROSIDAD.
FERRITA DICALCICA:
2CaO. Fe2O3
PERICLASA
MgO
SILICATO DICALCICO:
2CaO.SiO2
FERRITA DE MAGNESIO:
MgO. Fe2O3
ESPINELA DE CROMO: MgO. Cr2O3
NOMBRE, FÓRMULA, PESO MOLECULAR Y PUNTO DE FUSIÓN
(O DESINTEGRACIÓN) DE MATERIALES
NOMBRE
FÓRMULA
PESO
MOLECULAR
PUNTO
FUSIÓN (ºC)
NOMBRE
FÓRMULA
PESO
MOLECULAR
PUNTO
FUSIÓN (ºC)
NOMBRE
NOMBRE
FÓRMULA
FÓRMULA
PESO
MOLECULAR
PESO
MOLECULAR
PUNTO
FUSIÓN (ºC)
PUNTO
FUSIÓN (ºC)
FORMAS POLIMÓRFICAS Y SUS TRANSFORMACIONES
DADO QUE LA TEMPERATURA Y LA PRESIÓN SOBRE UN MATERIAL
REFRACTARIO, FUNDAMENTALMENTE LA TEMPERATURA, PUEDEN SUFRIR O
SUFREN MODIFICACIONES DURANTE SU SERVICIO, LAS DISTANCIAS
INTERATÓMICAS Y LAS AMPLITUDES DE LAS VIBRACIONES ATÓMICAS,
PUEDEN ALCANZAR TAL MAGNITUD, QUE BAJO ESAS NUEVAS CONDICIONES
PUEDE OCURRIR QUE NO SEA ESTABLE LA ESTRUCTURA CRISTALINA QUE
PRESENTABA EL MATERIAL, POR EJEMPLO A TEMPERATURA AMBIENTE, Y
TENGA QUE PASAR A OTRA ESTRUCTURA MÁS ESTABLE.
LOS MATERIALES QUE TIENEN LA MISMA COMPOSICIÓN QUÍMICA PERO
DIFERENTE ESTRUCTURA CRISTALINA SE DENOMINAN POLIMORFOS Y EL
CAMBIO DE UNA ESTRUCTURA A OTRA, TRANSFORMACIÓN POLIMÓRFICA.
SI EL MATERIAL ES UN ELEMENTO RECIBE EL NOMBRE DE FORMA Y
TRANSFORMACIÓN ALOTRÓPICA.
ΔV = -(3-5) %
DEPENDIENDO DEL TIPO DE CAMBIOS QUE OCURREN EN EL
CRISTAL, SE PUEDEN DISTINGUIR DOS TIPOS DE
TRANSFORMACIONES POLIMÓRFICAS (TAMBIÉN SE PUEDEN
CLASIFICAR EN DOS TIPOS ATENDIENDO A LA VELOCIDAD DE
LA TRANSFORMACIÓN):
(A).-TRANSFORMACIONES POR DESPLAZAMIENTO O MILITARES
(ESTRUCTURALMENTE ES EL TIPO DE TRANSFORMACIÓN
MENOS DRÁSTICA)
(B).-TRANSFORMACIONES POR REORDENACIÓN O
DIFUSIONALES (RECONSTRUCTIVAS).
En el caso de las transformaciones
por desplazamiento o militares todos
los átomos del cristal se desplazan, al
mismo tiempo, una distancia cuya
magnitud no es superior a la distancia
interatómica, lo que se traduce en una
alteración de toda la estructura
cristalina.
PUEDE EXISTIR COMO
CONSECUENCIA DE LAS MISMAS
UNA VARIACIÓN DE LOS ÁNGULOS
DE ENLACE, PERO NUNCA TIENE
LUGAR LA ROTURA DE LOS MISMOS.
No existe cambio en la coordinación
primaria y el cambio de energía es el
requerido para una modificación de la
coordinación secundaria.
Las transformaciones por
desplazamiento o militares tienen
lugar a una temperatura definida son
de naturaleza reversible, ocurren
rápidamente y, a menudo, están
acompañadas de una variación de
volumen.
En las transformaciones por reordenación o
difusionales tiene lugar la rotura de enlaces
atómicos dando paso a la formación de
nuevas estructuras cristalinas. Puesto que la
energía de los enlaces es, en general, alta la
transformación es difícil y se necesita una
energía de activación alta.
POR TANTO, LA ENERGÍA REQUERIDA
PARA REALIZAR ESTE TIPO DE
TRANSFORMACIONES ES MUCHO MAYOR
QUE LA QUE SE PRECISA EN LAS
TRANSFORMACIONES POR
DESPLAZAMIENTO Y, POR CONSIGUIENTE,
SON LENTAS.
La velocidad de reordenación o formación de las
nuevas estructuras es lenta (Mecanismo difusional
de transporte de materia), lo que hace que
PUEDAN ENCONTRARSE, FRECUENTEMENTE, A
TEMPERATURA AMBIENTE DE FORMA
METAESTABLE, ESTRUCTURAS QUE
TERMODINÁMICAMENTE SOLO PUEDEN
PRESENTARSE A ELEVADAS TEMPERATURAS O
AL REVÉS A TEMPERATURAS ALTAS
ESTRUCTURAS DE TEMPERATURA MÁS BAJA.
LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN PARA LAS TRANSFORMACIONES POR
REORDENACIÓN O DIFUSIONALES PUEDE SER TAN ELEVADA QUE EL
PROCESO DIFUSIONAL DE REORDENACIÓN SEA CINÉTICAMENTE
IMPOSIBLE DE VERIFICARSE EN LA PRÁCTICA, A NO SER QUE
EXISTEN FACTORES EXTERNOS QUE DISMINUYAN SU VALOR.
POR EJEMPLO, LA PRESENCIA DE UNA FASE LÍQUIDA PUEDE
PERMITIR A LA FASE METAESTABLE DISOLVERSE Y PRECIPITAR
SEGUIDAMENTE LA ESTRUCTURA ESTABLE A LA TEMPERATURA EN
QUE SE ESTA TRABAJANDO
IGUALMENTE LA ENERGÍA MECÁNICA PUEDE CONSTITUIR OTRA DE
LAS ALTERNATIVAS PARA MINIMIZAR EL VALOR DE LA ENERGÍA DE
ACTIVACIÓN.
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS
NO EXISTE UN CRITERIO ÚNICO DE CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
REFRACTARIOS. ASÍ, SEGÚN SEA EL CRITERIO QUE SE TOME COMO BASE SE
TENDRÁ UNA CLASIFICACIÓN U OTRA. LAS CLASIFICACIONES NO SON
SIEMPRE MUY PRECISAS, PERO TIENEN SU UTILIDAD.
SE PUEDEN CLASIFICAR DE ACUERDO CON CRITERIOS DIFERENTES, TALES
COMO:
A.-COMPOSICIÓN QUÍMICA.
B.-PROPIEDADES ÁCIDO-BASE (CARÁCTER QUÍMICO).
C.-FORMA O PRESENTACIÓN (FORMATO). ATENDIENDO A LAS
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL PRODUCTO ACABADO.
D.- POROSIDAD DE LOS PRODUCTOS CONFORMADOS (FINALIDAD).
E.-PROCESO DE FABRICACIÓN.
F.-USO.
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS
SEGÚN SU COMPOSICIÓN QUÍMICA (NORMA UNE 61-001-75)
A MENUDO SE PUEDEN CLASIFICAR LOS MATERIALES REFRACTARIOS SEGÚN
SU COMPOSICIÓN QUÍMICA, YA QUE SU CAPACIDAD PARA RESISTIR A LOS
AMBIENTES A LOS QUE VAN A ESTAR EXPUESTOS DEPENDEN EN
GRAN MEDIDA DE SU COMPOSICIÓN QUÍMICA.
ESTA CLASIFICACIÓN NO SIEMPRE ES ALTAMENTE PRECISA PERO ES MUY
ÚTIL. ESTA BASADA EN EL CONTENIDO DEL COMPUESTO PRINCIPAL (SÍLICE,
ALÚMINA, MAGNESIA, ETC.)
A1 .-REFRACTARIOS DE SÍLICE (% DE SiO2 ENTRE EL 94 Y EL 97 %)
(Una composición típica de un ladrillo cocido de sílice puede ser: 42 %
de tridimita, 45 % de cristobalita y 0-1 % de cuarzo residual)
A2.-REFRACTARIOS DE SEMI-SÍLICE (% DE Al2O3 < 10 % , RESTO SiO2
HASTA UN MÁXIMO DEL 94 %)
A3.-REFRACTARIOS SILICO-ALUMINOSOS (SI PRESENTAN
CONTENIDOS DE Al2O3 COMPRENDIDOS ENTRE EL 10 Y EL 30 %,
SIENDO EL RESTO FUNDAMENTALMENTE SiO2).
A4.-REFRACTARIOS ALUMINOSOS
(SI PRESENTAN CONTENIDOS DE Al2O3 COMPRENDIDOS ENTRE EL
30 Y EL 45 %, SIENDO EL RESTO FUNDAMENTALMENTE SiO2).
A SU VEZ ESTE TIPO DE REFRACTARIOS SE SUBDIVIDE EN:
30 % - 35 % DE Al2O3
35 % - 39 % DE Al2O3
39 % - 41 % DE Al2O3
41 % - 43 % DE Al2O3
43 % - 45 % DE Al2O3
LAS MATERIAS PRIMAS UTILIZADAS PARA SU FABRICACIÓN SON
LAS DENOMINADAS ARCILLAS REFRACTARIAS Y LOS CAOLINES.
Durante su calentamiento a temperaturas por encima de los
1000 ºC se forma mullita (2SiO2.3Al2O3).
El SiO2 se encuentra en forma de cristobalita en los granos y,
dependiendo del grado de contaminación, en la fase vítrea.
Clasificación y designación de los ladrillos denominados FIRECLAYS.
A5.-REFRACTARIOS DE ALTO CONTENIDO EN ALÚMINA
(SI PRESENTAN CONTENIDOS DE Al2O3 COMPRENDIDOS ENTRE
EL 45 Y EL 56 % ).
A6.-REFRACTARIOS DE MUY ALTO CONTENIDO EN ALÚMINA (SI
PRESENTAN CONTENIDOS DE Al2O3 SUPERIORES AL 56 %).
-REFRACTARIOS DE ALÚMINA PURA.
-REFRACTARIOS DE MULLITA SINTÉTICA (2SiO2.3 Al2O3).
-REFRACTARIOS DEL GRUPO DE LA SILLIMANITA (SiO2.Al2O3).
-REFRACTARIOS BASADOS EN EL Al(OH)3 Y EN LA BAUXITA.
-REFRACTARIOS DE CORINDÓN.
ESTOS TIPOS DE REFRACTARIOS PUEDEN CORRELACIONARSE
CON EL DIAGRAMA BINARIO DE FASES SiO2-Al2O3
Clasificación y designación de los refractarios de alta
y muy alta alúmina.
Materias primas para la fabricación de materiales
refractarios de alta y muy alta alúmina
A7.-REFRACTARIOS DE MAGNESIA (SI PRESENTAN CONTENIDOS
DE MgO COMPRENDIDOS ENTRE EL 90 Y EL 97 %)
El punto de fusión del óxido puro es de 2800 ºC y su expansión térmica
es considerable, lo que limita su resistencia al choque térmico. Posee
una elevada conductividad térmica (4.5 W/m.K a 1000 ºC).
Los óxidos minoritarios que pueden estar presentes son,
principalmente: Fe2O3, Al2O3, CaO, SiO2 y B2O3. Dependiendo de la
relación (CaO/ SiO2) se forman una serie de componentes cristalinos
secundarios con diferentes temperaturas de fusión
A8.-REFRACTARIOS DE FORSTERITA
2MgO.SiO2
(SI PRESENTAN CONTENIDOS DE MgO PRÓXIMOS AL 40 %,
SIENDO EL RESTO SiO2)
A9.-REFRACTARIOS DE DOLOMÍA [SI EL (%CaO + %MgO> 80 %].
A10.-REFRACTARIOS DE MAGNESIA - CROMO (SI CONTIENE
ENTRE EL 5 Y EL 18 % DE Cr2O3)
A11 .-REFRACTARIOS DE CROMO -MAGNESIA (SI
PRESENTAN UN % Cr2O3 COMPRENDIDO ENTRE EL 18 Y EL
32 %)
A12.-REFRACTARIOS DE CROMITA (SI EL CONTENIDO DE
Cr2O3 ES SUPERIOR AL 32 %).
REFRACTARIOS ESPECIALES
-REFRACTARIOS DE CARBONO BASE COQUE O ANTRACITA
-REFRACTARIOS DE CARBONO BASE GRAFITO ( > 30 % GRAFITO +
ARCILLA)
-REFRACTARIOS DE CARBURO DE SILICIO ( % SiC > 50 %)
-REFRACTARIOS DE CIRCONIA (ZrO2)
-REFRACTARIOS DE CIRCÓN (ZrSiO4)
-REFRACTARIOS BASE CARBUROS ( ZrC , TAC , BC , TiC, ETC.)
-REFRACTARIOS BASE NITRUROS ( ZrN, BN , AIN, Si3N4, ETC.)
-REFRACTARIOS BASE BORUROS ( CrB, ETC.)
-REFRACTARIOS BASE SILICIUROS (MoSi2 , WSi2, ETC.)
-CERMETS (COMPUESTOS METALOCERÁMICOS)
TIPOS DE
MATERIALES
REFRACTARIOS
REPRESENTACIÓN
TRIANGULAR
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS DE
ACUERDO A SUS PROPIEDADES ÁCIDO - BASE.
SEGÚN ESTE CRITERIO LOS MATERIALES REFRACTARIOS SE CLASIFICAN
EN:
REFRACTARIOS ÁCIDOS :
REFRACTARIOS DE SÍLICE , SEMI-SÍLICE Y SILICO-ALUMINOSOS.
REFRACTARIOS BÁSICOS :
REFRACTARIOS DE MAGNESIA , DOLOMÍA , FORSTERITA Y MAGNESIA CROMO.
REFRACTARIOS NEUTROS :
REFRACTARIOS DE CROMITA Y CROMO - MAGNESIA.
REFRACTARIOS ANFÓTEROS :
REFRACTARIOS DE ALTA Y MUY ALTA ALÚMINA.
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS ATENDIENDO A
LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL PRODUCTO ACABADO.
-MATERIALES CONFORMADOS LADRILLOS NORMALES Y EN CUÑA,
BLOQUES, FORMAS ESPECIALES,. SON PIEZAS REFRACTARIAS OBTENIDAS
POR CUALQUIERA DE LOS MÉTODOS DE CONFORMADO, PRINCIPALMENTE
POR PRENSADO, Y LUEGO SOMETIDAS A UN PROCESO DE COCCIÓN A ALTA
TEMPERATURA, GENERALMENTE EN UN HORNO TÚNEL, PARA LOGRAR SU
AGLOMERACIÓN.
TAMBIÉN PUEDE LLEGARSE A LA FUSIÓN TOTAL DE LAS MATERIAS PRIMAS,
EN UN HORNO ELÉCTRICO, Y OBTENER PIEZAS REFRACTARIAS
ELECTROFUNDIDAS POR COLADO Y POSTERIOR SOLIDIFICACIÓN, COMO EN
EL CASO DE LOS MATERIALES METÁLICOS.
-MATERIALES NO CONFORMADOS: MASAS PLÁSTICAS, MASAS PARA
APISONAR, HORMIGONES REFRACTARIOS, MORTEROS REFRACTARIOS,
MASAS PROYECTABLES REUMÁTICAMENTE, ETC.
SON MEZCLAS REFRACTARIAS QUE PUEDEN SER USADAS DIRECTAMENTE EN
EL ESTADO QUE SON SUMINISTRADAS, COMO ES EL CASO DE LAS MASAS
PLÁSTICAS O BIEN DESPUÉS DE LA ADICIÓN DE UN LÍQUIDO APROPIADO,
COMO ES EL CASO DE LOS HORMIGONES O CEMENTOS REFRACTARIOS. SE
FORMAN ASÍ REVESTIMIENTOS MONOLÍTICOS, SIN JUNTAS Y CON UN
ESPESOR NO DISCRETO.
FINALMENTE, TAMBIÉN PUEDEN PRESENTARSE LOS MATERIALES
REFRACTARIOS EN FORMA DE MATERIALES FIBROSOS.
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS ATENDIENDO A LAS
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL PRODUCTO ACABADO.
- PRODUCTOS FUNCIONALES SON MATERIALES CONFORMADOS Y SE
CORRESPONDEN CON LAS PARTES QUE SE CAMBIAN MÁS A MENUDO EN
LOS HORNOS Y QUE REALIZAN UNA FUNCIÓN ESPECIFICA DURANTE EL
PROCESO. ESTÁN SUJETOS A SOLICITACIONES MUCHO MÁS AGRESIVAS
(TENSIONES MÁS ELEVADAS, ETC), QUE LOS SITUADOS EN OTRAS
PARTES DE LOS HORNOS. POR EJEMPLO, CIERRES DE CORREDERA,
BUZAS, TAPONES POROSOS, ETC.
Cierre lineal de
corredera
para cucharas
de colada de acero
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS SEGÚN LA
POROSIDAD DEL PRODUCTO CONFORMADO.
SEGÚN ESTE CRITERIO LOS MATERIALES
REFRACTARIOS SE CLASIFICAN EN:
-REFRACTARIOS DENSOS.
SE CONSIDERAN REFRACTARIOS
DENSOS AQUELLOS MATERIALES CUYA
REFRACTARIEDAD SEA IGUAL O
SUPERIOR A LOS 1500 ºC Y EL VALOR DE
LA POROSIDAD TOTAL SEA INFERIOR AL
39 % EN VOLUMEN.
-REFRACTARIOS AISLANTES.
SE CONSIDERAN REFRACTARIOS
DENSOS AQUELLOS MATERIALES CUYA
REFRACTARIEDAD SEA IGUAL O
SUPERIOR A LOS 1500 ºC Y SU
POROSIDAD TOTAL ES IGUAL O
SUPERIOR AL 45 % EN VOLUMEN.
CLASIFICACIÓN DE LOS
MATERIALES REFRACTARIOS
ATENDIENDO AL PROCESO DE
FABRICACIÓN.
según este criterio los materiales
refractarios se clasifican en:
-REFRACTARIOS
CONVENCIONALES
Obtenidos por conformado por
prensado, extrusión o moldeo y
luego cocidos a una temperatura
en que no se alcanza la
temperatura de fusión.
-REFRACTARIOS ESPECIALES.
Se llega a la fusión total y luego se
cuela y se solidifica.
Son los materiales refractarios
electrofundidos, como por ejemplo
de mullita, de alúmina,