Leccion2.REFRACTARIOS.PropiedadesMECANICO.TERMICAS.ppt

PROP. MECANICO- TERMICAS/FLEXION EN CALIENTE
UNO DE LOS PARÁMETROS MÁS USADOS PARA CARACTERIZAR EL
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS REFRACTARIOS ES EL LA
RESISTENCIA A LA FLEXIÓN A TEMPERATURAS ELEVADAS O MÓDULO
DE ROTURA EN CALIENTE (MDRC) Y CON UN INCREMENTO
CONSTANTE DEL ESFUERZO
LA DETERMINACIÓN DE ESTA PROPIEDAD EXIGE EL ENSAYO DE UN
CIERTO NÚMERO DE MUESTRAS EN IDÉNTICAS CONDICIONES DEBIDO
A SU VARIABILIDAD. DADO QUE, EN GENERAL, LOS REFRACTARIOS
PRESENTAN FRACTURA NO LINEAL A ELEVADAS TEMPERATURAS
LOS VALORES DEL MDRC DEPENDEN:
- DEL TAMAÑO DE LA MUESTRA
- DE LA VELOCIDAD DE CARGA
- DEL SISTEMA DE CARGA UTILIZADO
POR OTRA PARTE, CADA VEZ APARECEN MÁS REFRACTARIOS DE
CARÁCTER NO OXÍDICO, PARA LOS QUE UNA ATMÓSFERA
CONVENCIONAL DE AIRE NO ES INERTE, POR LO QUE EL ENSAYO DEL
MDRC DEBE HACERSE EN ATMÓSFERA CONTROLADA.
PROPIEDADES MECANICO- TERMICAS
RESISTENCIA A LA FLEXION EN CALIENTE.
LA RESISTENCIA A LA FLEXIÓN (MÓDULO DE ROTURA) ES EL
ESFUERZO MÁXIMO QUE PUEDE SOPORTAR UNA PROBETA
PRISMÁTICA DE DIMENSIONES ESPECIFICADAS CUANDO SE FLEXIONA
EN UN DISPOSITIVO DE CARGA DE TRES PUNTOS
PROPIEDADES MECANICO- TERMICAS
RESISTENCIA A LA FLEXION EN CALIENTE.
LA TEMPERATURA DE ENSAYO ES LA TEMPERATURA EN EL CENTRO
GEOMÉTRICO DE LA CARA DE LA PROBETA SOMETIDA A TRACCIÓN.
EL DISPOSITIVO DE APLICACIÓN DE LA CARGA DEBE CONTAR CON
DOS COJINETES PARA SOPORTAR LAS PROBETAS Y UNO PARA
APLICAR LA CARGA.
LOS TRES COJINETES DEBEN SER PARALELOS ENTRE SI. PARA
PROBETAS NORMALES, LA DISTANCIA ENTRE LOS COJINETES
SOPORTE DEBE SER DE 125 mm ± 2 mm
CON POSIBILIDAD DE ADAPTACIÓN PARA PROBETAS DE OTRAS
LONGITUDES). EL COJINETE PARA APLICAR LA CARGA DEBE
COLOCARSE CENTRADO ENTRE LOS DOS COJINETES SOPORTE,
CON UNA EXACTITUD DE ± 2 mm
A MENOS QUE SE ACUERDE OTRA COSA, LA PROBETAS DEBEN SER
PRISMÁTICAS CON UNA SECCIÓN TRANSVERSAL DE
25 ± 1mm X 25 mm ± 1 mm Y UNA LONGITUD DE UNOS 150 mm. LAS
CARAS LONGITUDINALES DE CADA PROBETA DEBEN SER
PARALELAS ENTRE SI CON UNA TOLERANCIA DE ± 0.5 mm Y LOS
LADOS DE UNA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA PROBETA DEBEN SER
PARALELOS ENTRE SI CON UNA TOLERANCIA DE ± 0.2 mm. SE DEBE
GARANTIZAR QUE LAS PROBETAS PRESENTEN SUPERFICIES LISAS Y
ARISTAS LIMPIAS. SI SE VAN A UTILIZAR PROBETAS DE OTROS
TAMAÑOS, LAS DIMENSIONES DEBEN ALTERARSE GRADUALMENTE
DE 5 mm EN 5 mm, CON UNA LONGITUD MÍNIMA DE 100 mm Y UNA
ANCHURA Y ALTURA MÍNIMAS DE 10 mm.
σf =
1.- Cojinete (para aplicar la carga (con un radio de 5 mm ± 1 mm)
2.- Cara sometida a compresión
3.- Cara sometida a tracción
4.- Cojinetes soporte (con un radio de 5 mm± 1 mm)
Ls = Distancia entre los soportes, en milímetros
h = Altura de la probeta, en milímetros
M MAX
W
h 1
>
b 3
Disposición y dimensiones de la probeta y de los cojinetes soporte y de
aplicación de la carga
PROPIEDADES MECANICO- TERMICAS
Resistencia a la flexión en caliente de
distintos tipos de ladrillos refractarios.
=
3FMAX LS
2bh 2
h 1
<
LS 4
REFRACTARIEDAD BAJO CARGA
EL ENSAYO DE REFRACTARIEDAD BAJO CARGA SURGIÓ COMO UNA
MODIFICACIÓN DEL ENSAYO DE VARIACIÓN DIMENSIONAL
PERMANENTE, DE TAL FORMA QUE NO SOLO SE TUVIERA EN CUENTA
EL EFECTO DE LA TEMPERATURA, SINO TAMBIÉN EL DEL ESFUERZO
MECÁNICO.
POR REFRACTARIEDAD BAJO CARGA SE ENTIENDE LA
TEMPERATURA A LA CUAL UNA PROBETA DE MATERIAL
REFRACTARIO, DENSO O AISLANTE, SOMETIDA A UNA CARGA
CONSTANTE Y A UN DETERMINADO RÉGIMEN DE CALENTAMIENTO,
EXPERIMENTA UN CIERTO TANTO POR CIENTO DE CONTRACCIÓN,
CON RESPECTO AL PUNTO DE MÁXIMA DILATACIÓN (PUNTO DE
CULMINACIÓN DE LA CURVA % DILATACIÓN/CONTRACCIÓN EN
FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA).
ESTA PROPIEDAD NOS INFORMA SOBRE EL PUNTO O LA ZONA DE
REBLANDECIMIENTO DE UN MATERIAL SOMETIDO A TEMPERATURA
ASCENDENTE BAJO UNA CARGA DE PRESIÓN CONSTANTE.
REFRACTARIEDAD BAJO CARGA
Para la interpretación de la curva anterior, se trazará la tangente en
el punto de máxima dilatación y se medirán las variaciones de la altura a
partir de dicha tangente. Igualmente, se indicarán las temperaturas
respectivas a las que la probeta ha sufrido una contracción de:
0.6 %
(0.30 mm): Temperatura T0.6
1.0 %
(0.50 mm): Temperatura T1
5.0 %
(2.50 mm): Temperatura T5
10.0 % (5.00 mm): Temperatura T10
20.0 %
(10.00 mm): Temperatura T20
La temperatura Ta = (temperatura inicial) resulta del punto de
intersección de la curva con la horizontal, situada 3 mm, más abajo del
punto de culminación de la curva. Esto supone aproximadamente un 0.6
% de aplastamiento de la probeta.
La temperatura final Te10, se alcanza siempre cuando la curva
desciende 100 mm por debajo del punto de culminación.
En caso de que se produzca la rotura de la probeta de forma brusca
durante el ensayo, se indicara la temperatura final como TR
(temperatura de rotura), anotando también el tanto por ciento de
contracción correspondiente (x %).
Rotura para una contracción de x %: Temperatrura TRx.
Esto ocurre en algunos tipos de refractarios, especialmente en los
básicos y de sílice.
REFRACTARIEDAD BAJO CARGA
PARA LA DETERMINACIÓN DE LA REFRACTARIEDAD BAJO CARGA
EXISTES DOS MÉTODOS:
1.- MÉTODO CONVENCIONAL
2.- MÉTODO DIFERENCIAL
REFRACTARIEDAD BAJO CARGA
MÉTODO CONVENCIONAL
PARA DETERMINAR LA REFRACTARIEDAD BAJO POR EL MÉTODO
CONVENCIONAL, SE UTILIZAN PROBETAS CILÍNDRICAS DE 50 mm
DE ALTURA Y 50 mm DE DIÁMETRO.
ESTAS SE CALIENTAN A ALTA TEMPERATURA, CON VELOCIDAD
CONSTANTE DE CALENTAMIENTO Y UNA CARGA DE 0.2 N/mm2.
LA VARIACIÓN DE LA ALTURA DEL CILINDRO EN FUNCIÓN DE LA
TEMPERATURA SE REGISTRA CON UN AUMENTO 10 VECES
SUPERIOR. EN ESTA MODIFICACIÓN DE ALTURA SE INCLUYEN
TANTO LA DILATACIÓN TÉRMICA BAJO CARGA COMO LA
DILATACIÓN DE LOS APARATOS DE CONTROL.
LOS RESULTADOS DE CONTROL SE TOMAN DEL DIAGRAMA.
Régimen de elevación de la temperatura.
Para aquellos productos en los que la refractariedad bajo
carga sea superior a 1500 ºC se podrá elevar la temperatura
a un régimen de 10 ºC/minuto hasta los 1200 ºc
El ensayo puede llevarse a cabo hasta una temperatura
máxima de 1700 ºC.
- Amplio intervalo de reblandecimiento (ladrillos de chamota)
- Ausencia de intervalo de reblandecimiento (ladrillos de sílice)
Curvas de refractariedad bajo carga (método convencional) para ladrillos
refractarios:
1 chamota, 2 silimanita, 3 cromo-magnesia, 4 sílice (bóvedas), 5 sílice (hornos
de cok), 6 magnesia-cromo.
REFRACTARIEDAD BAJO CARGA
Valores de la refractariedad bajo carga (Ta) de los ladrillos refractarios más utilizados.
REFRACTARIEDAD BAJO CARGA
MÉTODO DIFERENCIAL
CON EL FIN DE EVITAR POSIBLES ERRORES DEBIDO A LA PROPIA
DILATACIÓN DEL APARATO DE MEDIDA SE DESARROLLÓ EL
MÉTODO DIFERENCIAL PARA DETERMINAR LA REFRACTARIEDAD
BAJO CARGA.
SE UTILIZA LAS MISMAS PROBETAS QUE PARA EL MÉTODO
CONVENCIONAL , PERO ADEMÁS LLEVA UN TALADRO INTERIOR, DE
MANERA QUE SE PUEDAN APLICAR PALPADORES EN LA PARTE
SUPERIOR E INFERIOR.
POR ESTE MÉTODO SE OBTIENEN VALORES
DE LA
REFRACTARIEDAD BAJO CARGA INFERIORES A LOS
OBTENIDOS POR EL MÉTODO CONVENCIONAL.
REFRACTARIEDAD BAJO CARGA
EL ALARGAMIENTO DE LA
PROBETA ES IGUAL AL
ALARGAMIENTO DADO POR
LA CURVA REAL
EXPERIMENTAL MÁS LA
VARIACIÓN DE DIMENSIÓN
DE UNA LONGITUD DEL
TUBO DE ALÚMINA
INTERIOR IGUAL A LA
ALTURA NOMINAL DE LA
PROBETA.
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
SE ENTIENDE POR TERMOFUENCIA O SIMPLEMENTE FLUENCIA LA
DEFORMACIÓN PLÁSTICA LENTA Y CONTINUA QUE, A LO LARGO DEL
TIEMPO, EXPERIMENTAN LOS MATERIALES SOMETIDOS A CARGAS
INFERIORES A LAS QUE PRODUCIRÍAN DEFORMACIONES
PERMANENTES A TEMPERATURA AMBIENTE, CUANDO TRABAJAN A
TEMPERATURAS SUFICIENTEMENTE ELEVADAS.
POR TEMPERATURA SUFICIENTEMENTE ELEVADA, A PARTIR DE LA
CUAL SE PRESENTA LA FLUENCIA, SE ENTIENDE POR REGLA
GENERAL:
- T > (0.3-0.4)TF PARA MATERIALES METÁLICOS
- T > (0.4-0.5)TF PARA MATERIALES CERÁMICOS
SIENDO TF LA TEMPERATURA DE FUSIÓN DEL MATERIAL EN GRADOS
KELVIN.
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
ESTA DEFORMACIÓN CONTINUA Y NO REVERSIBLE PUEDE LLEVAR,
FINALMENTE, AL FALLO DEL MATERIAL
ESTOS CAMBIOS DE FORMA SON GENERALMENTE PERJUDICIALES,
SIENDO UN FACTOR QUE LIMITA LA VIDA DE UN DETERMINADO
COMPONENTE.
ASÍ, POR EJEMPLO, LAS PIEZAS QUE SOPORTAN LAS HILERAS DE
COLADA EN LA INDUSTRIA E VIDRIO O LOS TUBOS PARA LA
SUSPENSIÓN DE PIEZAS EN HORNOS TÚNEL, DEBEN DE
REEMPLAZARSE ANTES DE QUE LAS PIEZAS TOQUEN EL SUELO DEL
HORNO O SE SALGAN DE SUS APOYOS PROVOCANDO EL PARO
INMEDIATO DEL HORNO.
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
LOS ENSAYOS DE TRACCIÓN O DE FLEXIÓN POR SI SOLOS NO
PUEDEN PREDECIR EL COMPORTAMINETO ESTRUCTURAL DE UN
MATERIAL QUE SE VA A UTILIZAR A ALTAS TEMPERATURAS
LA DEFORMACIÓN QUE SUFRE UN MATERIAL CARGADO POR DEBAJO
DE SU LIMITE ELASTICO, A TEMPERATURA AMBIENTE, SE PUEDE
CALCULAR MEDIANTE LA LEY DE HOOKE
ESTA DEFORMACIÓN NO CAMBIARÁ CON EL TIEMPO, COMO NORMA
GENERAL, SI LA CARGA SE MANTIENE CONSTANTE.
LA DEFORMACIÓN ELASTICA INDUCIDA A TEMPERATURA
AMBIENTE ES INDEPENDIENTE DEL TIEMPO
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
AL REPETIR LOS EXPERIMENTOS A UNA TEMPERATURA ELEVADA
SE OBTIENEN RESULTADOS TOTALMENTE DISTINTOS
ENSAYO TIPICO DE
FLUENCIA
CURVA DE FLUENCIA
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
LADEFORMACIÓN, ε, AUMENTA
DE FORMA GRADUAL CON EL
TIEMPO TRAS LA PRIMERA
ETAPA DE CARGA ELÁSTICA.
TRAS LA DEFORMACIÓN
ELÁSTICA INICIAL EN t≈ 0, LA
FIGURA MUESTRA TRES ETAPAS
CORRESPONDIENTES A LA
DEFORMACIÓN POR FLUENCIA.
LA PRIMERA ETAPA ESTÁ
CARACTERIZADA POR UNA
VELOCIDAD DE
DEFORMACIÓN (PENDIENTE
DE LA CURVA ε-t)
DECRECIENTE.
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
LA SEGUNDA ETAPA DE LA
DEFORMACIÓN POR FLUENCIA SE
CARACTERIZA POR SER UNA LÍNEA
RECTA, CORRESPONDIENTE A
VALORES DE VELOCIDAD DE
DEFORMACIÓN CONSTANTE
EN ESTA ZONA, LA MAYOR FACILIDAD
DE DESLIZAMIENTO DEBIDA A LA
MOVILIDAD ATÓMICA ASOCIADA A
ALTA TEMPERATURA, SE EQUILIBRA
CON UNA RESISTENCIA CRECIENTE
AL DESLIZAMIENTO DEBIDA A LA
FORMACIÓN DE APILAMIENTOS DE
DISLOCACIONES Y OTRAS BARRERAS
MICROESTRUCTURALES.
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
EN LA TERCERA ETAPA FINAL,
LA VELOCIDAD DE
DEFORMACIÓN AUMENTA
DEBIDO AL INCREMENTO
DE LA TENSIÓN
VERDADERA
ESTE AUMENTO ES EL
RESULTADO DE LA
REDUCCIÓNDEL ÁREA
TRANSVERSAL POR
ESTRICCIÓN O
AGRIETAMIENTO INTERNO. EN
ALGUNOS CASOS, LA ROTURA
TIENE LUGAR EN LA ETAPA
SECUNDARIA, POR LO QUE SE
ELIMINA ESTA ÚLTIMA ETAPA.
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
TENSION Y
TEMPERATURA
CONSTANTES
SE DEFINE LA FLUENCIA
COMO LA LENTA Y
CONTINUA DEFORMACIÓN
PLÁSTICA QUE
EXPERIMENTAN LOS
MATERIALES A
TEMPERATURAS
ELEVADAS BAJO LA
ACCIÓN DE UNA CARGA
CONSTANTE Y DURANTE
UN LARGO PERIODO DE
TIEMPO, ES DECIR:
ε = f (σ , T , t )
T = Constante
σ = Constante
LA FIGURA MUESTRA CÓMO LA CURVA CARACTERÍSTICA DE
FLUENCIA VARÍA CON LOS CAMBIOS EN LA TENSIÓN APLICADA O
EN LA TEMPERATURA DE ENSAYO
LA VELOCIDAD DE FLUENCIA ESTACIONARIA DE LA ETAPA
SECUNDARIA AUMENTA ACUSADAMENTE CON LA
TEMPERATURA
Ln(d ε / dt ) = LnC −
Q1
RT
LA NATURALEZA DE LA FLUENCIA COMO
PROCESO ACTIVADO TÉRMICAMENTE HACE DE
ELLA OTRO EJEMPLO DE COMPORTAMIENTO
SEGÚN LA LEY DE ARRHENIUS
UNA DEMOSTRACIÓN DE ESTA IDEA ES QUE LA
REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL LOGARITMO DE
LA VELOCIDAD DE FLUENCIA ESTACIONARIA
(dε/dt) DE LA ETAPA SECUNDARIA FRENTE AL
INVERSO DE LA TEMPERATURA ABSOLUTA, ES
UNA REPRESENTACIÓN DE ARRHENIUS
COMO EN EL CASO DE OTROS PROCESOS
ACTIVADOS TÉRMICAMENTE, LA PENDIENTE DEL
GRÁFICO DE ARRHENIUS ES IMPORTANTE, YA QUE
PROPORCIONA EL VALOR DE LA ENERGÍA DE
ACTIVACIÓN, Q, CORRESPONDIENTE AL
MECANISMO DE FLUENCIA A PARTIR DE LA
EXPRESIÓN DE ARRHENIUS:
LA EXTRAPOLACIÓN DE LOS
DATOSDE ALTA TEMPERATURA
DE CORTA DURACIÓN PERMITE
dε/dt = Ce-Q/RT
LA PREDICCIÓN
DELCOMPORTAMIENTO A
DONDE C ES UNA CONSTANTE PREEXPONENCIAL,
FLUENCIA A LARGO PLAZO
R ES LA CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES Y
PARA TEMPERATURAS DE
T ES LA TEMPERATURA ABSOLUTA.
SERVICIO INFERIORES.
DE MANERA EXPERIMENTAL SE HAN DETERMINADO LAS
EXPRESIONES ANALÍTICAS QUE REFLEJAN EL EFECTO DE LA
TENSIÓN Y DE LA TEMPERATURA SOBRE LA VELOCIDAD MÍNIMA
DE FLUENCIA. TODOS LOS DATOS EXPERIMENTALES QUEDAN
AGRUPADOS EN LA SIGUIENTE LEY DE COMPORTAMIENTO:
•
ε
Q
−
n
RT
f
= Aσ e
DONDE A, n Y Q SON CONSTANTES CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL
EVALUADAS EN EL ENSAYO.
Q SE CONOCE COMO ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE LA FLUENCIA
EL PARÁMETRO n ES APROXIMADAMENTE IGUAL A 1 PARA
PEQUEÑAS TENSIONES Y CAMBIA BRUSCAMENTE A UN VALOR
COMPRENDIDO ENTRE 3 Y 8 A PARTIR DE UN CIERTO VALOR DE LA
TENSIÓN.
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
LOS LADRILLOS REFRACTARIOS QUE DEBEN CALENTARSE DE
MANERA MULTILATERAL Y UNIFORME Y DURANTE MUCHO TIEMPO
BAJO CARGA, SE CONTROLAN EN UN ENSAYO DE LARGA
DURACIÓN PARA DETERMINAR SU COMPORTAMIENTO DE
FLUENCIA BAJO PRESIÓN
PARA ELLO SE CALIENTAN PROBETAS DE 50 mm DE ALTURA Y 50
mm DE DIÁMETRO CON TALADRO INTERIOR PARA LA APLICACIÓN
DEL PALPADOR, BAJO CARGA, QUE NORMALMENTE SUELE SER
DE 0,2 N/mm2, A TEMPERATURA CONSTANTE, Y SE MANTIENEN
DESPUÉS DE ALCANZAR LA TEMPERATURA DE CONTROL
ELEGIDA DE 10 A 50 HORAS BAJO CARGA CONSTANTE.
LA CONTRACCIÓN DE LA PIEZA DESPUÉS DE ALCANZAR LA
MÁXIMA DILATACIÓN SE INDICA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE
PRUEBA COMO MEDIDA DE FLUENCIA BAJO PRESIÓN EN LA
TEMPERATURA DE PRUEBA ESTABLECIDA.
PROPIEDADES MECANICAS
RESULTADOS ACEPTABLES
PROPIEDADES MECANICAS
RESULTADOS NO ACEPTABLES
Resultados no aceptables
debido a la presencia de
estrias visibles tras el
corte o pulido
FLUENCIA BAJO PRESIÓN.
Comportamiento de fluencia bajo presión de ladrillos refractarios a 1500 °C.
1.-Ladrillo aluminoso, aproximadamente. 65% AI203.
2.- Ladrillo de corindón de alta cocción con 98% Al203 aproximadamente.
3. Ladrillo de magnesia-cromo de alta cocción con 10% Cr203 aproximada-manta.
4. Ladrillo de magnesia pobre en hierro con 95% MgO aproximadamente
PROPIEDADES MECANICO- TERMICAS
ENSAYO CLAVAUD.
SE APLICA UNA CARGA CRECIENTE, MANTENIENDO
CONSTANTE LA TEMPERATURA,
AL OBJETO DE PREDECIR LA CARGA MAXIMA QUE PODRA
SOPORTAR EL MATERIAL REFRACTARIO DURANTE EL
SERVICIO A UNA TEMPERATURA DADA.