Perucita-Andalucita Peruana

PERUCITA-ANDALUCITA PERUANA: CARACTERÍSTICAS DE CALIDAD Y
APLICACIONES EN PRODUCTOS REFRACTARIOS
César E. Calle, Refractarios Peruanos S.A.
RESUMEN
En vista de la puesta en marcha de la Planta de Andalucita en la ciudad de Paita-Perú
y a la escasez, aumento de precio y disminución de la calidad de la bauxita china, se
llevó a cabo un programa de investigación y fabricación para el uso de la andalucita
peruana y para innovar productos con esta materia prima, dado que se trata de un
mineral refractario de elevada calidad, de precio competitivo y de uso inmediato sin
calcinación previa.
En la investigación realizada se determinó, en primer lugar, sus características de
calidad y, posteriormente, su aplicación en ladrillos y productos monolíticos
refractarios. Las pruebas indican que si bien los ladrillos y monolíticos procesados con
andalucita no manifiestan tener características superiores a los procesados con
bauxita cuando son probados a temperatura ambiente, excepto su baja porosidad; a
elevadas temperaturas, su comportamiento es muy superior debido a la
transformación de la andalucita en altas proporciones de mulita; fase mineralógica muy
apreciada por su elevada resistencia a la carga en caliente, al choque térmico y a las
agresiones de escorias ácidas, álcalis y monóxido de carbono.
INTRODUCCIÓN
Desde hace dos años aproximadamente, el suministro de bauxita china ha bajado
notablemente debido a que la mayoría de los hornos rotatorios en China han parado
como consecuencia de la escasez de materia prima de alta calidad por un lado y, por
otro lado, debido al endurecimiento de las políticas de gobierno chino por el control
ambiental. Asimismo, el desarrollo de la industria en general y el incremento de la
producción de acero en particular han hecho que la demanda de materias primas y
productos refractarios se incrementen también en China, por lo que este país ha
restringido la exportación de las materias primas estratégicas, entre ellas la bauxita.
Por este motivo y por la imposición de altas cargas por licencias y aranceles, aparte de
la eliminación de reintegros por exportación y, por si fuera poco, los altos costos de la
energía en China y del transporte hacia el exterior, el precio de la bauxita china se ha
elevado notoriamente. Todo esto, ha hecho que los usuarios volteen la mirada hacia
otras materias primas alternativas como la andalucita, ya que se han dado cuenta que
si bien el contenido total de Al 2O3 de un producto refractario es un aspecto importante,
este parámetro por si solo no es suficiente para valorar su rendimiento bajo distintas
condiciones de operación en los hornos industriales (1,2,3,4).
Respecto a la andalucita, este es un mineral con gravedad específica de 3.0 a 3.2, que
contiene teóricamente cerca de 60% Al2O3 y 40% SiO2 y puede ser usado
directamente sin calcinar para producir refractarios de alta calidad debido a su buena
densidad, ínfima porosidad y alta pureza, pues, las impurezas de la andalucita
concentrada son muy bajas comparadas a las de otros tipos de materiales silicoaluminosos.
1
La andalucita, cambia de fases entre 1250 y 1600°C con aproximadamente 4% de
expansión volumétrica y su transformación en mulita y sílice amorfa final, que es
expelida de la reacción, es como sigue:
3 (Al2O3.SiO2)
1250-1600°C
3Al 2O3.2SiO2 + SiO2
Las fases finales desarrolladas a 1600°C son: 80% mulita (3Al2O3.2SiO2) y 20% sílice
vítrea (SiO2), la que es atrapada en la red capilar formada por las formaciones tipo
aguja de mulita, a la vez que desaparece totalmente la fase de andalucita (5,6,7,8).
La mulita es un refractario único, posee: expansión térmica moderada en el
calentamiento, estabilidad volumétrica en el recalentamiento, excelente resistencia al
choque térmico, alta refractariedad bajo carga, alta resistencia al aplastamiento o
deslizamiento progresivo (“creep”), buena resistencia a la corrosión de escorias
ácidas, baja conductividad térmica, etc. Finalmente, la baja porosidad del enmallado
de la mulita y la alta viscosidad de la fase vítrea rica en sílice hacen a los refractarios
con alto contenido de mulita altamente resistentes al ataque de CO y a la corrosión y
penetración de álcalis volátiles (6,9,10).
Por tal motivo, la andalucita es muy usada en la fabricación de ladrillos y monolíticos
para: estufas de altos hornos, carros torpedo, cucharas de acero, techos de horno
eléctrico y hornos de tratamiento térmico, inducción, cemento, cal, vidrio, etc.
En cuanto a la andalucita peruana que se extrae en la ciudad Paita, puerto situado a
1161 km al norte del Perú, los clientes europeos y asiáticos, por simplicidad, la han
denominado como “Perucite” o “Perusite”, probablemente, por su similitud con la
andalucita sudafricana conocida como “Purusite”. Por lo tanto, de aquí en adelante se
nombrará a la andalucita de Paita como Perucita.
CARACTERÍSTICAS DE CALIDAD DE LA PERUCITA
Granulometría
En la Tabla 1 se muestra el análisis granulométrico de una muestra representativa
debidamente cuarteada de un lote de Perucita 0-6.7mm recibida de Andalucita S.A.
Tabla 1. Granulometría de Perucita 0-6.7mm tal como viene
Malla, mm
%
-12.5+6.7
1
-6.7+4.75
11
-4.75+4
9
-4+3.35
11
-3.35+0.85
67
-0.85+0.6
1
-0.6
0
Como se podrá observar la granulometría de la Perucita es realmente 0-6.7mm.
El grano 0-6.7mm es un grano muy versátil y se adapta a las necesidades de
fabricación de ladrillos y concretos cuando se cuenta con facilidades de molienda y
cernido. Directamente, es más usado en los concretos puesto que el grano grueso 46.7mm les agrega mayor densidad y resistencia mecánica y mejora su fluidez.
También, se emplea en la fabricación de ladrillos pero cuando estos son quemados a
menos de 1500°C, por que de lo contrario, como en todas las andalucitas, el grano
grueso concentra mayor contenido de mica-biotita y cuarzo mecánicamente atrapado.
El primero, deja huecos de fusión y pintas de álcalis y hierro en la superficie de los
ladrillos y, el segundo, incrementa las expansiones de estos. Si se desea reducir la
aparición de estos defectos en los ladrillos, es preferible usar granos 0-4mm
2
directamente del fabricante por que el contenido de fierro es menor cuanto menor es el
tamaño del grano y, en especial, en ese tipo de grano.
Análisis Químico
En la Tabla 2 se muestran los promedios y el rango de variación de los resultados de
los análisis químicos de la muestra total y de cinco fracciones adicionales separadas
de la Perucita 0-6.7mm emitidos por tres laboratorios de reconocido prestigio
internacional: Minemet de Sudáfrica, CRL de Nueva Zelanda y Magnesita Refrátarios
S.A. de Brasil. El promedio obtenido de los tres análisis de la muestra total 0-6.7mm,
indica que este es el valor más probable a encontrar en la Perucita de este tamaño y,
el rango de variación, da una idea de la amplitud de resultados que los usuarios
pueden encontrar en sus respectivos laboratorios; no obstante, todos los posibles
resultados a encontrar están, dentro de variaciones razonables, acorde con la data
técnica especificada para la Perucita.
Tabla 2. Análisis químico promedio de la Perucita 0-6.7 y sus respectivas fracciones
Muestra Total Fracciones obtenidas del total 0-6.7mm
Óxido
0-6.7mm
0-4mm
0-3.35mm
0-2.5mm
+4mm
+2.5mm
38.6
38.8
38.7
39.3
38.3
38.5
SiO2
(38.1-39.0)
(38.4-39.2) (38.5-39.0) (38.7-39.6) (37.8-38. 7) (37.9-38.9)
59.3
59.2
59.2
58.8
59.1
59.2
Al2O3
(58.7-59.7)
(59.0-59.4) (59.0-59.6) (58.3-59.2) (58.5-59.4) (58.8-59.5)
TiO2
0.23
0.21
0.22
0.19
0.26
0.25
0.76
0.68
0.74
0.71
0.87
0.83
Fe2O 3
(0.65-0.88)
(0.59-0.75) (0.71-0.81) (0.64-0.83) (0.72-0.98) (0.76-0.88)
CaO
0.08
0.07
0.07
0.07
0.10
0.09
MgO
0.14
0.12
0.13
0.10
0.17
0.15
Cr2O 3
0.01
0.01
0.01
0.02
0.01
0.01
0.08
0.07
0.07
0.04
0.13
0.06
Na 2O
(0.02-0.19)
(0.05-0.12) (0.04-0.13) (0.00-0.07) (0.09-0.19) (0.05-0.07)
0.29
0.24
0.25
0.21
0.41
0.34
K2O
(0.26-0.35)
(0.23-0.24) (0.23-0.27) (0.19-0.23) (0.38-0.43) (0.31-0.38)
MnO
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
P2O5
0.04
0.04
0.04
0.05
0.04
0.04
NiO
0.01
0.00
0.00
0.00
0.01
0.01
LOI
0.56
Análisis químico en base calcinada
0.58
0.59
0.54
0.76
0.68
Data
Técnica
38.6
59.1
(58,0 mín.)
0.21
0.73
(1 máx.)
0.07
0.13
0.36
(0.5 máx.)
0.23
0.04
0.61
(1 máx.)
LOI: pérdidas por ignición
En la Tabla 2, también se observa que las diferentes fracciones separadas por cernido
del grano 0-6.7mm mantienen un contenido parecido de Al2O3 al del grano principal 06.7mm, excepto el grano 0-2.5mm cuyo %Al2O3 es menor debido a que esta se
concentra más en la fracción +2.5mm. Por otro lado, los rangos de variación del
contenido de Al 2O3 son más estrechos en las fracciones 0-4mm y 0-3.35mm que en el
resto de las fracciones.
Con respecto al contenido de SiO2, todas las fracciones mantienen un contenido casi
parejo en él, excepto la fracción 0-2.5mm en que su contenido sube como
consecuencia de la caída de contenido de Al2O3. Es posible que los granos de cuarzo
chancado presente en la andalucita, además de los flotados remanentes del proceso
de extracción por medio denso, se hayan concentrado en dicha fracción dado su alto
grado de fragilidad.
En cuanto al contenido de Fe2O3, este es más pequeño en la fracción 0-4mm y le
siguen las fracciones 0-2.5mm, 0-3.35m y la muestra total 0-6.7mm, respectivamente.
3
Las fracciones gruesas +4mm y +2.5mm son las que más concentran el Fe2O3 (y
también los álcalis Na2O y K2O), dado que su contenido es mucho mayor que en sus
contrapartes. Nótese que el rango de variación del contenido de Fe 2O3 en las
fracciones 0-6.7mm y 0-4mm, que son más comercialmente vendidas, van de 0.65 a
0.88% en el primer caso y de 0.59 a 0.75% en el segundo caso, es decir, estas
variaciones existentes como consecuencia del análisis químico inter-laboratorios de
tres muestras cuarteadas de una misma muestra representativa, van a ocurrir siempre
o eventualmente en el análisis llevado a cabo por los laboratorios de los distintos
usuarios. Por tal motivo, es fundamental que la Perucita recibida del fabricante sea lo
más consistente posible en calidad, para que la variación propia de su contenido
químico no se agregue a la variación del análisis químico en el laboratorio del usuario.
Esta es una situación que debe sopesarse bien cada vez que se reciba el mineral y se
analice químicamente, en especial, cuando el contenido de Fe2O3 determinado esté
cerca al límite superior permisible en la data técnica, pues, podría rechazarse un lote
cualquiera de Perucita cuando en realidad este es aceptable.
Se ha determinado estadísticamente que existe una fuerte correlación entre el
contenido de Fe2O3 y el tamaño promedio de las partículas de una fracción
desmagnetizada. Cuanto menor es el tamaño de la partícula su contenido de Fe2O3
también es menor. Esto puede determinarse de la Tabla 2 y, también, de la Tabla 3
para dos fracciones 0-0.6mm también adquiridas del fabricante. La primera fracción se
obtuvo por molienda de la Perucita 0-6.7mm del proceso normal de extracción y luego
desmagnetizada nuevamente y, la segunda fracción, se obtuvo de los Medios 06.7mm (fracción media del proceso de desmagnetizado en Andalucita S.A.) molidos y
desmagnetizados por segunda vez.
Tabla 3. Análisis químico promedio de la Perucita 0-0.6mm
ÓXIDO
Perucita
Perucita (de Medios)
SiO2
38.1(37. 9-38.4)
38.80 (38.3-39.1)
Al2O3
60.5 (60.1-60.8)
59.40 (59.0-59.6)
TiO2
0.06
0.13
Fe2O3
0.48 (0.38-0.64)
0.66 (0.64-0.69)
CaO
0.05
0.09
MgO
0.09
0.14
Cr2O3
0.02
0.02
Na 2O
0.03 (0.03-0.04)
0.08 (0.07-0.11)
K2O
0.14 (0.14-0.15)
0.29 (0.27-0.30)
MnO
0.01
0.01
P2O5
0.03
0.05
NiO
0.01
0.01
LOI
0.54
0.51
Análisis químico en base calcinada realizado por Minemet, CRL y Magnesita S.A.
LOI: pérdidas por ignición
Comparando la información de Tabla 3 con la de la Tabla 2 se observa, además, que
mientras más fina sea la Perucita su contenido de CaO, MgO, Na2O y K2O es menor
que en su similar grueso; sin embargo, en la Perucita de Medios el contenido de estas
impurezas son similares a las de la Perucita 0-6.7mm. De esto se puede inferir, que
los óxidos alcalinos están fuertemente ligados al óxido de hierro de la biotita y la única
manera de eliminarlos en buena medida es moliendo más y más la Perucita, lo que
técnica y económicamente no es práctico.
Investigación Mineralógica
a. Difracción por rayos X
4
La difracción por rayos X de la Perucita desmagnetizada ha determinado que la fase
principal esta compuesta por ±95% andalucita y la fase secundaria de <5% de cuarzo
más trazas de ilita (mica hidratada) y nacrita (arcilla caolinítica) como alteraciones de
la andalucita.
Fig. 1 Difractogramas de la andalucita de Paita
Perucita: Andalucita Peruana
Quema: 1150°C
Perucita: Andalucita Peruana
A: Andalucita
Q: Cuarzo
Perucita: Andalucita Peruana
Quema: 1350°C
A: Andalucita
Q: Cuarzo
M: Mulita
Perucita: Andalucita Peruana
A: Andalucita
M: Mulita
Q: Cuarzo
Perucita: Andalucita Peruana
Quema: 1250°C
Quema: 1450°C
A: Andalucita
M: Mulita
Quema: 1550°C
M: Mulita
En la Fig.1 se muestran los difractrogramas de la conversión de andalucita a mulita a
diferentes temperaturas: 1150, 1250, 1350, 1450 y 1550°C y en ellas se puede
observar que la mulitización comienza a partir de 1250°C y termina a 1550°C. A
1150°C todavía existe andalucita y cuarzo. A 1250°C recién se observa una ligera
5
aparición de mulita y el cuarzo disminuye debido a su conversión a tridimita o metacristobalita. A 1350°C el contenido de cuarzo sigue disminuyendo y la mulita
aumentando, aunque muy lentamente todavía. A 1450°C ya existe una buena
proporción de mulita formada de la conversión más rápida de la andalucita y el cuarzo
desaparece totalmente. A 1550°C la conversión de andalucita a mulita es total.
Después de quemar a 1550°C se determinó que las fases minerales estaban
compuestas de 82% mulita, 17% silica amorfa y 1% cristobalita. Esta es una indicación
que si se desea obtener una conversión total de andalucita a mulita se debe calcinar la
Perucita por lo menos a 1550°C, sin embargo, industrialmente, las quemas de ladrillos
de alta alúmina con Perucita se llevan a cabo a 1425°C para obtener una buena
sinterización y buenas propiedades en frío y en caliente. Solo se queman ladrillos a
1500-1600°C, cuando se desea asegurar una mayor mulitización y una mayor
conversión del FeO a Fe2O3 y, de esta manera, mejorar el HMOR y reducir el ataque
de CO solo en los hornos en que se genera este gas.
b. Microscopía por luz reflejada (RLM) y barrido electrónico (SEM)
En la microfotografía RLM de la Fig. 2a, la
Perucita 0-6.7mm es microscópicamente
Fig. 2a. RLM de Perucita Natural
caracterizada como una mezcla de granos
tabulares y redondeados- lo cual es típico de
depósitos aluviales- con inclusiones brillantes
de óxidos de hierro y titanio así como de
micas alargadas. En la Fig. 2b se muestra la
microfotografía SEM de un sector de la Fig.
2a magnificada, con fases relucientes de
ilmenita (I=FeO.TiO2), que está acompañada
de biotita {B=K(Mg,Fe)3[AlSi3O10(OH,F)2} y
muscovita [M=KAl(AlSi3)O10(OH)2]. En las Fig.
2c, 2d y 2e se muestran vistas SEM de la
Perucita quemada a 1400°C. En la Fig. 2c, la
zona seleccionada I corresponde a una ilmenita con altas concentraciones de óxidos
de hierro y titanio en solución sólida. La zona seleccionada V en la Fig. 2d es una fase
vítrea con alto contenido de sílice amorfa en donde se haya dispersa una alta
concentración de alúmina con óxidos alcalinos y de hierro, mientras que en la Fig. 2e,
se observa que la fase principal presente es mayormente andalucita con presencia de
cierta concentración de sodio y magnesio.
A
I
B
Fig. 2c SEM de Perucita
a 1 400°C. Área I
SiO 2
1.7
Al 2 O3
15.9
TiO 2
43.4
Fe2O3
35.3
MgO
2.7
Na 2O
1.1
Fig. 2b. SEM
Fig.de
2a.Perucita
And. Natural
natural
A: Andalucita
A: Andalucita
C: Corindón
B: Biotita I: Ilmenita
I: IlmenitaM: Muscovita
M: Muscovita
M
I
6
Fig. 2d SEM de Perucita
a 1 400°C. Área V
SiO 2
77.9
Al 2O3
13.4
TiO2
0.6
Fe2O3
1.5
MgO
2.5
Na2 O
2.3
Fig. 2e SEM de Perucita a
1 400°C Área Total.
SiO 2
35.2
Al2 O3
60.2
TiO 2
0.1
Fe2O3
0.8
MgO
1.5
Na 2O
1.0
V
COMPARACIÓN
ANDALUCITAS
CON
OTRAS
ANDALUCITA VS. BAUXITA
Como se dijo anteriormente, debido a que la exportación de la bauxita desde la China
ha bajado enormemente, es de imperiosa necesidad dar un uso mayor a otro mineral
refractario alternativo como la andalucita que es mucho más barato y accesible.
En la Tabla 5 se muestra el análisis químico comparativo entre la Perucita, el Purusite
y el Randalusite de Sudáfrica y la bauxita china.
Tabla 5. Análisis químico y propiedades físicas de andalucitas y bauxita china
Mineral
SiO2
%
Al2 O3
%
TiO2
%
Fe2 O3 CaO+MgO Na2 O+K2 O Dens. Poros.
3
PCE
%
%
%
g/cm
%
Perucita
Randalusite
Purusite
Bauxita china RK
38.6
38.7
39.4
5.8
59.3
59.5
59.1
88.2
0.23
0.15
0.15
3.51
0.76
0.70
0.82
1.37
0.22
0.20
0.22
0.36
0.37
0.40
0.30
0.23
3.08
1.4
38
3.22
7.3
38
Nótese que el contenido de Al2O3 son parecidas entre la Perucita, el Randalusite y el
Purusite de Sudáfrica. En cuanto al contenido de Fe 2O3, el del Randalusite es menor,
le sigue la Perucita y luego el Purusite. En cuanto a los álcalis (Na2O+K2O), el
contenido es mayor en el Randalusite que en el Purusite y la Perucita
respectivamente. En general, se puede decir, que las tres andalucitas antes
mencionadas son prácticamente equivalentes en análisis químico, aunque, en este
análisis comparativo no se está considerando el tamaño de grano en el que se ha
llevado a cabo el análisis químico en cada uno de estos productos y cuyo efecto es
fundamental en el incremento o disminución de Fe2O3.
Con respecto a la Perucita, nótese que aún cuando esta tiene 29% menos de Al2O3
que la bauxita, su grado de refractariedad (PCE=Cono Pirométrico Equivalente) es
igual a la de la bauxita china RK (de Horno Rotativo), es decir, ambos comienzan a
ablandarse a 1850°C. Obsérvese, también, el muy bajo contenido de TiO2 y Fe2O3 de
la Perucita con respecto al de la bauxita y la suma de sus impurezas es casi 3.5 veces
menor que la correspondiente a la bauxita lo que mejora su refractariedad y su
resistencia en caliente.
Asimismo, la porosidad de la Perucita en estado natural es sumamente baja
comparada con la porosidad de la bauxita que es calcinada a muerte lo que le permite
ser más impermeable a la penetración de vapores alcalinos y gases reductores a
temperaturas menores de 1250°C, es decir, cuando aún el proceso de mulitización no
se produce o es lento. Asimismo, su densidad menor que la de la bauxita no impide
7
que el producto refractario fabricado, equivalente en contenido de Al2O3, sea igual o
más denso después de quemado que cuando se usa bauxita.
Teniendo en cuenta todas estas buenas características de la Perucita, se procedió a
llevar a cabo un programa de investigaciones para su uso en la fabricación de ladrillos
y productos monolíticos a fin de reemplazar, totalmente o en parte, a la bauxita china
cuya escasez, disminución de su calidad y elevado precio se han hecho evidentes en
estos últimos años y han limitado su uso.
APLICACIONES DE LA PERUCITA EN PRODUCTOS REFRACTARIOS
Caso I. Fabricación de ladrillos de 60% Al2O3 con Perucita vs. Randalusite
En la Tabla 6 se muestran las propiedades de ladrillos de 60% Al2O3 empleando
Perucita (P-60) y Randalusite sudafricano (R-60) aglomerados con arcilla plástica los
que fueron formulados con la misma granulometría y prensados con 50 MPa de
presión en una prensa mecánica en dimensiones estándar de 229x114x76mm y
quemados a 1300, 1425 y 1580°C. Dos mezclas adicionales con Perucita y alúmina
-45µ en menor y mayor proporción (P-60A y P-60A+) fueron prensadas para ver el
efecto de la mulitización secundaria en las propiedades de estos ladrillos.
Los ladrillos verdes P-60 y R-60 tienen iguales densidades de prensado, pero los
ladrillos P60-A y P-60A+ tienen mayores densidades que las anteriores, en ese orden,
dependiendo de la mayor cantidad de alúmina -45µ usada en la mezcla.
Con respecto a los ladrillos quemados, sus propiedades físicas inmediatas como:
densidad, porosidad, módulo de rotura (MOR) y/o resistencia a la compresión (CCS)
determinadas a 20°C solo se emplean para confeccionar las hojas de datos técnicos
de los productos para venta y para control de calidad del producto en producción y
despachado al cliente y no nos dicen mucho acerca del comportamiento de los ladrillos
en aplicaciones reales como si lo dicen las propiedades mediatas tales como:
resistencia a la abrasión que se lleva a cabo a 20°C y, en especial, las que se
determinan a elevadas temperaturas como: resistencia al aplastamiento, a la carga
por flexión (HMOR), al choque térmico muy brusco y a la corrosión y penetración de
escorias básicas de acero, así como, la expansión volumétrica en requema.
La prueba de abrasión se lleva cabo en cubitos individuales de 51x51x51mm que rotan
dentro de un molino cerámico durante 4h en una media de granos de cuarzo de
-6.7+3.35mm que se cambia en cada prueba y la pérdida por abrasión se determina
como % de la diferencia de pesos final e inicial de cada cubo. La prueba de
aplastamiento o subsidencia, se lleva a cabo a 1450°C durante 5h aplicando 172 kPa
de carga a muestras cúbicas de 2.5 cm de lado y el aplastamiento de la muestra se
mide como % de disminución de la altura de dichas muestras. La prueba de flexión a
la carga (HMOR), es la tipo Bethlehem y se lleva a cabo a 1580°C durante 30 min con
una carga constante de 25 kPa sobre el centro de una barrita de 229x25x25mm, luego
se enfría y se mide la flecha de flexión en mm o la temperatura que la barrita resiste
antes de romperse. La prueba de choque térmico muy brusco o “spalling” se lleva en
cubitos de 51x51x51mm los que se calientan a 1300°C por 10 min y luego se enfrían
violentamente en agua por 10 min también; después de 4 ciclos de calentamientoenfriamiento, las muestras se someten a compresión y se determina la resistencia
residual (∆CCS) en porcentaje de la resistencia inicial de la muestra sin haber sido
sometido a choque térmico. Por otro lado, ladrillos completos con una “copa” central
de 52mmФx35mm son sometidos a ataque muy agresivo con escorias básicas de
8
acero a 1700°C durante 6h, luego son cortados por el centro de la copa para
determinar en mm el grado de corrosión de la muestra y de penetración de las
escorias. Finalmente, la prueba de requema de los ladrillos completos se lleva acabo a
1540°C durante 30 min para determinar su cambio volumétrico permanente en un 1
ciclo.
Tabla 6. Propiedades de ladrillos de 60% Al2O3 con Perucita y Randalusite
INGREDIENTES
Andalucita, %
VALORES REALES
P-60 R-60
P-60A
P-60A+
85
85
85
75
P: Perucita R: Randalusite A: Alúmina -45µ (+) Mayor agregado de alúmina
CONVERSIÓN A
INDICES DE CALIDAD, Ic
P-60 R-60 P-60A P-60A+
Ic 1: bajo, 2: regular, 3: bueno 4: excelente
PRUEBAS INMEDIATAS A 20°C
QUEMA A 1300° C
Densidad, g/cm3
Porosidad, %
MOR, MPa
CCS, MPa
Expansión volumétrica., %
2.47
21.7
3.3
36.4
1
2.48
21.6
3.4
40.6
0.1
2.55
18.5
5.5
57.6
1
2.64
16.9
6.7
72.5
0.8
Ic Promedio
INDICES DE
1.6
1.9
1
1
1
1.1
1
1.2
3.2
4
1.6
1.8
QUEMA A 1425° C
Densidad, g/cm3
Porosidad, %
MOR, MPa
CCS, MPa
Expansión volumétrica., %
2.47
19.1
8.1
56.7
1.3
2.48
20.3
7.2
51.4
0.6
2.55
16.2
12.2
72.9
1
2.59
15.2
11
71.7
1.5
Ic Promedio
1.6
1.9
1.9
2
2.9
2.1
1.9
1.5
1.8
1.8
3.6
2.1
2.7
2.8
2.7
2.8
3.2
2.8
3.4
3.2
2.4
2.8
2.8
2.9
QUEMA A 1580 ° C
Densidad, g/cm3
Porosidad, %
MOR, MPa
CCS, MPa
Expansión volumétrica., %
2.42
17.9
15.6
65.3
3.5
2.48
19.7
7.2
78.0
2.5
2.55
12.7
19.1
97.3
1.2
2.61
13.6
16.1
88.3
1.6
Ic Promedio
1
2.3
3.3
2.4
1
2
1.9
1.7
1.8
3
1.9
2.1
2.7
4
4
4
3
3.5
3.6
3.7
3.4
3.5
2.7
3.4
2.5
1.4
4
8
1534
78.8
6.8
Ic Promedio
1
1.1
2.1
3.1
1.8
3.4
2.1
2.1
1.1
1.9
1
1
1
3.7
2.6
1.8
2.9
2.1
2.5
3.3
3.1
3.7
1.7
2.8
3.3
2.9
2.5
3.6
4
3.8
1
3
PRUEBAS MEDIATAS A 20°C Y A ELEVADAS TEMPERATURAS
LADRILLOS QUEMADOS A 1300°C
Pérdidas x abrasión a 20°C-4h, %
9.9
9.6
3.7
Aplastamiento a 1450°C-5h, %
3.3
2.5
2.3
Corrosión c/escorias de acero a 1700°C-6h, mm
4.5
6
4
Penetración c/escorias de acero, 1700°C-6h, mm
9.5
15
9
HMOR- Temperatura de falla, °C
1321 1240
1445
∆CCS en spalling a 1300°C-10/10min, %
66.5
76
77.3
Camb. vol. perm. en requema a 1540°C-1/2h, %
4.4
3.3
5.2
CALIDAD, Ic
2.7
4
2.1
2.6
1.4
1.7
2.1
2.8
3.2
3.4
2.3
2.9
LADRILLOS QUEMADOS A 1425°C
Pérdidas x abrasión a 20°C-4h, %
Aplastamiento a 1450°C-5h, %
Corrosión c/escorias de acero a 1700°C-6h,mm
Penetración c/escorias de acero, 1700°C-6h, mm
HMOR-Temperatura de falla, °C
∆CCS en spalling a 1300°C-10/10min, %
Camb. vol. perm. en requema a 1540°C-1/2h, %
2.2
1.6
5
11
1412
69.4
3.1
2.7
0.7
3
13
1438
39.6
2.1
1.9
2
3
8
1487
62.9
-1.4
2
0.7
3
8
1538
85
-5.3
Ic Promedio
3.4
2.7
1.8
2.5
2.7
3.4
2.7
2.8
3.3
3.6
3.3
1.8
3
2.4
3.1
2.9
3.5
2.4
3.3
3.6
3.5
3.2
3.4
3.3
3.5
3.6
3.3
3.6
4
4
1.7
3.4
LADRILLOS QUEMADOS A 1580°C
Pérdidas x abrasión a 20°C-4h, %
Aplastamiento a 1450°C-5h, %
Corrosión c/escorias de acero a 1700°C-6h,mm
Penetración c/escorias de acero, 1700°C-6h, mm
HMOR- Temperatura de falla, °C
∆CCS en spalling a 1300°C-10/10min, %
Camb. vol. perm. en requema a 1540°C-1/2h, %
0.9
3.4
5
14
1438
5
1.1
0.9
2
5
15
1459
0
-0.9
0.3
0.3
3
9
1465
10
-0.1
0.7
0.5
2
7
1541
51.9
-1.2
Ic Promedio
3.8
1
1.8
1.4
3
1.2
3.6
2.3
3.8
2.4
1.8
1
3.2
1
3.6
2.4
4
4
3.3
3.3
3.3
1.4
4
3.3
3.9
3.8
4
4
4
2.8
3.5
3.7
Ic 1: bajo (el peor valor de la serie de datos), 2: regular, 3: bueno 4: excelente (el mejor valor de la serie de datos)
9
Como se ve, los ladrillos de cada mezcla son probados en el laboratorio en
condiciones más extremas que a las que van a trabajar en los hornos industriales a fin
de compensar los posibles otros factores que puedan intervenir en la práctica que,
experimentalmente, no se estarían tomando en cuenta.
Como se observa en la Tabla 6, existe una gran cantidad de información numérica (ver
parte central de la tabla) de las propiedades determinadas en los ladrillos de las
quemas realizadas a 1300, 1425 y 1580°C cuyos valores y unidades dimensionales
son muy distintos. Para un análisis y comparación rápida y simple entre dichas
propiedades de las distintas quemas y entre tipos de ladrillos, fue conveniente utilizar
el método de los Índices de Calidad (Ic) para convertir todos los resultados de dichas
propiedades a una serie de números arbitrarios de unidades adimensionales que van
desde el 1 al 4(11). Un Ic=1 significa que una propiedad es pobre, un Ic=2 es regular, un
Ic=3 es buena y un Ic= 4 indica que dicha propiedad es excelente; es decir, el peor
valor de una serie de datos comparativos tiene un Ic=1 y el mejor valor tiene un Ic=4.
Así, los valores mínimos o más bajos de la densidad, MOR, CCS, HMOR y ∆CCS por
“spalling” tienen un Ic=1 y los valores máximos tienen un Ic=4; mientras que los
valores mínimos o más bajos de la porosidad, abrasión, aplastamiento, corrosión,
penetración y cambio volumétrico (expansión o contracción de la misma magnitud) en
la quema o requema tienen un Ic=4 y los valores máximos tiene un Ic=1. El resto de
valores de Ic se obtienen interpolando los valores reales entre 1 y 4.
En este estudio en particular, los Ic han sido interpolados tomando en cuenta los
valores mínimos y máximos de cada propiedad determinadas a las tres temperaturas
de prueba con el propósito de determinar qué temperatura de quema es la más
apropiada para obtener una sinterización adecuada de los ladrillos de cada tipo
mediante la obtención del valor del índice de calidad promedio (Ic promedio) de la
mejor combinación de los Ic de sus propiedades individuales inmediatas
determinadas a 20°C después del quemado que son las que definen la data técnica
para controlar la calidad de despacho de los ladrillos. De igual forma, se procedió con
los Ic de las propiedades mediatas determinadas a 20°C o a mayores temperaturas,
pero en este caso, el mejor Ic promedio determinado por la mejor combinación de Ic
de las propiedades individuales sirve para prever el rendimiento del ladrillo en
operación. Aparte que los Ic se pueden promediar, con solo una mirada en la tabla, se
pueden comparar muy fácilmente y, según sea el interés y objetivo del analista, los Ic
le permiten tomar decisiones más rápidas sobre la aplicación final un producto
determinado. Los resultados de estos índices de calidad se muestran a lado derecho
de la tabla.
Comparando los Ic de las propiedades inmediatas individuales de la Tabla 6, estos
son menores para las densidades de los ladrillos P-60 a las tres temperaturas de
quema que para los ladrillos R-60, debido a su mayor expansión volumétrica cuyo Ic
también es más bajo, sin embargo los Ic de las porosidades de los ladrillos P-60 son
mayores que para los R-60, es decir, si bien los ladrillos P-60 son menos densos que
los R-60, también son menos porosos. De otro lado, los Ic del MOR de los ladrillos P60 quemados a 1300, 1425 y 1580°C son aproximadamente iguales o mayores que los
Ic de los ladrillos R-60. En cuanto al CCS, los ladrillos R-60 son superiores a los P-60
solo a 1580°C, pero a las otras temperaturas de prueba las diferencias a favor de uno
u otro no son significativas.
Con respecto a los Ic promedio de las propiedades inmediatas a 20°C se observa que
a 1425°C se consigue la mejor combinación de propiedades de los ladrillos P-60 y R-
10
60, ambos en la misma magnitud (Ic=2.1). De estos Ic promedio se deduce que los
ladrillos quemados a 1300°C, dada la alta pureza de las andalucitas, no sinterizaron
bien (Ic=1.6 y 1.8 respectivamente), los de 1425°C sinterizaron correctamente (Ic=2.1
y 2.1 respectivamente) y los de 1580°C se sobre-sinterizaron (Ic=2.0 y 2.1
respectivamente). Aunque los ladrillos P-60 y R-60 expanden mucho en la quema a
1580°C, esta suele llevarse a cabo cuando se desea estabilizar el Fe ++ como Fe+++ y
producir una mulitización total de los ladrillos. Sin embargo, para que los ladrillos
salgan en sus dimensiones nominales después de la quema, es costumbre reducir las
dimensiones de los moldes de prensado en la misma proporción de la posterior
expansión.
En cuanto a las propiedades mediatas de los ladrillos P-60 Y R-60, los Ic promedio
nos indican que la mejor combinación de propiedades se consigue cuando los ladrillos
se queman a 1425°C (Ic=2.8 y 2.9 respectivamente). La quema a 1300°C y 1580°C
arrojan menores Ic promedio (Ic=2.1 y 1.8 e Ic= 2.2 y 2.4 respectivamente). En el
primer caso, debido a la ínfima cantidad de mulita formada a 1300°C y, en el segundo
caso, debido al exceso de fase vítrea formada junto a la formación total de mulita a
1580°C. Si se mira individualmente los Ic, se observa que los ladrillos P-60 y R-60
quemados a 1580°C son los que tienen mayor resistencia a la abrasión y expanden
menos en la requema. Tienen mayor resistencia al aplastamiento, los ladrillos P-60 y
R-60 quemados a 1425°C. Tienen mayor resistencia a la corrosión y penetración, los
ladrillos P-60 quemados a 1300°C y los R-60 quemados a 1425°C. Tienen mayor
HMOR los ladrillos P-60 quemados a 1425°C y los R-60 quemados a 1580°C. Tienen
mayor resistencia al “spalling” los ladrillos P-60 quemados a 1425 o 1300°C y los R-60
quemados a 1300°C. De esto se deduce que la Perucita y el Randalusite no son
exactamente iguales en comportamiento ya que, la Perucita se nota más reactiva y se
mulitiza a más baja temperatura que el Randalusite, de allí su ligera mayor expansión
tal como se puede observar en la Fig. 3 en que el ladrillo P-60 es ligeramente más alto
que el R-60, aún cuando la temperatura de quema fue tan alta como 1580°C.
Con respecto a los ladrillos con agregado de alúmina -45µ en menor y mayor
proporción para ayudar a la formación de mulita secundaria, en la Tabla 6, también se
observa que los ladrillos con Perucita P-60A y P-60A+ necesitan ser quemados a
1580°C para conseguir el mayor Ic promedio (Ic=3.5 y 3.4 respectivamente) y para
obtener la mejor combinación de propiedades inmediatas para despacho. Sin
embargo, para operación en los hornos, es suficiente que los ladrillos P-60A sean
quemados a 1425°C para conseguir el mayor Ic promedio para la mejor combinación
de propiedades mediatas. La quema a 1580°C, si bien le mejora su resistencia al
aplastamiento, también le desmejora su resistencia al “spalling” por la mayor formación
de fase vítrea. En cuanto a los ladrillos PP-60 R-60 P-60A P-60A+ 60A+, estos son los ideales para cualquier o
todo tipo de aplicación y deben ser
quemados a 1580°C. Nótese también en la
Fig.3 que los ladrillos P-60A y P-60A+
contraen más que los ladrillos P-60 y R-60.
Fig.3 Ladrillos quemados a 1580°C
Si bien no existen diferencias significativas
entre las propiedades inmediatas y
mediatas de los ladrillos hechos con
Perucita
(P-60,
P-60A,
P60A+)
y
Randalusite (R-60), en la Fig. 3 se observa
una ligera mayor presencia de manchas
oscuras en los ladrillos con Perucita que en
11
nada cambian sus bondades intínsecas. La apariencia superficial podría llamar la
atención entre algunos usuarios pero si el contenido de Fe2O3 en la Perucita es
menos de 1%, esto es suficiente para garantizar la calidad de los ladrillos.
Caso II. Fabricación de ladrillos de 50-80% Al2O3 con Perucita vs. Bauxita
Ladrillos de 50, 55, 60, 70 y 80% Al2O3 empleando Perucita (P), bauxita china (B),
chamota y arcilla plástica fueron formuladas con la misma granulometría y preparadas
con el mismo procedimiento descrito en la fabricación de los ladrillos del Caso I. Los
resultados de los Ic de las pruebas inmediatas y mediatas realizadas en los ladrillos P50 a P-80 comparados con sus similares B-50 a B-80 (excepto el B-55 que no se
fabrica) se muestran en la Tabla 7.
Como en el Caso I, los ladrillos con Perucita P-50 a P-80 quemados a 1300°C no
sinterizaron bien y los quemados a 1580°C se sobre-sinterizaron por lo que se escogió
los ladrillos quemados a 1425°C para determinar sus propiedades inmediatas y
mediatas y poder compararlas con los ladrillos tradicionales fabricados con bauxita
B-50 a B-80 y quemados solo a 1300°C dada su mayor capacidad de sinterización y
su muy elevada expansión a temperaturas mayores de quema.
En los Ic de las pruebas inmediatas de la Tabla 7 se puede observar que los ladrillos
de más alta alúmina tienen mayores Ic promedio, lo cual es lógico, dada la mayor
densidad de la bauxita con respecto a densidad de la Perucita. En este caso, los
ladrillos B-80 y P-80 son los que tienen la mejor combinación de propiedades
inmediatas, pues sus Ic promedio respectivos son los más altos (Ic promedio=3.4 y 3.0
respectivamente); aunque, en sus propiedades inmediatas individuales, los ladrillos
B-80 son los que tienen el MOR más elevado, los P-80 tienen el CCS mas alto, los P55 tienen la porosidad más baja y los P-70, la expansión volumétrica más baja, pues
sus Ic=4.0. Por otro lado, si comparamos los ladrillos P-50 y P-60 con sus similares B50 y B-60 se observa que los primeros tienen mejor combinación de propiedades
inmediatas que los segundos, pues sus Ic promedio respectivos son más altos (Ic=2.0
y 2.5 contra 1.6 y 2.2 respectivamente). En cambio, los ladrillos P-70 y B-70 tienen un
Ic promedio igual a 2.9 y el Ic de los ladrillos P-80 (3.0) es menor al de los B-80 (3.4).
Tabla 7. Índices de calidad de ladrillos de 50-80% Al2O3 con Perucita y Bauxita
INGREDIENTES
P-50 B-50 P-55 P-60 B-60 P-70 B-70 P-80 B-80
Perucita, %
65
0
90
85
0
55
0
17
0
INDICES DE CALIDAD (Ic)
QUEMA A 1425°C
(*)
(*)
(*)
(*)
PRUEBAS INMEDIATAS
Densidad
1.3
1.0
1.8
2.4
1.8
2.7
3.1
3.9
4.0
MOR
1.0
1.9
2.3
2.1
2.8
3.1
2.9
3.5
4.0
CCS
1.7
1.1
1.8
2.3
1.8
2.9
2.6
4.0
3.2
Porosidad
3.6
2.8
4.0
2.6
2.8
1.8
2.3
1.0
2.0
Cambio volumétrico permanente
2.4
1.0
1.4
3.1
1.8
4.0
3.6
2.8
3.6
Ic Promedio
2.0
1.6
2.3
2.5
2.2
2.9
2.9
3.0
3.4
PRUEBAS MEDIATAS A 20°C Y A ELEV. TEMP.
Pérdidas x abrasión
3.3
3.8
4.0
2.9
3.2
3.7
3.7
1.0
4.0
Aplastamiento
3.1
3.7
2.2
1.4
3.1
2.2
1.0
4.0
4.0
Corrosión c/escorias de acero
3.2
2.5
2.5
2.6
2.5
1.0
1.0
4.0
4.0
Penetración c/escorias de acero
2.9
2.3
3.8
3.7
1.0
4.0
1.0
1.0
1.0
HMOR
2.4
2.2
3.1
2.0
3.6
1.3
3.6
1.0
4.0
Spalling
2.9
2.8
2.2
1.9
1.8
1.3
2.1
4.0
1.0
Camb. vol. permanente en requema
3.8
2.8
2.6
2.7
1.8
3.8
2.3
4.0
1.0
Ic Promedio
3.1
1.9
3.5
3.2
1.9
2.2
1.9
3.3
2.8
Ic 1: bajo, 2regular, 3: bueno , 4: excelente
(*) ladrillos B (tradicionales con bauxita) quemados a 1300°C
12
Finalmente, de la lectura de los valores individuales de las propiedades inmediatas
realizadas en los ladrillos P-50 a P-80 y B-50 a B-80 se determinó que no existe un
patrón definido en cuanto a qué propiedades son mejores de uno con respecto al otro
a excepción del CCS que siempre es más alto en los ladrillos con Perucita y del
cambio volumétrico en la quema en que los ladrillos con bauxita siempre contraen por
la mayor cantidad de arcilla usada y su menor temperatura de quema.
En cuanto a las propiedades mediatas, la mejor combinación de propiedades la tienen
los ladrillos P-55 que lleva 90% de Perucita y cuyo Ic promedio=3.5, luego le siguen el
P-80, P-60 y P-50 en ese orden (Ic=3.3, 3.2 y 3.1 respectivamente); aunque, los
ladrillos P-80 manifiestan tener menor resistencia al “spalling”. En contraste, todos los
ladrillos con bauxita desde los B-50 a B-80 tienen un Ic promedio menor o mucho
menor que sus similares con Perucita.
Individualmente, y con Ic=4, de la Tabla 7 se deduce rápidamente que los ladrillos P70 son los mejores para resistir la abrasión, le siguen los P-60, P-55, P-80 y B-80. Los
ladrillos P-60 y P-70 son los mejores para resistir el aplastamiento a 1450°C, le siguen
el P-55. Los ladrillos P-80 y B-80 son los mejores para resistir el ataque de escorias
tan agresivas como las escorias básicas de acero a 1700°C, sin embargo, los ladrillos
B-80 son uno de los más penetrados siendo los P-55 los mejores para resistir la
penetración de estas escorias a 1700°C, siguiéndoles los ladrillos P-60 y P-80
respectivamente. En cuanto a la prueba del HMOR, los ladrillos B-80 son los que
tienen una temperatura de falla mayor y les siguen los P-80 y P-70 respectivamente.
Los ladrillos P-55 son los mejores para resistir el “spalling” a 1300°C y es más estable
en su cambio volumétrico en el requemado a 1538°C. En esta última propiedad, le
siguen los ladrillos P-80 y P-50 respectivamente.
En general, se concluye que la alta formación de mulita en los ladrillos con Perucita y,
en especial, de los de 55 y 60% Al2O3 que llevan altas proporciones de aquella (90 y
80% respectivamente) son los obtienen las mejores propiedades combinadas en
caliente.
Caso III. Fabricación de concretos de bajo cemento de 57% Al2O3 con
Perucita vs. Purusite
Concretos de bajo cemento de 57% Al2O3 fabricados con Perucita y Purusite, para
resistir el choque térmico y alto esfuerzo a la carga a elevadas temperaturas, fueron
diseñados siguiendo la curva de distribución granulométrica de Andreassen con la
cantidad de Perucita (CPE), bauxita (CPU), sílica fume, alúmina -45µ y cemento
necesarios para conseguir el contenido de Al 2O3 requerido. Las pruebas de fluidez se
llevaron a cabo según la norma ASTM C 230 y los resultados de las propiedades
inmediatas y mediatas se muestran en la Tabla 8.
En esta tabla se observa que las diferencias en las propiedades inmediatas no son
muy significativas entre estos, excepto el cambio lineal que es mayor en el concreto
con Perucita; sin embargo, las propiedades mediatas como el módulo de rotura en
caliente (HMOR) y la resistencia al choque térmico, son mayores en el concreto con
Perucita que con Purusite.
Se ha observado que existe una ligera propensión de la Perucita a ser más reactiva
debido a su mayor MOR y a su ligera mayor expansión volumétrica en el quemado. Si
embargo, estas diferencias no son significativas por que no hay evidencia de mayor
13
formación de fase vítrea en la Perucita. Sin embargo, como en el caso de los ladrillos
(ver Fig. 4), existe mayor presencia de manchas oscuras en los concretos fabricados
con Perucita y quemados a 1600°C, aunque esto no afecta a sus propiedades
intrínsecas. Aparte, que estos concretos tienen un uso diferente a los ladrillos y se
instalan sin ser quemados.
Tabla 8. Concretos de bajo cemento de 57% Al2O3 con
Perucita (CPE) y Purusite (CPU)
IINGREDIENTES
CPE-57 CPU-57
Andalucita, %
>55
>55
PROPIEDADES INMEDIATAS (después de secar a 120°C)
Porosidad, %
14.4
15.6
Densidad, g/cm3
2.56
2.55
CCS, MPa
64.4
64.7
MOR, MPa
8.6
7.0
Cambio Volumétrico, %
-Después de quemar a 816°C, %
0.6
0.3
-Después de quemar a 1370°C, %
2.4
1.2
-Después de quemar a 1600°C, %
4.9
3.3
PROPIEDADES MEDIATAS
HMOR a 815°C, MPa
17.3
17.1
Choque térmico, ciclos
40+
33
CPU-57
CPE-57
Fig.4 Concretos quemados a 1600°C
Caso IV. Fabricación de concretos de bajo cemento de 60-80% Al2O3 con
Perucita y/o bauxita
Como en el caso anterior, se diseñaron mezclas con la cantidad de Perucita (CP) y
bauxita (CB) necesarios y los resultados de las propiedades inmediatas y mediatas se
muestran en la Tabla 9.
Tabla 9. Propiedades e índices de calidad de concretos de bajo cemento de
60-80% Al2O3 con Perucita (CP) y Bauxita (CB)
INGREDIENTES
CP-60 CB-60 CP-70 CB-70 CP-80 CB-80
81
0
47
0
10
0
Perucita,%
4.4
4.9
4.3
4.7
4.2
4.3
% Agua para Vaciar
PROPIEDADES INMEDIATAS
3
Densidad después de secar 120°C, g/cm
-Después de quemar a 815°C
-Después de quemar a 1580°C
CCS después de secar a 120°C, MPa
-Después de quemar a 815°C
-Después de quemar a 1580°C
Cambio Vol. después de quemar a 815°C
-Después de quemar a 1580°C
2.7
2.6
2.6
73
72
83
-0.2
0.5
2.5
2.5
2.1
79
96
54
-0.6
6.0
2.7
2.7
2.6
81
77
38
-0.2
1.5
2.7
2.7
2.3
79
98
48
-0.3
4.8
2.9
2.9
2.9
87
97
80
-0.6
-1.2
2.9
2.9
2.9
74
99
98
-0.3
-0.7
Ic
4.0
3.6
3.2
3.9
3.7
2.0
4.0
3.4
2.9
3.1
A 1700 ° C, los concretos CP-80 y CB-80 presentaron cierto aplastamiento por deformación.
PROPIEDADES MEDIATAS
HMOR (1300°C-86.2 kPa)
Corrosión de escorias de acero (1700°C)
Penetración de escorias de acero (1700°C)
Spalling (1300°C, 10’/10’agua)
PROMEDIO
3.0
3.2
4.0
1.8
3.0
Indices de calidad,
1.0
2.8
2.3
1.0
3.4
1.9
1.0
3.5
1.8
1.0
4.0
2.8
1.0
3.4
2.2
Ic 1: bajo, 2regular, 3: bueno , 4: excelente
De esta tabla se observa que, en general, los concretos CP requieren menos agua que
los concretos CB dado que la Perucita es menos porosa que la bauxita. En cuanto a
las propiedades inmediatas como densidad y CCS, no existe una tendencia definida a
favor de los concretos CP o CB y, en cuanto al cambio volumétrico, se observa que a
14
1580°C se produce una fuerte expansión volumétrica en los concretos con bauxita CB60 y CB-70, en cambio, el concreto CB-80 contrae menos que el CP-80.
Si embargo, observando los Ic promedio de las propiedades combinadas mediatas
podemos ver que los concretos CP con Perucita son mucho mejores que sus similares
CB que llevan bauxita. Se esperaba que el concreto CB-80 con bauxita sea mejor que
el CP-80 con 10% de Perucita, puesto que el primero tiene mayor contenido de Al2O3
que el segundo (81.3 % contra 78.6%), pero, en la Tabla 9 se observa que el concreto
CP-80 es muy superior (Ic promedio=3.7) al CB-80 (Ic promedio=3.1). Esto indica que,
antes que el mayor contenido de Al 2O3, es más importante el tipo de mineral usado.
Si analizamos los Ic de cada propiedad en forma individual, se observa que el concreto
CP-80 tiene un HMOR mayor (Ic=4) que el CB-80 (Ic=2) lo cual es lógico por cuanto ya
se está demostrado que a bajas temperaturas y en presencia de impurezas cualquier
andalucita introducida a la mezcla va a producir una nucleación más temprana de
mulita(12) reforzada internamente con una fase viscosa de sílice que la sostiene
evitando que la deformación progrese, mientras que en el concreto CB-80, la
presencia de ciertos titanatos de calcio y/o aluminio(13), que son fases de bajo punto de
fusión, reducen su HMOR. Los Ic por corrosión y penetración de escorias básicas de
acero, algo más bajos del CP-80 en comparación a los del CB-80 (Ic= 3.6 y 3.2 contra
Ic=4 y 3.4), también son lógicos por cuanto la andalucita es más ácida que la bauxita
y, por lo tanto, será más atacada, por lo que para este propósito el CB-80 podría ser
preferible al CP-80 ante escorias básicas, lo que no significa que sería lo mismo ante
escorias ácidas. En cuanto a la resistencia al “spalling”, evidentemente que la
andalucita mejora esta propiedad (Ic=3.9 contra Ic=2.9) por las mismas razones que
se expuso para el HMOR.
Con respecto al CP-70, las mejoras en los Ic son mucho más notorias con respecto al
CB-70 debido a que la cantidad de Perucita usada en el primero es de 47% contra 0%
en el segundo. Referente al CP-60, la diferencia es mucho más notoria todavía con
respecto al CB-60 por cuanto el uso de Perucita se eleva hasta 81% en el primero,
mientras que en segundo se mantiene en 0%.
Comparando a los concretos con distinto % de Al2O3 entre ellos, se nota que el CP-70
con Perucita en promedio es mejor que el CB-80 con bauxita, en especial en el HMOR
y en el spalling, sin embargo, para resistir la corrosión de las escorias básicas no es
muy conveniente, aunque talvez, sí pudiera resistir mejor las escorias ácidas. Más
significativo, es el concreto CP-60 con Perucita cuyas propiedades son mayores que
las del CB-70 con bauxita, excepto en la resistencia al “spalling”. De todo esto se
deduce también que, en general, el % de Al2O3 en un producto no es lo más
importante, sino el propósito para el que es diseñado el producto.
Caso IV. Fabricación de concretos convencionales de 55-60% Al2O3
con Perucita o Bauxita
En la Tabla 10 se muestra dos tipos de concretos convencionales fabricados con
Perucita (P y P1) y con bauxita (B y B1) respectivamente. De ella se observa que los
concretos de 55 y 60% Al2O3 fabricados con Perucita tienen, en general, mejores
propiedades físicas y mecánicas que los fabricados con bauxita, sin embargo, se
podría decir, que dichas mejoras se deben más al menor requerimiento de agua por
estos concretos debido a la menor porosidad de la Perucita en comparación a la
porosidad de la bauxita. Adicionalmente, el hecho de que los concretos con Perucita
15
tengan temperaturas de ablandamiento mayores que los concretos con bauxita les
asegura también un mejor comportamiento en operación.
TABLA 10. Concretos convencionales de 55 y 60 % Al2O3
55% Al2O3
IINGREDIENTES
P
B
Perucita, %
85
0
Agua, %
8.4
9.9
PROPIEDADES 20°C
3
Densidad después de secar a 120°C, g/cm
2.43 2.32
CCS después de secar a 120°C, MPa
28.9 16.9
-después de quemar a 816°C, MPa
13.2 10.7
-después de quemar a 1300°C, MPa
26.3 17.6
-después de quemar a 1500°C, MPa
85.9 64.8
Cambio volumétrico después de quemar a 816 °C, % 0.0
0.0
-después de quemar a 1300°C, %
1.8
6.1
-después de quemar a 1500°C, %.
1.8
9.3
Cono pirométrico equivalente (PCE Orton)
33 31.5
Temperatura de ablandamiento, °C
1743 1699
60% Al2O3
P1
B1
85
0
8.4
9.9
2.43
29.4
16.9
22.8
91.9
0.0
1.2
1.8
36
1804
2.29
20.8
16.5
36.5
53.1
-0.6
0.9
5.5
32
1717
P: Perucita B: Bauxita
Caso V. Fabricación de concretos convencionales de 65-95% Al2O3 para resistir
abrasión a 1400°C con Perucita, bauxita y/o BFA
Concretos convencionales de 65 y 75% Al 2O3 con Perucita y/o bauxita fueron
desarrollados para que puedan reemplazar a los de 85% Al2O3 y 95% Al2O3 fabricados
con bauxita y/o alúmina electrofundida marrón (BFA), respectivamente, los que son
frecuentemente usados para resistir la abrasión en operación a 1400°C.
Sus propiedades se muestran en la Tabla 11 y de esta se determina que el concreto
de 75% Al 2O3 fabricado con una mezcla de Perucita y bauxita es el que tiene la más
alta resistencia a la abrasión, incluso, mayor que el concreto de 85% Al 2O3 fabricado
con bauxita y el de 95% Al 2O3 fabricado con BFA y, mucho más, que el concreto de
65% Al2O3 que lleva Perucita solamente.
A pesar que el concreto de 75% Al2O3 tiene menor resistencia a la compresión que el
de 85% Al 2O3, es posible que su mayor resistencia a la abrasión se deba a la mayor
formación de mulita secundaria como consecuencia de la reacción de la alúmina de la
parte fina de la bauxita con la Perucita e incentivada por la presencia de fase vítrea de
la bauxita y de las pequeñas inclusiones (Fe2O3 y álcalis) presentes en la Perucita(12).
TABLA 11. Concretos convencionales anti-abrasión de 65 A 95 % Al2O3
65%
75%
85% 95%
IINGREDIENTES
Al2O 3 Al2O3 Al2O3 Al2O3
Perucita
75
37
0
0
Agua
8.1
8.7
9.5
9.3
2.53
34.9
2.59
30.6
2.59
31.8
2.77
39.4
49.0
62.5
72.9
48.6
1.5
0.1
0.5
0.7
%
PROPIEDADES A 20°C
Densidad después de secar a 120°C, g/cm
CCS después de secar a 120°C, MPa
CCS después de quemar a 1400°C, MPa
3
Pérdida de peso por abrasión, cm (*)
3
(*) De muestra quemada a 1400°C,
En el caso del concreto de 65% Al2O3 fabricado con 75% Perucita, su mayor pérdida
de volumen por abrasión se debe a la menor capacidad de sinterización de la Perucita
16
como consecuencia de su bajo nivel de impurezas presentes (el TiO2 es casi 15 veces
menor en la Perucita que en la bauxita) que impide la formación de fases de bajo
punto de fusión como los titanatos de calcio y/o aluminio (13) los que se forman en
mayor cantidad en las mezclas de 75, 85 y 95% Al2O3 y que propician la sinterización
de dichos concretos.
CONCLUSIONES
REFERENCIAS
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December 2009.
4. J. Roberts, “Chinese Refractoriy Bauxite Tight”, Industrial Minerals, March 17,
2010.
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Refractories to Improve Resistance to Creep and Thermal Schock”, China’s
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Applicaction of Andalusite Material and Andalusite-Based Refractory”, Vol. 14,
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8. C. Odegard, B. Myhre, Aa. M. Hundere and B. Sandberg, “Mullite-Bonded
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12. M. L. Bouchetou , J. Poirier, J. P. Ildefonse, P. Hubert, ”Kinetics of Mullitization
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13. A. E. McHale and R. S. Roth “Phase Equilibria Diagrams”, the National Institute
of Standards and Technology, edited and Published by The American Ceramic
Society, Vol.XII, p. 200-201.
17