UNIVERSIDAD VERACRUZANA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FA C U LTA D D E I N G E N I E R Í A ELABORACIÓN Y COLOCACIÓN DEL CONCRETO Y LADRILLO REFRACTARIO EN CALENTADORES DE FUEGO DIRECTO MONOGRAFÍA QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA: EXPERIENCIA RECEPCIONAL CORRESPONDIENTE A LA CARRERA DE: I N G E N I E R Í A C I V I L P R E S E N T A : CARLOS DE JESÚS ARREDONDO MONTIEL DIRECTOR DE MONOGRAFÍA : MI. FRANCISCO DE JESÚS TREJO MOLINA COATZACOALCOS, VER. AGOSTO 2012.

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3 ÍNDICE INTRODUCCIÓN 1 OBJETIVOS 3 ALCANCES Y LIMITACIONES 4 1. MATERIALES REFRACTARIOS Introducción a los Refractarios Clasificación de los Refractarios Ladrillo Refractario Clasificacion y Designación Ladrillo Refractario Aislante y Denso PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS Materia Prima de los Refractarios Procesos de Fabricación de Materiales Refractarios Metodos de Fabricación 29 3.HABILITACION DE CONCRETO REFRACTARIO Y MALLA HEXAGONAL EMPLEADOS COMO RECUBRIMIENTO Alcance Definiciones Especificaciones Modo de Instalación de la Malla Hexagonal y Soportes Técnicas de Aplicación Curado y Secado INSPECCION Y PRUEBA Pruebas de Laboratorio. 58 CONCLUCIONES 61 BIBLIOGRAFÍA. 63 GLOSARIO 64

4 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario INTRODUCCIÓN Debido a que la zona sur de Veracruz como Minatitlán y Coatzacoalcos están en una zona regida por el petróleo como es la Refinería Gral. Lázaro Cárdenas fundada en 1956, complejos Petroquímicos como; Cangrejera, Pajaritos Morelos los cuales utilizan equipos de altas temperaturas como son los hornos, calderas, calderetas, calentadores, recuperadoras de sulfuro, etc. Que estas se encuentran como parte fundamental en la industria petrolífera. Las funciones básicas son los procesos industriales de refinación, elaboración de productos petrolíferos y derivados del petróleo, su distribución, almacenamiento y venta de primera mano. Para poder hacer todo eso se necesita hornos calentadores cambiadores de calor etc. En los cuales sus temperaturas son elevadas ya que para el proceso de hacer derivados del petróleo ocupan mucho calor en lo cual como ing. Civil se necesita concretos que puedan aislar la temperatura al exterior por dos funciones ahorrar energía como sabemos el calor es una fuente de energía no se debería de desperdiciar la segunda función es el cambio climático para no aumentar la temperatura de la tierra para evitar esas principales razones se modificó el concreto normal para que pudiera ser como un aislador de calor, estoy hablando del concreto refractario. En el primer capitulo se explicará de manera detallada sobre los materiales refractarios que existe así como su composición química que deben de llegar dependiendo de los tipos de refractario que se habla mas adelante, así también como el ladrillo refractario va ligado junto con el refractario como se menciona. El segundo capitulo hablará del las propiedades del concreto refractario, así como su materias primas y como es que va constituido, su método de fabricación en el cual se explica el tercer capitulo nos dará una perspectiva de cómo se coloca el 1

5 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario concreto refractario en los calentadores de fuego directo, y todos los componentes que debe de llevar para que la habilitación del concreto refractario sea exitosa como los alcances y especificaciones ya que se necesitan inspecciones y pruebas para saber el fraguado del concreto y su adherencia hacia la malla hexagonal y sus soportes hacia él calentador de fuego directo. 2

6 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Proporcionar información necesaria para llevar acabo la instalación de anclaje y concreto refractario en el interior de los calentadores industriales de altas temperaturas en la Refinería Gral. Lázaro Cárdenas. OBJETIVO PARTICULARES *Conocer los Tipos de concretos refractarios. *Describir las propiedades y caracteristicas que estos materiales presentan deacuerdo a su composicion química. *Describir las consideraciones pertinentes para la supervisión tanto del anclaje de los moldes como de la colocación del concreto refractario en el interior del equipo. 3

7 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario ALCANCES Y LIMITACIONES El estudio se enfocará en la preparación que se le da previo a la colocación del material refractario y los métodos con los cuales se colocan a los calentadores industrial de alta temperatura. 4

8 Materiales Refractarios 1. MATERIALES REFRACTARIOS. Se conoce como material refractario a aquellos materiales cuyas propiedades permiten que pueda soportar temperaturas muy elevadas, sin embargo estos deben de soportar una temperatura en específico sin sufrir ningún tipo de deterioro en sus condiciones internas, como por ejemplo la corrosión. Esta condición permite que los materiales refractarios sean utilizados en todos los hornos de fabricación, ya sea en las refinerías, industria química, metalurgia, industrias de vidrio y cerámica. El material refractario conocido por excelencia es la cerámica. Estos materiales están formados por partículas diminutas de oxido, las cuales están unidas a otro material de características refractarias pero mas fino. 1.1.Introducción a los Refractarios Los Refractarios comienzan a utilizarse con el desarrollo primitivo de las primeras cerámicas cocidas, utilizadas por el hombre, al construir los hornos de cocción con los mismos materiales arcillosos con los que se hace la cerámica. Con el desarrollo de la metalurgia del hierro, fue necesario buscar materiales mas resistentes para la Fundición del mismo. Los materiales refractarios constituyen un conjunto de productos intermedios indispensables en un país desarrollado, ya que sin ellos se detendría toda la actividad industrial en la que se dan condiciones de operación severas (Ataque químico, tensiones mecánicas, etc. ) y en la que, casi siempre, se requiere la utilización de temperaturas elevadas. Procesos como la cocción, la fusión, afinado de cualquier tipo de material, la calcinación, así como otros muchos, no pueden desarrollarse si los productos o los equipos de producción (HORNOS) no están protegidos por materiales refractarios. 5

9 Materiales Refractarios Así mismo y cada vez más frecuentemente, ciertos procesos de producción específicos no pueden ser puestos en marcha si no se ha desarrollado previamente el revestimiento refractario adecuado. De todo ello se deduce el carácter estratégico de este tipo de materiales, más allá del valor en si del material o de su participación en la estructura de un determinado proceso. Por otra parte, un revestimiento refractario- aislante 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. Los principales sectores de aplicación de los materiales refractarios, así como el tipo de instalación en la que se usan pueden verse en la tabla 1. En ella también se da la temperatura del proceso y el tipo o tipos de refractarios utilizados. Se observa que se corresponden con sectores industriales básicos de la economía de un país. Se han detallado, no de una manera exhaustiva, las aplicaciones dentro de la industria siderúrgica, ya que a ella le corresponde el mayor consumo de materiales refractarios con un 60 %, aproximadamente. Si al sector siderúrgico añadimos el de tos metales no férreos, el del vidrio, el del cemento y la cal y el cerámico tradicional el tanto por ciento de consumo anterior se eleva al 80 %. La industria de los materiales refractarios ha experimentado una extraordinaria evolución en los últimos años, como consecuencia de las nuevas y cada vez más exigentes especificaciones impuestas por la industrias consumidoras. Esto se ha traducido, no solo en un más estricto control de las materias primas y en una mejora de los procesos de fabricación, sino en el aporte científico de técnicas que, procediendo tanto de la metalografía como de la fisicoquímica de materiales, han permitido el establecimiento de los diagramas de equilibrio de fases de los óxidos potencialmente utilizables como refractarios por su elevado punto de fusión (A 12 O 3, CaO, SiC 2, MgO, ZrO 2, Cr 2 O 3, etc.), lo que ha supuesto un mejor conocimiento de la influencia de las impurezas presentes, a la temperatura y condiciones reales de trabajo de cada tipo de material. 6

10 Materiales Refractarios Igualmente el avance en los estudios micro estructurales han permitido prever, tanto el comportamiento ante el ataque químico o erosión de las escorias y gases presentes, como una mejor evaluación de las propiedades termo mecánicas requeridas a los revestimientos refractarios. Tabla 1.- Materiales Refractarios empleados en los procesos industriales de alta temperatura. SECTOR INSTALACION TEMPERATURA PROCESO (ºC) REFRACTARIOS INDUSTRIA PETROQUIMICA QUIMICA CRACKING Monolíticos, aislantes HORNOS 1650 Ladrillos:silimanita,mullita. HORNOS NEGROS DE HUMO 1600 Ladrillos: corindón aislantes CARBON ACTIVO 1400 Monolíticos sin hierro REACTORES Ladrillos monolíticos de carbono, 1550 OBTENCION FOSFORO sin hierro a base de Al 2O 3 con SiC HORNOS DE COQUE PREPARACION MATERIAS PRIMAS HORNO ALTO Ladrillos:silicioso silicoaluminoso monolíticos Ladrillos carbono. Semigrafito, 1700 SiC, mulliticos silicoaluminosos alta calidad ESTUFAS 1800 ladrillos: silicoaluminosos, sílice, magnesita ACERIA CUCHARAS TORPEDO 1500 Ladrillos: silicoaluminosos alta calidad FUNDICION METALES NO FERREOS CONVERTIDORES Ladrillos básicos (magnesita, dolomita MgO-C) CUCHARAS TRANSPORTE ACERO HORNO TRATAMIENTO TERMICO 1600 Monolíticos y ladrillos, silíceos, dolomita, bauxita Monolíticos, ladrillos, mullita, corindón CUPULA Monoliticos:siliciosos, silicoaluminosos HORNO INDUCCION 1400 Monolíticos: silíceos, silicoaluminosos HORNOS DE FUSION ALUMINIO HORNOS DE FUSION 900 PLOMO HORNOS CUBILOTE ROTATORIO HORNOS DE REFUSION 330 Carbono, aislante, monolítico Ladrillos: bauxitas, silicoaluminosos alta calidad monolíticos 1100 Ladrillos:magnesiticos, cromomagnesita monolíticos 7

11 Materiales Refractarios SECTOR COBRE ZINC CEMENTO CERAMICA INSTALACION HORNO CUBILOTE, CONVERTIDORES HORNO DE ARCO, HORNO DE REFUSION TEMPERATURA PROCESO (ºC) REFRACTARIOS Refractario silicoaluminoso Monolíticos HORNO ROTATORIOS 1100 Ladrillos magnésico CELDAS DE GALVANIZADO HORNOS ROTATORIOS PRECALENTADORES HORNO TUNEL HORNO ARRASTRE HORNOS MULTICANAL PREPARACION FRITAS ESMALTES: HORNOS ROTATORIOS CUBILETES 420 Monolíticos Ladrillo: sillico aluminoso, mullitico, magnesita, monolítico, sin hierro resistente a la abrasión Monolíticos: resistentes a la Abrasión Ladrillo: silicoaluminoso, mulliticos, corindón, silíceos Ladrillos: silicoaluminosos, mullliticos, corindón Ladrillos: silicoaluminosos, mullliticos, monolíticos Ladrillos: silicoaluminosos, corindón, magnesia VIDRIO HORNOS RODILLOS Piezas alta alúmina 1650 Ladrillos silíceos: alúmina, circona HORNOS FUSION VIDRIO Y FIBRA eletrofundida silicio 1550 ESMALTES Y HORNOS FUSION Aluminosos. FRITAS. 8

12 Materiales Refractarios Clasificación De Los Refractarios. La primitiva historia de los materiales refractarios esta relacionada con la historia de la alfarería (cerámica). Sin embargo la historia de los refractarios durante el siglo pasado esta íntimamente ligada con el crecimiento de las industrias metálicas, puesto que su avance necesitaba de los refractarios adecuados para la construcción de los hornos. Inicialmente, la producción de materiales refractarios se limitó a unos pocos tipos de ladrillos de todo propósito, siendo sus principales consumidores las industrias cerámica, del hierro, de los metales no férreos y del vidrio. A finales del siglo pasado el aumento de la aplicación de los metales no férreos, especialmente del cobre, y la llegada de la industria masiva del acero provocaron grandes cambios en la industria refractaria. El aumento de la demanda de producción dio lugar al aumento del tamaño de los hornos con el consiguiente aumento de las tensiones y esfuerzos sobre los materiales refractarios de su revestimiento, acentuado por los grandes tonelajes procesados y por las mayores temperaturas de operación. Además el material refractario estaba sujeto a la abrasión, erosión mecánica y corrosión química de las escorias, fundentes y gases. Para hacer frente a las condiciones anteriores fue necesario desarrollar nuevos materiales refractarios especiales, lo cual fue posible gracias a una estrecha colaboración entre los fabricantes de refractarios y los consumidores. De acuerdo con su carácter químico los refractarios tradicionalmente se dividen en: ácidos (ladrillos de arcilla cocida de bajo contenido en alúmina y alto en sílice, sílice), básicos (magnesita y dolomía) y neutros (cromita y carbono). Esta clasificación nos va a servir como base para realizar un breve recorrido por su desarrollo histórico. 9

13 Materiales Refractarios Refractarios ácidos. El principal constituyente de los refractarios ácidos es la sílice (95%Si0 2 ). Soporta bien los fundentes ácidos. Debido a su elevada resistencia a la compresión en caliente, pueden emplearse a temperaturas próximas a su punto de ablandamiento, sin embargo es muy sensible a cambios bruscos de temperatura especialmente bajo los 650 C, tienen un gran coeficiente de dilatación lineal a baja temperatura por lo cual hay que prevenir las oportunas juntas de dilatación en la construcción de revestimiento con ladrillos, pero no sufren variaciones sensibles de volumen en el intervalo de temperatura de 600 a 1600 C, así, son muy pequeños los movimientos de la estructura y bóvedas de los hornos durante el proceso de fabricación de acero. Para fabricar los ladrillos de sílice, se cuece en hornos de cuba a 800 C, la sílice natural, se mezcla con poca cal (0.5%), se comprime la masa en formas apropiadas y se cuecen las piezas obtenidas. Con ladrillos de sílice se construyen los revestimientos de los convertidores Bessemer y las bóvedas de los hornos eléctricos, de los Martín - Siemens, las cámaras de coque y otros. La solera de estos hornos se construyen de masa refractaria de sílice. Los refractarios silico-aluminosos resisten bien los cambios bruscos de temperatura pero soportan poca presión; en las pruebas se ablandan mucho antes de alcanzar el punto de fusión ( 1710 C) El comportamiento de este material refractario esta entre ácido y neutro y soportan muy bien las escorias y fundentes básicos, tanto más cuanto mayor es su contenido en alúmina. Los refractarios silico-aluminosos son los más usados en casi todos los tipos de hogares u hornos y de estufas especialmente para las paredes. El revestimiento de cubilotes se hace con masa refractaria, o con ladrillos silico-aluminosos aunque también para fundiciones especiales se emplean con el revestimiento básico de dolomita o masa refractaria de sílice. 10

14 Materiales Refractarios La silimanita es un refractario de alto contenido de aluminio (más del 60% de alúmina) y tiene un comportamiento neutro. Se emplea en los hornos eléctricos y en los hornos Martín - Siemens básicos como capa divisoria entre la solera básica de dolomita y la bóveda de sílice. Refractarios básicos. La magnesita, constituida por un 80% de óxido de magnesio (Tf =2800 C), sílice, cal, alúmina y oxido de hierro, tiene un comportamiento básico, posee alta refractariedad y resistencia al ataque de escorias y fundentes a base de óxido de hierro. El óxido de magnesio se obtiene por calcinación de la magnesita, (carbonato de magnesio) o del hidrato de magnesio obtenido del agua marina. La resistencia en caliente bajo carga es pequeña comparada con la que tienen los ladrillos silícicos y no resisten las bruscas variaciones de temperaturas. La magnesita calcinada tiene una elevada conductividad térmica y una dilatación de 1.30% a 1000 C. Cuando ocurren calentamiento y enfriamientos sucesivos se producen tensiones considerables que son la causa de la debilidad característica de los ladrillos de magnesita. La dolomita natural está constituida principalmente por carbonato de calcio y carbonato de magnesio. Para ser utilizada, deben separarse por calcinación los productos volátiles, agua y anhídrido carbónico La roca dolomía calentada a 1200 C se transforma en una mezcla de óxido de calcio y de óxido de magnesio llamada dolomita, que generalmente en forma granulada o de ladrillos se emplea cómo refractario en los hornos. La composición de la dolomita, es del orden del 40% MgO, 58% de CaO, 1% de Si02 y el resto se compone de pequeñas cantidades de óxido de hierro, alúmina y trazas de magnesio. (Thomas Gilchrist 1877) 11

15 Materiales Refractarios La magnesita tiene punto de fusión de 2800 C y la cal de 1570 C. Las mezclas de cal y magnesita tienen un punto de fusión del orden de 2300 C. La dolomita calcinada molida o triturada se emplea principalmente en la reparación del revestimiento en los hornos básicos de fabricación de acero. Se puede mezclar con alquitrán para aglomerar la masa, también se fabrican ladrillos y bloques de dolomita que se utilizan en la base de las soleras y las paredes de los hornos básicos. Las soleras se pueden preparar con ladrillos de magnesita o de dolomita, colocados sobre chapas de acero, cubriendo luego los ladrillos con dolomita molida o dolomita y magnesita fuertemente apisonada hasta formar un bloque monolítico homogéneo. La presencia de la cal que conserva sus propiedades características, presenta varias inconvenientes, es muy higroscópica y causa la descomposición de la dolomita que al enfriarse se desintegra en forma de polvo. Refractarios neutros. La cromita es un refractario a base de sesquióxido de cromo (45%Cr203) y tiene un comportamiento neutro o sea que soporta bien las escorias y fundentes ácidos o básicos pero posee muy poca resistencia a la compresión en caliente y a los cambios bruscos de temperatura. Se emplea para reparar los revestimientos de las bóvedas acidas en los hornos eléctricos de arco y en los Martín-Siemens, para los lechos de las soleras de los mismos hornos y para las paredes y soleras que han de estar en contactos con escorias o fundentes enérgicos. La cromo-magnesita (15-50% Cr 2 O 3 ) se comporta mejor que los ladrillos de cromita en los ensayos bajo cargas de 2 Kg/cm2 A elevadas temperaturas se emplea en las paredes de los hornos Siemens y eléctricos y en las bóvedas suspendidas de los hornos Siemens porque resisten mejor los cambios de temperaturas que los ladrillos de magnesita. 12

16 Materiales Refractarios Los ladrillos de cromo-magnesita tienen mejor aceptación que los de cromita por tener mejor resistencia a las escorias y al descascarado y mejor comportamiento a elevadas temperaturas bajo carga. El grafito es un refractario de comportamiento neutro, soporta temperaturas hasta de 1800 C y es sensible a las variaciones de temperatura, pero debe estar en ambientes cerrados y que contengan óxidos de carbono para evitar su combustión. Se emplean para fabricar crisoles en la fusión de metales, en electrodos de hornos eléctricos, piqueras de colada y en el crisol del alto horno. El carborundo o carburo de silicio, tiene una elevada conductividad térmica y gran insensibilidad a las variaciones de temperatura. Se fabrican piezas especiales y se mezclan a veces con grafito para la fabricación de crisoles. Los refractarios aislantes son ladrillos porosos y de poco peso con una conductividad térmica mucho menor que los refractarios comunes y una capacidad de retención del calor, superior a cualquier refractario de composición similar. Los ladrillos aislantes se usan en la parte posterior de otros ladrillos de alta refractariedad y alta conductividad térmica, aunque en algunas oportunidades se pueden emplear directamente como revestimiento de trabajo si no hay abrasión, ataque de escoria o contacto con líquidos. Las principales ventajas en el uso de aislante son la economía en el combustible y la disminución en el tamaño y peso del revestimiento del horno Refractarios especiales. Existen otros materiales cerámicos que se utilizan en aplicaciones refractarias mas bien especiales. Algunos de ellos son el óxidos de relativamente alta pureza, muchos de los cuales pueden producirse con poca porosidad. En este grupo se encuentra la alúmina, sílice, magnesia, oxidó de berilio (BeO). Circona (ZrO 2 ) y mullita (3Al 2 O 3 2SiO 2 ). Otros refractarios son compuestos de carburos, además de carbono y grafito. 13

17 Materiales Refractarios El carburo de silicio (SiC) ha sido utilizado para resistencias eléctricas de calefactores, como material de crisoles y en componentes internos de hornos. El carbono y el grafito son muy refractarios, pero encuentran limitadas aplicaciones debido a que son susceptibles ala oxidación a temperaturas superiores a 800ºC. Tal como cabria de esperar, estos refractarios especiales son relativamente caros. Hoy en día todos estos tipos de refractarios se presentan en diferentes formas: Los refractarios son fundamentalmente materiales capaces de resistir altas temperaturas sin fundirse. Pero no solo eso, además deben poseer una resistencia mecánica elevada a dichas temperaturas para poder resistir sin deformarse su propio peso y el de los materiales que están en contacto sobre ellos. Dependiendo de las aplicaciones se les exigirán otras propiedades en mayor o menor grado, por ejemplo, la estabilidad química frente a los metales fundidos, las escorias, el vidrio fundido, los gases y vapores, etc. y resistencia a los cambios bruscos de temperatura (Choque térmico). Por ejemplo, los materiales refractarios destinados a la realización de chimeneas industriales (Centrales térmicas, petroquímicas, etc.) ha de exigírseles una resistencia elevada al ataque de los ácidos, particularmente al ácido sulfúrico (H2SO4), ante la posibilidad de la aparición de dicho ácido a partir del vapor de agua y del SO2 de los gases. Además de resistir esta combinación de severas condiciones, los materiales refractarios deben poder fabricarse en piezas de ciertas tolerancias dimensionales, manteniendo una constancia de características y propiedades y, naturalmente, lo más barato posibles y partiendo de materias primas fáciles de obtener. 14

18 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario Materiales Refractarios Ladrillo Refractarios: El ladrillo refractario tiene sus caras lisas, o bien puede tener relieves para facilitar su instalación, resiste bien las altas temperaturas y abrasión, es buen aislantes térmico. A) B) Fig. 1.- A,B. Ladrillos refractarios. Cemento refractario: Se presenta en forma de polvo en estado seco y puede ser denso o ligero. El concreto ligero forma parte del grupo de aislantes térmicos. Fig Sacos de Cemento refractario Mortero: Mezcla que resiste altas temperaturas, utilizado para unir ladrillos refractarios. La selección del mortero depende del tipo de ladrillo en composición y funcionamiento, para lograr edificar una estructura de horno hermética capaz de resistir las condiciones operativa 1 15

19 Materiales Refractarios 1.2.Ladrillo Refractario. Los ladrillos refractarios actualmente son empleados para revestir calderas, ollas de aceración, parrillas, hornos rotatorios de cementeras, por mencionar algunas, en donde estos deben estar adheridos uno con uno con tierra refractaria y para lograr mejorar la firmeza del pegado también se puede agregar cemento dándonos por resultado una mezcla que tendrá una apariencia barrosa; esta mezcla permite que el pegado en la tierra sea suficientemente resistente para los procesos. El manejo de estos ladrillos no es tan simple como manejar ladrillos comunes, debido a que por sus mismas propiedades reacciona de manera explosiva con otros materiales que no sean los correctos. Al igual que la tierra refractaria, los ladrillos refractarios además de cumplir con su función de refractar, son excelente contenedores de calor, es decir, mantienen el calor al que son expuestos durante sus diferentes usos. De las peculiaridades de este tipo de material es que son fabricados en calidades variadas, dependiendo de la concentración de alúmina y en base a esta concentración el ladrillo resiste mayores temperaturas o puede ser usado para distintos medios. Las concentraciones van desde el 36% hasta el 99% de Alúmina aunque también se puede emplear sílice. Principalmente cuando se quiere recubrir hornos destinados para la fundición de acero, el tipo de ladrillo empleado es el de dióxido de sílice, en algunos casos cuando los ladrillos comienzan a licuarse estos trabajan con temperaturas superiores 3000 F (1650 ºC).Para poder crear estos ladrillos es necesario que sus componentes estén expuestos a bajas presiones y que sean a su vez, quemados a temperaturas muy altas. Las excepciones a este proceso son aquellos ladrillos que son químicamente ligados, o los que utilizan el alquitrán resina o gomo para permanecer aglutinados. 16

20 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario Materiales Refractarios Clasificacion Y Designación. Los ladrillos refractarios de alúmina - sílice se fabrican de varias combinaciones de materiales que contengan alúmina y sílice. Estos ladrillos pueden variar en su composición química desde casi 100 % de alúmina y poca sílice hasta casi 100 % de sílice y poca alúmina, por lo tanto es necesario establecer una clasificación basada en las propiedades físicas y análisis químico. El grupo de ladrillos Sílico aluminosos se clasifica en base a propiedades físicas puesto que la mayoría de los recubrimientos se hacen de sílice y alúmina. El segundo grupo de ladrillos de alta alúmina es clasificado originalmente en base al contenido de alúmina. La clasificación permite que aquellos materiales refractarios conocidos o grupo de productos similares de varios proveedores se encuentren agrupados en una norma y de manera consistente. Los ladrillos refractarios utilizados son de dos tipos dependiendo del contenido de arcilla con sílices o alúminas. Las propiedades de estos compuestos permiten que el ladrillo soporte estar a grandes temperaturas. Aunque el comportamiento de cada uno es muy propio del material. Ladrillos Refractarios con Alto Contenido en Alúmina. El coeficiente de dilatación térmica de este tipo de ladrillos es muy bajo, gracias a esta propiedad los ladrillos están preparados para soportar elevadas temperaturas, sin presentar algún tipo de deformación o dilatación que modifiquen el desempeño del ladrillo después de su enfriamiento. Como la arcilla necesaria para su fabricación es muy poca, y por el gran contenido de cara alúmina, en el mercado el precio de estos ladrillos es alto. 1 17

21 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario Materiales Refractarios Ladrillos Refractarios Con Alto Contenido De Sílice Al igual que los anteriores, estos ladrillos están diseñados para estar expuestos a altas temperaturas, sin embargo, cuando estos son sometidos a fases alternativas o continuas de calor a frío suelen dilatarse de manera considerable para su uso industrial. Y estos continuos cambios de temperatura, así como de forma, afectan el ladrillo de tal forma que este termina por desintegrarse. Este tipo de ladrillo es muy útil en zonas en donde las temperaturas a las que se expone son altas continuas. En las Normas Oficiales Mexicanas ( NOM) y las Normas (ASTM) Los ladrillos Sílico-aluminosos se dividen en los siguientes tipos de servicio: Bajo. LOW DUTY Medio. MEDIUM DUTY Alto. HIGH-DUTY Superior. SUPERDUTY Ladrillo tipo semi-sílice. SEMISÍLICA Ladrillo Refractario Aislante Y Denso Ladrillos Aislante (20% Aserrín y 80% arcilla). Los ladrillos aislantes son de dos tipos: los usados para apoyar ladrillos refractarios, y los que se usan en lugar de los ladrillos refractarios regulares. La mayoría de los ladrillos usados para apoyo se hacen de tierra de diatomáceas, naturalmente porosa, y los del segundo tipo, usualmente llamados refractarios de peso ligero, son de composición similar a los ladrillos pesados, y deben su poder aislante al método de manufactura. Para este tipo de ladrillo se mezcla el aserrín con la arcilla refractaria, para luego ser moldeada y cocida. En el horno, el aserrín se quema dejando un ladrillo ligero, sumamente poroso. 1 18

22 Materiales Refractarios Estos refractarios de peso ligero pueden usarse con seguridad para temperaturas de entre 1350 y 1600 O C, mientras que los ladrillos de tierra de diatomáceas no son adecuados para temperaturas superiores a 1100 O C en condiciones ordinarias. Los ladrillos refractarios aislantes se caracterizan por su baja densidad, la cual les confiere una baja conductividad térmica. Esta propiedad los hace óptimos para ser empleados en hornos industriales donde el ahorro energético es una importante condición de diseño. Los ladrillos aislantes se utilizan como respaldo de ladrillos densos de mayores refractariedad y conductividad térmica. Pueden emplearse como revestimiento de trabajo de hornos, pero únicamente cuando no están sometidos a la abrasión, corrosión o erosión por metales fundidos, escorias ó gases a altas velocidades.(anatolio Ernitz 1955). Ladrillo Refractario Denso (Ladrillo de alúmina). Los ladrillos de alúmina tienen gran aceptación industrial por ser económicos, presentan resistencias mecánicas elevadas aun en caliente, y pequeñas dilataciones, por lo que conservan su volumen, siendo poco sensibles a los cambios bruscos de temperatura; como inconvenientes se pueden señalar su mala conductividad térmica y su relativamente baja fusibilidad ( O C). Dentro de los ladrillos refractarios densos, tenemos dos variedades, de alta alúmina y de baja alúmina. Los ladrillos de baja alúmina o ladrillos de chamote (25% arcilla y 75% chamote), son ladrillos muy compactos, por lo que gozan de gran resistencia mecánica a la compresión y al choque, y químicamente a la acción de las escorias, pero con el inconveniente de su dilatabilidad que los hace sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Se emplean en la construcción de hogares, hornos de reverbero, hornos altos. Hornos de crisoles para acero fundido, cerámicos, vidrio, cal y cemento. 19

23 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario Materiales Refractarios Los ladrillos de alta Alúmina o de Bauxita (20% arcilla y 80% bauxita), son ladrillos que pueden soportar condiciones extraordinarias para las que no son adecuados los ladrillos más antiguos de arcilla refractaria. Los ladrillos de alta alúmina son prácticamente inertes al monóxido de carbono y no son desintegrados por atmosferas de gas natural a temperaturas hasta de 1000 O C. Este tipo de ladrillo se clasifica entre los súper refractarios, y los de casi pura alúmina (+97%). Los ladrillos de alta alúmina se emplean en la industria del cemento, en los refractarios de fábricas de papel y en las instalaciones de calderas modernas. También se usan en el recubrimiento de hornos para vidrio, de hornos calentados con petróleo y en alambiques de aceite de alta presión, etc. Las dimensiones de los ladrillos deben cumplir con la NMX-O La composición de los ladrillos refractarios de arcilla de alta calidad deben cumplir con los requerimientos de la tabla Tabla Composición Ladrillos Refractarios Aislantes y Densos. 1 20

24 Propiedades de los Refractario 2.-PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS Las propiedades que estos materiales presentan, van a estar en función de su composición química. La relación alúmina sílice y los contenidos de impurezas, tales como los óxidos de hierro y los álcalis presentes (Na 2 O y k 2 O) van a determinar las temperaturas de fusión y la resistencia al ataque químico de los gases de combustión, especialmente en presencia de monóxido de carbono, libre y derivados de la combustión del azufre. Las propiedades que estos materiales presentan, van a estar en función de su composición química. La relación alúmina sílice y los contenidos de impurezas, tales como los óxidos de hierro y los álcalis presentes (Na 2 O y k 2 O) van a determinar las temperaturas de fusión y la resistencia al ataque químico de los gases de combustión, especialmente en presencia de monóxido de carbono, libre y derivados de la combustión del azufre. Densidad aparente de un material a granel bulk density (ASTM C 134). *La densidad es la relación que hay entre el peso del refractario y el volumen. *La densidad se expresa en libras por pie cubico (pcf) o kilogramos por metro cubico (Kg/m3). *La densidad en los refractarios es una medida indirecta de su capacidad calorífica o su habilidad de acumular calor. Porosidad aparente Apparent Porosity (ASTM C 830). *La porosidad aparente también conocida como porosidad abierta es la medida de los poros que esta interconectados en la estructura del refractario. 21

25 Propiedades de los Refractario *La porosidad tiene efecto directo en la habilidad del refractario de resistir la penetración de metales, escorias, gases y vapores. Por otra parte a mayor porosidad, mayor efecto aislante del refractario ASTM C 704. *En muchas aplicaciones los refractarios son sometidos al impacto de piezas pesadas o al continuo paso de materiales sólidos como polvos y gases que los van erosionando. Para una mejor resistencia a estos efectos el material debe ser mecánicamente fuerte y tener una liga muy fuerte. Los ladrillos mas fuertes generalmente muestran mejor resistencia a la abrasión. *El módulo de ruptura y la resistencia a la compresión ofrecen el mejor indicador de la resistencia a la abrasión del refractario. Fuerza de trituración en frío Cold Crushing Strength (CCS) y Módulo de Ruptura Modulus of Rupture (MOR) de ladrillos y formas (ASTM C 133). *La compresión es uno de los parámetros mas usados para evaluar un refractario. *La determinación en frio no puede ser usada para predecir su comportamiento en servicio, pero nos da una buena idea de cómo desarrolló su liga durante su fabricación. *Los ladrillos mas fuertes generalmente muestran mejor resistencia a la abrasión- *El módulo de ruptura y la resistencia a la compresión ofrecen el mejor indicador de la resistencia a la abrasión del refractario. 22

26 Propiedades de los Refractario *La prueba de compresión en caliente es una medida de la capacidad del material de resistir los esfuerzos causados por la expansión térmica, los choques térmicos y en general los esfuerzos mecánicos a los que será sometido el refractario en operación. *La compresión en caliente también nos sirve de indicador de la resistencia del material a la erosión y corrosión por metales y escorias junto con otras propiedades como la mineralogía y la porosidad. El Modulo De Ruptura En Frio (Mor) *También es otra medida de la resistencia del material, solo que esta es aplicada transversalmente para medir su resistencia a la flexión. Ambas pruebas tienen versiones en frio y en caliente. *El módulo de ruptura y la resistencia a la compresión son descritas por la norma ASTM C 133. *La densidad, porosidad y resistencia a la compresión de los productos quemados dependen de muy variados factores, como la calidad de las materias primas, el tamaño de partícula y su empaquetamiento dentro de la estructura del material, la presión y la velocidad de prensado, la temperatura y el tiempo de quemado y la atmosferas del horno así como el tiempo y la velocidad de enfriamiento. *Las cualidades de los refractarios no pueden ser determinadas solamente por unas cuantas de sus propiedades sino mas bien de la correlación de todas sus propiedades..en el diagrama de fases que veremos mas adelante, podremos observar el comportamiento del sistema binario alúmina - sílice. 23

27 Propiedades de los Refractario A pesar del alto punto de fusión de la sílice de 1,713ºc, su uso como refractario esta poco extendido debido a las dificultades que presenta en su manejo, porque la sílice es muy sensible a los cambios de temperatura. A lo largo de su curva de calentamiento va presentando diferentes estructuras cristalinas que causan cambios de volumen importantes y que se traducen en cambios dimensionales que ocasionan un alto grado de dificultad en su uso y durante su fabricación, como se puede ver en el siguiente tabla. Tabla 2.1.-Densidad de Materiales y Condiciones de formación MODIFICACIONES DE SIO2 SISTEMA CRISTALINO DENSIDAD EN G/CM3 CONDICIONES DE FORMACIÓN Cuarzo trigonal 2,65 T < 573ºC Cuarzo hexagonal 2,53 T > 573ºC Tridimita monoclínico 2,27 T > 573ºC A < DE 870ºC Tridimita hexagonal 2,26 T > 870ºC Cristobalita tetragonal 2,32 Cristobalita cúbico 2,20 T > 1470ºC Coesita monoclínico 3,01 P > 20kbar Stishovita tetragonal 4,35 P > 80kbar Lechatelierita vidrio natural de sílice amorfo 2,20 relámpagos inciden en arena de puro cuarzo, impactos de meteoritos Ópalo (SiO 2 Aq) amorfo 2,1-2,2 24

28 Propiedades de los Refractario A) B) FIG A Y B Diagramas de fases de variaciones de sílice y alúmina. figura 2.1 de fases anterior se observan las variaciones que presentan las mezclas alúmina sílice. En la concentración de 5.5% de alúmina y 94.5% de sílice se presenta el punto eutéctico de este sistema con un punto de fusión de 1,595ºc. A partir de este punto las temperaturas de fusión se incrementan rápidamente hasta llegar a los 2,050ºc, punto de fusión de la alúmina pura. 25

29 Propiedades de los Refractario 2.1.Materia Prima De Los Refractarios. Las materias primas fundamentales de los refractarios sílico aluminosos son las arcillas, caolines y sus derivados calcinados, conocidos en el medio como grog, o simplemente calcinados. La arcilla químicamente está constituida por sílice SIO 2, alúmina Al 2 O 3 y H 2 O con impurezas como óxidos alcalinos, óxidos de fierro, cal, etc. La definición amplia puede ser la siguiente: "arcilla es un material hidratado que contiene una significativa porción de alúmina y sílice y muestra la propiedad de la plasticidad. Se conoce bajo el nombre de plasticidad, la facultad que posee un material mezclado con agua, de adquirir y conservar una forma determinada bajo la acción de una influencia Mecánica exterior, sin que se produzcan grietas o roturas después de haberse retirado la acción de la fuerza. Las arcillas plásticas por sus propiedades, se contraponen al caolín dado que poseen un mayor contenido en hierro, son más fusibles, más plásticas y su grano es más fino. Es por ello que se puede decir que son complementarias y a menudo se combinan para crear una arcilla más trabajable. Se trata de una arcilla secundaria, mezclada a menudo con capas de carbón y otros tipos de arcilla. Es altamente plástica y aunque no es tan pura como el caolín está relativamente libre de hierro y otras impurezas, cociéndose a un color gris claro o anteado claro debido a la presencia de material carbonoso. Éstas poseen un elevado grado de contracción, que puede llegar hasta a un 20%. En la fabricación de cerámica blanca, este tipo de arcilla se hace indispensable para aumentar la falta de plasticidad del caolín, aunque no puede añadirse más del 15% puesto que se traduciría en un color gris o anteado, disminuyendo así su traslucidez. 26

30 Propiedades de los Refractario Las Arcillas duras o magras son poco plásticas y tienen fracturas de forma concoidal. Los materiales refractarios arcillosos son una mezcla de arcillas plásticas, arcillas duras y caolines calcinados, cuyo contenido permite obtener ladrillos de baja refractariedad hasta los súper refractarios de alta temperatura, dependiendo de la composición y proporción de arcilla, caolín y calcinados que compongan la mezcla. El caolín presenta la siguiente composición química: SIO % Al 2 O % En el caso de arcillas caolíníticas naturales, en que el caolín representa un 96% del total la composición viene a ser la siguiente: SIO % % Al 2 O % % TiO % % Fe 2 O % % CaO 0.40 % % MgO 0.40 % % K 2 O 0.10 % % Na 2 O 0.10 % % Las arcillas muy refractarias funden o se ablandan entre 1,745ºc a 1,770º c muchas veces tienen porcentajes de Al 2 O 3 superiores, pues están mezcladas con gibsitas (Al(OH) 3 ), residuos bauxíticos, y otros minerales aluminosos, en cuyo caso no se consideran impurezas desde el punto de vista refractario. También debe considerarse la arcilla y caolines calcinados, proveniente de caolín o arcilla calcinados previamente que se agregar los refractarios para controlar la contracción de la arcilla cruda durante el proceso de quema. 27

31 Propiedades de los Refractario Su granulometría y la cantidad agregada a la mezcla puede graduarse, dependiendo de ello la porosidad del material terminado, su peso específico, su expansión térmica, resistencia al choque térmico, etc. La cantidad de calcinado a agregar dependerá de la plasticidad de las arcillas crudas que se utilicen. El porcentaje varía desde 25 a 90%. Debido a que las arcillas, caolines y otros minerales refractarios de origen arcilloso, se han formado por la sedimentación de sus componentes, encontramos que no hay dos mantos de estas materias primas que sean iguales. Incluso dentro del mismo manto se encuentran diferencias, según la zona en que se tome la muestra y también dependiendo de la profundidad de la misma. Esto no afecta la refractabilidad de la mezcla ni la calidad del producto, aunque si presenta diferencias en los análisis químicos de diferentes fabricantes para una calidad equivalente y en el correr del tiempo, diferencias en el mismo producto del mismo fabricante, en función de las variaciones naturales de la materia prima Como podemos ver en los diagramas de fase, la variación del punto de fusión, contra la composición, alúmina - sílice de los ladrillos a base de arcilla, varía entre los 1,800ºc y los 1,850ºc, muy por arriba de las temperaturas máximas recomendadas para estas calidades. A partir de contenidos del 50% ó más de alúmina, entramos al grupo de las calidades de alta alúmina y las materias primas van variando en función del incremento en la cantidad de alúmina. Entre el 50% y el 70% de alúmina se utilizan combinaciones de bauxitas, que tienen un contenido de alúmina entre el 85% y el 90% y grog de caolín o arcilla calcinado, mas arcilla cruda para obtener plasticidad en la mezcla y poder formar los refractarios. A medida que se aumenta la calidad con el contenido de alúmina, se disminuye la participación de los calcinados arcillosos y de arcillas crudas. 28

32 Propiedades de los Refractario Debido a que las bauxitas contienen un máximo de 90 a 92% de alúmina, para fabricar calidades con contenidos superiores, se requiere la participación de alúminas extraídas y procesadas a partir de bauxitas, mediante el proceso Bayer. Este proceso consiste en términos muy generales, de provocar la precipitación del hidróxido de aluminio a partir del óxido de aluminio presente en la bauxita. Este precipitado, se extrae mediante filtrado y concentración, se somete a múltiples lavados para eliminar la presencia de sodio, y posteriormente se calcina a mas de 1,750ºc para obtener el oxido de aluminio, prácticamente puro, < 99%, de alúmina. 2.2.Metodos De Fabricación Existen métodos de fabricación de materiales refractarios, que provienen de la industria de la cerámica, como son el vaciado, incluso el torneado de la arcilla para ollas y vasijas, el formado de piezas a mano, etc. Actualmente solo se utiliza de estos métodos el proceso de vaciado. Este se hace utilizando modelos de las piezas a fabricar, con los que se fabrican moldes que permiten producir réplicas de las piezas originales. Este método ha sido desplazado por la utilización de modernos sistemas de prensado, tanto mecánicos como hidráulicos, que tienen ventajas en cuanto a economía y productividad, pero que no necesariamente mejoran la calidad del producto, aunque si hacen una producción muy homogénea y de mejor acabado global. El proceso de vaciado, cuando se ha controlado la humedad de la mezcla y se lleva a cabo bajo riguroso control, permiten una unión entre partículas, que no es posible alcanzar con el prensado, por poderosa que sea la maquinaria. Finalmente y mediante el agregado de aditivos, se logran reacciones químicas que desarrollan ligas cerámicas que otorgan al refractario propiedades muy superiores a las del prensado. El gran inconveniente es la lentitud y costo del proceso. 29

33 Propiedades de los Refractario En 1887 el científico Kart Joseph Bayer desarrollo en Austria el proceso químico para la obtención de la alúmina concentrada en el mineral de bauxita. El proceso que se aplica en Bauxilum que permite la refinación de las menas de bauxita para la obtención de alúmina de grado metalúrgico, sigue el mismo principio del proceso Bayer, pero con nuevas tecnologías Fig. 2.2 Proceso Bayer de forma esquemática. 30

34 Propiedades de los Refractario Fig Molde preparado para ser vaciado. Como puede verse en la foto anterior, el vaciado es necesario para la fabricación de piezas que por su tamaño y forma no sería posible ni económico fabricar por métodos mecánicos, a menos que tuvieran un gran volumen de demanda Procesos de Fabricación de materiales refractarios. Procesos de conformado de productos refractarios por vía seca y vía húmeda, en general las materias primas que parte el proceso de fabricación de materiales refractarios son de origen natural y proceden directamente de mina. En la fabricación de refractarios especiales, y en el caso de la magnesia, cuyas reservas naturales son actualmente insuficientes, la materia prima procede en algunos de síntesis química (magnesia obtenida a partir del agua de mar y alúmina a partir de la bauxita).cuando se utilizan, en todo o en parte, materias de origen primario (naturales), es necesario realizar una serie de operaciones previas con el objeto de obtener una materia de calidad adecuada, que nos permita obtener un producto refractario cocido con las propiedades deseadas. Por ello y una vez extraída la materia prima natural de la mina o cantera, se procede a su lavado, con objeto de eliminar materias solubles que puedan actuar como posibles fundentes y que por tanto disminuirán las propiedades refractarias del producto a fabricar. 31

35 Propiedades de los Refractario En algunos casos es necesario realizar un proceso de concentración y posterior o paralelamente, una calcinación del producto, con el objeto de eliminar el CO 2 de los carbonatos o H 2 O de los hidratos presentes en la materia prima. Si no se realizara esta operación, dichas sustancias volátiles se evacuarían en el proceso de cocción de las piezas refractarias y provocarían la rotura de las mismas, con las consiguiera es pérdidas económicas. En ese sentido, se tiene la chamota que es el producto resultante de calcinar materiales arcillosos. La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y avanzados son manufacturados compactando polvos o partículas, en las formas adecuadas, que se calientan posteriormente a temperaturas suficientemente elevadas para enlazar las partículas entre si. Las etapas básicas para el procesado de cerámicas por aglomeración de partículas son: 1) preparación del material; 2) conformación o moldeado, 3) tratamiento térmico de secado (no siempre se requiere). 4)cocción por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas. 1.-Preparación de materiales. La mayoría de los productos cerámicos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas para estos productos varían dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza cerámica terminada. Las partículas y otros ingredientes, tales como aglutinantes y lubricantes, pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy "exigentes", tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillados y otros productos arcillosos es una práctica común mezclar los ingredientes con agua Para otros materiales cerámicos, las materias primas son partículas secas con aglutinantes y otros aditivos. 32

36 Propiedades de los Refractario Algunas veces se combinan ambos procesos húmedo y seco-. Por ejemplo, para producir un artículo cerámico con gran proporción de Al 2 O 3 que sea buen aislante, las partículas de materia prima se mezclan con agua y junto con un aglutinante de cera para formar una suspensión que posteriormente se atomiza y seca para obtener pequeñas partículas esféricas 2.-Conformación. La producción de cerámicos refractarios fabricados puede conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, aunque se usan también es un cierto grado los procesos de conformado en caliente. Compactación, moldeo en barbotina y extrusión son los métodos de modelado de cerámicos que se utilizan mas comúnmente Compactación La materia prima cerámica puede ser compactada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de una matriz para formar productos con una forma determinada Compactación en seco Este método se usa frecuentemente para productos refractarios (material de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. La compactación en seco se pude definir como un prensado uniaxial simultáneamente a la conformación de polvo granulado junto con pequeñas cantidades de agua y/o aglutinantes orgánicos en una matriz. 33

37 Propiedades de los Refractario Fig Compactación en seco sencillo y doble. Extrusión. Las secciones sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos se pueden producir por extrusión de estos materiales en estado plástico a través de una matriz de extrusión. Este método es de aplicación común en la producción de ladrillos refractarios, tuberías de alcantarillados, tejas, cerámicas técnicas, aislantes eléctricos, etc. Las cerámicas especiales de aplicación técnica casi siempre se fabrican utilizando un pistón de extrusión de alta presión de manera que puedan conseguirse tolerancias precisas. 34