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

38 Elaboración Colocación del l Concreto Refractario Propiedades de los s Refractario A) B) Fig A) esquematización de extrusión B) Imagen real de la extrusión 35

39 Propiedades de los Refractario 4.-Cocción por Calentamiento de la Pieza de Cerámica En la imagen 2.6 podemos observar el proceso que sigue un concreto durante su secado curado y quemado. En la primera imagen se ven los granos separados por la porosidad que se encuentra saturada de agua. Un concreto típico denso llega a contener hasta el 10% de su peso en agua, en otras palabras, en una instalación promedio de unas 20 toneladas es necesario evaporar 2 toneladas de agua. Debido a que esta se encuentra atrapada entre los granos del concreto y en la porosidad propio de los granos, las rutas de escape de que dispone son muy pequeñas, tipo capilar, por lo que es necesario proceder a un calentamiento muy lento para evitar que se presenten bolsas de vapor que lleguen a estallar debido a la presión de vapor. Una vez extraída la humedad, al continuar incrementándose la temperatura, las partículas cerámicas, comienzan a desarrollar un proceso llamado sinterización. Este es un fenómeno físico que se presenta en la mayoría de los materiales que se encuentran en partículas muy pequeñas, sujetas a la acción del calor, y que consiste en la formación de una fase líquida en su superficie, similar a lo que sucede con el hielo, que va a permitir que los granos se comiencen a unir y combinarse entre ellos. A medida que la temperatura alcanza los 1,000ºc este proceso se intensifica y comienza a desarrollarse lo que en el lenguaje de la cerámica se conoce como liga cerámica, que en el caso de los concretos, sustituye a la liga hidráulica del cemento, ya que a esta temperatura el agua libre y el agua combinada han desaparecido. Este proceso continúa mientras la temperatura se incremente o se sostenga. A mayor temperatura, mayor liga cerámica. El inconveniente mayor de este proceso, es que ocasiona contracciones debido a que se cierran los espacios abiertos entre granos. 36

40 Elaboración Colocación del l Concreto Refractario Propiedades de los Refractario Este fenómeno de la deshidratación de los concretos, se puede ver en las pruebas de resistencia mecánica que están en las normas ASTM y NOM, ya que se marcan módulos de ruptura a de muestras secas a110º quemadas a 550ºc y 850ºc y se observa una curva de caída del módulo de ruptura a medida que se pierde la liga hidráulica. A partir de los 1,100º, esta curva se recupera y llega a rebasar los módulos originales de vaciado. Es necesario estar consciente de que en el primer calentamiento de una instalación con concreto refractario, se esta llevando a cabo una transformación completa del mismo. La cerámica y los refractarios, tratan sobre la ciencia de las reacciones químicas en estado sólido, reacciones muy lentas, que pocas veces se completan y que dan origen a nuevas estructuras cristalinas. Fig Secado, Curado y Quemado del concreto refractaio. 37

41 Propiedades de los Refractario Los concretos refractarios se dividen en dos grandes grupos. Los concretos densos y los concretos ligeros o aislantes. Ambas divisiones están sujetas a la clasificación general de los refractarios de: Sílico aluminosos y alta alúmina Considerando los de alta alúmina como mayores a 50% de Al 2 O 3 Concretos sílico aluminosos Densos Las materias primas que se utilizan en su elaboración, son las comúnmente usadas en la fabricación de ladrillos y piezas especiales, excepto que no interviene en su fabricación las arcillas y caolines sin calcinar. Todos los componentes de los concretos van en forma calcinada, con el fin de disminuir la cantidad de agua requerida para su vaciado y así controlar la contracción que se presenta durante el secado. El cemento que se utiliza es completamente diferente del cemento portland usado en construcción, ya que su componente reactivo es el aluminato de calcio y no el silicato de calcio que reacciona en el clinker para formar el cemento hidráulico usado en construcción La distribución del tamaño de grano, la proporción de cemento refractario, el cuidado en el control de calidad de los agregados calcinados, se traducen en la mejor o peor calidad de los concretos. Existen además una serie de aditivos de carácter orgánico, que son auxiliares en la mejora del proceso de humectación y en el control del tiempo de fraguado. Dependiendo de las habilidades del fabricante se pueden fabricar concretos para cada caso en particular. Concretos sílico aluminosos Ligeros Estos concretos se fabrican, utilizando las mismas materias primas que para los concretos densos, es decir calcinados de arcilla, caolines, etc., tratando de que estos tengan la menor densidad posible, y un agregado ligero, típicamente perlita, que es una sílice de origen volcánico, de muy baja densidad. 38

42 Propiedades de los Refractario También se utiliza la vermiculita expandida para algunos concretos del tipo conocido como lhv, y en los concretos de muy alta alúmina, para condiciones extremas de operación y alta temperatura se utiliza la alúmina tipo burbuja. Concretos sílico aluminosos Densos y ligeros de bajo cemento. Ambos tipos de concretos se fabrican en la versión llamada de bajo cemento. Al disminuir la participación de cemento en la mezcla de los concretos, se obtienen ventajas adicionales en su calidad. La primera es la disminución del agua requerida para el vaciado del concreto, lo que minimiza la contracción y los tiempos de secado y curado. Por otro lado esta tecnología permite obtener concretos con propiedades mecánicas superiores a los convencionales. Tanto el módulo de ruptura como la resistencia a la compresión se ven incrementados, así como la refractabilidad de los concretos, ya que a menor cantidad de aluminato de calcio se tienen temperaturas mas altas de operación Concretos aluminosos de liga química En 1965 la empresa Resco Products Inc. De Norristown Pa. Patentó un concreto cuya base es la liga química a base de fosfatos de magnesio y aluminio, que presenta una alta resistencia a la abrasión y es de amplio uso en las plantas catalíticas de refinación. El proceso de fabricación y de preparación de los reactivos hacen de este, un producto caro, con aplicaciones limitadas, ya que los fosfatos forman una matriz amorfa, vítrea, de bajo punto de fusión, lo que limita su uso en otras aplicaciones. En el año 2002 la compañía Americana Stellar Materials Incorporated De Delray FL. Presento una patente de una gran familia de concretos refractarios, que reaccionan con ácido fosfórico para formar una liga similar a la de la patente de resco, pero con fosfatos de calcio. Se reacciona el cemento aluminoso refractario con el ácido fosfórico en lugar de agua, evitando de esta manera el proceso de secado. 39

43 Propiedades de los Refractario Adicionalmente el grupo de fosfatos formado en estos concretos presenta migraciones, lo que le permite tener una buena adherencia a refractarios existentes. Al igual que todos los fosfatos, sus temperaturas máximas de aplicación son limitadas, pero ha resultado muy útil en los casos de reparaciones urgentes, ya que no requiere largos ciclos de secado. Pruebas físicas y químicas Las pruebas mas importantes para determinar la calidad del refractario son las pruebas de resistencia mecánica de módulo de ruptura y resistencia a la compresión. Son representativas de la fortaleza de la liga cerámica, y de la buena calidad de los materiales utilizados en su fabricación, especialmente de los cementos refractarios, en el caso de los concretos. Ambas pruebas estan ampliamente normadas por ASTM y NOM, ASTM C y NMX-O

44 Habilitación del Concreto Refractario 3.HABILITACION DE CONCRETO REFRACTARIO Y MALLA HEXAGONAL EMPLEADOS COMO RECUBRIMIENTO. Los calentadores a fuego directo u hornos de proceso, son equipos que incluyen un número de dispositivos en los cuales se liberan grandes cantidades de calor por el quemado de combustibles fósiles, dentro de una cámara aislada con materiales refractarios, el cual es transferido a un fluido que está contenido en serpentín tubular, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus características químicas y físicas. Los materiales refractarios son instalados en la parte interna de la envolvente de los calentadores, con objeto de mantener la placa de acero a una temperatura razonable y protegerla contra la corrosión/erosión de los gases de combustión, así como, minimizar las pérdidas de calor a través de las paredes, las cuales actualmente se consideran como uno de los factores críticos en el éxito de los programas de ahorro eficiente de la energía, por las altas cantidades de calor que manejan estos equipos. El uso correcto de los materiales refractarios también genera seguridad y protección de la salud de los operadores de los calentadores a fuego directo y, crea un ambiente global de trabajo más confortable. 3.1.Alcance. Estas normas prácticas cubren los procedimientos para la selección, aplicación, curado, inspección y prueba de concretos refractarios y concretos aislantes usados como recubrimientos dentro de recipientes y tuberías. Así como el procedimiento de colocación y características de la malla hexagonal usada como refuerzo de estos concretos refractarios. 41

45 Habilitación del Concreto Refractario 3.2.Definiciones. En este procedimiento se tratarán 2 tipos de recubrimientos que son: Recubrimiento resistente a la erosión, que consiste en malla hexagonal colocada sobre la pared interior del recipiente o tubería por medio de soldadura y concreto refractario resistente a la erosión rellenando la malla. Recubrimiento de doble efecto, que consiste en una capa de concreto aislante colocada sobre la pared interior del recipiente o tubería, y otra capa de concreto refractario resistente a la erosión colocada sobre la primera, reforzada con malla hexagonal soportada por separadores. 3.3.Especificaciones. Los concretos refractarios usados en este procedimiento estarán regidos por las siguientes especificaciones: Materiales que contengan mezclas de silicato de calcio (cementos portland) no deberán emplearse para servicios de concreto refractarios ó concretos aislantes. Concretos que contengan mezclas de silicato de sodio o de potasio, no deberán usarse. Para concretos refractarios de alta resistencia a la erosión, de liga hidráulica el contenido mínimo por peso de Al 2 O 3 deberá ser de 93% y el contenido máximo por peso SiO 2 deberá ser 0.5%. Para concretos refractarios de mediana resistencia a la erosión, de liga hidráulica, deberán tener un contenido mínimo por peso de 40% de Al 2 O 3 y el contenido máximo de SiO 2 será 50%. Los concretos aislantes y concretos refractarios resistentes a la erosión deberán seleccionarse y especificarse para recubrimientos de doble efecto. Cualquier concreto que muestre signos de fraguado antes de su instalación debe ser rechazado. 42

46 Habilitación del Concreto Refractario Las propiedades físicas de los concretos deberán cumplir con lo sigue: Tabla No. 3. Concretos refractarios densos. Tabla No. 3.1 Concretos refractarios densos. De acuerdo con lo expuesto y con objeto de hacer la selección correspondiente, deberá tenerse la información que a continuación se enlista, de cualquier refractario que se emplee en estas normas prácticas; esta información deberá ser dada por el fabricante del concreto: *Resistencia a la compresión. (Módulo de ruptura). *Cambio lineal permanente máximo. *Peso específico del concreto seco y peso específico de concreto en la condición ya aplicado seco. 43

47 Habilitación del Concreto Refractario *Conductividad térmica en el concreto y en la condición ya aplicado, a las temperaturas de diseño, basadas en aire (factor K) Kelvin. *Relación de agua que debe ser usada. *Análisis químico. *Edad del material en la fecha de embarque. *Método de mezcla de componentes de materiales, embarcados por separado, cuando sea el caso. *Tipo de empaque para embarque. *Requerimientos necesarios para el almacenamiento. *Procedimientos de instalación. La especificación del material de la malla hexagonal estará determinada, de acuerdo con la temperatura máxima de operación a que estará expuesta, como se anota en la siguiente tabla: Temperatura máxima permisible. Tipo de especificación del Acero 594 ºC (1100 ºF) Acero al carbón ASTM-A ºC (1150 ºF) 11 4%Cr ASTM-A387 GrC 663 ºC (1225 ºF) 5% Cr ASTM-A ºC (1400 ºF) 12% Cr ASTM-A240Tp ºC (1600 ºF) 18 Cr, 8% Ni (Tipo 304) ASTM-A240Tp304 Tabla No 3.2 Especificación del material de la malla Hexagonal 44

48 Habilitación del Concreto Refractario La construcción de la malla hexagonal será a base de tiras de 19.1 mm. (3/4 ) de ancho, con espesor calibre 12 USS (2.68 mm.; ) cuando se trate de acero al carbono y espesor calibre 14 USS (1.90 mm.; ) cuando se trate otras aleaciones. Los hexágonos deberán medir aproximadamente mm. (1-7/8 ) entre lados paralelos. Las tiras para formar la malla estarán sujetas por medio de remaches o doble lengüeta de la misma tira debiendo quedar firmemente aseguradas. La malla deberá tener resistencia al doblez en la dirección de las tiras que forman la malla y deberá ser suficientemente rígida para no flexionarse entre puntos de sujeción a las paredes del recipiente o tubo por recubrir. Las tiras que forman la malla deberán tener perforaciones de 6.4 mm. (1/4 ) x 12.7 mm. (1/2 ) en los lados que forman el hexágono, para permitir el soporte del concreto; deberá preferirse la malla que además de las perforaciones tenga lengüetas. 3.4.Modo de Instalación de la Malla Hexagonal y Soportes. Antes de instalar la malla, deberá ser rolada en la dirección de mayor resistencia al doblez (o sea en la dirección de las tiras que forman la malla) para acomodarse en la pared interior del recipiente ó del tubo a recubrir, con objeto de rigidizar la colocación de la malla. La malla deberá instalarse en secciones tan grandes como sea posible. Cuando sea necesario instalar secciones irregulares, cada 465 cm2 (1/2 pie2) de la sección, deberá estar soldada a un separador ó la pared del equipo por recubrir y deberá soldarse a la malla adyacente como se indica en la figura 3, pudiéndose usarse pedazos de tira del mismo material para unir firmemente las secciones de malla. 45

49 Habilitación del Concreto Refractario A) B) Fig. 3. A)Soldadura entre secciones de malla Hexagonales. B) Ensamble de terminaciones laterales de malla hexagonal La junta longitudinal de secciones de la malla deberá hacerse de tal manera que se formen los hexágonos en la unión, evitándose el traslape longitudinal entre secciones. Deberá evitarse el hacer reparaciones, el colocar mallas de diferentes materiales al instalado para no tener problemas de fracturas en las soldaduras, debido a los diferentes coeficientes de dilatación de los materiales. Los soportes, separadores, tiras para terminaciones de la malla, barreras de vapor, etc., no deberán ser soldados sobre juntas circunferenciales o sobre juntas de transición de los recipientes o tubería. En recubrimientos resistentes a la erosión se deberán seguir los siguientes lineamientos: Cuando el recubrimiento sea de 19.1 mm. (3/4 ) de espesor, se colocará la malla hexagonal directamente a la pared del recipiente o tubería según se indica en el dibujo 2 por medio de cordones de soldadura de 4.8 mm. (3/16 ) de espesor y 19.1 mm. (3/4 ) de largo, espaciados como mínimo, según el arreglo mostrado en el propio dibujo 4.1. Cuando no sea posible llegar la malla a la pared del recipiente se deberán usar separadores del espesor adecuado 46

50 Habilitación del Concreto Refractario A) B) Fig.3.1 A) Colocación de malla hexagonal para recubrimiento de 19.1mm. (3/4 ) y detalle de terminación de brida. B) Malla hexagonal de 19.1 mm. (3/4 ) rellena de concreto refractario. Cuando el recubrimiento sea de 25.4 mm. (1 ) de espesor, la malla hexagonal se colocará sobre separadores hechos de placa de 6.4 mm. (1/4 ) de espesor, de forma cuadrada de 50.8 mm. (2 ) por lado; los cuales se sueldan a la pared del recipiente con dos cordones de 4.8 mm. (3/16 ) de espesor y 19.1 mm. (3/4 ) de largo como mínimo en lados opuestos. Los separadores se colocarán espaciados en arreglo cuadrado de cm. (6 ) por lado. Sobre los separadores fijados de acuerdo a lo anterior se suelda la malla hexagonal con cordones de 4.8 mm. (3/16 ) de espesor y 19.1 mm. (3/4 ), tal como se ilustra en la fig

51 Habilitación del Concreto Refractario A) B) Fig. 3.2 A) Colocación de recubrimiento de 25.4 mm. (1 ) con espaciadores y detalle de terminación desvanecida. B) Corte en planta del separador. En recubrimientos de doble efecto se deberán de seguir los siguientes lineamientos: Los separadores para este tipo de recubrimientos deberán ser del mismo material que la malla empleada y como se ilustra en el dibujo 3.3 se instalarán según el arreglo mostrado en este dibujo, sujetándose a la pared del recipiente o tubería por medio de 2 cordones de soldadura de 4.8 mm. (3/16 ) de espesor y 19.1 mm. (3/4 ) de largo, como mínimo en 2 caras opuestas de uno de los lados cuadrados. 48

52 Habilitación del Concreto Refractario Sobre el otro lado cuadrado del separador se deberá colocar la malla hexagonal soldándola con un cordón de soldadura de 4.8 mm. (3/16 ) de espesor y 19.1 mm. (3/4 ) de largo, como mínimo en dos tiras diferentes de la malla como se ilustra en el dibujo 3.3 La altura de los separadores será la requerida, según el diseño específico del recubrimiento. A) B) Fig.3.3 A) Corte en planta, B) Corte en elevación. 49

53 Habilitación del Concreto Refractario Cuando el recubrimiento remate en una intersección con un elemento como una rejilla o criba, la malla deberá ser soportada con separadores adicionales, colocados a 76.2 mm. (3 ) de la terminación del recubrimiento. Los registros para hombre y boquillas recubiertas se harán según se especifica en el dibujo 3.4 y 3.5 Fig. 3.4 Detalle de boquilla. Fig. 3.5 Detalle de registro para Hombre o Boquilla. 50

54 Habilitación del Concreto Refractario Cuando exista la necesidad de que un miembro estructural atraviese el recubrimiento se deberá proceder como se especifica en el dibujo 4.6 Fig. 3.6 Colocación de malla sobre un miembro estructural. La barreras de vapor deberán ser soldadas continuamente a la pared del recipiente o de la tubería con un cordón sencillo de 4.8 mm. (3/16 ) a todo lo largo de la barrera por uno de su lados. En caso de obstrucciones para la colocación de la barrera, ésta deberá rodear las obstrucciones o se soldará a ellas teniendo cuidado de que quede un sello efectivo al paso de los gases. 3.5.Técnicas De Aplicación. *Los lineamientos que se darán para la aplicación de los recubrimientos, servirán tanto para nuevas instalaciones como para reparaciones. *Deberá quitarse todo el óxido y material descarado en las áreas donde serán soldados los separadores, tiras de terminación, malla, barreras de vapor, etc., procediéndose de acuerdo a la siguiente secuela de instalación. 51

55 Habilitación del Concreto Refractario *Colocación de la barreras de vapor necesarias si es que el servicio lo requiere. *Colocación de los separadores de acuerdo a lo especificado anteriormente probando la solidez de estos por medio de golpes con martillo; para el caso de recubrimiento resistente a la erosión sin separadores, se colocará en este paso la malla hexagonal. A) B) Fig. 3.7 Colocación de separadores. *Colocación del refractario aislante de tal manera que las caras cuadradas de los separadores queden libres y que la capa de refractario no quede más abajo de 6.4 mm. (1/4 ) de las mismas caras, entre separadores y no más abajo de 1.6 mm. (1/16 ) junto a los separadores. *Cualquier área defectuosa después del curado deberá retirarse llegando hasta la pared del recipiente o línea hasta encontrar material sano en los lados, procediendo a instalar nuevo refractario aislante. *Colocación de la malla hexagonal soldándola a las caras cuadradas de los separadores y a las terminaciones y transiciones. Aplicación del refractario resistente a la erosión rellenando la malla hexagonal y el exceso debe ser retacado en los hexágonos y no deberá alisarse al ras de la malla. 52

56 Habilitación del Concreto Refractario En los recubrimientos de doble efecto, deberá humedecerse perfectamente la capa de concreto aislante previo a la instalación del concreto refractario resistente a la erosión. *Si se encuentran áreas defectuosas deberán ser movidas hasta llegar al concreto aislante o hasta la pared del equipo, según se trate, y se colocará concreto nuevo. Cuando se instalen concretos refractarios y concretos aislantes en tramos de tuberías o secciones de recipientes que posteriormente se ensamblen, se deberá dejar una franja de mm. (4 ) sin recubrimiento, en donde se harán las juntas de ensamblado; el recubrimiento en estas áreas se hará posterior al ensamble. *En la instalación de los concretos debe tenerse especial cuidado con la relación de agua especificada por el fabricante. A) B) Fig. 3.8 Aplicación del concreto refractario. 3.6.Curado Y Secado. *El curado de los concretos refractarios se hará por medio de un rocío intermitente con agua, sobre la superficie del concreto durante 24 horas, después de que el concreto ha alcanzado su fraguado inicial; usando para esto un esparcidor fino. En la mayoría de los casos los concretos aislantes no requieren curado (a menos que el fabricante especifique uno particular). 53

57 Habilitación del Concreto Refractario *Como una alternativa del método de curado con agua se emplea una membrana selladora, que se aplica a la superficie terminada del concreto refractario, inmediatamente después que éste ha alcanzado su fraguado inicial, evitando así las pérdidas de humedad por evaporación. *Durante la colocación del concreto refractario y 24 horas después, la temperatura de la pared del recipiente o tubería y el área cercana a donde se aplique el concreto, deberá mantenerse entre 15.5 y 32ºC (60 y 90ºF); excepto cuando el fabricante del concreto especifique curarse a otras temperaturas. *Los recipientes y las tuberías que han sido recubiertas por método aquí descritos podrán ser llenados con agua para efectuar pruebas hidrostática ó para lavado, después de 24 horas de terminada su instalación. *Para el secado de concretos refractarios y concretos aislantes después de su instalación y curado; así como el secado de concretos ya instalados que fueron humedecidos, deberán seguirse los pasos que a continuación se enlistan, respetándose además cualquier indicación en particular que especifique el fabricante del concreto. *El secado se hará circulando dentro del recipiente o tubería aire o gases calientes. *El incremento de la temperatura deberá ser tal que ninguna parte del recubrimiento expuesta a los gases calientes aumente su temperatura en más de 20ºC (68ºF) por hora. 54

58 Habilitación del Concreto Refractario Al alcanzar la temperatura de 120ºC (248ºF) ésta deberá mantenerse por un lapso mínimo de una hora por cada 25.4 mm. (1 ) de espesor de concreto, después de esto se continuará el aumento de temperatura, respetándose el incremento máximo estipulado anteriormente y nuevamente se mantendrá una temperatura constante al alcanzar 260ºC (500ºF) por un lapso mínimo igual al indicado antes, procediéndose a continuar el aumento de temperatura hasta comprobar que todas las partes del concreto han sido expuestas a una temperatura del 75% de la temperatura del trabajo durante 1 hora por cada 25.4 mm. (1 ) de espesor del recubrimiento; este programa se ilustra en la figura 3.9 para un espesor de recubrimiento de 127 mm. (5 ) y 640ºC (1184ºF) de temperatura de trabajo. Fig. 3.9 Programa de secado para recubrimiento de 127mm. (5 ) de espesor 640ºc (1184ºF) de temperatura de trabajo. *Este programa es para espesores de 9 pulgadas (229 mm.) o menores. Para espesores mayores, es aconsejable un calentamiento a menor velocidad, y debe basarse en el diseño del recubrimiento refractario de cada caso en particular. 55

59 Habilitación del Concreto Refractario *Las temperaturas referidas son las temperaturas de los gases calientes en contacto con el concreto refractario, no debiéndose considerar las temperaturas del concreto mismo. Un termopar colocado alrededor de 12.7 mm. (1/2 ) de distancia de la superficie de concreto, proporciona un buen medio de medida de la temperatura. *La temperatura que rige el secado, será la temperatura del indicador que marque más, para evitar sobrecalentamientos localizados. *Al enfriar los equipos que tengan refractario se deben evitar los cambios bruscos de temperatura. En general se debe bajar la temperatura con gradientes similares al secado, recomendándose un gradiente máximo de 50ºC/hora. *Una forma práctica de comprobar el secado del refractario es cuando en la pared exterior del recipiente o tubería se mantenga una temperatura de 79.5ºC (175ºF) durante un lapso de 6 horas. En procesos donde sea necesario un secado completo del recubrimiento, tales como proceso con hidrógeno donde el agua es un veneno para los catalizadores que se emplean, el secado se considera completo cuando en varios puntos de medición, la temperatura de la pared exterior del recipiente o tubería se mantenga a una temperatura mínima de 105ºC (220ºF) durante 12 horas. *Cuando se emplean aislamientos en la parte exterior de la tubería o recipiente, con objeto de ayudar al secado del refractario, deberá controlarse la temperatura de la pared del recipiente o tubería para que no exceda de 121ºC (250ºF). 56

60 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario Inspección y Prueba 4.INSPECCION Y PRUEBA *Se deberá efectuar una inspección por medio de golpeo utilizando para esto un martillo de bola de 453 gr. (1 lb), en localizaciones separadas 30.5 cm. (12 ) sobre la totalidad de la superficie después del curado, en cada capa de concreto que lleva refuerzo se hará este golpeteo después del secado. Cuando al golpear el refractario se escuche un sonido hueco es indicador de espacios vacíos. Cuando estos espacios vacíos o áreas de sonido hueco sean mayores de 15 x 15 (6 x 6 ) se considerarán defectuosas y deberán ser separadas por medio de los procedimientos enunciados en esta especificación. *Se deberá hacer una inspección visual al recubrimiento después del secado. Cuando existan grietas al azar de menos de 1.6 mm. (1/16 ) de ancho separadas unas de otras 30.5 cm. (12 ) o más se consideran normales. Las áreas con grietas de 3.2 mm. (1/8 ) o más se considerarán defectuosas, debiéndose reparar de acuerdo a los procedimientos antes anotados. *Al llegar el material al sitio de instalación se sacarán muestras haciéndose el fraguado y las pruebas que aquí se describen, debiendo tenerse los resultados antes de que se instale el concreto. Cuando estas pruebas se realicen con más de 3 meses de anticipación a la instalación del concreto, las pruebas de resistencia a la compresión deberán ser repetidas y sus resultados reportados antes de la instalación del concreto. *Cuando los materiales sean surtidos en varios lotes, es necesario que las muestras, pruebas y los resultados se hagan independientemente por cada lote. Prueba de tablero, consiste en hacer un tablero de 1 x 1 m (40 x 40 ) precisamente en la forma y posición en que se va a colocar el recubrimiento y de preferencia deberán hacerlo los operarios que se emplearán en la colocación del recubrimiento. 57

61 Inspección y Prueba A este tablero se le hará una prueba de golpeo después del curado especificado en 6.1. El resultado positivo de esta prueba indicará que el concreto está en buen estado y los procedimientos son los adecuados. *Prueba de peso específico utilizando el tablero descrito en (7.5) se empleará en concretos aislantes y consiste en pesar el tablero antes de la aplicación del concreto, secándolo durante 18 horas a 105ºC (220ºF). La diferencia en peso y el volumen del concreto darán el peso específico. *Las pruebas antes descritas se deberán hacer como mínimo una vez por cada lote. 4.1 Pruebas De Laboratorio. *Cuando el caso lo amerite de acuerdo al criterio del personal responsable de la aplicación del concreto refractario, se harán las pruebas de laboratorio que a continuación se describen. *Durante la ejecución de las pruebas anteriores, deberán tomarse tres muestras de 50.8 mm. x 50.8 mm. x 50.8 mm. (2 x 2 x 2 ) para la prueba de resistencia a la compresión y una de 50.8 mm x 50.8 m. x mm. (2 x 2 x 9 ) para la prueba de cambio lineal permanente. A) B) Fig. 4.1 A, B. Prueba del concreto refractario 58

62 Inspección y Prueba *La preparación del concreto para las muestras debe hacerse con agua limpia a una temperatura de 15.5 a 25ºC (60 a 75ºF), usando la relación especificada por el fabricante. El vaciado de las muestras debe hacerse en moldes de metal, compactado perfectamente el concreto por medio de llama. *El curado, secado y calentamiento de las muestras se hará primero, cubriendo la parte de concreto de los moldes con una membrana selladora y calentando a una temperatura de 21o a 31ºC (70o a 85ºF) por un lapso de 24 horas. Después se secarán las muestras de los moldes y se curarán otras 24 horas a la misma temperatura anterior, en seguida se secarán por espacio de 18 horas a una temperatura de 105º a 110ºC (220 a 230ºF). Finalmente se calentarán las muestras a razón de 538ºC (1000ºF) por hora hasta 815ºC (1500ºF) y se mantendrán en esta temperatura un lapso de 5 horas, enfriándolas después hasta la temperatura ambiente a razón de 66ºC (150ºF) por hora. Fig. 4.2 Típicos especímenes de Refractario *En la prueba de resistencia a la compresión la cabeza de carga de la máquina de prueba deberá tener el dado esférico de acuerdo a la especificación ASTM-C133. *La carga deberá ser aplicada a las superficies de la muestra que son perpendiculares a la dirección del colado. Una plantilla de cartón de 1.6 mm. (1/16 ) de espesor mínimo deberá ser colocada entre la superficie de la máquina y la de la muestra. La sensibilidad mínima de la máquina y la máxima relación de la aplicación de carga será como sigue: 59

63 Elaboración y Colocación del Concreto Refractario Inspección y Prueba *Para concretos aislantes ligeros, Kg (25 lb) por división y 17.6 Kg/cm2 (2.50 lb/plg2) / min. respectivamente. *Para concretos aislantes medianos, 45.5 Kg (100 lb) por división y 21.1 Kg/cm2 (300 lb/plg2) / min. respectivamente. *Para concretos refractarios, 227 Kg (500 lb/plg2) por división y 1.27 Kg/cm2 (1800 lb/plg2) / min. respectivamente. Fig. 4.3 Prueba a la Compresión *La prueba del porcentaje de cambio lineal permanente se hace midiendo la longitud de la muestra a temperatura ambiente en la dimensión de mm. (9 ), inmediatamente después del secado y otra vez después del calentamiento. *Se reporta el porcentaje del cambio lineal tomando como base la longitud medida después del secado. *La prueba de densidad se hace, pesando las muestras después del secado hasta una aproximación de Kg y se reporta la densidad en Kg/cm

64 CONCLUCIONES En esta investigación se encontró información necesaria para saber los tipos de concretos refractarios existen de acuerdo a su composición química, asi mismo esta investigación se tuvo como objetivo 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. De igual manera se dio a conocer los objetivos generales que fueron: Conocer los Tipos de concretos refractarios. Describir las propiedades y caracteristicas que estos materiales presentan deacuerdo a su composicion quimica. 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. Todos estos objetivos se cumplieron gracias a la información obtenida durante la investigación que se analizo. De esta manera el trabajo de investigación permite saber las siguientes conclusiones. Las materias primas de que parte el proceso de fabricación de materiales refractarios son de origen natural y proceden directamente de mina El propósito de cualquier concreto refractario Es conocer la propiedad del material, el cual se empleara de acuerdo a sus agregados y su índice de porcentaje de silicio y alúmina, esto dependerá de que tan alto se requiere su resistencia. Los aditamentos como se vio en los temas anteriores se seleccionaran de acuerdo a que tipo de hornos o calentadores se este trabajando ya que existen diferentes 61

65 tipos de hornos en la industria del petróleo y cada uno de ellos llevan sus especificaciones y sus aditamentos especiales así como también las normas que lo rigen. Así también para realizar la habilitación de un horno de fuego directo es necesario contar con unas pruebas de laboratorio que indican si el concreto refractario que tiene buena resistencia a la compresión al igual que la malla hexagonal que deberá estar bien anclada para una mayor adherencia del concreto al equipo. La habilitación del concreto refractario y la malla hexagonal empleados como recubrimiento para altas temperatura se llego con el objetivo deseado que es el tema principal del trabajo de investigación. Como se podrá ver y como se menciona con anterioridad el concreto refractario juega un papel muy importante en la industria y es una serie de componentes de la que se encuentra constituida desde los anteriores mencionados. 62

66 BIBLIOGRAFÍA. Anatolio Ernitz (2000) Manual de Aislación Térmica Edit. ALSINA William D. Callister, Jr. (2007) Ciencia e Ingeniería de los Materiales Edit. REVERTE Walter H. Duda (2003) Cement Data Book Edit. REVERTE American Society for Testing and Materiales. Anual Book of ASTM Estándar

67 GLOSARIO Chamole. Es el material de rotura que se produce en el proceso de fabricación de ladrillos y derivados de arcilla Concoidal. Se suele utilizar este término para determinar algunas fracturas de minerales que adoptan esta forma; el vidrio es un ejemplo de este tipo de formas cuando se rompe por un impacto. El caolín o caolinita, es una arcilla blanca muy pura que se utiliza para la fabricación de porcelanas y de aprestos para almidonar. La gibsita. es un mineral que se encuentra en suelos altamente meteorizados tales como Ultisoles y Oxisoles, y en circunstancias especiales, en Inceptisoles y Andisoles. La chamota. es un material cerámico, es decir, cerámica cocida, molida y reducida a granos según distintas clasificaciones. Barbotina es una mezcla de agua y arcilla o frita cerámica pulverizada, utilizada en cerámica sobre todo. 64