RESULTADOS PARTE EXPERIMENTAL

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1 LADRILLO REFRACTARIO AISLANTE - MAXIMIZACIÓN DE LOS AHORROS ENERGÉTICOS MEDIANTE SELECCIÓN DEL PRODUCTO Dr Andy Wynn de Thermal Ceramics UK Ltd, Bromborough, R.U. Dr Massimiliano Marchetti & Ermanno Magni de Thermal Ceramics Italiana s.r.l., Casalpusterlengo, Italia RESUMEN Los ladrillos refractarios aislantes (IFB) son productos bien establecidos para resolver muchos problemas de recipientes a alta temperatura en industrias que van de los hornos de producción cerámica a los ánodos para aluminio primario. Los precios volátiles de la energía de los últimos años han aumentado la importancia de maximizar los ahorros energéticos en estas industrias. A fin de optimizar esos ahorros de energía, los diseñadores de hornos necesitan saber qué productos de IFB proporcionan las mínimas pérdidas de energía. El objetivo de este trabajo es cuantificar las diferencias en rendimiento que pueden conseguirse estudiando una amplia gama de IFB disponibles actualmente en el mercado. Esto se consigue mediante mediciones en laboratorio de las pérdidas de energía desde conjuntos estándar de horno construidos con diversos ladrillos de prueba. Ya que los distintos proveedores fabrican los IFB con técnicas diferentes (moldeo, slinger, extrusión. espumado, prensado), las microestructuras de los ladrillos producidas pueden ser muy diferentes, dando lugar a una gran variedad de conductividades térmicas en el mercado dentro de la misma clase de producto. Esto, a su vez, conduce a una enorme variación en la capacidad de los diferentes tipos de IFB para controlar las pérdidas de energía desde el horno. Este trabajo demuestra que los IFB pueden presentar hasta un 37% de diferencia en el ahorro energético que puede conseguirse, dependiendo de su método de fabricación. El trabajo presenta también otras consecuencias del método de fabricación sobre el rendimiento en términos de velocidades de calentamiento y enfriamiento y de reducción en las emisiones de CO 2. ANTECEDENTES Métodos de fabricación de IFB En la Tabla 1 muestra las propiedades físicas de cuatro IFB del grupo 23 disponibles en el mercado, que representan los principales procesos de producción usados por los fabricantes. El de moldeo usa mortero de yeso como medio de secado rápido para una mezcla de arcilla con alto contenido en agua que contiene algunos aditivos quemados adicionales. El proceso slinger es una forma de extrusión a baja presión de una mezcla húmeda de arcilla, con el paso adicional de que el material semi-extruido se lanza a una cinta continua para generar una porosidad adicional antes del secado y cochura. El proceso de extrusión fuerza una mezcla húmeda de arcilla que contiene aditivos quemados a través de una boquilla de extrusión, donde el extrusionado se corta en ladrillos, se seca y se cuece. El proceso de cementado es una forma de moldeo usando cemento en lugar de mortero, lo que conduce a una solidificación mucho más lenta. Más detalles sobre estos procedimientos de fabricación se encontrarán en la bibliografía [1]. Los datos de densidad indicados en la Tabla 1 son la media de las medidas registradas en 6 ladrillos seleccionados aleatoriamente en un lote más grande del producto. El resto de los datos de las propiedades físicas son por lo general medias de tres mediciones, mientras que los datos de conductividad térmica de la Fig. 1 se miden en una muestra tomada de modo aleatorio del lote. Tabla 1: Propiedades físicas de IFB del grupo 23 Proceso de fabricación Moldeo Slinger Extrusión Cementado Densidad (kg/m3) MOR (MPa) ASTM C ,7 0,9 1,2 CCS (MPa) ASTM C-93 1,2 0,9 1,1 2 PLC(%) tras 24h y 1230ºC -0,2 0-0,2 0 Expansión lineal reversible (%) Deformación con carga térmica %, tras 90 min; 1100ºC y 0,034 MPa ASTM C-16 0,5 0,6 0,6 0,6 0,1 0 0,2 0,1 Conductividad térmica del IFB Los diferentes métodos de fabricación para los IFB producen productos con estructura y química diferentes que, a su vez, proporcionan propiedades de rendimiento distintas [2]. El parámetro de rendimiento más importante para un IFB es su capacidad de aislar, que en términos de propiedades medibles se evalúa mediante la conductividad térmica del producto. La densidad se usa a veces como indicador por regla de tres de la capacidad aislante de un IFB, aunque esto puede dar lugar a confusiones. La diferencia de conductividad térmica entre los distintos tipos de IFB se muestra en la Fig. 1. Puede verse a partir de estos datos que la conductividad térmica de los IFB estudiados no está directamente relacionada con la densidad. Por ejemplo, el producto de mayor densidad (slinger) tiene una serie intermedia de valores de conductividad, mientras que el IFB con la máxima conductividad térmica (cemento) tiene realmente una de las densidades más bajas de los productos estudiados. Así, para maximizar las capacidades aislantes de los IFB la selección del producto no deberá basarse en los valores de densidad.

2 Fig. 1: Conductividad térmica para los IFB del grupo 23. Los datos de conductividad térmica publicados comercialmente varían en calidad y precisión, emitiéndose en algunas hojas de datos el método de ensayo, lo que hace que esos datos conduzcan a confusión al comparar y seleccionar productos. Los datos de conductividad térmica ofrecidos en este trabajo se midieron independientemente según ASTM C-182. Sin embargo, lo que normalmente no se publica es cómo los datos de conductividad térmica se traducen a condiciones reales de servicio. Si un IFB tiene una conductividad térmica menor que otro, cómo traducirlo a pérdidas de calor en aplicaciones reales en términos de costes energéticos? Esta obra pretende responder a esta pregunta midiendo el uso energético real bajo condiciones controladas y usando diferentes IFB. PARTE EXPERIMENTAL Encargamos a un constructor de hornos fabricar dos hornos de esmaltar de laboratorio, calentados eléctricamente y de diseño y potencia idénticos (Figura 2). Uno estaba revestido de IFB moldeados tal como se caracteriza en la Tabla 1 y el otro estaba revestido de IFB cementados. Seleccionamos estos dos IFB para el estudio ya que representan IFB con la menor y la mayor conductividad térmica medidas. Prueba 1. Aumento a 3ºC/minuto desde temperatura ambiente a 800ºC, mantenido durante 15 horas, posterior enfriamiento natural hasta temperatura ambiente. Prueba 2. Aumento a 3ºC/minuto desde temperatura ambiente a 1000ºC, mantenido durante 15 horas, posterior enfriamiento natural hasta temperatura ambiente. RESULTADOS Los resultados del uso de energía se muestran en las Tablas 2 y 3. Tabla 2: Resultados de la prueba de cocción a 800ºC con IFB del grupo 23. Prueba 1 (800ºC durante 15 horas); Conductividad térmica de IFB con mantenimiento (Wm -1 K -1 ) Temperatura de la puerta durante el Temperatura del techo durante el Tipo de IFB Moldeado Cementado 0,17 0, Energía usada durante el aumento (kwh) 2 2,9 Energía usada durante el mantenimiento (kwh) 9,2 14,4 Energía total usada (kwh) 11,2 17,3 % de energía ahorrada usando IFB moldeado 35 - Vigilando los hornos durante las pruebas usando una cámara de infrarrojos (VarioCAM, FPA detector 320x240 píxel, 25mm FOV 32ºx25º) se pudieron medir las temperaturas superficiales del horno. La Figura 3 ilustra qué cantidad de calor se desperdicia a través del cuerpo del horno revestido con el IFB de mayor conductividad térmica y cómo se sobrecalienta la superficie del horno. Este comportamiento tiene el efecto combinado de los costes de la energía perdida y presentar problemas de salud y seguridad en términos de temperaturas de trabajo peligrosas. Tabla 3: Resultados de la prueba de cocción a 1000ºC con IFB del grupo 23. Tipo de IFB Moldeado Cementado Fig. 2: Hornos de esmaltar construidos para el estudio de uso de la energía. Para cada horno se colocaron medidores de potencia entre la fuente de electricidad y el horno a fin de medir el uso de energía durante las pruebas de cocción controladas. Se realizaron dos cocciones de prueba. Prueba 2 (1000ºC durante 15 horas); Conductividad térmica de IFB con mantenimiento (Wm-1K-1) Temperatura de la puerta durante el Temperatura del techo durante el 0,19 0, Energía usada durante el aumento (kwh) 3,3 4,7 Energía usada durante el mantenimiento (kwh) 12,7 20,7 Energía total usada (kwh) 16 25,4 % de energía ahorrada usando IFB moldeado 37 -

3 Fig. 3: Termografía IR de hornos de esmaltar durante la prueba de cocción a 1000ºC (horno revestido de IFB moldeado a la izquierda). DISCUSIÓN Los resultados de las pruebas de cocción controladas han demostrado que puede haber considerables diferencias en los requisitos energéticos para calentar hornos construidos usando diferentes tipos de IFB. Con los IFB estudiados bajo nuestras condiciones de cocción, se necesitó ~37% menos de energía para hacer funcionar el horno a través de un ciclo de cocción a 1000ºC con el IFB moldeado en comparación con el IFB cementado. Esta diferencia en el uso de energía es consecuencia de las diferentes conductividades térmicas, que se deben a su vez a las diferencias en la microestructura y el tamaño de los poros creados por los procesos de fabricación [2]. Las Figuras 4a a 4c muestran la microestructura de los LAR moldeados y cementados usados en el estudio cuando se observan bajo el microscopio electrónico. Fig. 4a: Microestructura de los IFB moldeado (izquierda) y cementado (derecha), x50. Fig. 4b: Microestructura de los IFB moldeado (izquierda) y cementado (derecha), x100. Fig. 4c: Microestructura de los IFB moldeado (izquierda) y cementado (derecha), x200. Las Figuras 4a a 4c muestran que el IFB moldeado tiene una microestructura mucho más fina. El IFB cementado tiene grandes cantidades de huecos relativamente grandes en la estructura, que van de 700 a 1300 micrómetros. Tamaños de poro tan grandes se forman cuando se añaden materiales combustibles a la mezcla para el proceso de fundición con base cementada y se queman durante el proceso de cocción. Los fabricantes suelen usar esferas de polímero expandido de ~1 mm de diámetro para crear los altos niveles de porosidad de este tipo en el producto cocido. Esto tiene el efecto de reducir la densidad, haciendo que el ladrillo pese menos, pero no contribuye a las propiedades aislantes del IFB. Tanto los IFB moldeados como los cementados muestran tamaños de poro similares en la gama media, de alrededor de 50 micrómetros de diámetro. Esto se debe también al uso de aditivos quemados. Pero el IFB moldeado tiene una proporción muy superior de tamaños de poro en el rango de <10 micrómetros. Los estudios de porosimetría de mercurio [2] indican una presencia significativa de una porosidad más fina que esto en el IFB moldeado. Es esta combinación de estructura de poros ultrafinos, unido a la ausencia de tamaños de poro muy grandes, es lo que confiere al IFB moldeado una menor conductividad térmica en comparación con el IFB cementado. Los IFB se usan normalmente en aplicaciones >1000ºC ya que a estas temperaturas proporcionan el aislamiento más económico disponible comparado con los materiales refractarios aislantes alternativos (Fig. 5). La naturaleza estructural de los productos significa también que ofrecen resistencia a la abrasión en entornos de alta temperatura, unido a resistencia química (cuando la química se ajusta para hacer frente a gases específicos). A temperaturas de aplicación superiores a los 1000ºC, el mecanismo de transferencia de calor más importante es la radiación en lugar de la conducción y convección, que son los más significativos a temperaturas más bajas. Los tamaños de poro grande del IFB cementado son ineficientes para retardar la transferencia de energía a las longitudes de onda del infrarrojo implicadas, y así este tipo de IFB muestra una conductividad térmica más alta comparada con el moldeado. A la inversa, la estructura microporosa del IFB moldeado, con sus pequeños tamaños de poro, es mucho más eficiente para interferir con la transferencia de energía a las longitudes de onda del infrarrojo y este tipo de IFB muestra una baja conductividad térmica. Esta es la razón por la que la microestructura del IFB moldeado

4 proporciona un mejor aislamiento comparado con el IFB cementado. Fig. 5: Conductividad térmica de varios materiales refractarios. Ahorro energético Los resultados de las pruebas de laboratorio demuestran el potencial para minimizar el uso de energía mediante la apropiada selección de IFB para el revestimiento de hornos. Para entender cómo esto afecta a instalaciones reales con hornos de tamaño completo, hicimos cálculos de transferencia de calor (usando los mismos tipos de IFB moldeado y cementado en los estudios de laboratorio) para evaluar los costes energéticos para un horno de rodillos típicos usado por los fabricantes de productos cerámicos (Tabla 4). temperatura de 1300ºC en el horno que en el revestimiento con el IFB moldeado de la capa 2. Por lo tanto, para un área de calentamiento de 150 m2, la diferencia en el consumo de energía entre los dos hornos de rodillos simulados es de 22,8 kw. Esto equivale a un ahorro de energía de ~ kw/año usando el IFB moldeado en comparación con el IFB cementado. Suponiendo un precio del gas de 0,035 /kwh, esto equivale a un ahorro anual de ~ 8.000/año. Ya que la vida media del revestimiento de un horno es de aproximadamente 10 años, el ahorro total durante la vida del revestimiento del horno sería de ~ Un área de calentamiento de 150 m 2 en el horno necesitaría ~8.500 IFB de tamaño estándar. Dado el actual diferencial de precio en el mercado entre los IFB moldeados y cementados, aunque el cementado es más caro, en este ejemplo este precio superior se amortizaría en sólo 4 meses. Después del período inicial de amortización de 4 meses, el resto de los 10 años de servicio proporcionaría un ahorro constante debido a las menores necesidades de energía. Tabla 4: Supuestos para los cálculos de la transferencia de calor Condiciones de funcionamiento del horno de rodillos: Disposición del revestimiento: Área de la sección de calentamiento (m 2 ) 150 Temperatura de trabajo (ºC) 1300 Temperatura ambiente (ºC) 25 Semanas de funcionamiento al año 48 Eficiencia del horno (%) 80 Capa 1; IFB moldeado del grupo 26, grosor (mm) 114 Capa 1; IFB de prueba del grupo 23, grosor (mm) 114 Capa 3; placa de aislamiento posterior 50 El modelo de frente caliente de la disposición de revestimiento estándar (capa 1) se construyó basándose en los datos de IFB del grupo 26 disponibles comercialmente (JM26, Thermal Ceramics). El aislamiento posterior (capa 3) se montó usando datos procedentes de tableros de fibra bio-soluble disponibles comercialmente (Superwool 607, Thermal Ceramics). Para evaluar el efecto sobre el consumo de energía usando diferentes tipos de IFB en el revestimiento, la capa 2 se designó como capa de prueba, en la que se introdujeron datos de diferentes tipos de IFB. Los resultados de los cálculos de transferencia de calor se muestran en la Figura 6. Los cálculos de transferencia de calor muestran que el revestimiento con IFB cementados requiere 152 W/m2 más de energía para mantener la Fig. 6: Cálculos de la transferencia de calor en A - IFB moldeado y B - IFB cementado. Impacto adicional de la selección de IFB Otra consecuencia importante de los ahorros energéticos conseguidos usando el IFB de menor conductividad térmica es la reducción en las emisiones de CO 2. El uso del IFB moldeado en lugar del IFB cementado reduce el impacto medioambiental del funcionamiento del horno. En la situación actual, ya que el ahorro en este ejemplo usando IFB moldeado es de ~ kw/año, un horno que

5 funcione con gas natural requeriría m 3 /año menos. Ya que el gas natural produce 37,8 MJ/m3, entonces se ahorrarían MJ/año. 1 m3 de gas natural produce ~1 m3 de CO 2 y por lo tanto habría una reducción potencial de las emisiones de CO 2 de ~ m3/año. 1 m3 de CO 2 equivale a 1,96 kg, por lo que habría una reducción de ~43 t/año de CO 2 producido, 430 t a lo largo de la vida útil del revestimiento. Un beneficio adicional del uso del IFB moldeado de menor conductividad térmica frente al IFB cementado es que la temperatura exterior del horno es inferior. En el ejemplo calculado en este trabajo, la temperatura superficial del horno que utiliza IFB moldeado en la capa 2 es de 79ºC, mientras que la del que utiliza IFB cementado en la capa 2 es de 88ºC. La menor temperatura superficial usando el IFB moldeado produce un entorno de trabajo más confortable para los operarios y minimiza el riesgo de quemaduras por contacto con el horno comparado con la conductividad térmica superior del IFB cementado. La elección del IFB en el revestimiento del horno afecta también a otros aspectos prácticos del uso del horno en un entorno de producción. Seleccionando el IFB moldeado en lugar del IFB cementado permitirá velocidades de calentamiento y enfriamiento mayores en el horno ya que el IFB moldeado de menor densidad tiene una masa térmica menor. Este efecto se ha observado en los estudios sobre energía indicados en este artículo. Durante las pruebas de cocción a 800ºC y 1000ºC, el IFB moldeado alcanzó la temperatura de parada programa más rápidamente que el IFB cementado. CONCLUSIONES El trabajo del que se ha informado en este artículo ha demostrado los siguientes puntos: - Se midieron diferencias en el uso de energía de hasta el 37%, en condiciones de laboratorio controladas, entre los IFB fabricados con diferentes métodos. - Al seleccionar productos refractarios aislantes para el revestimiento de hornos, hay que poner mucha atención en la conductividad térmica de los productos de IFB. - La densidad de los productos no deberá usarse como criterio para evaluar la capacidad de aislamiento, ya que esto puede conducir a una selección incorrecta del producto. - Para minimizar el consumo de energía en el horno, hay que medir la conductividad térmica publicada según un estándar internacional reconocido (por ej. ASTM C-182) y deberá ser lo más baja posible. La selección del IFB basada sólo en el precio puede volverse un falso ahorro y un costoso error a largo plazo. - Los IFB fabricados por el proceso de moldeo proporcionan los IFB de menor conductividad térmica disponibles hoy a temperaturas de aplicación y, por lo tanto, generan los mayores ahorros energéticos. En este artículo se han cuantificado los ahorros energéticos que son posibles usando IFB moldeados. Los beneficios del uso de los IFB de mínima conductividad térmica disponibles son: 1. Gran potencial de ahorro de costes debido al menor uso de energía. 2. Menores emisiones de CO 2 debido al menor uso de energía. 3. Temperaturas superficiales del horno menores, brindando a los operarios unas condiciones de trabajo más seguras. BIBLIOGRAFÍA [1] Moody KJ, Street JP, Magni E. Insulating Firebrick: Manufacturing Processes and Product Quality. En Alafar Conference, Guatemala, 7-11 Nov [2] Wynn A, Marchetti M, Street JP, Yin T. Insulating Firebrick - Effect of Manufacturing Method on Product Performance. En UNITECR 09 Conference, Brasil, Oct