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Refractario

Ladrillos refractarios en un vagón torpedo utilizado para transportar hierro fundido. En ciencia de los materiales , un refractario (o material refractario ) es un material resi...

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Ladrillos refractarios en un vagón torpedo utilizado para transportar hierro fundido.

En ciencia de los materiales , un refractario (o material refractario ) es un material resistente a la descomposición por calor o ataque químico que conserva su resistencia y rigidez a altas temperaturas . [ 1 ] Son compuestos inorgánicos no metálicos que pueden ser porosos o no porosos, y su cristalinidad varía ampliamente: pueden ser cristalinos , policristalinos , amorfos o compuestos . Suelen estar compuestos de óxidos , carburos o nitruros de los siguientes elementos: silicio , aluminio , magnesio , calcio , boro , cromo y circonio . [ 2 ] Muchos refractarios son cerámicas , pero algunos, como el grafito, no lo son, y algunas cerámicas, como la arcilla, no se consideran refractarias. Los refractarios se distinguen de los metales refractarios , que son metales elementales y sus aleaciones que tienen altas temperaturas de fusión.

Los refractarios se definen según la norma ASTM C71 como "materiales no metálicos que poseen propiedades químicas y físicas que los hacen aptos para estructuras o como componentes de sistemas expuestos a temperaturas superiores a 1000 °F (811 K; 538 °C) ". [ 3 ] Los materiales refractarios se utilizan en hornos , estufas , incineradores y reactores . También se emplean para fabricar crisoles y moldes para la fundición de vidrio y metales. La industria siderúrgica y el sector de la fundición de metales utilizan aproximadamente el 70 % de todos los refractarios producidos. [ 4 ]   

Materiales refractarios

Los materiales refractarios deben ser química y físicamente estables a altas temperaturas. Según el entorno de operación, deben ser resistentes al choque térmico , ser químicamente inertes y/o tener rangos específicos de conductividad térmica y de coeficiente de expansión térmica .

Los óxidos de aluminio ( alúmina ), silicio ( sílice ) y magnesio ( magnesia ) son los materiales más importantes utilizados en la fabricación de refractarios. Otro óxido que se encuentra habitualmente en los refractarios es el óxido de calcio ( cal ). [ 5 ] Las arcillas refractarias también se utilizan ampliamente en la fabricación de refractarios.

Los materiales refractarios deben elegirse según las condiciones a las que se enfrentan. Algunas aplicaciones requieren materiales refractarios especiales. [ 6 ] La zirconia se utiliza cuando el material debe soportar temperaturas extremadamente altas. [ 7 ] El carburo de silicio y el carbono ( grafito ) son otros dos materiales refractarios que se utilizan en condiciones de temperatura muy severas, pero no pueden utilizarse en contacto con oxígeno , ya que se oxidarían y se quemarían.

Los compuestos binarios como el carburo de tungsteno o el nitruro de boro pueden ser muy refractarios. El carburo de hafnio es el compuesto binario más refractario conocido, con un punto de fusión de 3890  °C. [ 8 ] [ 9 ] El compuesto ternario carburo de tantalio-hafnio tiene uno de los puntos de fusión más altos de todos los compuestos conocidos (4215  °C). [ 10 ] [ 11 ]

El disilicuro de molibdeno tiene un alto punto de fusión de 2030 °C y se utiliza a menudo como elemento calefactor .

Usos

Los materiales refractarios son útiles para las siguientes funciones: [ 12 ] [ 2 ]

  1. Sirve como barrera térmica entre un medio caliente y la pared de un recipiente contenedor.
  2. Soportar tensiones físicas y prevenir la erosión de las paredes del recipiente debido al medio caliente.
  3. Protección contra la corrosión
  4. Proporcionar aislamiento térmico

Los refractarios tienen múltiples aplicaciones útiles. En la industria metalúrgica, se utilizan para revestir hornos, calderas, reactores y otros recipientes que contienen y transportan fluidos calientes como metales y escorias . [ 13 ] Los refractarios tienen otras aplicaciones a altas temperaturas, como calentadores de combustión, reformadores de hidrógeno, reformadores primarios y secundarios de amoníaco, hornos de craqueo, calderas industriales, unidades de craqueo catalítico, calentadores de aire y hornos de azufre. [ 12 ] Se utilizan para revestir deflectores de llama en estructuras de lanzamiento de cohetes. [ 14 ]

Clasificación de los materiales refractarios

Los materiales refractarios se clasifican de diversas maneras, según:

  1. Composición química
  2. Método de fabricación
  3. Tamaño y forma
  4. Temperatura de fusión
  5. Obstinación
  6. Conductividad térmica

Composición química

Materiales refractarios ácidos

Los refractarios ácidos son generalmente impermeables a los materiales ácidos, pero fácilmente atacados por materiales básicos, por lo que se utilizan con escoria ácida en ambientes ácidos. Incluyen sustancias como sílice , alúmina y refractarios de ladrillo de arcilla refractaria . Los reactivos notables que pueden atacar tanto la alúmina como la sílice son el ácido fluorhídrico, el ácido fosfórico y los gases fluorados (por ejemplo, HF, F₂ ) . [ 15 ] A altas temperaturas, los refractarios ácidos también pueden reaccionar con cales y óxidos básicos.

  • Los refractarios de sílice son refractarios que contienen más del 93 % de óxido de silicio (SiO₂ ) . Son ácidos, tienen alta resistencia al choque térmico, resistencia a fundentes y escorias, y alta resistencia al desconchado. Los ladrillos de sílice se utilizan a menudo en la industria siderúrgica como materiales para hornos. Una propiedad importante del ladrillo de sílice es su capacidad para mantener la dureza bajo cargas elevadas hasta su punto de fusión. [ 2 ] Los refractarios de sílice suelen ser más baratos, por lo que son fácilmente desechables. Se han desarrollado nuevas tecnologías que proporcionan mayor resistencia y mayor duración de colada con menos óxido de silicio (90 %) cuando se mezclan con resinas orgánicas.
  • Los refractarios de zirconia están compuestos principalmente de óxido de zirconio (ZrO₂ ) . Se utilizan frecuentemente en hornos de vidrio debido a su baja conductividad térmica, su escasa humectación por el vidrio fundido y su baja reactividad con este. Estos refractarios también son útiles en aplicaciones de materiales de construcción que alcanzan altas temperaturas.
  • Aluminosilicate refractories mainly consist of alumina (Al2O3) and silica (SiO2). Aluminosilicate refractories can be semiacidic, fireclay composite, or high alumina content composite.[16]

Basic refractories

Basic refractories are used in areas where slags and atmosphere are basic. They are stable to alkaline materials but can react to acids, which is important e. g. when removing phosphorus from pig iron (see Gilchrist–Thomas process). The main raw materials belong to the RO group, of which magnesia (MgO) is a common example. Other examples include dolomite and chrome-magnesia. For the first half of the twentieth century, the steel making process used artificial periclase (roasted magnesite) as a furnace lining material.

  • Magnesite refractories are composed of ≥ 85% magnesium oxide (MgO). They have high slag resistance to lime and iron-rich slags, strong abrasion and corrosion resistance, and high refractoriness under load, and are typically used in metallurgical furnaces.[17]
  • Dolomite refractories mainly consist of calcium magnesium carbonate. Typically, dolomite refractories are used in converter and refining furnaces.[18]
  • Magnesia-chrome refractories mainly consist of magnesium oxide (MgO) and chromium oxide (Cr2O3). These refractories have high refractoriness and have a high tolerance for corrosive environments.

Neutral refractories

These are used in areas where slags and atmosphere are either acidic or basic and are chemically stable to both acids and bases. The main raw materials belong to, but are not confined to, the R2O3 group. Common examples of these materials are alumina (Al2O3), chromia (Cr2O3) and carbon.[2]

  • Carbon graphite refractories mainly consist of carbon. These refractories are often used in highly reducing environments, and their properties of high refractoriness allow them excellent thermal stability and resistance to slags.
  • Chromite refractories are composed of sintered magnesia and chromia. They have constant volume at high temperatures, high refractoriness, and high resistance to slags.[19]
  • Los refractarios de alúmina están compuestos por ≥ 50 % de alúmina (Al 2 O 3 ).

Método de fabricación

  1. Proceso de prensado en seco
  2. Fundición fusionada
  3. Moldeado a mano
  4. Formado (normal, cocido o unido químicamente)
  5. Sin forma (plástico monolítico, masa para apisonamiento y proyección, hormigones refractarios, morteros, cementos vibrados secos).
  6. Refractarios secos sin forma.

Tamaño y forma

Los objetos refractarios se fabrican en formas estándar y especiales. Las formas estándar tienen dimensiones que se ajustan a las convenciones utilizadas por los fabricantes de refractarios y son generalmente aplicables a hornos del mismo tipo. Las formas estándar suelen ser ladrillos con una dimensión estándar de 229 mm × 114 mm × 64 mm ( 9 pulg. × 4,5 pulg. × 2,5 pulg .) , lo que se denomina "equivalente a un ladrillo". Los "equivalentes a ladrillos" se utilizan para estimar la cantidad de ladrillos refractarios necesarios para la instalación en un horno industrial. Existen gamas de formas estándar de diferentes tamaños que se fabrican para producir paredes, techos, arcos, tubos y aberturas circulares, entre otros. Las formas especiales se fabrican específicamente para ubicaciones concretas dentro de los hornos y para hornos particulares. Las formas especiales suelen ser menos densas y, por lo tanto, menos resistentes al desgaste que las formas estándar.          

Sin forma (monolítico)

Estos materiales no tienen una forma predefinida y solo adquieren forma al aplicarse. Se conocen como refractarios monolíticos. Algunos ejemplos comunes son las masas plásticas, las masas de apisonamiento , los hormigones refractarios moldeables, las masas de proyección, las mezclas de acabado y los morteros.

Los revestimientos antivibratorios secos, frecuentemente utilizados en los revestimientos de hornos de inducción, también son monolíticos y se venden y transportan en forma de polvo seco, generalmente con una composición de magnesia/alúmina y la adición de otros productos químicos para modificar propiedades específicas. Si bien su uso aún es poco común, también se están utilizando cada vez más en revestimientos de altos hornos.

Temperatura de fusión

Los materiales refractarios se clasifican en tres tipos según su temperatura de fusión (punto de fusión).

  • Los materiales refractarios normales tienen una temperatura de fusión de 1580 – 1780  °C (por ejemplo, la arcilla refractaria).
  • Los materiales altamente refractarios tienen una temperatura de fusión de 1780 a 2000  °C (por ejemplo, la cromita).
  • Los materiales superrefractarios tienen una temperatura de fusión superior a 2000  °C (por ejemplo, la zirconia).

Obstinación

La refractariedad es la propiedad de la multifase de un refractario para alcanzar un grado de reblandecimiento específico a alta temperatura sin carga, y se mide con una prueba de equivalente de cono pirométrico (PCE). Los refractarios se clasifican como: [ 2 ]

  • Super Duty: valor PCE de 33–38
  • Alto rendimiento: valor PCE de 30–33
  • Servicio intermedio : valor PCE de 28–30
  • Bajo nivel de servicio : valor PCE de 19–28

Conductividad térmica

Los materiales refractarios se pueden clasificar según su conductividad térmica en conductores, no conductores o aislantes. Ejemplos de refractarios conductores son el carburo de silicio (SiC) y el carburo de circonio (ZrC), mientras que ejemplos de refractarios no conductores son la sílice y la alúmina. Entre los refractarios aislantes se incluyen los materiales de silicato de calcio , el caolín y la zirconia.

Los refractarios aislantes se utilizan para reducir la tasa de pérdida de calor a través de las paredes del horno. Estos refractarios tienen baja conductividad térmica debido a un alto grado de porosidad, con una estructura porosa deseada de poros pequeños y uniformes distribuidos uniformemente en todo el ladrillo refractario para minimizar la conductividad térmica. Los refractarios aislantes se pueden clasificar además en cuatro tipos: [ 2 ]

  1. Materiales aislantes resistentes al calor con temperaturas de aplicación ≤ 1100  °C.
  2. Materiales aislantes refractarios con temperaturas de aplicación ≤ 1400  °C
  3. Materiales aislantes altamente refractarios con temperaturas de aplicación ≤ 1700  °C
  4. Materiales aislantes ultrarresistentes  con temperaturas de aplicación ≤ 2000 °C.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Ailsa Allaby y Michael Allaby (1996). Diccionario conciso de ciencias de la Tierra . Oxford Paperbacks Oxford University Press.
  2. 1 2 3 4 5 6 "Refractarios y clasificación de refractarios" . IspatGuru . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
  3. ↑ ASTM Volumen 15.01 Materiales refractarios; carbón activado, cerámica avanzada
  4. ↑ "¿Qué tan geniales son los materiales refractarios?" (PDF) . The Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy . 106 (septiembre): 1–16 . 2008. Consultado el 22 de abril de 2016 .
  5. ↑ Groover, Mikell P. (7 de enero de 2010). Fundamentos de la fabricación moderna: materiales, procesos y sistemas . John Wiley & Sons . ISBN 9780470467008.
  6. ↑ Sonntag, Kiss, Banhidi, Weber (2009). "Nuevas soluciones de mobiliario para hornos de cerámica técnica". Ceramic Forum International . 86 (4): 29– 34.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  7. ↑ Roza, Greg (2009). Zirconio . The Rosen Publishing Group. ISBN 9781435850705.
  8. ↑ Hugh O. Pierson (1992). Manual de deposición química en fase vapor (CVD): principios, tecnología y aplicaciones . William Andrew. págs. 206–. ISBN  978-0-8155-1300-1Consultado el 22 de abril de 2011 .
  9. ↑ Hafnio Archivado el 11 de agosto de 2017 en la Wayback Machine , Laboratorio Nacional de Los Alamos
  10. ↑ Enciclopedia de ciencia y tecnología de McGraw-Hill: una obra de referencia internacional en quince volúmenes que incluye un índice . McGraw-Hill. 1977. pág. 360. ISBN  978-0-07-079590-7Consultado el 22 de abril de 2011 .
  11. ↑ «Hafnio» . Enciclopedia Británica . Encyclopædia Britannica, Inc. Consultado el 17 de diciembre de 2010 .
  12. 1 2 Alaa, Hussein. "Introducción a los refractarios" (PDF) . Universidad de Tecnología - Irak . Archivado del original (PDF) el 20 de noviembre de 2019. Recuperado el 6 de marzo de 2020 .
  13. ↑ "Avances en cerámicas refractarias para aplicaciones no ferrosas". Boletín de la Sociedad Americana de Cerámica . 105 (2): 39.
  14. ↑ "Materiales refractarios para el control de la corrosión en sistemas de protección contra la corrosión de deflectores de llama: Estudio comparativo con industrias y/o instalaciones de lanzamiento similares" . NASA, enero de 2009.
  15. ↑ "Accuratus" . Propiedades cerámicas del óxido de aluminio, Al2O3 . 2013. Consultado el 22 de noviembre de 2014 .
  16. ^ Poluboiarinov, DN (1960). Vysokoglinozemistye keramicheskie i ogneupornye materialy . Moscú.{{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  17. ↑ "Refractarios de magnesita" . www.termorefractories.com . Archivado del original el 13 de septiembre de 2019. Consultado el 6 de marzo de 2020 .
  18. ↑ "Ladrillo de dolomita y ladrillo de dolomita magnesia" . www.ruizhirefractory.com . Archivado del original el 24 de enero de 2020. Consultado el 6 de marzo de 2020 .
  19. ↑ "Refractarios de cromita" . termorefractories.com . Archivado del original el 13 de septiembre de 2019. Consultado el 6 de marzo de 2020 .