Refractario
Materiales resistentes a la descomposición a altas temperaturas.
Ladrillos refractarios en un carro torpedero utilizado para transportar hierro fundido

En la ciencia de los materiales , un refractario (o material refractario ) es un material que es resistente a la descomposición por calor o ataque químico y 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 . Por lo general, están 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 cerámica de 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 en la norma ASTM C71 como "materiales no metálicos que tienen propiedades químicas y físicas que los hacen aplicables a estructuras o como componentes de sistemas expuestos a ambientes superiores a 1000 °F (811 K; 538 °C)". [ 3] Los materiales refractarios se utilizan en hornos , incineradores y reactores . Los refractarios también se utilizan para fabricar crisoles y moldes para la fundición de vidrio y metales. La industria siderúrgica y los sectores de 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. Dependiendo del entorno operativo, deben ser resistentes al choque térmico , ser químicamente inertes y/o tener rangos específicos de conductividad térmica y coeficiente de expansión térmica .

Los óxidos de aluminio ( alúmina ), silicio ( sílice ) y magnesio ( magnesia ) son los materiales más importantes que se utilizan 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 refractarios deben elegirse de acuerdo con 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 utilizados en algunas condiciones de temperatura muy severas, pero no se pueden usar en contacto con oxígeno , ya que se oxidarían y 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 y hafnio tiene uno de los puntos de fusión más altos de todos los compuestos conocidos (4215 °C). [10] [11]

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

Usos

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

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

Los refractarios tienen múltiples aplicaciones útiles. En la industria metalúrgica, los refractarios se utilizan para revestir hornos, hornos de calcinación, reactores y otros recipientes que contienen y transportan medios calientes como metal y escoria . Los refractarios tienen otras aplicaciones de alta temperatura, como calentadores de fuego, reformadores de hidrógeno, reformadores primarios y secundarios de amoníaco, hornos de craqueo, calderas de servicios públicos, 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. [13]

Clasificación de materiales refractarios

Los refractarios se clasifican de múltiples maneras, según:

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

Composición química

Refractarios ácidos

Los refractarios ácidos son generalmente impermeables a los materiales ácidos pero fácilmente atacados por materiales básicos, y por lo tanto se utilizan con escoria ácida en ambientes ácidos. Incluyen sustancias como sílice , alúmina y refractarios de ladrillos de arcilla refractaria . Los reactivos notables que pueden atacar tanto a la alúmina como a la sílice son el ácido fluorhídrico, el ácido fosfórico y los gases fluorados (por ejemplo, HF, F 2 ). [14] 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 al fundente y a la escoria, y alta resistencia al desconchado. Los ladrillos de sílice se utilizan a menudo en la industria del hierro y el acero 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 se descartan fácilmente. Se han desarrollado nuevas tecnologías que proporcionan mayor resistencia y más duración de la fundición con menos óxido de silicio (90%) cuando se mezclan con resinas orgánicas.
  • Los refractarios de zirconio son refractarios compuestos principalmente de óxido de zirconio (ZrO 2 ). Se utilizan a menudo para hornos de vidrio porque tienen baja conductividad térmica, no se humedecen fácilmente con el vidrio fundido y tienen baja reactividad con el vidrio fundido. Estos refractarios también son útiles para aplicaciones en materiales de construcción de alta temperatura.
  • Los refractarios de aluminosilicato se componen principalmente de alúmina ( Al2O3 ) y sílice (SiO2 ) . Los refractarios de aluminosilicato pueden ser semiácidos, compuestos de arcilla refractaria o compuestos con alto contenido de alúmina. [ Aclaración necesaria ] [15]

Refractarios básicos

Los refractarios básicos se utilizan en áreas donde las escorias y la atmósfera son básicas. Son estables a los materiales alcalinos pero pueden reaccionar con los ácidos, lo que es importante, por ejemplo, al eliminar el fósforo del arrabio (véase el proceso Gilchrist-Thomas ). Las principales materias primas pertenecen al grupo de los refractarios de ósmosis inversa, del que la magnesia (MgO) es un ejemplo común. Otros ejemplos incluyen la dolomita y el cromo-magnesia. Durante la primera mitad del siglo XX, el proceso de fabricación de acero utilizaba periclasa artificial ( magnesita tostada ) como material de revestimiento del horno.

  • Los refractarios de magnesita están compuestos por ≥ 85% de óxido de magnesio (MgO). Tienen una alta resistencia a la cal y a las escorias ricas en hierro, una fuerte resistencia a la abrasión y a la corrosión y una alta refractariedad bajo carga, y se utilizan normalmente en hornos metalúrgicos. [16]
  • Los refractarios de dolomita se componen principalmente de carbonato de calcio y magnesio . Normalmente, los refractarios de dolomita se utilizan en hornos de conversión y de refinación. [17]
  • Los refractarios de magnesia y cromo están compuestos principalmente de óxido de magnesio (MgO) y óxido de cromo (Cr 2 O 3 ). Estos refractarios tienen una alta refractariedad y una alta tolerancia a los entornos corrosivos.

Refractarios neutros

Se utilizan en áreas donde las escorias y la atmósfera son ácidas o básicas y son químicamente estables tanto a los ácidos como a las bases. Las principales materias primas pertenecen al grupo R 2 O 3 , pero no se limitan a él . Ejemplos comunes de estos materiales son la alúmina (Al 2 O 3 ), la cromia (Cr 2 O 3 ) y el carbono. [2]

  • Los refractarios de grafito de carbono están compuestos principalmente de carbono . Estos refractarios se utilizan a menudo en entornos altamente reductores y sus propiedades de alta refractariedad les permiten una excelente estabilidad térmica y resistencia a las escorias.
  • Los refractarios de cromita están compuestos de magnesia y cromia sinterizadas. Tienen un volumen constante a altas temperaturas, una alta refractariedad y una alta resistencia a las escorias. [18]
  • Los refractarios de alúmina están compuestos de ≥ 50% de alúmina (Al 2 O 3 ).

Método de fabricación

  1. Proceso de prensado en seco
  2. Reparto fusionado
  3. Moldeado a mano
  4. Formado (normal, cocido o unido químicamente)
  5. No conformados (monolíticos-plásticos, masas apisonables y gunitadas, hormigones, morteros, cementos secos vibrantes.)
  6. Refractarios secos no formados.

Tamaño y forma

Los objetos refractarios se fabrican en formas estándar y formas especiales. Las formas estándar tienen dimensiones que se ajustan a las convenciones utilizadas por los fabricantes de refractarios y generalmente se aplican a hornos o estufas del mismo tipo. Las formas estándar suelen ser ladrillos que tienen una dimensión estándar de 9 pulgadas × 4,5 pulgadas × 2,5 pulgadas (229 mm × 114 mm × 64 mm) y esta dimensión se denomina "equivalente de un ladrillo". Los "equivalentes de ladrillo" se utilizan para estimar cuántos ladrillos refractarios se necesitan para hacer una instalación en un horno industrial. Hay gamas de formas estándar de diferentes tamaños fabricados para producir paredes, techos, arcos, tubos y aberturas circulares, etc. Las formas especiales se fabrican específicamente para ubicaciones específicas dentro de los hornos y para hornos o estufas particulares. Las formas especiales suelen ser menos densas y, por lo tanto, menos resistentes al desgaste que las formas estándar.

Sin forma (monolítico)

No tienen una forma preestablecida y solo se les da forma al aplicarlos. Estos tipos se conocen como refractarios monolíticos. Algunos ejemplos comunes son las masas plásticas, las masas para apisonar, los refractarios refractarios, las masas para gunitado, las mezclas para desbarbar y los morteros.

Los revestimientos de vibración en seco que se utilizan a menudo en los revestimientos de hornos de inducción también son monolíticos y se venden y transportan como un polvo seco, generalmente con una composición de magnesia/alúmina con adiciones de otros productos químicos para alterar propiedades específicas. También se están encontrando más aplicaciones en los revestimientos de altos hornos, aunque este uso todavía es poco frecuente.

Temperatura de fusión

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

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

Obstinación

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

  • Impuesto superfluo: valor PCE de 33–38
  • Alto rendimiento: valor PCE de 30 a 33
  • Derecho intermedio : valor PCE de 28-30
  • Impuestos bajos : valor PCE de 19 a 28

Conductividad térmica

Los refractarios pueden clasificarse según su conductividad térmica como conductores, no conductores o aislantes. Algunos ejemplos de refractarios conductores son el carburo de silicio (SiC) y el carburo de circonio (ZrC), mientras que los ejemplos de refractarios no conductores son la sílice y la alúmina. Los refractarios aislantes incluyen materiales de silicato de calcio , caolín y circonia.

Los refractarios aislantes se utilizan para reducir la tasa de pérdida de calor a través de las paredes del horno. Estos refractarios tienen una conductividad térmica baja debido a un alto grado de porosidad, con una estructura porosa deseada de poros pequeños y uniformes distribuidos uniformemente por todo el ladrillo refractario para minimizar la conductividad térmica. Los refractarios aislantes se pueden clasificar 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 ultrarrefractarios 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. ^ abcdef "Refractarios y clasificación de refractarios". IspatGuru . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
  3. ^ ASTM Volumen 15.01 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 de horno para cerámica técnica". Ceramic Forum International . 86 (4): 29–34.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  7. ^ Roza, Greg (2009). Zirconio. The Rosen Publishing Group. ISBN 9781435850705.
  8. ^ Hugh O. Pierson (1992). Manual de deposición química en fase de vapor (CVD): principios, tecnología y aplicaciones. William Andrew. pp. 206–. ISBN 978-0-8155-1300-1. Consultado el 22 de abril de 2011 .
  9. ^ Hafnio Archivado el 11 de agosto de 2017 en Wayback Machine , Laboratorio Nacional de Los Álamos
  10. ^ Enciclopedia McGraw-Hill de ciencia y tecnología: obra de referencia internacional en quince volúmenes, incluido un índice. McGraw-Hill. 1977. pág. 360. ISBN 978-0-07-079590-7. Consultado el 22 de abril de 2011 .
  11. ^ "Hafnio". Enciclopedia Británica . Encyclopædia Britannica, Inc. Consultado el 17 de diciembre de 2010 .
  12. ^ ab Alaa, Hussein. "Introducción a los refractarios" (PDF) . Universidad Tecnológica de Irak .
  13. ^ "Materiales refractarios para el control de la corrosión del sistema de protección de deflectores de llama: encuesta sobre industrias y/o instalaciones de lanzamiento similares". NASA, enero de 2009
  14. ^ "Accuratus". Propiedades cerámicas del óxido de aluminio, Al2O3 . 2013 . Consultado el 22 de noviembre de 2014 .
  15. ^ Poluboiarinov, DN (1960). Vysokoglinozemistye keramicheskie i ogneupornye materialy . Moscú.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  16. ^ "Refractarios de magnesita". www.termorefractories.com . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
  17. ^ "Ladrillo de dolomita y ladrillo de dolomita de magnesia". www.ruizhirefractory.com . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
  18. ^ "Refractarios de cromita". termorefractories.com . Consultado el 6 de marzo de 2020 .
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