Refractarios.docx

Calentamiento y Enfriamiento de un material refractario 1. Introducción:  Compuestos refractarios: Son aquellos que pueden soportar temperaturas elevadas sin fundirse, ablandarse o descomponerse. Si en un principio su campo de aplicación estuvo limitado a la fabricación de ladrillos, recipientes u objetos artísticos, el desarrollo industrial hizo necesario su empleo en la fabricación de hornos o recintos en donde habían de realizarse procesos químicos. Con ello su papel no quedaba restringido a su refractariedad, sino que su propia constitución química y estructural podía ser decisiva en los procesos que tuviesen lugar en los recintos que revestían. Deben tener coeficientes de expansión térmica bajos para evitar problemas de choque térmico. El desarrollo técnico de los últimos años ha impuesto, la necesidad de temperaturas de trabajo > 1000 ºC, y en ocasiones, > 2000 ºC. Las aleaciones a base de hierro para turborreactores, motores a reacción y reactores atómicos ya no pueden utilizarse aquí en cuanto se pasan los 800 ºC, pues, aunque pudiera lograrse suficiente refractariedad, se presentan fenómenos de recristalización que perjudican notablemente a las propiedades resistentes. La solución para estos problemas se ha abordado desde dos puntos de vista: uno, perfeccionar los sistemas de refrigeración; otro, desarrollar nuevos materiales. Como la primera solución lleva consigo en muchos casos (satélites, aviones a reacción, cohetes) el grave problema de aumentar el peso muerto, es natural que se haya investigado más intensamente la segunda. El comportamiento de una cerámica refractaria depende en gran medida de su composición. Sobre esta base, existen varias clasificaciones: refractarios de arcilla, ácidos (o de sílice), básicos y especiales. Para muchos materiales comerciales, las materias primas son partículas grandes y pequeñas, las cuales pueden tener composiciones distintas. Al cocer, las partículas pequeñas normalmente son las responsables de la formación de una fase de unión, lo cual aumenta la resistencia del ladrillo; esta fase puede ser predominantemente vítrea o cristalina. La temperatura de servicio es normalmente inferior a la temperatura a la cual la pieza ha sido cocida. La porosidad es una variable microestructural que debe ser controlada para producir un ladrillo refractario. Al Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005 9 reducir la porosidad, la resistencia mecánica y la resistencia al ataque corrosivo aumentan. Al mismo tiempo, las características de aislamiento térmico y de resistencia al choque térmico disminuyen. La porosidad óptima depende de las condiciones de servicio. Los refractarios se eligen atendiendo a 4 objetivos de resistencia: -al calor; -al ataque químico a alta temperatura; -a la erosión por gases que contengan partículas finas; -a la abrasión por gases que contengan partículas grandes. Los refractarios se pueden conseguir en el mercado en 3 formas físicas generales: como sólidos en forma de ladrillos, como cerámica monolítica de fundición y como fibras de

cerámica. El primer método que se debe aplicar en la selección de un tipo de refractario es la velocidad del gas: 60 m/seg : ladrillos. Cuando se tienen gases con sólidos, la selección se vuelve de suma importancia ya que, con ladrillos, las partículas finas obtenidas en el gas eliminan las juntas del mortero y en el caso de cerámica monolítica de fundición, que no tiene juntas, el refractario es menos denso y menos resistente al desgaste.

REFRACTARIOS DE ARCILLA: Los ingredientes primarios de estas cerámicas son mezclas de arcillas refractarias de alta pureza, alúmina y sílice, con un 25% a un 45% de alúmina. De acuerdo con el diagrama de fases SiO2-Al2O3 (dado en el tema 2) en este intervalo de composiciones las fases presentes en equilibrio son mullita [3Al2O3 - 2SiO2] (PF = 1850 o C, αl = 5, κ = 1.5) y sílice (αl = 10.0, κ = 4). La expansión térmica de la arcilla refractaria es ∼ 5.5 muy cercano al de la porcelana αl = 6.0, y la conductividad térmica es también muy baja, κ = 1.8. Por encima de 1587 ºC, la fracción de líquido dependerá de la composición. Aumentado el porcentaje de alúmina aumentará la temperatura máxima de servicio, permitiendo la existencia de una pequeña cantidad de líquido. Los ladrillos refractarios de arcilla se utilizan principalmente en la construcción de hornos, para confinar atmósferas muy calientes y para aislar térmicamente miembros estructurales de temperaturas excesivas. En el caso de ladrillos refractarios de arcilla, la resistencia no es generalmente una consideración importante, debido a que a menudo no se requiere que soporten cargas. Normalmente se controla la exactitud dimensional y la estabilidad del producto.

REFRACTARIOS DE SILICE: El principal ingrediente de los refractarios de sílice, algunas veces denominados refractarios ácidos, es la sílice. Estos materiales tienen una alta capacidad estructural a temperaturas elevadas, se utilizan ordinariamente en los techos arqueados de los hornos de producción de acero y vidrio. Para estas aplicaciones se alcanzan temperaturas tan altas como 1650 ºC. La presencia de incluso pequeñas concentraciones de alúmina tiene un efecto adverso sobre las prestaciones de estos refractarios. Esto puede explicarse por el diagrama de fases SiO2-Al2O3. Puesto que la composición eutéctica (7.7% en peso de Al2O3) es muy cercana al extremo del diagrama de fases (sílice pura), muy pequeñas cantidades de Al2O3 disminuyen la temperatura liquidus de forma significativa, lo cual indica que cantidades importantes de líquido pueden estar presentes a temperaturas que superen los 1600 ºC. Por tanto, el contenido de alúmina debe mantenerse muy bajo, normalmente entre el 0.2 y el 1.0 %. Estos materiales refractarios (αl = 10.0) son también resistentes a las escorias ricas en sílice (denominadas escorias ácidas) y se utilizan como recipientes para contenerlas. Por otro lado, son fácilmente atacables por escorias con Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005 10 alta proporción de CaO y/o MgO (básicas) de manera que el contacto con estos óxidos se debe evitar. REFRACTARIOS BASICOS: Los refractarios ricos en periclasa, magnesia calcinada, MgO (αl=13.5, κ = 38), se denominan básicos; también pueden contener compuestos de calcio, cromo e hierro. La presencia de SiO2 es perjudicial para sus prestaciones a temperatura ↑. Los refractarios básicos son especialmente resistentes al ataque por escorias que contienen altas

concentraciones de MgO y CaO y encuentran gran utilización en altos hornos de producción de arrabio y en convertidores de acerías. REFRACTARIOS ESPECIALES: Existen otros materiales cerámicos que se utilizan en aplicaciones refractarias especiales. Generalmente son óxidos de relativamente alta pureza, muchos de los cuales pueden producirse con poca porosidad. En este grupo se encuentran por ejemplo, la alúmina sinterizada Al2O3 (αl = 8.5, κ = 30) que se discutió al principio del tema con MgO para ayudar en la densificación (alúmina translúcida), también se emplea como material abrasivo por su gran dureza. El óxido de berilio BeO (αl = 9.0, κ = 220) también es un material refractario especial pero no es aislante del calor. Otros refractarios son carburos y nitruros, que fueron comentados en los apartados anteriores, además de carbono diamante (αl = 1.2) (sin utilidad práctica por su precio) y el grafito (αl = 5.4, κ = 180) que si se utiliza pero en ambientes no oxidantes. Como cabe esperar, los refractarios especiales son más caros. Dos cerámicas especiales (o avanzadas) que se están utilizando cada vez más son las circonas y los sialones. La circona (óxido de circonio, ZrO2) puede existir en tres formas polimórficas dependiendo de la temperatura por debajo de su punto de fusión, 2700 o C: cúbica (c, T > 2370 o C, estructura tipo fluorita) tetragonal (t, entre 2370 y 1160 o C) y monoclínica (m, T < 1160 o C). La transformación ZrO2-t → ZrO2-m es martensítica y no se puede suprimir por enfriamiento rápido. Además, la transformación va acompañada de un incremento de volumen del 9 % por lo que es imposible construir piezas de ZrO2 puro ya que al enfriar se da la transformación y aparecen grietas que desmenuzan el material. La adición de ∼ 10-12 % molar de otros refractarios como CaO, MgO o Y2O3 estabiliza la forma cúbica a RT. Estos compuestos se conocen como FSZ “Fully Stabilized Zirconia”. Sin embargo, el material de mayor importancia tecnológica es el PSZ “Partially Stabilized Zirconia” con un 9 % molar de Mg o un 6 % molar de Y. Ambas formas, además de ser refractarias (αl ∼ 10, κ∼ 10), tienen buenas propiedades mecánicas.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A) Materiales y equipos  Balanza digital  Mini ladrillo  Dos varillas de acero  Termómetro  Encendedor  Alcohol  cronometro B) procedimiento 

pesar el ladrillo pequeño



tomar medidas de las dimensiones del ladrillo pequeño



medir 15 ml de alcohol



tomar lectura de la temperatura inicial de la parte inferior y superior del ladrillo pequeño



una vez terminado el proceso de ensamblado de equipo encender el recipiente con contenido de alcohol y colocarlo debajo del ladrillo pequeño



dejar pasar el tiempo y tomar las medidas respectivas de temperatura inferior y superior para cada caso.

RESULTADOS

Datos de celdilla Medidas 7.9 x 7.9 x 3.8 cm Masa inicial 280 g Masa final 270 g Volumen de alcohol 15 ml Tiempo (min) 0 2 4 6 8 10 11

T° superior °C 24.5 32 76 79 100.5 100.5 72

T° inferior en °C 24.5 87 254 303 361 340 299

curva de calentamiento y enfriamiento 351 301 251 201 151 101 51 1 0

2

4

6

8

10

12

14