Materiales refractarios clasificados

Los materiales refractarios
son un término amplio para cualquier material que sea ampliamente tolerante a las altas temperaturas y sea resistente al ataque químico a esas altas temperaturas.

Hay muchas clases de materiales refractarios, y una amplia gama de materiales que entran en esas categorías. Aquí, una variedad de estos materiales serán discutidos y categorizados en términos de su composición química. Hay muchas otras formas de categorizar los materiales refractarios, como cómo se fabrican y qué forma física toman, por ejemplo monolíticas o en forma.

Muchos - pero no todos - materiales refractarios comparten una vía de producción común por un proceso secuencial: procesamiento de materias primas, formación y luego disparo. No todos los materiales refractarios se utilizan en el sentido convencional, algunos se incorporan a otros materiales, son refractarios o de otro tipo. Más del 70% de todos los refractarios producidos se utilizan en la industria de producción de metales(1).

La clasificación aquí no incluye todos los materiales refractarios, en aras de la brevedad. También debe señalarse que el uso de algunos materiales refractarios para aplicaciones fuera de sus categorías se produce bajo ciertas cualificaciones y razones. La razón principal de la clasificación por composición química es que dentro de cada categoría, muchos refractarios se comportarán en gran medida igual para los proyectos más comunes, debido a cómo reaccionan o no con la atmósfera en proceso o la escoria producida. Se detallarán algunos ejemplos de cada clase.

Las tres clases más amplias de material refractario - por composición química - son ácidas, básicas y neutras.

ácido

Los refractarios ácidos son aquellos refractarios que reaccionan fácilmente con bases a altas temperaturas. Los ejemplos más comunes de refractarios ácidos son la arcilla de fuego y la sílice. Otros ejemplos incluyen aluminosilicates y zirconia. Los refractarios ácidos son los más adecuados para donde la escoria/atmósfera es ácida en sí misma, ya que esto significa que no habrá ataque ni reactividad, asegurando una larga vida refractaria(2).

sílice

Silica es el material de refractory más usado. Con un punto de fusión de 2.230 °C, su uso es generalizado (3). Apreciados por su longevidad y resistencia a algunas de las temperaturas más altas, los ladrillos de fuego son un ejemplo de un material refractario predominantemente silice. Se han demostrado otros usos más allá de los ladrillos, como un forro de tundish y en cerámica y cementos.

Arcilla de fuego

Popular para la formación de crisoles y toda una gama de herramientas metalmecánicas, arcilla de fuego es una arcilla compuesta principalmente de silicatos hidrous de aluminio, a menudo con sílice presente también.

Vidrio molido

El vidrio molido,
aunque no es un verdadero refractario por derecho propio, ofrece propiedades mejoradas a materiales refractarios más amplios. Similar a la sílice, su componente principal, el vidrio molido se comporta como un refractario ácido. Una característica particularmente útil cuando se utiliza vidrio molido como parte de un revestimiento de barniz o horno refractario es que es capaz de eliminar el óxido de hierro del hierro fundido y el acero(4). Se ha informado que cuando se utiliza como un componente en un revestimiento refractario, el vidrio molido puede actuar como un flujo. Esto ayuda a purificar el metal fundido(5). También se pueden observar beneficios posteriores, como una mejor maquinabilidad.

El vidrio molido también se ha utilizado como componente en otros refractarios de tipo ácido como los ladrillos de fuego de sílice, donde tales ladrillos se encuentran en hornos de acero y vidrio(6).

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básico

Los refractarios ácidos son refractarios básicos. Estos a menudo reaccionan con ácidos a altas temperaturas. La magnesita, la zirconia y el dolomita son ejemplos ampliamente utilizados. Los refractarios básicos, por lo tanto, son los más adecuados para cuando la escoria / atmósfera producida será básica también. Los casos de uso típicos para refractarios básicos son para operaciones metalúrgicas no ferrosas. Los refractarios básicos suelen ser los refractarios de temperatura más altos, pero esto significa un aumento del costo(7).

Zirconia

Zirconia es un refractario básico que es térmicamente estable hasta 15.000 °C, a menudo utilizado para hornos de vidrio y otros hornos donde se requieren las temperaturas más altas. Atractivamente, no reacciona con metales líquidos y tal es un material ampliamente utilizado.

magnesita

La magnesita, MgCO_3,es un refractario utilizado principalmente, por ejemplo, con escorias altamente básicas o ricas en hierro, con las que no reacciona, sin embargo su refracción no es la más alta. Magnesita-cromo y cromo-magnesita (nombrados en consecuencia con el contenido del material predominante) son refractarios mixtos. Normalmente se utiliza para salidas a alta temperatura de hornos y forros de hornos. Los refractarios mixtos de magnesita y cromo ofrecen una excelente resistencia al spalling (8).

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Refractarios neutros

Muchos de los miembros de la clase "neutral" de refractarios caen en dos subcategorías, óxidos y carbono. Los óxidos neutros son apreciados por su falta de reactividad con ácidos y bases, y a menudo se consideran refractarios superiores por su amplia utilidad y rendimiento en un amplio número de aplicaciones.

Los refractarios neutros se utilizan en muchas aplicaciones, ya que son tolerantes a atmósferas y escorias ácidas y básicas. Los refractarios de tipo carbono se utilizan a menudo en entornos reductores(9).

Antracita

Contraintuitivamente, la antracita se ha utilizado durante mucho tiempo como refractario. Como ejemplo de un material refractario neutro, su inclusión significa que no hay reactividad con atmósferas o escorias ácidas o básicas. La antracita calcinada (CA) es una versión tratada térmicamente de la antracita que es más fuerte y significativamente más porosa que la antracita no tratada.

Durante la calcinación - que puede ser a través de un proceso de calentamiento eléctrico, produciendo antracita calcinada eléctricamente, ECA - la antracita comienza a someterse a la grafita a aproximadamente 2.200 °C(10). En efecto, debido a la grafitaización, el grafito sintético se forma a través del TCE(11). El grafito en sí es un material refractario.

Para refractarios fundidos, CA tiene poros pequeños y de tamaño consistente. De utilidad particular para la producción de metales ferrosos, la antracita calcinada encuentra un uso extensivo en refractarios grafáticos moldeables monolíticos(12).

En aplicaciones de fundición, CA/ECA tiene perfiles de resistencia eléctrica interesantes(13), mientras que la antracita es un conductor deficiente, CA/ECA es buena. Los electrodos producidos por CA/ECA para aplicaciones de fundición tienen una velocidad lenta de oxidación, alta resistencia mecánica y baja conductividad térmica. Los electrodos se forman a partir de monolitos de TCE, semi-monolitos o un proceso de compresión que implica resinas de alto rendimiento que se unen secciones monolíticas más pequeñas(14).

Ca y ECA son opciones refractarias populares debido a su naturaleza barata, buenos niveles de pureza derivados de la antracita de alta calidad, y amplia aplicabilidad.

Polvo de carbón

Como aditivo en la producción de ladrillos refractarios, el
polvo de carbón
se ha utilizado durante mucho tiempo(15). Se ha demostrado que en su mayoría ladrillos de fuego a base de arcilla que habían sido dopados con diferentes cantidades de polvo de carbón, en diferentes tamaños de molienda, se encontraron para ser altamente eficaces como aislantes térmicos(16), elevando la arcilla convencional al estado del material refractario.

metal fundido que se vierte en el molde con arenas de relleno

Cromita

El cromo es el mineral natural del cromo. Tiene un punto de fusión de 2.040 °C y es "casi químicamente inerte"(17). En forma de ladrillo refractario, el cromo es térmicamente estable, muy por encima de 1.900 °C, manteniendo la resistencia mecánica(18). Una de las muchas ventajas de los refractarios de cromo es su resistencia a la deformación, es decir, mantienen un volumen constante a altas temperaturas.

La harina cromada
es un polvo finamente molido de cromo de hierro y se utiliza ampliamente junto con la magnesita refractaria básica para formar ladrillos refractarios de magnesita-cromo y
cromo-magnesita
(19,20), utilizados ampliamente en la construcción de hornos y hornos. Además de esto, los ladrillos refractarios también se pueden fabricar utilizando predominantemente cromita(21) o con la alúmina refractaria neutra, que se puede añadir en su forma de bauxita no refinada, mejorando significativamente la resistencia mecánica(22).

metal fundido que se vierte en moldes con arenas de relleno

Otros métodos de clasificación refractaria(23)

Aparte de la composición química, hay otros tres métodos de clasificación importantes para los refractarios. Las descripciones dentro de cada categoría conducen a cómo se utilizará el refractario terminado. Por ejemplo, se puede utilizar un refractario (forma) moldeable (método) sin forma en una aplicación de fundición de aluminio.

Formulario

Como se ha mencionado, las dos clasificaciones generales de los materiales refractarios están "formadas" y "sin forma". Los refractarios "en forma" se conocen mejor como ladrillos refractarios, mientras que los refractarios "sin forma" se conocen mejor como monolitos.

Método de fabricación

Los refractarios pueden ser hechos por varios métodos, la mayoría de los cuales tienden a estar de acuerdo con el mencionado anteriormente"procesamiento de materiales, formación y luego disparo". Algunos ejemplos de métodos de producción refractaria son el prensado en seco, la fundición fusionada y el moldeo a mano. Las masas de embestida, el disparo, la pulverización y los procesos de fundición tienden a asociarse con formas sin forma.

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Temperaturas de fusión

La temperatura de fusión se refiere al rango de temperatura al que se clasifican los refractarios. Los refractarios 'normales' funcionan en el rango de ca. 1.500 a 1.800 °C; Refractarios "altos" de ca. 1.800 a 2.000 °C; y super refractarios superiores a 2.000 °C. Ejemplos típicos son arcilla/ladrillo de fuego, cromo/cromo-magnesita y zirconia respectivamente.

Consultoría de óxido de manganeso

Por composición química, los materiales refractarios se agrupan en clases ácidas, básicas y neutrales
Los refractarios ácidos son aquellos que son resistentes a escorias/ambientes ácidos, ejemplos incluyen sílice y vidrio molido
Por el contrario, los refractarios básicos son aquellos que son tolerantes con escorias/entornos básicos, como la zirconia y la magnesita
Los refractarios neutros no reaccionan con escorias básicas o ácidas, y como tal tienen un alcance más amplio de usos, sin embargo, en algunos casos su refracción puede no ser tan alta. Algunos ejemplos son el cromo y la antracita/antracita calcinada
Existen otros métodos para categorizar los refractarios, incluso por forma, método de fabricación y temperatura de fusión

Referencias

1 A.M. Garbers-Craig, J. S. Afr. Inst. Min. Metallurg., 2008, 108, 1

2 J. A. Bonar et al., Soy. Ceram. Soc. Toro., 1980, 59, 4

3 A. Muan y S. Somiya, J. Am. Ceram. Soc., 1959, 42, 603

4 E. T. Turkdogan, Siderurgia y siderurgia, 2004, 31, 131

5 E. T. Turkdogan, Siderurgia y siderurgia, 2004, 31, 131

6 Patente de los Estados Unidos US3360387A, 1967, expiró

7 M. L. Van Dreser y W. H. Boyer, J. Am. Ceram. Soc., 1963,46, 257

8 C. G. Aneziris et al., Interceram., 2003, 6, 22

9 E.M.M. Ewais, J. Ceram. Soc. Japón, 2004, 112, 517

10 A.B. García et al., Proceso de Combustible. Tecnología., 2002, 79, 245

11 C. E. Burgess-Clifford et al., Proceso de combustible. Tecnología., 2009, 90, 1515

12 P. Jelínek y J. Beňo, Arco. Fundición. Eng., 2000, 8, 67

13 I.M Kashlev y V.M. Strakhov, Coke and Chemistry, 2008, 61, 136

14 B. Chatterjee, Aplicación de electrodos en hornos de aleación de ferro,en: 4º curso de actualización en aleaciones de ferro, Jamedpur, India, 1994

15 H.B Simpson, J. Am. Ceram. Soc. 1932, 15, 520

16 M. H. Rahman et al., Procedia Eng., 2015,105, 121

17 J. O. Nriagu y E. Nieboer (eds.), Cromo en los Entornos Naturales y Humanos,Wiley-Interscience, Nueva York, 1988

18 E. Ruh y J. S. McDowell, J. Am. Ceram. Soc., 1962, 45, 189

19 Patente de los Estados Unidos US4366256A, 1982, caducada

20 W. E. Lee and W.M. Rainforth, Ceramic Microstructures - Property Control by Processing, Chapman and Hall, Londres, 1994

21 K. Matusmoto, Chem. Abst., 1963, 59, 3626

22 T. R. Lyman y W. J. Rees, Trans. Ceram. Soc. 1937, 36, 110

23 C. Schacht, Manual de Refractarios, CRC Press, Boca Ratón, Estados Unidos, 2004 (para toda la sección)

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