Propiedades clave de los materiales refractarios: comprensión de la conductividad térmica, la resistencia a la compresión y la porosidad

Crucial para la identidad del material refractario en sí es cómo se desempeña en temperaturas elevadas, pero esta no es la única área donde un refractario necesita sobresalir. Ciertas aplicaciones requieren niveles elevados de resistencia a la compresión y perfiles de porosidad específicos. El diseño de los procesos de fundición contemporáneos se basa en gran medida en la comprensión de estos factores para garantizar un sistema robusto y productivo.

Característica Pic Refractory

Introducción

Los materiales refractarios (refractarios) son materiales que, por su composición química, son altamente resistentes a temperaturas elevadas, lo que los convierte en herramientas esenciales en la producción de metales ferrosos y no ferrosos, piezas fundidas de alta precisión y diversas aplicaciones de fundición. Al caer en tres grandes categorías por naturaleza química: ácido, básico y neutro, y además clasificados por tamaño y forma, la amplia selección de materiales refractarios significa que encuentran las aplicaciones más amplias en todo el mundo. La producción de refractarios generalmente sigue la secuencia "procesamiento de materias primas, formación y luego cocción" con una variedad de tipos de conformado disponibles.

A continuación se muestra una amplia visión general de algunos materiales refractarios comunes y sus temperaturas de servicio normales e información de resistencia a la compresión (5L, M, N)

Material Temperatura de servicio (°C) Resistencia a la compresión (MPa)
Ladrillo de arcilla de fuego (denso) 1.400 máx. 15 - 60
Ladrillo de arcilla de fuego (60% poroso) 1,400 - 1,600 10 - 20
Magnesia-cromita 60/40 (13 - 22 % porosidad) 1,600 30 - 80
Sílice (arena, 23% de porosidad) 1,630 10
magnesita 1,600 - 1,800 35 - 60
Cromita (14-21% porosa) 1,650 25 - 95
Magnesia-cromita 35/65 (25 -60 % de porosidad) 1,650 25 - 60
Arcilla de carburo de silicio 1,700 80
Forsterita (20% de porosidad) 1,730 22
Alta alúmina (18% de porosidad) 1,800 + 55
Refractario-cemento-característica-pic

Conductividad térmica

Tal vez la "cifra principal" cuando se trata de materiales refractarios es cuán alta es la temperatura que pueden soportar y la cantidad de calor que pueden absorber para no dañar otras herramientas (por ejemplo, en el caso de los revestimientos de tundish para fundición de aluminio) (5C).

La conductividad térmica está influenciada por varios factores, pero entre ellos el plomo es el punto de fusión (que está dictado por la composición química del propio refractario) y la porosidad (más abajo). La cromita y la zirconia son ejemplos comunes de materiales refractarios ampliamente utilizados y tienen un punto de fusión de 1.700 a 2.000 °C y muy por encima de 2.000 °C respectivamente. La resistencia mecánica o a la compresión rara vez contribuye a la conductividad térmica.

Otras clasificaciones de materiales refractarios son por temperaturas de servicio, que se basan en la porosidad, en general:

Resistente al calor hasta o igual a 1.100 °C
Refractarios hasta o iguales a 1.400 °C

Alto refractario hasta o igual a 1.700 °C

Refractario ultra alto Más de 1.700 °C

Los equivalentes de cono pirométrico (PCE) son medidas de cuánto se ablandará una cerámica a temperatura pero no bajo carga. Los refractarios pueden agruparse por valor PCE, desde el súper duty hasta el servicio alto e intermedio al bajo, correspondientes a valores de 33-38, 30-33, 28-30 y 19-28 respectivamente. Un valor bajo de PCE significa que el refractario tiene una temperatura más baja a la que puede operar antes de deformarse y arriesgarse a agrietarse. Una discusión detallada de los valores de PCE está más allá del alcance de este artículo.

acero caliente rojo hecho con moldes de arena verde

Resistencia a la compresión

Al igual que con cualquier proceso industrial, la cantidad de mantenimiento que se requiere de un sistema es una consideración crucial junto con la longevidad. Es lógico pensar que cualquier material que sea físicamente más fuerte (en términos de resistencia a la compresión o de otro tipo) durará más tiempo sin romperse, reduciendo así los requisitos de mantenimiento y mejorando la vida útil del sistema(5B). Dado que algunos materiales refractarios son relativamente caros, tener que pausar una operación de fundición de metal, por ejemplo, para el mantenimiento es una tarea que agrega tiempo, costo y complejidad.

La resistencia a la compresión varía con la temperatura, por lo tanto, este es uno de los principios rectores en la selección de refractarios. Las pruebas de «fluencia» se han realizado durante mucho tiempo en materiales refractarios, y las pruebas aplican presión a temperaturas elevadas en materiales refractarios. "Creep" en este sentido se refiere a la noción de expansión o contracción (y por lo tanto elasticidad, pero la fuerza de flexión está más allá del alcance de este artículo) con más movimiento que es en gran medida indicativo de debilitamiento a cualquier temperatura o presión en particular. Los resultados de las pruebas muestran que los ladrillos refractarios de sílice de alta pureza son superados por ciertos tipos de ladrillos de fuego hechos de arcilla de fuego en pruebas de temperatura moderada de hasta 1,000 ° C (5A).

Como se puede ver en los ejemplos de la tabla anterior, la resistencia a la compresión tiene poca influencia en la refractariedad.

Al observar ejemplos en
los que los refractarios incluyen polvo de carbón,
como muchos ladrillos de fuego, se ha afirmado que la conductividad térmica disminuye con aumentos en la resistencia a la compresión y el tamaño de los poros (es decir, más porosos) (5H). Al considerar aglutinantes refractarios (es decir, materiales que mantienen unido el material refractario antes de la cocción), el uso de antracita como aglutinante es muy superior en términos de agregar resistencia a la compresión que un material orgánico resinoso o fibroso (5K).

La resistencia a la compresión también es importante en la fabricación del refractario, no solo cuando se despliega el refractario. Se deben tener en cuenta las consideraciones con respecto a la resistencia a la compresión si se utiliza el método de prensado para formar ladrillos refractarios. Hay poco o ningún riesgo de problemas durante el proceso de prensado si el material refractario es resistente a las presiones más altas.

hornos que pueden utilizar polvo de carbón
Fundición

Porosidad

La porosidad es la medida de cuán poroso es un material, es decir, cuántos canales pequeños están presentes en la mayor parte de un material que puede permitir el paso de líquidos o gases. Los materiales altamente porosos son apreciados en muchas áreas industriales, sobre todo en catálisis, donde las zeolitas altamente porosas se consideran algunos de los catalizadores más productivos, pero también la porosidad tiene un papel valioso que desempeñar en el diseño e implementación del material refractario.

Como regla general, cuanto mayor es el nivel de porosidad en un material, menos denso es y más pobre es un conductor térmico. Ambos fenómenos se explican por los agujeros en el material a granel que se llena con aire (u otro gas: los gases son malos conductores del calor). Es lógico, entonces, que más agujeros signifiquen más aire, lo que significa una conductividad térmica más pobre (5I). Esto cuando se combina con un material que ya tiene una tolerancia muy alta a la temperatura lo convierte en un excelente material refractario. Otra ventaja de los materiales más porosos es que los costos de transporte se reducen, debido a su menor peso por unidad de volumen dada.

Los revestimientos de Tundish son ejemplos principales de donde la porosidad es importante, donde a menudo las estructuras elevadas no deben ser tan pesadas, ya que pueden colapsar bajo carga. Los
refractarios comunes de cromo
magnesia se utilizan aquí por esta razón, entre otras razones (5D). Sus estructuras porosas ayudan en la purificación del metal fundido, previniendo la oxidación y absorbiendo impurezas no metálicas a medida que el metal fundido pasa a través (5F). La porosidad también es un factor importante para el yeso refractario, que no puede ser pesado o muy denso o de lo contrario simplemente no funcionará bien como un "pegamento" para unir ladrillos refractarios, o parchear refractarios agrietados (5E).

Además, en el caso de las piezas fundidas de arena verde, la porosidad del
material refractario
a base de cromo es crucial para permitir que los gases acumulados escapen (5G), ya que si no se logra esto, esto podría provocar defectos superficiales o humectación. La porosidad, como se mencionó, contribuye al aislamiento térmico, ya que el aire es un conductor de temperatura deficiente. Además, es ampliamente reconocido que la porosidad está directamente relacionada con la permeabilidad. La permeabilidad es uno de los principales factores rectores en la longevidad de los materiales refractarios(5J).

En resumen, una red de poros uniformes, pequeños y distribuidos uniformemente es ventajosa y ofrece la conductividad térmica más baja.

refractario-carbónpolvo

Refractarios idealizados

Combinando el conocimiento anterior, se puede sacar una conclusión sobre lo que podría ser un material refractario idealizado. Ciertamente, el material tendría que estar compuesto químicamente de un material de alto punto de fusión; ser excelente para resistir pesos pesados y fuertes presiones colocadas sobre él sin romperse; y ser relativamente poroso, para disipar el calor de manera efectiva.

Cabe señalar que la elección del refractario en función de la identidad química, la resistencia a la compresión y la porosidad debe hacerse junto con la naturaleza del refractario (ácido, básico, neutro) y si la forma del refractario es adecuada para el proceso en general. Afortunadamente, las técnicas de producción modernas permiten una amplia diversidad de materiales en prácticamente cualquier forma y tamaño, por lo que son ideales para una tarea industrial determinada a temperaturas elevadas.

Consultoría de óxido de manganeso

  • La elección de los materiales refractarios depende de muchos factores, que incluyen, entre otros, la resistencia térmica, la resistencia a la compresión y la porosidad.
  • Estos factores son a menudo interdependientes y deben tenerse en cuenta en su conjunto al seleccionar un material refractario o un material refractario compuesto.
  • Los materiales altamente resistentes al calor son la primera opción obvia para un material refractario, ya que es un entorno de alta temperatura en el que operan casi todos los refractarios.
  • Los materiales con altos valores de resistencia a la compresión son útiles porque se pueden usar para prácticamente cualquier proceso (especialmente en fundición de metales) donde se colocan grandes fuerzas de peso en el refractario: la capacidad mejorada para cargas extremas significa que el material no se romperá con el tiempo, proporcionando longevidad.
  • Los materiales altamente porosos son apreciados debido a su baja relación peso-volumen, y además ser porosos en sí mismo significa que el material es un conductor más pobre (es decir, un mejor aislante del calor)
chrome_sand
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Harina de cromomita en una olla

Referencias

1 M. H. Van de Voorde y G. W. Meetham, Refractarios y materiales aislantes,en: Materials for High Temperature Engineering Applications, Springer, Heidelberg, 2000

2 Refractarios y aislantes materiales, en: The Efficient Use of Energy (2nd Ed.), I. G.C. Dryden (ed), Butterworth, Londres, 1982

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5 A. I. Natsenko et al., Refractroes, 1983,24, 215

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