pared de ladrillo refractario

Refractarios de polvo de carbón

El polvo de carbón, o antracita en polvo, es un material relativamente barato y útil en una variedad de
configuraciones refractarias,
como un componente en ladrillos de fuego y aplicaciones de fundición de tipo greensand. En algunos casos de uso, el polvo de carbón es sacrificial, con sus productos de combustión a menudo proporcionando propiedades deseables. En comparación con otros tipos de carbón, como el lignito o el carbón bituminoso, el antracita se quema relativamente limpiamente; reducir los riesgos para la salud de los trabajadores de la planta y tener un perfil ambiental ligeramente mejor. Los refractarios de tipo carbono se utilizan a menudo en entornos de reducción(1).

Polvo de carbón en ladrillos refractarios

Un ladrillo refractario - también conocido como un ladrillo de fuego - es uno que tiene un mantiene una alta resistencia física y química y la estructura a temperaturas significativamente elevadas, sin grietas. Se utilizan para la línea de hornos y hornos, proporcionando aislamiento y protección a la estructura exterior de la cámara de calefacción. Los ladrillos refractarios que contienen carbono, como los
que contienen polvo
de carbón, se han utilizado ampliamente en la fabricación de hierro y acero debido a su adaptabilidad y resiliencia(2).

El polvo de carbón como aditivo en la producción de ladrillos refractarios se ha utilizado durante casi cien años(3). En un trabajo a menudo citado(4), predominantemente ladrillos de fuego a base de arcilla con diferentes cantidades de polvo de carbón, en varios tamaños de molienda, se hicieron. En todos los casos, se observaron altos niveles de aislamiento térmico. Los autores concluyeron que la conductividad térmica disminuyó, mientras que la resistencia a la compresión y los niveles de porosidad aumentaron con un aumento general en el porcentaje de polvo de carbón utilizado. Con respecto al tamaño de molienda, se encontró que con una molienda más fina (partículas más pequeñas), la resistencia a la compresión y los niveles de porosidad aumentaron, mientras que la conductividad térmica disminuyó. Naturalmente, el equilibrio de la conductividad térmica y la resistencia a la compresión son clave para un ladrillo de fuego exitoso. La porosidad contribuye al aislamiento térmico, ya que el aire es un conductor de baja temperatura(5), aunque los autores señalaron que el exceso de niveles de porosidad puede contribuir a la falta de características de resistencia mecánica. La composición porcentual atribuida al carbón osciló entre 38 y 68, y el tamaño de la molienda osciló entre 20 y 500 m. Otro estudio sondeó el mismo número, aunque con menor porcentaje de adiciones de polvo de carbón (5 a 20 en masa), los autores afirmaron que con el aumento del contenido de carbón la resistencia mecánica aumentó y la conductividad térmica disminuye(6).

ladrillos hechos refractarios
ladrillos hechos con cemento refractario

La porosidad está directamente relacionada con la permeabilidad, y se afirma que la permeabilidad es el factor rector de la longevidad de los materiales refractarios(7). La porosidad se crea mediante la combustión de materiales añadidos al material principal de formación de ladrillos(8). Los poros se crean después de que el material se quema, y la forma de los poros está relacionada con la identidad del material(9), en un proceso conocido como 'burnout'. Cuando el polvo de carbón se quema, normalmente deja una forma de poro que es esférica(10). La conductividad térmica -y por lo tanto la eficacia como refractario- también depende de la forma de los poros, además de los niveles generales de porosidad(11). Como regla general, cuanto mayor sea el tamaño de partícula del aditivo, mayor será el tamaño de los poros.

El polvo de carbón se utiliza como aditivo en la producción de ladrillos altamente estables térmicamente a partir de barro de arcilla roja en los países en desarrollo(12), con altos niveles de resistencia a la compresión y porosidad, y baja retención de agua.

Además del polvo de carbón, los residuos de ceniza de carbón de las centrales termoeléctricas se han utilizado en la fabricación de ladrillos convencionales y refractarios(13), con un rendimiento similar al de los ladrillos disponibles en el centro comercial. Se ha informado de que la fabricación de ladrillos a partir de polvo de carbón y cenizas de carbón es un método de producción más ambiental(14) ya que reduce/reutiliza los residuos.

Revestimientos refractarios y polvo de carbón / antracita

Además de en forma de ladrillo, el polvo de antracita/carbón se puede utilizar como parte de revestimientos refractarios, por ejemplo, en los casos en que forman parte de una estructura monolito. Los revestimientos carbonáceos de macetas para fundición de aluminio han sido populares durante algún tiempo(15), con combinaciones de antracita y coque/calcinado hallazgo de antracita. Los revestimientos monolíticos derivados de la antracita y el polvo de carbón son deseables debido a su bajo contenido de cenizas y estabilidad a largo plazo. Además, en el espacio de producción de aluminio, se han producido cátodos utilizados en la etapa de electrólisis que contienen hasta 45 de antracita calcinada; manteniendo la estabilidad a alta temperatura y sin pérdida de conductividad eléctrica. además de los ajustes más convencionales de revestimiento de macetas que aseguran que el metal fundido se mantenga a temperatura constante(16).

refractario-cromoharina

Con respecto a los revestimientos refractarios para la producción de hierro y acero, en el alto horno se ha utilizado un monolito curado compuesto por 80 antracita(17). Es crucial que un alto horno esté forrado con un refractario eficaz y duradero para garantizar una producción sostenida y fiable(18). En el alto horno moderno, el desgaste del revestimiento se concentra particularmente en la parte inferior de la cámara, la chimenea. Aquí, el caudal de metal líquido es alto, lo que significa turbulencia y un nivel desigual de desgaste a través del forro. Los refractarios basados en la antracita demostraron su valor con altos niveles de resistencia a la temperatura, incluso hasta múltiples ciclos de calentamiento por encima de 1.000 oC, pruebas de choque térmico, pruebas de resistencia química y oxidación. En este caso, la antracita monolítica es apreciada por su estabilidad de volumen a granel(19). Los revestimientos refractarios de tipo carbono de los altos hornos suelen estar del orden de 700 a 750 mm de espesor, con longitudes de alrededor de 2 metros(20).

refractario-carbónpolvo

Teniendo en cuenta el servicio a largo plazo de un revestimiento en particular, ningún material es inmune al fracaso. En general, cuantos más ciclos de calentamiento y refrigeración haya, antes fallará el refractario. Se observa, sin embargo, que un refractario más frágil fracasará antes; polvo de carbón/refractarios de antracita son conocidos por su relativa flexibilidad(21). Cabe destacar el tamaño de los poros orientados hacia el exterior en cualquier refractario a base de carbono; si el tamaño de los poros es demasiado grande, pequeñas cantidades de metal fundido pueden acumularse en ellos y enfriarse, produciendo los llamados "whiskers". Estos fenómenos pueden afectar a la eficacia global del refractario.

Arena verde y fundiciones: el uso de polvo de carbón en aplicaciones de fundición


El polvo
de carbón es un aditivo común en el proceso de moldeo de arena verde, como un aditivo carbonáceo que bajo combustes y oxida. En la fundición de arena verde moderna, la antracita sustituye al carbón bituminoso, que se quema al calentarse y libera contaminantes peligrosos como el benceno, el xileno y el tolueno. Es imperativo que el carbón bituminoso se sustituya por un material carbonáceo de igual rendimiento, pero con un perfil menos perjudicial para el medio ambiente. Experimentalmente, la antracita(22) emite contaminantes significativamente menos peligrosos que el carbón bituminoso(23). El uso de polvo de carbón disminuye los defectos quemados, mejora el acabado superficial y disminuye la penetración del metal. Además, inhibe la humectación, un proceso por el cual el metal fundido se adhiere a la arena en el molde y deja defectos en la superficie del producto. El uso de polvo de carbón también previene fenómenos como la "quema", donde el óxido de hierro se produce en la superficie debido a los compuestos orgánicos volátiles que desprende la combustión del polvo de carbón(24).

hombre vertiendo metal fundido en un molde

Otros usos

La antracita calcinada se ha utilizado junto con un paso resinoso para producir una pasta refractaria altamente eficaz, utilizada en revestimientos de ollas de fundición de aluminio(25). Continuando con el tema de la pasta refractaria, se ha encontrado que las resinas ricas en antracita son muy superiores en términos de resistencia a la compresión a altas temperaturas que las resinas de tipo asfalto comúnmente utilizadas(26). El polvo de carbón ha encontrado la utilización en cementos y hormigones refractarios, con inclusión como parte del componente agregado en una mezcla de hormigón ya en los años 1910 y 1920 (27,28). Aunque la adición de polvo de carbón no contribuye a la actividad pozzolánica de la losa de hormigón resultante, la inclusión aumenta el rendimiento térmico general.

refractario-cromoharina

Resumen

  • El polvo de carbón o antracita es un material útil que se encuentra como aditivos en aplicaciones refractarias, particularmente atractivo debido a su naturaleza relativamente barata y ubicuidad
  • Como aditivo para ladrillos refractarios, proporciona propiedades mejoradas en gran medida al aumentar la porosidad
  • En los revestimientos de los hornos, el polvo de carbón como material refractario proporciona resistencia a largo plazo y alto rendimiento térmico; en la producción de acero se utiliza para relarinar las áreas de alto impacto del horno, proporcionando una larga vida útil
  • Dentro de las aplicaciones de fundición, es un aditivo común a la moldeo de arena verde que proporciona un proceso más eficiente
  • En otras áreas, se utiliza como pasta refractaria y en cementos/hormigóns que proporcionan mayores características de rendimiento térmico
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Referencias:

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

2 S. W. Zhang, Adv. Sci. Tecnología. 2006, 45, 2246

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

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

5 K. Kasoya et al., J. Phys. Chem. Ref. Datos 1985, 14, 947

6 M. D. Rahman et al., Efecto del porcentaje (masa) del carbón sobre el comportamiento mecánico y térmico delos ladrillos de fuego aislantes fabricados por el sistema de quemados en el 9o Foro Internacional sobre Tecnología Estratégica, Cox's Bazar, Bangladesh, 2014

7 G. R Eusner y J. T. Shapland, Permeabilidad de los Refractarios de Horno explosivo en decimosexta reunión de la Sociedad Americanade Cerámica, Pittsburgh, 1958

8 Patente de los Estados Unidos 4307199, 1981, expiró

9 M. Sutan et al., Ceram. Int., 2012, 38, 1033

10 P. Guite et al., Ceram. Int., 1984, 2, 59

11 V. Tkach et al., Glass Ceram., 1999, 56, 158

12 G. Bathan et al., Int. J. Emergente. Sci. Eng., 2014, 2, 7

13 C. P. Bergmann et al., Refractan. Ind. Ceram., 2008, 49, 320

14 O. Sassi et al., MATEC Web Conf., 2018, 149, 1043

15 H. Hayashi et al., J. Metals, 1968, 20, 63

16 G. Wilde y G. Lange, J. Metals, 1968, 20. 67

17 F. Vernilli et al., Ironmaking and Steelmaking, 2005, 32, 459

18 S. A. Podkopaev, Refractarios Ind. Ceram., 2004, 45, 235

19 S. Ge et al., Metalurgia. Mater. Trans. B, 1968, 20. 67

20 S. V. Olebov, Refractarios, 1964, 5, 189

21 K. Andreev et al., J. Eur. Ceram. Soc., 2014, 34, 523

22 G. Thiel y S. R. Giese, Am. Foundry Soc. Trans., 2005, 113, 471

23 J. Wang y F. S. Cannon, Estudio de la pirólisis de aditivos carbonáceos en fundiciones de arena verde en Seattle: The International Carbon Conference, 2007, Seattle

24 F. S. Cannon et al., Environ. Sci. Tecnología., 2007, 41, 2957

25 M. M. F. Goncalves et al., Fuel Energ. Abstr., 1998, 1, 55

26 Y. Li et al., The Mechanical Performance Experiments of Blast Furnace Hearth Ramming Material and Carbon Brick Refractory Mortar in 2nd International Conference on Material Engineering and Application, Shanghai, 2015

27 Patente de los Estados Unidos US1854899, 1929, expiró

28 Patente de los Estados Unidos US1275354, 1917, expiró