II LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES.

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1 II LABORATORIO DE REFRACTARIOS Y HORNOS METALURGICOS: FABRICACION DE LADRILLOS REFRACTARIOS AISLANTES

2 OBJETIVO: Elaboración de ladrillos refractarios. Encontrar la densidad aparente y real Encontrar la porosidad total y aparente. Caracterizar el ladrillo tanto refractario como aislante (composición, tipo de poros)

3 MATERIALES REFRACTARIOS Se conoce como material refractario a aquellos materiales cuyas propiedades permiten que pueda soportar temperaturas muy elevadas, sin embargo, estos deben de soportar una temperatura en específico sin sufrir ningún tipo de deterioro en sus condiciones internas, como por ejemplo la corrosión. Esta condición permite que los materiales refractarios sean utilizados en todos los hornos de fabricación, ya sea en las refinerías, industria química, metalurgia, industrias de vidrio y cerámica. El material refractario conocido por excelencia es la cerámica.

4 MATERIALES REFRACTARIOS INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS: Los Refractarios comienzan a utilizarse con el desarrollo primitivo de las primeras cerámicas cocidas, utilizadas por el hombre, al construir los hornos de cocción con los mismos materiales arcillosos con los que se hace la cerámica. Con el desarrollo de la metalurgia del hierro, fue necesario buscar materiales más resistentes para la Fundición del mismo.

5 MATERIALES REFRACTARIOS INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS: Procesos como la cocción, la fusión, afinado de cualquier tipo de material, la calcinación, así como otros muchos, no pueden desarrollarse si los productos o los equipos de producción (HORNOS) no están protegidos por materiales refractarios. Así mismo y cada vez más frecuentemente, ciertos procesos de producción específicos no pueden ser puestos en marcha si no se ha desarrollado previamente el revestimiento refractario adecuado.

6 MATERIALES REFRACTARIOS INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS: Los principales sectores de aplicación de los materiales refractarios, así como el tipo de instalación en la que se usan pueden verse en la tabla 1. En ella también se da la temperatura del proceso y el tipo o tipos de refractarios utilizados.

7 MATERIALES REFRACTARIOS

8 CLASIFICACION DE LOS REFRACTARIOS: De acuerdo con su carácter químico los refractarios tradicionalmente se dividen en:  Refractarios ácidos (ladrillos de arcilla cocida de bajo contenido en alúmina y alto en sílice, sílice)  Refractarios básicos (magnesita y dolomía)  Refractarios neutros (cromita y carbono)  Refractarios especiales (mullita y circona). Esta clasificación nos va a servir como base para realizar un breve recorrido por su desarrollo histórico. INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS:

9 MATERIALES REFRACTARIOS  Refractarios ácidos: El principal constituyente de los refractarios ácidos es la sílice (95%Si02). En este grupo, se incluyen materiales como la arcilla de alumina y de sílice, que son materiales de poco costos pero con la desventaja de que son materiales débiles. Pueden emplearse a temperaturas próximas a su punto de ablandamiento, sin embargo es muy sensible a cambios bruscos de temperatura especialmente bajo los 650°C. Con ladrillos de sílice se construyen los revestimientos de los convertidores Bessemer y las bóvedas de los hornos eléctricos, de los Martín - Siemens, las cámaras de coque y otros, Las soleras de estos hornos se construyen de masa refractaria de sílice. INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS:

10 MATERIALES REFRACTARIOS  Refractarios básicos: La magnesita, constituida por un 80% de óxido de magnesio (Tf =2800°C), sílice, cal, alúmina y óxido de hierro, tiene una elevada conductividad térmica y una dilatación de 1.30% a 1000°C. Cuando ocurren calentamiento y enfriamientos sucesivos se producen tensiones considerables que son la causa de la debilidad característica de los ladrillos de magnesita. La dolomita natural está constituida principalmente por carbonato de calcio y carbonato de magnesio. La roca dolomía calentada a 1200°C se transforma en una mezcla de óxido de calcio y de óxido de magnesio llamada dolomita, que generalmente en forma granulada o de ladrillos se emplea cómo refractario en los hornos. INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS:

11 MATERIALES REFRACTARIOS  Refractarios neutros: La cromita es un refractario que tiene un comportamiento neutro o sea que soporta bien las escorias y fundentes ácidos o básicos, pero posee muy poca resistencia a la compresión en caliente y a los cambios bruscos de temperatura. Los ladrillos de cromo-magnesita tienen mejor aceptación que los de cromita por tener mejor resistencia a las escorias y al descascarado y mejor comportamiento a elevadas temperaturas bajo carga. El grafito es un refractario de comportamiento neutro, soporta temperaturas hasta de 1800°C y es sensible a las variaciones de temperatura, pero debe estar en ambientes cerrados y que contengan óxidos de carbono para evitar su combustión. El carborundo o carburo de silicio, tiene una elevada conductividad térmica y gran insensibilidad a las variaciones de temperatura. INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS:

12 MATERIALES REFRACTARIOS  Refractarios especiales: Existen otros materiales cerámicos que se utilizan en aplicaciones refractarias más bien especiales. Algunos de ellos son el óxido de relativamente alta pureza, muchos de los cuales pueden producirse con poca porosidad. En este grupo se encuentra la alúmina, sílice, magnesia, oxidó de berilio (BeO). Circona (ZrO2) y mullita (3Al2O32SiO2). INTRODUCCION A LOS REFRACTARIOS:

13 MATERIALES REFRACTARIOS LADRILLO REFRACTARIO : Los ladrillos refractarios actualmente son empleados para revestir calderas, ollas de aceración, parrillas, hornos rotatorios de cementeras. El manejo de estos ladrillos no es tan simple como manejar ladrillos comunes, debido a que por sus mismas propiedades reacciona de manera explosiva con otros materiales que no sean los correctos. De las peculiaridades de este tipo de material es que son fabricados en calidades variadas, dependiendo de la concentración de alúmina y en base a esta concentración el ladrillo resiste mayores temperaturas o puede ser usado para distintos medios.

14 MATERIALES REFRACTARIOS CLASIFICACION Y DESIGNACION: Los ladrillos refractarios utilizados son de dos tipos dependiendo del contenido de arcilla con sílices o alúminas. Las propiedades de estos compuestos permiten que el ladrillo soporte estar a grandes temperaturas.  Ladrillos refractarios con alto contenido en alumina.  Ladrillos refractarios con alto contenido en silice.  Ladrillo aislante (20% aserrín –80% arcilla).  Ladrillo refractario denso (ladrillo de alumina). LADRILLO REFRACTARIO :

15 MATERIALES REFRACTARIOS  Ladrillos refractarios con alto contenido en alúmina: El coeficiente de dilatación térmica de este tipo de ladrillos es muy bajo, gracias a esta propiedad los ladrillos están preparados para soportar elevadas temperaturas, sin presentar algún tipo de deformación o dilatación que modifiquen el desempeño del ladrillo después de su enfriamiento. LADRILLO REFRACTARIO :

16 MATERIALES REFRACTARIOS  Ladrillos refractarios con alto contenido en sílice: Al igual que los anteriores, estos ladrillos están diseñados para estar expuestos a altas temperaturas, sin embargo, cuando estos son sometidos a fases alternativas o continuas de calor a frío suelen dilatarse de manera considerable para su uso industrial. En las Normas Oficiales (NOM) y las Normas (ASTM) Los ladrillos Sílico-aluminosos se dividen en los siguientes tipos de servicio: Bajo. LOW DUTY Medio. MEDIUM DUTY Alto. HIGH-DUTY Superior. SUPERDUTY Ladrillo tipo semi-sílice. SEMISÍLICA LADRILLO REFRACTARIO :

17 MATERIALES REFRACTARIOS  Ladrillo aislante (20% aserrín –80% arcilla): Los ladrillos refractarios aislantes se caracterizan por su baja densidad, la cual les confiere una baja conductividad térmica. Esta propiedad los hace óptimos para ser empleados en hornos industriales donde el ahorro energético es una importante condición de diseño. Para este tipo de ladrillo se mezcla el aserrín con la arcilla refractaria, para luego ser moldeada y cocida. En el horno, el aserrín se quema dejando un ladrillo ligero, sumamente poroso. LADRILLO REFRACTARIO :

18 MATERIALES REFRACTARIOS  Ladrillo refractario denso (ladrillo de alúmina): Los ladrillos de alúmina tienen gran aceptación industrial por ser económicos, presentan resistencias mecánicas elevadas aun en caliente, y pequeñas dilataciones, por lo que conservan su volumen, siendo poco sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Los ladrillos de baja alúmina o ladrillos de chamota (25% arcilla y 75% chamota), son ladrillos muy compactos, por lo que gozan de gran resistencia mecánica a la compresión y al choque. Los ladrillos de alta Alúmina o de Bauxita (20% arcilla y 80% bauxita), son ladrillos que pueden soportar condiciones extraordinarias para las que no son adecuados los ladrillos más antiguos de arcilla refractaria. LADRILLO REFRACTARIO :

19 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS Las propiedades que estos materiales presentan, van a estar en función de su composición química. La relación alúmina sílice y los contenidos de impurezas, tales como los óxidos de hierro y los álcalis presentes (Na2O y k2O) van a determinar las temperaturas de fusión y la resistencia al ataque químico de los gases de combustión, especialmente en presencia de monóxido de carbono, libre y derivados de la combustión del azufre: Densidad aparente de un material a granel “bulk density” (ASTM C 134) Porosidad aparente “Apparent Porosity” (ASTM C 830). Fuerza de trituración en frío “Cold Crushing Strength” (CCS) y Módulo de Ruptura “Modulus of Rupture” (MOR) de ladrillos y formas (ASTM C 133). El Modulo De Ruptura En Frio (Mor)

20 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS Densidad aparente de un material a granel “bulk density” (ASTM C 134): La densidad es la relación que hay entre el peso del refractario y el volumen. La densidad se expresa en libras por pie cubico (pcf) o kilogramos por metro cubico (Kg/m3). La densidad en los refractarios es una medida indirecta de su capacidad calorífica o su habilidad de acumular calor.

21 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS Porosidad aparente “Apparent Porosity” (ASTM C 830): La porosidad aparente también conocida como porosidad abierta es la medida de los poros que esta interconectados en la estructura del refractario La porosidad tiene efecto directo en la habilidad del refractario de resistir la penetración de metales, escorias, gases y vapores. (Mayor porosidad mayor efecto aislante) El módulo de ruptura y la resistencia a la compresión ofrecen el mejor indicador de la resistencia a la abrasión del refractario.

22 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS Fuerza de trituración en frío “Cold Crushing Strength” (CCS) y Módulo de Ruptura “Modulus of Rupture” (MOR) de ladrillos y formas (ASTM C 133). La determinación en frio no puede ser usada para predecir su comportamiento en servicio, pero nos da una buena idea de cómo desarrolló su liga durante su fabricación. El módulo de ruptura y la resistencia a la compresión ofrecen el mejor indicador de la resistencia a la abrasión del refractario. La compresión en caliente también nos sirve de indicador de la resistencia del material a la erosión y corrosión por metales y escorias junto con otras propiedades como la mineralogía y la porosidad.

23 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS El Modulo De Ruptura En Frio (Mor): También es otra medida de la resistencia del material, solo que esta es aplicada transversalmente para medir su resistencia a la flexión. Ambas pruebas tienen versiones en frio y en caliente. La densidad, porosidad y resistencia a la compresión de los productos quemados dependen de muy variados factores, como la calidad de las materias primas, el tamaño de partícula y su empaquetamiento dentro de la estructura del material, la presión y la velocidad de prensado, la temperatura y el tiempo de quemado y la atmosfera del horno, así como el tiempo y la velocidad de enfriamiento.

24 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS MATERIA PRIMA DE LOS REFRACTARIOS: Las materias primas fundamentales de los refractarios sílico aluminosos son las arcillas, caolines y sus derivados calcinados, conocidos en el medio como grog, o simplemente calcinados.

25 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS METODOS DE FABRICACION: Existen métodos de fabricación de materiales refractarios, que provienen de la industria de la cerámica, como son el vaciado, incluso el torneado de la arcilla para ollas y vasijas, el formado de piezas a mano, etc. Actualmente solo se utiliza de estos métodos el proceso de vaciado. Este se hace utilizando modelos de las piezas a fabricar, con los que se fabrican moldes que permiten producir réplicas de las piezas originales.

26 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS METODOS DE FABRICACION: Este método ha sido desplazado por la utilización de modernos sistemas de prensado, tanto mecánicos como hidráulicos, que tienen ventajas en cuanto a economía y productividad, pero que no necesariamente mejoran la calidad del producto, aunque si hacen una producción muy homogénea y de mejor acabado global.

27 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS Diferencias entre el proceso de vaciado y el sistema de prensado: El proceso de vaciado, cuando se ha controlado la humedad de la mezcla y se lleva a cabo bajo riguroso control, permiten una unión entre partículas, que no es posible alcanzar con el prensado, por poderosa que sea la maquinaria. Finalmente, y mediante el agregado de aditivos, se logran reacciones químicas que desarrollan ligas cerámicas que otorgan al refractario propiedades muy superiores a las del prensado. El gran inconveniente es la lentitud y costo del proceso. METODOS DE FABRICACION:

28 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS PROCESOS DE FABRICACION DE MATERIALES REFRACTARIOS: La materia prima procede en algunos de síntesis química (magnesia obtenida a partir del agua de mar y alúmina a partir de la bauxita). Es necesario realizar una serie de operaciones previas con el objeto de obtener una materia de calidad adecuada, que nos permita obtener un producto refractario cocido con las propiedades deseadas. Por ello y una vez extraída la materia prima natural de la mina o cantera, se procede a su lavado, con objeto de eliminar materias solubles que puedan actuar como posibles fundentes y que por tanto disminuirán las propiedades refractarias del producto a fabricar. METODOS DE FABRICACION:

29 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS PROCESOS DE FABRICACION DE MATERIALES REFRACTARIOS: La mayoría de los productos cerámicos tradicionales y avanzados son manufacturados compactando polvos o partículas, en las formas adecuadas, que se calientan posteriormente a temperaturas suficientemente elevadas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el procesado de cerámicas por aglomeración de partículas son: A.Preparación del material. B.Conformación o moldeado. C.Tratamiento térmico de secado (no siempre se requiere). D.Cocción por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas. METODOS DE FABRICACION:

30 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS A.Preparación del material: La mayoría de los productos cerámicos están fabricados por aglomeración de partículas. Las partículas y otros ingredientes, tales como aglutinantes y lubricantes, pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Algunas veces se combinan ambos procesos – húmedo y seco-. Por ejemplo, para producir un artículo cerámico con gran proporción de Al2O3 que sea buen aislante, las partículas de materia prima se mezclan con agua y junto con un aglutinante de cera para formar una suspensión que posteriormente se atomiza y seca para obtener pequeñas partículas esféricas. METODOS DE FABRICACION:

31 PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS B. Conformación o moldeado: La producción de cerámicos refractarios fabricados puede conformarse mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Compactación, moldeo en barbotina y extrusión son los métodos de modelado de cerámicos que se utilizan más comúnmente. Compactación: La materia prima cerámica puede ser compactada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de una matriz para formar productos con una forma determinada. METODOS DE FABRICACION:

32 Equipos, Materiales e Instrumentos 1.Materiales: Chamota. Aserrín. Agua. Aceite. 2. Equipos e instrumentos: Prensa hidráulica Caja de acero 1020 (medidas: 2.5” x 9” x 4.5”, espesor 0.5”).

33 PROCEDIMIENTO 1.En primer lugar, se tiene que conseguir la chamota junto con el aserrín.

34 PROCEDIMIENTO 2. Seguido, el aserrín y la chamota se mezclan agregándole una cierta cantidad de agua, hasta formar una mezcla homogénea, no tiene que haber grumos.

35 PROCEDIMIENTO 3. En tercer lugar, esta mezcla es llevada a la máquina de comprensión, se coloca en la caja de acero.

36 PROCEDIMIENTO 4. La caja se tapa con una plancha de acero, luego se aplica una carga de 18 MPa, nuevamente se le agrega mezcla una y otra vez hasta obtener un material consistente.

37 PROCEDIMIENTO 5. Finalmente, una vez ya consistente la pieza se lleva al horno, se calienta a 50ºC por un día, posteriormente, se lleva a una temperatura de 1000 a 1100ºc, hasta que el ladrillo obtenga un color adecuado.

38 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA FABRICACIÓN DE UN LADRILLO REFRACTARIO OBTENCION DE LA MATERIA PRIMA MEZCLA HOMOGENEA DE LA MATERIA PRIMA SECADO DE LA MEZCLA COMPRENSION DE LA MEZCLA EN LA CAJA MOLDE DE UNA MANERA MANUAL COMPRENSION DE LA MEZCLA EN LA CAJA MOLDE CON LA PRENSA HIDRAULICA MODELO DEL LADRILLO TERMINADO

39 Recomendaciones y conclusiones RECOMENDACIONES: La materia prima debe estar sin grumos o pequeñas aglomeraciones para así evitar una mala formación del ladrillo. Colocar aceite en todas las partes de contacto de la caja y la materia prima para que se puedan separar después del prensado. CONCLUCIONES : En la práctica de laboratorio realizada, se utilizó el material refractario conocido como chamota para fabricar los ladrillos, esto debido a que le brinda resistencia a elevadas temperaturas, gracias a su alto contenido de alúmina. Para evitar deformaciones en el ladrillo refractario, a chamota tal como se hizo en el laboratorio, debe aplastarse bien con la compactadora. Después de las investigaciones correspondientes se logró concluir que los ladrillos aislantes, inhiben el equilibrio térmico entre superficies, en otras palabras, impiden la conducción térmica.

40 ¡GRACIAS!