La Familia CF, ladrillos refractarios de alta flexibilidad...
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Hugo Ordóñez, Refratechnik Cement GmbH
La Familia CF, ladrillos refractarios de alta flexibilidad y
aplicación universal
Refractario: (Del lat. refractarĭus, obstinado, pertinaz).
Dicho de un material que resiste la acción del fuego sin alterarse Fuente: Diccionario de la Real Academia de la Lengua
Definición
Carbon (C)
Calcia (CaO)
Magnesia (MgO)
Chromite (Cr2O3)
Alumina (Al2O3)
Silica (SiO2)
Zirconia (ZrO2)
Materias primas para materiales refractarios
Pirámide de materias primas para refractarios (según H. Barthel)
Minimización de - Infiltración - corrosión
Optimización de la estructura + Flexibilidad + Resistencia mecánica
Desarrollo de refractarios
REFRACTARIOS
Esfuerzos térmicos PUREZA MgO, Cont. fases
secundarias
AREAS DE OPTIMIZACIÓN
El conjunto de propiedades es un compromiso para lograr un balance apropiado para la aplicación
Propiedades características
Materias primas para ladrillos de magnesio (DBM)
El MgO no se encuentra en la corteza terrestre
MgO + CO2 (atmósfera) MgCO3 MgO + H2O (atmósfera) Mg(OH)2
Materias primas para ladrillos básicos Naturales Cristal grande (magnesita natural) (MgCO3) Cristal fino (gel de magnesita) Procedente de agua de mar (0.24 mg/l de MgO ) Sintéticas de lagos salados (~12 % MgCl2 = 5 % MgO) o de salmueras (~21.5 % MgCl2 = 9 % MgO)
LAS RELACIONES CAO/SIO2 Y CAO/FE2O3
DETERMINAN LA COMPOSICIÓN MINERAL RESULTANTE
CAO/SIO2 SILICATOS FERRITAS -------------------------------------------------- < 0.93 M2S + CMS MF = 0.93 CMS MF 0.93 - 1.40 CMS + S2 MF = 1.40 C3MS2 MF 1.40 - 1.87 C3MS2 + S2 MF = 1.87 C2S MF >1.87 C2S, (C3S), C MF, C2F
Fases minerales presentes en ladrillos básicos,
DEPENDIENDO DE LA COMPOSICIÓN DE LAS IMPUREZAS QUE ACOMPAÑAN A LA PERICLASA , SE PUEDEN FORMAR DISTINTOS COMPUESTOS Mineral Fórmula Abreviatura T fusión (°C) ---------------------------------------------------------------------------------------------- Periclasa MgO M 2800 Forsterita MgO·SiO2 M2S 1890 Monticellita CaO·MgO·SiO2 CMS 1490 Merwinita 3CaO·MgO·2SiO2 C3MS2 1575 Belita 2CaO·SiO2 C2S 2130 Alita 3CaO·SiO2 C3S 2070 Magnesio Ferrita MgO·Fe2O3 MF 1715 Ferrita Dicálcica 2CaO·Fe2O3 C2F 1435 Óxido de Calcio CaO C 2580
Formación de fases minerales
Evolución del revestimiento refractario en la zona de fuego del horno rotativo de clinker
Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat. Refractories Worldforum 5 (2013)(4)
Uso
en
zo
na
de
fu
ego
NOMBRE FÓRMULA NOMBRE FÓRMULA Espinela MgAl2O4 Cromita Fe2+Cr2O4 Hercinita FeAl2O4 Manganocromita Mn2+Cr2O4 Galaxita MnAl2O4 Cocromita Co2+Cr2O4 Gahnita ZnAl2O4 Nicromita Ni2+Cr2O4 Magnesioferrita MgFe2
3+O4 Zinccromita Zn2+Cr2O4 Magnetita Fe2Fe2
3+O4 Magnesioculsonita MgV23+O4
Jakobsita Mn2+Fe23+O4 Vuorelainita Mn2+V2
3+O4 Trevorita Ni2+Fe2
3+O4 Coulsonita Fe2+V23+O4
Cuproespinela Cu2+Fe23+O4 Quandilita TiMg2O4
Franklinita ZnFe23+O4 Ulvita TiFe2
2+O4 Magnesiocromita MgCr2O4 Brunogeierita Fe2+Ge4+O4
Algunos miembros de la familia de las espinelas
Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat. Refractories Worldforum 5 (2013)(4)
Fórmula genérica de la espinela pleonástica: ([FexMg1-x]Al2O4)
La tecnología de elastificación con espinela pleonástica es una invención de Refratechnik y está patentada.
Espinela pleonástica
Sección delgada pulida de espinela pleonástica, el elastificante de prestaciones superiores para ladrillos básicos
¿Cómo elastifica la espinela?
La espinela molida, con una determinada distribución de tamaño de partículas,se distribuye de manera homogénea en la matriz de MgO. El dibujo ilustra una sola partícula de espinela (en rojo) inmersa en la matriz circundante de MgO
Los coeficientes de expansión térmica del MgO (la matriz) y la espinela son distintos: CEMgO =13.85·10-6 K-1
Ceesp. =8,8·10-6 K-1
Cuando se calientan los ladrillos, el MgO de la matriz alrededor de los granos de espinela se expande más (+ 57%) que el grano de espinela, lo cual ejerce una presión inmensa sobre el grano.
¿Cómo elastifica la espinela?
La imposibilidad de expandirse fractura la matriz y surgen micro fisuras alrededor del grano de espinela, que actúan como un elastificante: el modulo de Young se reduce significativamente
¿Cómo elastifica la espinela?
Microestructura de ladrillos básicos con distintos elastificantes
MgCr2O4
CROMITA
MgAl2O4
ALUMINATO DE MAGNESIO
Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat Refractories Worldforum 5 (2013)(4) Copyright Refratechnik Cement GmbH
FeAl2O4
HERCINITA
(Mg,Fe)(Al,Fe)2O3
ESPINELA PLEONÁSTICA
Microestructura de ladrillos básicos con distintos elastificantes
Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat Refractories Worldforum 5 (2013)(4) Copyright Refratechnik Cement GmbH
¿Qué hace diferentes a las espinelas aparte de su composición química?
Estabilidad química frente al resistor (MgO)
¿Qué reacciones ocurren?
(Mg,Fe)Al2O3 (E. Pleonástica)
+ estable que
MgAl2O4 (aluminato de magnesio)
+ estable que
FeAl2O4 (hercinita)
+ estable que
MgCr2O4 (cromita)
FeAl2O4 y MgCr2O4 contienen menos MgO, lo que genera mayores gradientes de concentración entre el elastificante y la matriz . Esto favorece procesos de difusión de iones a elevadas temperaturas.
Corrosión de la espinela por difusión
Microestructura de un ladrillo de Magnesia elastificado con Hercinita electro fundida. Los granos de hercinita muestran huecos dejados por la difusión de iones de hierro desde la espinela hacia la matriz circundante de MgO. Flechas rojas
Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat Refractories Worldforum 5 (2013)(4) Copyright Refratechnik Cement GmbH
Microestructura de un ladrillo de Magnesia elastificado con MA espinela “in situ”. (elipse) Es notable el hueco en el interior del grano de espinela, causado por la difusión de iones de aluminio hacia la matriz circundante de MgO. ¡ Este fenómeno también afecta la Hercinita!
Fuente: Aspects of Elastification Reactions in Basic Cement Kiln Bricks. J. Södje, S. Uhlendorf, H.J. Klischat Refractories Worldforum 5 (2013)(4) Copyright Refratechnik Cement GmbH
Corrosión de la espinela por difusión
Magnesia Magnesia Productos AF Magnesia-Pleonasta TOMAG® A1 Chromita Espinela típico
R TSR
= CC
S/G
RTSR = Thermal Shock Resistance Parameter, CCS = Cold Crushing Strength, G = Shear Modulus
Límite operativo de hornos de clinker
La elastificación con espinela pleonástica incrementa la elasticidad de los ladrillos
Resistencia al Choque Térmico (RTSR =CCS/G ) de distintos tipos de ladrillos básicos
Comportamiento de la hercinita y la espinela pleonástica frente a la corrosión causada por distintos tipos de clinker (Análisis en el microscopio de calentamiento por etapas)
hercinita espinela pleonástica
Cemento Portland Ordinario (OPC) Cemento Resistante a Sulfatos (SRC)
1408 °C
1386 °C
1410 °C
1400 °C
La elastificación con espinela pleonástica incrementa la resistencia al ataque termoquímico de las fases líquidas del clinker.
MgO sinterizado + hercyinita fundida
MgO sinterizado +
Esp. pleonástica fundida
MgO alta pureza +
Esp. pleonástica fundida
MgO alta pureza + hercyinita fundida
3,08 14,1 21 76 5,1
1600 6,4
3,09 14,6 22,8 103 5,7
1600 12,2
3,02 14,6 25 90 6,1
>1700 13,9
3,01 14,25 23,6 90 5,8
>1700 7,7
Densidad (g/(cc) Porosidad aparente (%) Módulo Elástico (GPa) RCF (MPa) MOR (MPa) Rbc, ta (°C) MOR @ 1200 °C
Fuente: MAGNESIA BRICKS CONTAINING IRON SPINEL TROUBLESHOOTERS FOR THERMOMECHNICALY STRESSED KILNS Holger Wirsing, Hans-Jürgen Klischat, Carsten Vellmer, Copyright Refratechnik Cement GmbH, Göttingen.
MÓDULO DE RUPTURA @ 1200 °C
modulo de ruptura en caliente (Mpa)
MgO natural+Cromita
Campos de aplicación familia CF esquemático
RESISTENCIA MECÁNICA Y TERMOMECÁNICA
RESIS
TENC
IA T
ÉRM
ICA
Y
TER
MO
QU
ÍMIC
A
MgO natural sinterizado+MA espinela
o hercinita
Almag CF Topmag CF
Reframag CF
Perilex CF
Fuente: MAGNESIA BRICKS CONTAINING IRON SPINEL TROUBLESHOOTERS FOR THERMOMECHNICALY STRESSED KILNS Holger Wirsing, Hans-Jürgen Klischat, Carsten Vellmer, Copyright Refratechnik Cement GmbH, Göttingen.
Esp. pleonástica de alta pureza
Esp. p
leoná
stica d
e alta
purez
a
Perilex® CF Reframag® CF Topmag® CF Almag® CF
Toneladas 55.534 268 147 261
Referencias
Hasta agosto 2015, instalaciones exitosas en 262 hornos alrededor del mundo *
* Fuente: Refratechnik Cement GmbH, Göttingen.
INFORMACIÓN ADICIONAL: Refratechnik Cement GmbH
Refratechnik México S.A. de C.V. www.refra.com