En ciencia de los materiales , un refractario (o material refractario ) es un material resistente a la descomposición por calor o ataque químico que conserva su resistencia y rigidez a altas temperaturas . [1] Son compuestos inorgánicos , no metálicos , que pueden ser porosos o no porosos, y su cristalinidad varía ampliamente: pueden ser cristalinos , policristalinos , amorfos o compuestos . Suelen estar compuestos por óxidos , carburos o nitruros de los siguientes elementos: silicio , aluminio , magnesio , calcio , boro , cromo y circonio . [2] Muchos refractarios son cerámicos , pero algunos, como el grafito, no lo son, y algunas cerámicas, como la cerámica de arcilla, no se consideran refractarias. Los refractarios se distinguen de los metales refractarios , que son metales elementales y sus aleaciones que tienen altas temperaturas de fusión.
Los refractarios están definidos por ASTM C71 como "materiales no metálicos que tienen aquellas propiedades químicas y físicas que los hacen aplicables para estructuras, o como componentes de sistemas, que están expuestos a ambientes superiores a 1000 °F (811 K; 538 °C)". [3] Los materiales refractarios se utilizan en hornos , hornos , incineradores y reactores . Los refractarios también se utilizan para fabricar crisoles y moldes para fundir vidrio y metales. La industria siderúrgica y los sectores de fundición de metales utilizan aproximadamente el 70% de todos los refractarios producidos. [4]
Los materiales refractarios deben ser química y físicamente estables a altas temperaturas. Dependiendo del entorno de funcionamiento, deben ser resistentes al choque térmico , ser químicamente inertes y/o tener rangos específicos de conductividad térmica y de coeficiente de expansión térmica .
Los óxidos de aluminio ( alúmina ), silicio ( sílice ) y magnesio ( magnesia ) son los materiales más importantes utilizados en la fabricación de refractarios. Otro óxido que suele encontrarse en los refractarios es el óxido de calcio ( cal ). [5] Las arcillas refractarias también se utilizan ampliamente en la fabricación de refractarios.
Los refractarios deben elegirse según las condiciones a las que se enfrentan. Algunas aplicaciones requieren materiales refractarios especiales. [6] La circona se utiliza cuando el material debe soportar temperaturas extremadamente altas. [7] El carburo de silicio y el carbono ( grafito ) son otros dos materiales refractarios que se utilizan en algunas condiciones de temperatura muy severas, pero no pueden usarse en contacto con el oxígeno , ya que se oxidarían y quemarían.
Los compuestos binarios como el carburo de tungsteno o el nitruro de boro pueden ser muy refractarios. El carburo de hafnio es el compuesto binario más refractario conocido, con un punto de fusión de 3890 °C. [8] [9] El compuesto ternario de carburo de tantalio y hafnio tiene uno de los puntos de fusión más altos de todos los compuestos conocidos (4215 °C). [10] [11]
El disiliciuro de molibdeno tiene un alto punto de fusión de 2030 °C y se utiliza a menudo como elemento calefactor .
Los materiales refractarios son útiles para las siguientes funciones: [12] [2]
Los refractarios tienen múltiples aplicaciones útiles. En la industria metalúrgica, los refractarios se utilizan para revestir hornos, hornos, reactores y otros recipientes que contienen y transportan medios calientes como metal y escoria . Los refractarios tienen otras aplicaciones de alta temperatura, como calentadores, reformadores de hidrógeno, reformadores primarios y secundarios de amoníaco, hornos de craqueo, calderas de servicios públicos, unidades de craqueo catalítico, calentadores de aire y hornos de azufre. [12] Se utilizan para revestir deflectores de llamas en estructuras de lanzamiento de cohetes. [13]
Los refractarios se clasifican de múltiples formas, en función de:
Los refractarios ácidos son generalmente impermeables a los materiales ácidos pero son fácilmente atacados por materiales básicos y, por lo tanto, se usan con escoria ácida en ambientes ácidos. Incluyen sustancias como sílice , alúmina y refractarios de ladrillos de arcilla refractaria . Los reactivos notables que pueden atacar tanto la alúmina como la sílice son el ácido fluorhídrico, el ácido fosfórico y los gases fluorados (por ejemplo, HF, F 2 ). [14] A altas temperaturas, los refractarios ácidos también pueden reaccionar con cales y óxidos básicos.
Los refractarios básicos se utilizan en zonas donde las escorias y la atmósfera son básicas. Son estables a materiales alcalinos pero pueden reaccionar con ácidos, lo cual es importante, por ejemplo, al eliminar fósforo del arrabio (consulte el proceso Gilchrist-Thomas ). Las principales materias primas pertenecen al grupo RO, del cual la magnesia (MgO) es un ejemplo común. Otros ejemplos incluyen dolomita y cromo-magnesia. Durante la primera mitad del siglo XX, el proceso de fabricación de acero utilizó periclasa artificial ( magnesita tostada ) como material de revestimiento de hornos.
Se utilizan en áreas donde las escorias y la atmósfera son ácidas o básicas y son químicamente estables tanto para ácidos como para bases. Las principales materias primas pertenecen al grupo R 2 O 3 , pero no se limitan a él . Ejemplos comunes de estos materiales son la alúmina (Al 2 O 3 ), la cromia (Cr 2 O 3 ) y el carbono. [2]
Los objetos refractarios se fabrican en formas estándar y formas especiales. Las formas estándar tienen dimensiones que se ajustan a las convenciones utilizadas por los fabricantes de refractarios y generalmente son aplicables a hornos u hornos del mismo tipo. Las formas estándar suelen ser ladrillos que tienen una dimensión estándar de 9 x 4,5 x 2,5 pulgadas (229 mm x 114 mm x 64 mm) y esta dimensión se denomina "equivalente a un ladrillo". Los "equivalentes de ladrillos" se utilizan para estimar cuántos ladrillos refractarios se necesitan para realizar una instalación en un horno industrial. Hay gamas de formas estándar de diferentes tamaños fabricadas para producir paredes, techos, arcos, tubos y aberturas circulares, etc. Las formas especiales se fabrican específicamente para ubicaciones específicas dentro de los hornos y para hornos u hornos particulares. Las formas especiales suelen ser menos densas y, por tanto, menos resistentes que las formas estándar.
Estos no tienen forma prescrita y sólo se les da forma previa solicitud. Estos tipos se conocen como refractarios monolíticos. Los ejemplos comunes incluyen masas plásticas, masas de apisonamiento, moldes, masas de proyección, mezclas de desbarbado y morteros.
Los revestimientos de vibración secos que se utilizan a menudo en los revestimientos de hornos de inducción también son monolíticos y se venden y transportan como polvo seco, generalmente con una composición de magnesia/alúmina con adiciones de otros productos químicos para alterar propiedades específicas. También están encontrando más aplicaciones en revestimientos de altos hornos, aunque este uso aún es poco común.
Los materiales refractarios se clasifican en tres tipos según la temperatura de fusión (punto de fusión).
La refractariedad es la propiedad de las múltiples fases de un refractario de alcanzar un grado de ablandamiento específico a alta temperatura sin carga, y se mide con una prueba pirométrica de equivalente de cono (PCE). Los refractarios se clasifican en: [2]
Los refractarios pueden clasificarse según su conductividad térmica como conductores, no conductores o aislantes. Ejemplos de refractarios conductores son el carburo de silicio (SiC) y el carburo de circonio (ZrC), mientras que ejemplos de refractarios no conductores son la sílice y la alúmina. Los refractarios aislantes incluyen materiales de silicato de calcio , caolín y circonio.
Los refractarios aislantes se utilizan para reducir la tasa de pérdida de calor a través de las paredes del horno. Estos refractarios tienen una baja conductividad térmica debido a un alto grado de porosidad, con una estructura porosa deseada de poros pequeños y uniformes distribuidos uniformemente por todo el ladrillo refractario para minimizar la conductividad térmica. Los refractarios aislantes se pueden clasificar en cuatro tipos: [2]
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)