estructura de la silice

ESTRUCTURA DE LA SILICE

Los compuestos más abundantes de silicio son los silicatos.Sus estructuras están formadas por unidades de SiO4. Mismas que pueden formar cadenas o ciclos:

Enlace tetrahédrico Del SiO4 . Hibridación sp3 Enlace de dos Si a través De un enlace sp3 ormando ahora unidades de SiO3

LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS SILICATOS DEPENDEN DEL ORDENAMIENTO DE LOS TETRAEDROS DE SI04 :

Ciclosilicatos Silicatos en Filamento O fibras: Ejemplo: El Asbesto Láminas compuestas de Ciclosilicatos Y cadenas de SiO3 Ejemplos: Caolin, Las mica (Moscovita) y el Talco [Mg3Si4O10(OH)2]n

CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL DE LA SÍLICE

a.Iones Simples: Son los monómeros más simples de iones ortosilicato, SiO4- 4, olivino, esta constituido por un solo tetraedro, generalmente los electrones del oxígeno son compartidos por un metal

Tetraedros de SiO4 simples.

- Torita (ThSiO4)- Zircón (ZrSiO4)

b.Comparte un átomo de oxígeno: En este caso se tiene formación iónica del tipo: Si2O7-6, en este caso un átomo de oxígeno es compartido por dos tetraedros de SiO4-4, industrialmente se conoce como Hemimorfita

Por ejemplo la thortveitita (Sc2Si2O7).

c.Comparte dos átomos de oxígeno: En este caso dos átomos de oxígeno de cada tetraedro de SiO4-4 son compartidos por otros tetraedros para formar cadenas largas o anillos complejos, la formación industrial más importante es la wollostonita.

Por ejemplo tenemos espodumena [LiAl(SiO3)]2 y diópsido [CaMg(SiO3]n.

d.Comparte tres átomos de oxígeno: En este caso tres oxígenos de cada tetraedro SiO4-4 son compartidos por otros tetraedros para formar capas, industrialmente se conoce como anfibolita. Tenemos como ejemplos el abesto [Ca2Mg5(Si4O11(OH)2)]n.

e.Comparte cuatro átomos de oxígeno: Este tipo de configuración sólo se encuentra en el estado sólido, más no en el estado líquido.

Configuraciones estructurales de la sílice: (a) por un vértice, (b) por una arista, (c) por una cara

●La segunda Ley de Pauling establece que el intervalo entre dos cationes vecinos debe ser el máximo, de lo contrario se repelen mutuamente

●La configuración más estable es aquella en que los tetraedros están unidos por los vértices, obteniéndose una configuración hexagonal en tres dimensiones

ESTRUCTURA DE LA SÍLICE AL ESTADO LÍQUIDO

La sílice al estado sólido es un compuesto covalente de red hexagonal de átomos de sílice, con cuatro átomos de oxígeno dispuestos tetraédricamente.

En el estado líquido se pierde la red rígida de tetraedros, los cuales persisten como aniones, SiO4-4.

En escorias altas en SiO2 y bajas en oxígeno los iones formados son relativamente grandes en forma de cadenas o anillos o capas, debido a que los tetraedros de silicato comparten sus oxígenos unos con otros


La estructura al estado sólido es ordenada, los tetraedros de sílice se unen en un plano estructuras bidimensionales o laminares, en donde los vértices se encuentran unidos por un oxígeno.

La fusión de los silicatos, es definida (no es pastosa), los enlaces electrovalentes entre aniones y cationes se rompe y a medida que aumenta la temperatura la estructura del silicato desaparece


Con el incremento de oxígenos, estas cadena, anillos o capas son rotos, de acuerdo a las siguientes reacciones

La sílice al estado líquido a pesar se tener gran contenido de iones SiO -4 , al aumentar la cantidad de sílice se producen enlaces entre los aniones y el oxígeno formando aniones, Si2O7 ;

Si se incrementa, aún más, la sílice se producen cadenas de: (SiO3)-3n, al incrementarse la temperatura estas uniones se rompen y las cadenas o anillos se hacen mas cortos.

INFLUENCIA DE ADICIÓN DE ÓXIDOS BÁSICOS EN LA SÍLICE

Cuando se le añade un óxido básico a la sílice fundida, este rompe los enlaces de oxígeno entre los tetraedros, se forman iones metálicos del metal del óxido básico: (Si - O - Si) + MO ---> 2 (Si - O-) + M+2

× La adición de un óxido básico da lugar a la formación de iones, si se añade óxido de calcio, se forma dos iones simples: CaO ----> Ca+2 + O-2

× Este óxido se introduce en las cadenas de los silicatos, rompiendo sus enlaces de oxígeno, por lo que el equilibrio de iones debe darse en la escoria fundida: O-2 + Si2O7 ----> 2 (SiO4 )

×La estructura desarrollada de las reacciones anteriores es:

FORMAS DE ESTRUCTURA DE ESCORIA

O/Si Fórmula Estructura

2/1 SiO2 Tetraedros es una red perfecta

5/2 MO.2SiO2 Se rompe un vértice

5/1 MO.SiO2 Se rompe dos vértices

7/2 3MO.2SiO2 Se rompe tres vértices

4/1 2MO.SiO2 Se rompe cuatro vértices

PROPIEDADES DE LAS ESCORIAS

Viscosidad

La viscosidad es la resistencia interna que opone una sustancia a fluir. Representa una de las propiedades más relevantes de la mayoría de los

procesos metalúrgicos. La viscosidad de una escoria, tiene la tendencia a disminuir al incrementar

temperatura: ×Depende de :

- Composición química: Especialmente el contenido de CaO, MgO, Al2O3,

- Temperatura (a > ºT < viscosidad),- Tiempo (a > tiempo > viscosidad),- Presión (a > P < viscosidad),- Composición química

Decrece

Incrementa

~ depende del contenido o efecto estimado

La disminución de viscosidad es tanto mayor cuanto menor es la fuerza de enlace entre el anión y el catión

El sodio y el fluoruro de calcio, bajan más enérgicamente la viscosidad de las escorias silicosas o ácidas.

Energía de activación para viscosidad :

• Los óxidos básicos rompen los enlaces, baja el valor de energía de activación.

• Es más notorio en el primer 20 %,

• El valor de energía de activación para las escorias básicas es a 40 Kcal y para las escorias ácidas es de 60 Kcal.

•- La viscosidad depende del contenido del alúmina.- Una alta cantidad de la disolución de alúmina en la película de la escoria

aumenta la viscosidad.

Variación de viscosidad con la temperatura y Composición (a) escorias básicas m(b) escorias ácidas

Viscosidad para escorias del sistema SiO2-CaO- Al2O3 a 1450°

BASICIDAD

- Contenido de iones oxígeno libres en la escoria líquida- Tipos de basicidad

a.Escoria Acida: Una escoria ácida es aquella que es capaz de absorber o captar uno o varios iones O-2, para formar iones complejos

SiO2 + 2 O-2 ----> SiO4

b.Escoria Básica: Es aquella escoria que es capaz de ceder uno o varios iones oxígeno o cuando tiene iones oxígeno libres:

CaO ----> Ca+2 + O-2

Los óxidos anfóteros se comportan como bases en presencia de escorias ácidas y como ácidos en presencia de bases:

Al2O3 + O-2 ----> Al2O -2

Al2O3 ----> 2 Al+3 + 3 O-2

c.Escorias Neutras: Es aquella donde se mantiene en equilibrio los iones oxígeno. En el sistema CaO- SiO2, la neutralidad se alcanza cuando la escoria contiene 33,3 de moles de SiO2

SISTEMAS DE MEDICIÓN DE LA BASICIDAD DE LAS ESCORIAS

a. Actividad de ion Oxígeno

En la practica no es posible medir la actividad del ion oxígeno por si solo, de acuerdo a la teoría iónica y en función de los iones oxígeno libres, la basicidad de una escoria se expresa:

nO-2 = nCaO + nFeO + nMnO + ... - 2 nSiO2 - nAl2O3 - nP2O5

b. Por la Afinidad de los Óxidos por la Sílice

Por este sistema se requiere determinar la energía libre de formación de los diferentes silicatos o por la actividad del óxido en el silicato. En este caso se ha determinado que la afinidad disminuye en el siguiente orden: CaO, MgO, FeO, Al2O3, TiO2. En el caso que en lugar de la SiO2 se tenga el P2O5 o el ácido bórico la secuencia es la misma.

c. Índice de Basicidad

Relaciona los moles de oxígeno de los óxidos básicos a los óxidos ácidos, se considera como uno de los métodos de mayor precisión

En función de la relación anterior se ha tipificado a las escorias de acuerdo al grado de silicatación, que es la inversa del índice de basicidad, esta nomenclatura identifica a varias escorias, así tenemos que la fayalita (2FeO.SiO2) tiene un grado de silicatación de 1, la wollastonita (CaO.SiO2) su grado de silicatación es dos.

Las diferentes fundiciones ferrosas y no ferrosas han formulado una variedad de relaciones para determinar su basicidad, pero todas ellas tienen como base el análisis químico y la relación entre óxidos básicos y ácidos.

DIFUSIVIDAD

Se ha determinado que la difusividad de los iones en la escoria esta en función de la movilidad, tipo de enlace y de la fuerza de enlace metal- oxígeno.

En el caso de las escorias con alto contenido de sílice la difusividad es mínima y que a medida que aumenta el número de iones de óxidos metálicos (básicos) aumenta la difusividad

La difusividad varia con la temperatura de acuerdo a su energía, teniendo la misma explicación que se dio a la difusividad en los metales puros.

Difusividad

Elemento Sistema (% Peso) Temperatura °C Do cm2/s ED Kcal D * 10-5cm2/s

Ca CaO.Al2O3.SiO2 1350 - 1450 - 30 – 70 0.067

Ca CaO.SiO2 1485 - 1530 - 50 0.070

Si CaO.Al2O3.SiO2 1350 - 1450 - 70 0.010

O CaO.Al2O3.SiO2 1350 - 1450 4.7 85 0.600

Al CaO.Al2O3.SiO2 1400 - 1520 5.4 60 0.070

Fe FeO.SiO2 1250 - 1305 - 40 7.900

CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA

La sílice fundida es levemente conductora de la energía eléctrica, esta se incrementa cuando se adiciona un óxido metálico

La conductividad eléctrica esta en función del número de iones presentes en una escoria, movilidad, tamaño, complejidad de los mismos.

La conductividad eléctrica varía con la temperatura a presión constante, de acuerdo a la ecuación exponencial siguiente:

×Los metales alcalinos (Na, K) forman cationes nomovalentes disminuyen la energía de activación, dan mayor movilidad iónica y con ella la conductividad va ha ser mayor.

En el caso de las escorias de cadenas largas al ser cationicamente polivantes tiene menor conductividad eléctrica y en algunos casos tiende a ser nula.

Conductividad Térmica

Se ha determinado que en la generalidad las escorias tienen una baja conductividad térmica, esto se debe a que la transferencia de calor en las escorias es exclusivamente por convección. Esto facilita que las pérdidas de calor de un baño metálico a través de las escorias es mínimo. El propiedad de conductividad térmica es similar a la de conductividad eléctrica

Peso Especifico

Al ser la escoria una mezcla de óxidos y silicatos y estos tienen un menor peso especifico que los metales u otros compuestos, se determina que el peso especifico de las escorias es bajo y tiene un valor de 2,0 4,0 gr/cc.

PUNTO DE FUSIÓN

Los óxidos que forman parte de las escorias tienen un alto punto de fusión, el cual supera ampliamente a las temperaturas a las cuales se efectúa los procesos por lo que se considerarían como infusibles.

Oxido Fórmula Pto. Fusión °C

Alúmina Al2O3 2050

Cal CaO 2570

Wustita FeOx 1371

Hematita Fe2O3 1495

Magnetita Fe3O4 1597

Magnesita MgO 2800

Sílice SiO2 1728

Pentóxido P2O5 358

Oxido Zinc ZnO 1975

TENSIÓN SUPERFICIAL

Determina en cierto modo la capacidad de la escoria de penetrar en los poros de los refractarios y en la solubilidad o miscibilidad que tienen sus componentes con los metales u otras fases pirometalúrgicas.

En general la tensión superficial de las escorias disminuye cuando se adiciona óxidos alcalinos, ácido bórico, ácido fosfórico y sulfuro de calcio, en tanto que el óxido de calcio, fierro y alúmina aumentan la tensión superficial.

La temperatura disminuye la tensión superficial en aproximadamente 10 % por cada 200°C.

Poder Oxidante y Reductor

× Esta propiedad se refiere al comportamiento de las escorias en las reacciones de oxidación - reducción, así como a la posibilidad que tiene la escoria de ceder o aceptar oxígeno desde o hacia el baño metálico.

× Los elementos forman óxidos estables que no es posible que cedan o acepten oxígenos.

Fe2O3(e) + Fe(m) 3 FeO(e)

2 Fe2O3 (e) + Si(m) 4 FeO(e) + SiO2(e)

Fe2O3 (e) + C(m) 2 FeO(e) + CO(g)

4 FeO(e) + O2(aire) 2 Fe2O3 (e)

FeO(e) Fe(m) + O(m)

Diagramas de Formación de Escorias

× Los sistemas básicos son los formados por la sílice y los óxidos básicos, y se estudian en: sistemas binarios, ternarios y pseudo-ternarios, para ello se agrupan óxidos de características similares, por ejemplo CaO con el MgO y el MnO o SiO2 con el P2O5.

× Se considera que los diagramas binarios son univariantes a una determinada temperatura, los valores de actividad es constante donde coexisten las dos fases. En el área donde se tiene una sola fase es bivariante y el valor de actividad variar en función de la composición, manteniendo una temperatura.

Diagrama SiO2-CaO

Es el diagrama básico de las escorias ferrosas El rango de temperatura en la cual se mantiene al estado líquido esta dentro de

la composición de la wollostonita el cual se considera un bisilicato de calcio (metasilicato) con 51,7 % de SiO2 y 48.3 % de CaO.

El monosilicato forma un sólido estable (P.F. 2130°C) y por encima del punto de fusión de la sílice se tiene la formación de dos líquidos inmiscibles.

En el diagrama muestra que la actividad de la sílice en la cristobalita es igual a uno y la de cal es baja, en la zona de formación de la wollastonita la actividad la actividad de la sílice es del orden de 10-2.

El diagrama MgO-SiO2 es similar al diagrama SiO2-CaO.

Diagrama SiO2-FeO

× Este tipo de escoria es la más usada en la metalurgia de los metales no ferrosos, la temperatura de fusión de este tipo de escoria es más bajo que las escorias SiO2-CaO,

× La formación de la escoria liquida se da desde 0 á 30 % de SiO2, un mayor contenido de sílice incrementa rápidamente la temperatura de fusión hacia el punto de fusión de la sílice, por encima de ella se tiene la formación de dos líquidos inmiscibles.

× El compuesto estable que se forma en este tipo de escoria es la fayalita: 2 FeO.SiO2, se considera que la actividad del FeO por encima del punto de fusión de la fayalita tiene un comportamiento ideal.

Sistema FeO-SiO2-CaO

El menor punto de fusión tiene una composición de 45 % de FeO, 20 % de CaO y 35 % de SiO2 y forma diferentes compuestos algunos estables y otros inestables binarios o ternarios, en sus temperaturas de fusión, entre los compuestos estables tenemos: CaO-SiO2, 2SiO2-CaO, 2FeO-SiO2, CaO-2FeO-2SiO2, CaO-FeO- SiO2.

En el diagrama se muestra una laguna que se extiende diagonalmente a través del diagrama desde la mitad del borde CaO- SiO2 hasta el borde o línea del sistema FeO- SiO2 cerca del vértice del FeO

La mínima isoterma de temperatura que puede obtenerse es de 1100°C, con tendencia a formar fayalita y solubilidad de 20 % de CaO.

Las escorias de menor punto de fusión en este sistema cae en la vecindad de 45 % de FeO, 20 % de CaO y 35 % de SiO2

Sistema CaO-SiO2-Al2O3

Es la de mayor uso en las escorias siderúrgicas, tiene un eutéctico ternario de 1 170°C con 23,25 % de CaO, 14,75 % de Al2O3 y 62 % de SiO2, contenidos elevados de aluminio forma fases infusibles.

Forman compuestos estables e inestables en sus temperaturas de fusión, entre los más importantes tenemos: CaO-SiO2, 2CaO-SiO2, 5CaO-3Al2O3, CaO-2SiO2-Al2O3, 2CaO-SiO2-Al2O3.

Se tiene dos zonas de interés, una cerca a la zona de formación de la tridimita, en ella se tienen las escorias básicas de un alto horno y la otra mas hacia la zona central que forma las escorias ácidas, en ambos casos se tienen temperaturas de fusión alrededor de los 1400°C.

La actividad de los componentes de este sistema determina que es baja para la sílice en escorias básicas y de la cal es baja en escorias ácidas

Sistema FeO-SiO2-F2O3

El sistema Fe-SiO2, no es el típico porque en mayor o menor cantidad el óxido ferroso oxida a férrico o magnetita,

El campo de fusión esta limitado por cuatro curvas de líquidos, en esta región se tiene una temperatura de fusión de 1 200°C, las curvas son:

+ AB líquido saturado con Fe sólido,

+ BC líquido saturado con wustita,

+ CD líquido saturado con magnetita y

+ DA líquido saturado con sílice.

La formación de magnetita como un compuesto intermedio entre la wustita y la hematita se va ha dar en cada caso en que el potencial de oxígeno sea mayor a 0,21

Sistema FeO-CaO-Fe2O3

× Las escorias se encuentran totalmente líquidas con 20 % de CaO y que la actividad del FeO disminuye desde 0,8 á 0,05.

× Este tipo de escoria esta reemplazando a la típica elaboración de las escorias fayáliticas, principalmente debido a que el espectro de formación de magnetita se minimiza en los diferentes valores de potencial de oxígeno.

× Las actuales tecnologías de fusión y conversión instantánea están optando por el uso de este tipo de escoria, La actividad del CaO y su comportamiento de la escoria mejora las propiedades de la misma desde altos a mínimos potenciales de oxígeno

ACTIVIDAD DE LAS ESCORIAS

Teoría iónica Teoría de Temkin "Las escorias son soluciones perfectamente disociadas en

iones y que no existe interacción de iones de la misma carga, y que estos se encuentran en un desorden absoluto".qc = q+ + c-

Considerando que la actividad de cada ion esta dado por:


Teoría de Flood: Toma parte del concepto de la teoría de Temkin y relaciona los elementos presentes y disueltos en la otra fase pirometalúrgica y sus compuestos o iones en la escoria


Teoría Molecular (Schenck): Se presupone que en las escorias fundidas están constituidas por especies moleculares que tienen un comportamiento ideal. Ca2SiO4, Ca2SiO6, Ca2Si2O9, Fe2SiO


Teoría Experimental: Dado que a la actualidad no se ha generalizado una teoría que permita calcular la actividad de los componentes de la escoria, se ha propuesto que este valor se determine experimentalmente. Uno de los métodos que frecuentemente se emplea es el de equilibrio: metal-escoria- atmósfera, si se tiene la siguiente reacción:

Efectos De Otros Componentes En Las Escorias

Efecto del MgO y MnO: hasta 10 % de MgO a una escoria baja en 120 á 150 °C, más de 10 % tiende aumentar la temperatura, el efecto del MnO es menor.

Efecto del oxido de titanio: Parcialmente miscible en sílice, formando con el CaO compuesto de titannato de calcio (CaTiO3), baja el punto de fusión de la escoria. La actividad de la sílice se incrementa y la del CaO disminuye. El eutéctico TiO2 -CaO, es de 40 % de SiO2 , 20 % de CaO y 40 % de TiO2 , de 1400°C.

Efecto del azufre: Disuelve como ion sulfuro o como ion sulfato, las escorias se usan para eliminar el azufre del metal, solubles en los silicatos fundidos.

½ S2 + O-2 ----> ½ O2 + S-2

½ S2 + 3/2 O2 + O-2 ----> SO4-2

Cuando las presiones del SO2 y O2 son altas en la fase gaseosa, puede formarse el pirosulfato:

S2 + 3 O2 + O-2 ----> S2 O7

-2

2 S2 + O2 + O-2 ----> S2 O7-2

Efecto del vapor de agua: El vapor de H2 O es soluble en las escorias fundidas en cantidades que oscilan entre 400 - 4000 ppm de H2 O a 0.2 -0.3 atm H2 O. El agua se comporta como un ácido en escorias básicas y como una base en las ácidas.

En condiciones básicas

H2 O + O-2 2 OH-

H2 O + 2(:Si-O-) (:Si-O-Si:) + 2 OH-

En condiciones ácidas.

H2 O + (:SiO-O-Si:) 2(:Si-OH) Efecto del hidrógeno: Es poco soluble en escorias siderúrgicas, pero si disuelve

en escorias de metales no ferrosos, la reacción probable que ocurra es: H2 + 2

Me+3 + 2 O-2 2 OH- + 2 Me+2

Efecto del carbono: El carbono solubiliza como iones carburo cuando las condiciones son fuertemente reductoras: CaO + 3 C CaC2 + CO

Efecto del nitrógeno: El nitrógeno es soluble en las escorias, pero para disolver cantidades significantes en condiciones fuertemente reductoras, es decir en presencia de CO. Debe tenerse en cuenta que la presencia de nitrógeno es por el uso de aire en el proceso, cuando no se tiene este elemento en el proceso no se tiene efectos del nitrógeno

Efecto del oxigeno: Cuando las escorias están constituidas por óxidos estables como: SiO2, CaO, MgO, o Al2O3, el efecto de potencial de oxígeno no es preponderante ni afecta la composición y propiedades de la escoria Sin

embargo, en escorias que contienen óxidos de manganeso, fierro, cromo, etc., si se tiene efectos, dado que estos óxidos pueden cambiar de número de oxidación

Metal

Compos. Escoria %

% Atóm

Metal*

P. de Vapor

mmHg

% Atom. a 1

mmHg Radio

Atom A°CaO

SIO2

Al2OC 37 36 27 0.055 0.43 0.13 1.27

A 37 36 27 0.160 7.40 0.02 1.44A 37 36 27 0.001 0.03 0.04 1.44P 37 36 27 0.101 213.0 0.0005 1.75P 39 61 -- 0.065 213.0 0.0003 1.75P 39 61 -- 0.042 213.0 0.0002 1.75

REFRACTARIOS

1645 alto contenido de sílice, hasta 1800, 1 850 se inició la fabricación de los ladrillos de sílice. 1880, ladrillos de magnesita y minerales de cromo, resistentes al ataque de las

escorias.

Concepto

Se puede definir como refractario a todo material estable a altas temperaturas.

Clasificación de los refractarios

Ladrillos y bloques: Morteros refractarios. Concretos refractarios. Plásticos y apisonables:

REFRACTARIOS

Fabricación: Arcillas refractarias, alta alúmina, magnesita, cromita - magnesita, sílice, zirconia, carbono de silicio y grafito.

× Ácidos: Sílice, Silico-aluminosas. × Básicos: dolomita, magnesita, cromo-magnesía. × Neutros: cromo, grafito, carburo de silicio.

Eutéctico ternario de 1 170ºC de: 23,25 % de CaO, 14,75 % de Al2O3 y 62 % de SiO2, Anortita: 2SiO2.CaO.Al2O3 de 1533°C, Gehlenita: SiO2.2CaO.Al2O3 de 1593°C

PROPIEDADES EN ENSAYOS DE LOS REFRACTARIOS

Están basadas en las pruebas estándar de la ASTM para este tipo de productos:

Tamaño y forma: C-134, sus variedades son de formas rectas, cuñas y arcos Temperatura de remblandecimiento C-134, el cono pirométrico es una medida

indirecta de, permite la medición entre 66ºC y 2000ºC con rangos de 20ºC Deformación bajo carga: C-137, con el rango de 3520 – 5480 lb/pulg2,

determina la tenacidad del refractario con respecto a otro Porosidad: C-20, rango de 18 - 20 %, depende de la presión que se utiliza en el

moldeo y la granulometría Dilatación y contracción: C-202; de 1/16 á 3/16 pulg/pie, es le cambio de

dimensión o volumen permanente por acción de la temperatura, Descochado: C-38; resistencia relativa a choques térmicos, para se ello se

calienta la muestra hasta una determinada temperatura y luego se le enfría con agua atomizada con aire.

Malos, resisten menos de 5 ciclos - Mediocres, que resisten de 5 a 10 ciclos

Medianos, que resisten de 11 a 15 ciclos -Buenos, resisten de 16 a 20 ciclos

Muy buenos, resisten de 21 a 25 ciclos - Excelentes, resisten mas de 25 ciclos

PROPIEDADES EN ENSAYOS DE LOS REFRACTARIOS

Permeabilidad: C-21; Oscila 2,9 á 3,25, es el paso de gases a presión a través del refractario moldeado. Esta condicionada por el volumen de los poros cuya dimensión es de 20 - 100 m.

Modulo de ruptura: C-133: rango de 1 040 á 1 550 lbs/pulg2, resistencia a la rotura transversal a temperatura ambiente

Pérdida por abrasión: C-138; rango de 3, 57 á 10,0 cc, resistencia de la superficie a la acción de sólidos en movimiento

Resistencias a las escorias: Es el control menos satisfactorio, es difícil determinar el valor de la acción aumentando la temperatura o el flujo de escorias.

Conductividad térmica: Varia de unos ladrillos a otros, los de carburo son buenos conductores. Los demás son malos conductores de calor varía de 0,47-1,05.

Refractariedad: El punto de fusión se extiende a lo largo de un intervalo de temperatura, se emplean conos patrón, de temperatura de ablandamiento conocida.

Resistencia Mecánica: La resistencia mecánica en caliente depende de la estructura

Resistencia a la compresión: A 1600ºC, esta resistencia varía de 0.5 a 4 kg /cm2, de sílice es 4 kg/cm2, de cromo-magnesita, de 107 kg/cm2.

Resistencia a la rotura bajo carga a elevada temperatura: Es la máxima temperatura que resiste el material sin romperse bajo la acción de una carga de 2 kg/ cm2.

TIPOS DE LADRILLOS ÁCIDOS

De arcilla refractaria (25 - 45 % Al2O3)

La arcilla refractaria se define generalmente como una arcilla sedimentaria cuyo CPE (cono pirométrico equivalente) no es menor que cono 19 (1315ºC).

Según ASTM los refractarios de arcilla refractaria se dividen en cinco clases: de súper servicio: CPE 33 alto servicio: comunes, resistentes a las escorias y resistentes al

astillamiento térmico , CPE 31 ½ semisiliceos, de mediano servicio de bajo servicio.

ASTM también clasifica a las arcillas refractarias según su contenido de alúmina y de sílice (% SiO2) :

Silíceos: 65-85 Arcillas refractarias de bajo servicio CPE de 19-26 Normales 55-65 Semi pedernal 48-55 Arcillas muy refractarias Pedernal 42-50 Nodular30-45 CPE cono 27

Diáspora 10-20

Tipos de ladrillos ácidos

Los ladrillos refractarios de bajo servicio (CPE 15) y mediano servicio (CEP 29) se pueden fabricar con una sola clase de arcilla refractaria por extrusión o prensado en seco.

Los ladrillos refractarios de alto servicio (CPE 31 1/2) se hacen de una mezcla de arcillas refractarias plásticas y magras (crudas, calcinadas o en ambas formas).

Los ladrillos refractarios de súper servicio se fabrican combinando arcillas del tipo pedernal y semi-pedernal para alcanzar el CPE 33.

Los ladrillos refractarios de tipo intermedio, con un contenido menor de alúmina que los de súper servicio, usando de materia prima caolín precalcinado a 1550°C,

Las propiedades de los ladrillos de 25 – 28 % de alúmina varían mucho respecto a las de los ladrillos de 40 o 45 % de alúmina.

Porosidad aparente: Varía de 9 % (baja) a 22.5% Densidad total: De 1.96 á 2,36 gr/cm3. Resistencia al aplastamiento en frío. Es variable; ha llegado hasta 10

000 lb/plg2 Alta resistencia a la abrasión. Refractariedad bajo carga. No es buena si se le compara con otros

ladrillos más refractarios. Resistencia al choque térmico. Estos refractarios son los que mejor

resisten a cambios bruscos

Tipos de ladrillos Sílice

Refractarios de sílice

Se les emplea en instalaciones de tipo ácido y que requieren que no haya alta contracción en servicio a temperaturas elevadas.

Resiste a la carga hasta 50 lb/pulg2 a grados antes de su punto de fusión (1710 - 1730ºC).

Relativamente alta resistencia al ataque del oxido de hierro y los álcalis. Libre de contracción, aún a temperaturas cercanas a las de fusión (1600 -

1700ºC). Buena resistencia al choque térmico sobre los 600ºC.

Refractario de sílice denso

Se obtienen agregando 2 % de Cu2O (oxido cuproso) a la composición de ladrillo de sílice normal u ordinario. Este ladrillo denso presenta 17.6 % de porosidad. Su conductividad térmica es 28 % mayor y casi el doble de

modulo de rotura que del ladrillo común y tiene dilatación térmica casi igual que este ultimo.

Refractarios semi-siliceos

Propiedades intermedias entre las refractarios de arcilla refractaria y los de sílice. Se fabrican dos tipos con 75 % y 82 % de sílice respectivamente. Los ladrillos de 82 % de sílice poseen la máxima resistencia a la carga en caliente y los de 75 % alta resistencia mecánica y al astillamiento vitreo. Los ladrillos semi-siliceos con contenido de 88 – 93 % de SiO2 fabricado con mezclas naturales o artificiales de arena y arcilla

Tipos de ladrillos Alumina

Refractarios de alta alúmina

Se clasifica los refractarios silico-aluminosos según porcentaje de Al2O3 en:

o Refractarios de arcilla refractaria (25 – 45 % Al2O3)o Refractarios de alta alúmina (45 – 65 % Al2O3)o Refractarios de mullita (65 – 80 % Al2O3)o Refractarios de corindón (80 a 100 % Al2O3)

Los refractarios de alta alúmina contienen un mayor contenido de alúmina que los de arcilla refractaria de súper servicio.

Los primeros refractarios de alta alúmina se fabricaron utilizando la diáspora (arcilla refractaria con 10 - 20% de SiO2) y al agotarse el material, utilizaron la bauxita calcinada (que contiene sólo 30 % de agua)

Refractarios de Mullita (3Al2O3.2SiO2)

Contenido de alúmina 65 % - 80 % de Al2O3. Como hay poca mullita natural, se le obtiene por conversión de los minerales de la sillimanita o de la pirofilita.

Una vez que se tiene la mullita se fabrica el refractario con la misma técnica que los refractarios se sillimanita pero a más temperatura.

REFRACTARIOS BÁSICOS

De Dolomita: Ca3Mg-CO3Ca

La roca dolomía calentada a 1200ºC se transforma en una mezcla de óxido de calcio y óxido de magnesio. La composición de la dolomita, contiene el 30.41% de CaO, 21.86 % de MgO y el 47.73 % de CO2. Después de calcinada es del orden del 40 % MgO, 58 % de CaO, 1 % de SiO2.

Es muy resistente al ataque por las escorias de acería, especialmente del FeO, alta reactividad al azufre y al fósforo

De Magnesita: MgCO3

Los ladrillos de magnesita calcinada son densos (170 lb/pie2) y muy resistentes a las escoria a temperaturas altas, pero tiene la desventaja de tener baja resistencia al desconchamiento, alto coeficiente de expansión térmica, baja capacidad para soportar cargas a temperaturas elevadas y tendencia a la contracción irreversible.

El contenido de MgO explica una alta refractariedad de los refractarios básicos. La magnesita (carbonato de Mg) se le calcina para eliminar CO2 a 1500ºC. El

óxido de Fe ayuda en la calcinación formando una liga entre la periclasa (MgO). La magnesita resiste bien el ataque del óxido manganoso. La magnesita se ha usado como una liga de cemento de aluminato de calcio en

los hogares de hornos de recalentamiento y en escorias sintéticas para hornos de inducción.


De Cromita: Cr2FeO4

× La cromita contiene el 32 % de hierro y el 68 % de Cr2O3 con sustitución de parte del hierro por magnesio y el cromo por aluminio. El principal mineral es la espinela cromita (Fe,Mg)O.(Cr,Al,Fe)2O3, Siendo su punto de fusión 2015ºC y su densidad de 4.5. Las cantidades de cromita requeridas en industria deben tener un alto porcentaje de Cr2O3 + Al2O3.

× La cromita es un refractario a base de sesqui-óxido de cromo (45 % Cr2O3) y tiene un comportamiento neutro, posee muy poca resistencia a la compresión en caliente y a los cambios bruscos de temperatura.

Refractarios de magnesita-cromo y de cromo-magnesita

Se denomina refractario de magnesita-cromo los que contienen más de 50 % de magnesita y cromo-magnesita los que tienen más de 50 % de cromo.

Los de 50 – 70 % de contenido de cromo presenta mejor resistencia a alta temperatura.

Alta resistencia en caliente, una resistencia mejorada a las escorias y estabilidad de dimensiones hasta los 1800ºC.

Porosidad: 13 % para ladrillos refractarios de magnesita-cromo y de 16% para cromo- magnesita.

Resistencia y aplastamiento en frío: Modernamente en el rango de 3000 a 8000 Ib/plg2.

Los cromo - magnesita (15 - 50 % Cr2O3) se comporta mejor que los ladrillos de cromita en los ensayos bajo cargas de 2 kg/cm2.


De Forsterita: MgSiO4

Este silicato de magnesio posee buenas propiedades refractarias. La refractariedad depende del contenido de hierro, debe que ser muy bajo,

teniendo un valor de 1750ºC aproximadamente. Bajo carga, las briquetas son típicamente básicas, se deforman lentamente a

cualquier temperatura superior a 1550ºC. La dilatación térmica es pequeña y la resistencia a la rotura solamente es

moderadamente buena. Este refractario es resistente, tanto a las escorias básicas como acidas aunque quizás no sea tanto como la sílice.

Además, la magnesita se combina con alúmina, como MgO.Al2O3 (1925ºC) espinel, la magnesita forma un refractario tipo espinel con el oxido crómico MgO.Cr2O3, (2260ºC). La cal como impureza en la magnesita forma silicato y ferritas que afectan las propiedades del cuerpo.

La forsterita (2MgO.SiO2) proveyó el primer ladrillo básico con suficiente resistencia a la carga a temperaturas de servicio.

OTROS REFRACTARIOS

Refractarios de Carbón

El carbón elemental sublima a los 3526°C, siendo el material más refractario. Pero se deteriora rápidamente en atmósfera oxidante.

El carbón amorfo es muy duro y es aislador de calor

Refractarios de Grafito

El grafito natural se encuentra en cristales grandes, industrialmente se obtienen por grafitización comercial del carbón (sobre los 1000 °C).

o Muy estables bajo condiciones reductoras.o Buena resistencia al choque térmico.o Baja resistencia mecánica a temperatura ambiente y muy buena a altas

temperaturas.

Refractarios de Carburo de Silicio

× Resistencia a altas temperaturas × Alta conductividad térmica × Bajo coeficiente de dilatación térmica. × A resistencia bajo carga en caliente. × A resistencia al astillamiento × Alta la resistencia a la abrasión

OTROS REFRACTARIOS

Refractarios monolíticos

Pueden designarse como refractarios monolíticos a los: castables, sopleteables, los plásticos y los apisonables, tiene las siguientes ventajas:

Sirve para construcciones sencillas y complicadas usando los anclajes. Buena resistencia al choque térmico Mantenimiento mas sencillo del homo

Castables o concretos refractarios

× Generalmente se utiliza para la cocción "ín situ", deben tener propiedades satisfactorias, tanto a mínimas como a máximas temperaturas.

× El más utilizado es el cemento de aluminio de calcio, de fraguado hidráulico.

× Aditivos plastificantes, para facilitar la instalación (una cantidad mínima)

Mezclas sopleteables

× Tienen las mismas composiciones que los castables, pero diferente granulometría. Solo se emplearan con pistolas a presión de aire, en seco o premezclado con agua en cámara al vacío.

OTROS REFRACTARIOS

Cementos o morteros refractarios × Se emplean para unir los ladrillos refractarios y formas preformadas,

ligando como una sola estructura, evitando que penetre gases y escorias liquidas.

o Morteros fraguados al aire (en frio), secan al aire, se recomienda para las aplicaciones que requieren una alta resistencia, antes de alcanzar la temperatura de servicio.

o Mortero de fraguado en caliente, no se endurece hasta que se calienta, se recomienda para las aplicaciones que no sean expuestas al exceso mecánico.

Los morteros deben ser de composición química semejante a la de los ladrillos que se están colocando.

Refractarios para aislamiento térmico

El aislamiento térmico tiene como fin la conservación del calor. Si va ahorrarse combustible. Si va a subir o bajar el rendimiento del horno. El aumento del costo de los refractarios. Los materiales aislantes son: La diatomita, asbesto, vermiculita, las arcillas

refractarias y caolín, silicatos de calcio, sílice, alúmina, magnesita y cromo magnesita.

Refractarios de magnesia - carbón

FABRICACIÓN DE REFRACTARIOS

Materia prima para su fabricación

Existe diversas arcillas que tienen en su composición Al2SiO5 llamados: silimanita, andalucita, cianita, topacio Al2SiO4(OH)2 y corindón (Al2O3)

Caolín: Son esencialmente alúmina, dióxido de silicio y agua, con trazas de otras sustancias, Al2(Si2O5)(OH)4.

Magras y Gredas: Estas arcillas, que contiene materia orgánica, tienen un grano fino, muy utilizados en los refractarios

Arcillas refractarias: De alta alúmina son superiores a 38 %. DIASPORO: (HAlO2) Presenta buena plasticidad y ofrece excelentes

propiedades de cocción. GIBSITA.Al(OH)3: El de más alto contenido de alúmina se presentan siempre en

forma de nódulos y considera a las bauxitas como una mezcla de gibsita y caolinita

Ganister: Es la cuarcita, tiene mas de 97 % de SiO2. El punto de fusión de la cuarcita es cercano a 1700ºC.

Arenas de cuarzo: Actualmente se utilizan en la fabricación de ladrillos ácidos y ladrillos de silicato.

Tierra diatomea: Una forma especial de sílice se presenta en la tierras diatomeas, se trata de depósitos de restos infusorios, antediluvianos

Minerales magnesita y cromita 92

FABRICACIÓN DE REFRACTARIOS

La arcillas se somete a un chancado primario y luego a calcinación, chamota; La chamota y partes de arcillas se le lleva a chancado secundarlo Molienda en un molino de barras, se clasifican a malla – 35 Mezcla y adición de agua para dar humedad adecuada para el prensado. Prensado y moldeado

o MOLDEO A MANO. Este sistema se usa principalmente en la fabricación de formas irregulares o cuando se requiere una contextura mas porosa.

o PRENSADO EN HUMEDO. Produce material de estructura muy compacta, máxima de resistencia a fricciones y raspadura, resistencia a la corrosión de las escorias.

o PRENSADO EN SECO. Facilita el control de la contextura y densidad. Además, se producen moldeados de tamaño uniforme y con resistencia a la desintegración,

Secado variando el tiempo según el tamaño y la humedad de la misma. De 50 á 90ºC,

Cocción a 1450 - 1480ºC en un promedio de 12 á 15 díaso Los refractarios se somete a cocción para darle estabilidad y fortalecer

estructura,o La temperatura es gradual hasta llegar a la temperatura de cocción hasta

1480ºC,

o Ladrillos de caolín a 1780ºC y algunos ladrillos básicos a 1870ºC . Durante la cocción el cuarzo se transforma en fases estables son: cuarzo,

tridimita, cristobalita y sílice líquida. La inversión de fase a tridimita ocurre a los 875ºC, si se calienta hasta los 1450ºC el cuarzo se transforma en crsitobalita

estructura de la silice

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