LABORATORIO 6

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INGENIERÍA DE MATERIALES
LABORATORIO N°: 6
“MATERIALES REFRACTARIOS”
 
FECHA: 11-10-18
COMISIÓN N°: 3
INTEGRANTES:
· VALDIVIEZO, MELISA ROCIO
· GARCIA SOTO, MARCELO ALEJANDRO
· DELGADO, FABRICIO AGUSTIN
· RODRIGUEZ, GASTON NICOLAS
I – TRABAJO PRÁCTICO DE GABINETE
1.- Dar definición tecnológica de materiales refractarios
Definición Tecnológica: “Todo material capaz de soportar , a temperaturas elevadas, las
condiciones del medio en que está inmerso, durante un periodo de tiempo económicamente rentable, sin deterioro excesivo de sus propiedades físico-químicas.”
2.- Mencionar cuál es la función de un revestimiento refractario – aislante.
Los revestimientos refractarios aislante son capaces de resistir condiciones de altas temperaturas sin modificación en sus propiedades físico-químicas, durante determinado tiempo, además de cumplir con su función de refractar, son excelentes contenedores de calor, es decir, mantienen el calor al que son expuestos durante sus diferentes usos, contribuyendo de ese modo.
Un revestimiento refractario-aislante (R & A) protege a la estructura portante de las altas temperaturas y hace que las pérdidas de calor a través de las paredes de los hornos sean menores, contribuyendo de ese modo al ahorro energético, debido a un menor consumo de calor. Además, los materiales refractarios ayudan a proteger el medio ambiente asegurando que las temperaturas altas necesarias en muchos procesos no presenten un impacto perjudicial para el medio ambiente.
3.- Nombrar a qué tipos de solicitaciones está sometido un refractario en servicio.
Describa una de ellas
Un refractario en servicio está sometido a distintas solicitaciones y ellas son:
· Solicitaciones Térmicas
· Temperaturas elevadas
· Cambios bruscos de temperatura (choque térmico)
· Solicitaciones Mecánicas
· Compresión, flexión y tracción
· Vibración
· Abrasión, erosión e impacto
· Presión
· Solicitaciones Químicas
· Escorias
· Productos fundidos
· Gases y vapores
· Ácidos
Solicitaciones químicas, Escoria:
Los materiales refractarios, durante su utilización, por ejemplo en los hornos de fundir metales, se ven sometidos a acciones químicas, como el ataque de las escorias. Ésta depende del carácter ácido, básico o neutro del refractario y de las escorias con las que entre en contacto. El refractario que se elija, debe tener una composición adecuada, de tal manera que la escoria no sea fundente suyo.
Las escorias son un subproducto de la fundición de la mena para purificar los metales. Se pueden considerar como una mezcla de óxidos metálicos; sin embargo, pueden contener sulfuros de metal y átomos de metal en forma de elemento. Aunque la escoria suele utilizarse como un mecanismo de eliminación de residuos en la fundición del metal, también pueden servir para otros propósitos, como ayudar en el control de la temperatura durante la fundición y minimizar la reoxidación del metal líquido final antes de pasar al molde.
Resistencia al ataque químico. Resistencia a las escorias
La resistencia al ataque por fundidos, especialmente las escorias siderúrgicas, resulta imprescindible tanto como criterio de aceptación y rechazo de productos refractarios, como herramienta en la investigación de mecanismos de ataque previa a la formulación de nuevos materiales o a la reformulación de los existentes de acuerdo con las nuevas exigencias de los procesos industriales. 
Cualquier sustancia en contacto con un refractario a alta temperatura puede reaccionar con él, esto es particularmente importante en presencia de metales fundidos, escorias y cenizas.
Una regla que debe tomarse en cuenta, es que un óxido refractario ácido no reacciona con una escoria ácida, y un óxido refractario básico no reacciona con una escoria básica
Otro factor importante es la viscosidad de la escoria. En un recipiente recubierto de sílice o arcilla refractaria, la escoria que se encuentra cerca del recubrimiento disolverá el refractario y se volverá muy viscosa
4.- Describir las características estructurales de un material refractario
Los materiales refractarios son materiales polifásicos y heterogéneos, tanto desde el punto de vista de su composición química como de su estructura física. Así estructuralmente los materiales refractarios conformados presentan tres fases perfectamente definidas:
· Constituyente disperso, generalmente formado por óxidos simples o
compuestos.
· Constituyente matriz, generalmente formado por materiales complejos de naturaleza cristalina o vítrea.
· Porosidad (Macro y micro-porosidad) La porosidad está siempre presente en los materiales refractarios, en proporción y distribuciones variables influyendo decisivamente en sus propiedades y características. Cierto nivel de porosidad hace soportar los choques térmicos con cierta solvencia es uno de los factores más importantes que condicionan la resistencia a tal fenómeno.
5.- Dar la clasificación de los materiales refractarios según el carácter químico y según la porosidad.
Según el carácter químico
Según este criterio los materiales refractarios se clasifican en:
• Refractarios ácidos: Refractarios de sílice, de semi-sílice, silico- aluminosos, de carburo de silicio, de circona y de silicato de circonio.
• Refractarios básicos: Refractarios de magnesia, de dolomía sinterizada, magnesia – cromo y de forsterita .
• Refractarios neutros o inertes: Refractarios de carbono, de cromita y de cromo - magnesia.
• Refractarios anfóteros: Refractarios de alta y muy alta alúmina.
Según la porosidad
· Refractarios densos: Se consideran refractarios densos aquellos materiales cuya refractariedad sea igual o superior a los 1500 oC y el valor de la porosidad total sea inferior al 39 % en volumen. 
· Refractarios aislantes: Su porosidad total es igual o superior al 45 % en volumen
6.- Describir las fases que se presentan en un diagrama SiO2-Al2O3
El sistema sílice-alúmina es de gran importancia debido a que son constituyentes de muchos materiales refractarios. 
En el diagrama de fases del sistema SiO2-Al2O3, la forma polimórfica de la sílice que es estable a estas temperaturas es la cristobalita
Sílice y alúmina no son solubles una en otra, lo cual se pone en evidencia por la ausencia de soluciones sólidas terminales a ambos extremos del diagrama de fases.
El compuesto mullita, 3Al2O3-2SiO2, se forma a una composición de alrededor del 72% en peso de Al2O3 y funde de forma incongruente a 1828°C. 
A medida que avanzamos hacia la izquierda en el diagrama binario aparecen los Refractarios de Arcilla, los ingredientes primarios de estas cerámicas son mezclas de arcillas refractarias de alta pureza, alumina y sílice, con un 25 a 45% de alúmina, en este intervalo de composición la más alta temperatura que se puede alcanzar sin que se forme líquido es 1587°C. Por debajo de esta temperatura las fases presentes en equilibrio son mullita y sílice (cristobalita). Durante la vida en servicio del refractario puede permitirse una pequeña cantidad de fase líquida sin que esto afecte a la integridad mecánica. Por encima de 1587°C, la fracción de líquido presente dependerá de la composición del refractario. Aumentado el porcentaje de alúmina aumentará la temperatura máxima de servicio, permitiendo la existencia de una pequeña cantidad de líquido.
Llegando a los Refractarios de Sílice, algunas veces denominados refractarios ácidos que se encuentran aún más a la izquierda en la parte del diagrama que los refractarios de arcilla. Estos materiales son bien conocidos por su capacidad estructural a las temperaturas elevadas que llegan a ser tan altas como de 1650°C. En estas condiciones, alguna pequeña proporción del ladrillo estará en forma de líquido. La presencia de incluso pequeñas concentraciones de alúmina tiene un efecto adverso sobre las prestaciones de estos refractarios. Esto se explica en el diagrama de fases sílice alúmina, donde la composición eutéctica (7,7% en peso de Al2O3) es muy cercana al extremo de la sílice del diagrama de fases, aún muy pequeñas cantidades adicionales de Al2O3 disminuyenla temperatura de líquidos en forma significativa, lo cual indica que cantidades importantes de líquido pueden estar presentes a temperaturas que superen los 1600°C. Por tanto, el contenido de alúmina debe mantenerse muy bajo, normalmente entre el 0,2 y el 1,0%. 
7.- Definir refractario de alta alúmina según Norma IRAM 12505
Son los productos refractarios cuyo contenido de óxido de aluminio, oscila entre 47,5% y 99%. Generalmente reciben nombres diferentes, según la materia prima o especie mineralógica que predomina en la composición (corindón, silimanita, cianita, bauxita, mullita, diásporo, etc.)
8.- Nombrar propiedades de los materiales refractarios
· Densidad, porosidad
· Resistencia a la compresión
· Resistencia a la flexión
· Resistencia a la abrasión
· Refractariedad
· Resistencia al choque térmico
· Resistencia a la deformación bajo carga
· Resistencia mecánica a baja temperatura
· Resistencia al ataque químico, resistencia a las escorias
9.- Describir dos ensayos para cuantificar la propiedad correspondiente en materiales
refractarios
· Refractariedad: El método más ampliamente usado para medir la temperatura de ablandamiento de refractarios es la determinación del Cono Pirométrico Equivalente (CPE), por el procedimiento estandarizado como Ensayo ASTM C- 24. La deformación y el punto final de un cono corresponden a una determinada condición de trabajo térmico, debido a los efectos del tiempo y de la temperatura, el cono se ablanda junto con el material hasta tocar la base, la refractariedad correspondiente del material queda determinada por la del cono ya que este se considera un método para determinar la misma en los materiales que tienen más de un componente, así como los materiales refractarios, analizando su temperatura de ablandamiento. Cabe destacar que la precisión de este método de prueba está sujeta a muchas variables que son difíciles de controlar. 
Cono pirométrico equivalente (IRAM 12507) hasta 1800°C
Mediante este ensayo se puede obtener el nivel de refractariedad de un material -generalmente un cerámico refractario- observando su reblandecimiento a temperaturas elevadas. La refractariedad está caracterizada por la determinación óptica del equivalente del cono pirométrico, es decir: temperatura en la que la punta de un cono fabricado con el material de la muestra se ablanda hasta el punto de tocar la base de la placa. Una serie de conos de referencia con temperaturas de caída regulares se calientan en el mismo horno con los conos de prueba fabricados con el material de la muestra, de manera que es posible realizar una determinación de temperatura comparativa precisa del punto de reblandecimiento del material.
· Ensayo de resistencia a la deformación bajo carga: En los ensayos estándar de resistencia bajo carga suele emplearse una carga constante de 2 Kg/cm2, determinándose la temperatura a la cual el refractario sufre una deformación dada (normalmente del 0.5%), en un tiempo de 100 o 1000 horas.
Deformación bajo carga (IRAM 12512)	Comment by Fabricio Delgado: de Centro de Tecnología de recursos Minerales y Cerámica	Comment by Melisa Valdiviezo: Unicamente había que agregar algo más de información del ensayo de cono pirométricos, igual está muy buena la info del ensayo de deformación bajo carga de las normas iram
El objetivo de este ensayo es observar la resistencia en caliente que presenta un ladrillo refractario a una temperatura determinada (o varias) cuando soporta una carga. El Método consiste en colocar tres ladrillos de muestra en un horno con una carga constante sobre la cara de 114 x 67 mm y se mantiene la temperatura máxima de ensayo durante 5hs. Concluido el ensayo se constata si hubo deformación. Según el caso, se evalúa la posibilidad de repetir el ensayo a mayor temperatura.
10.- El módulo de elasticidad para la espinela (MgAl2O4) que tiene el 5% de porosidad volumétrica es 240 GPa.
(a) Calcule el módulo de elasticidad para el material no poroso
(b) Calcule el módulo de elasticidad para una porosidad del 15%.
a) Módulo de elasticidad para un material no poroso. Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso
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b) Módulo de elasticidad para una porosidad del 15%
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II – TRABAJO PRÁCTICO DE LABORATORIO
1.- Determinación del Peso específico, Porosidad y Absorción de agua de ladrillos
refractarios (Norma IRAM 12510)
Entre los factores que condicionan la resistencia al choque térmico toma gran
importancia la porosidad del material. Al disminuir la porosidad (aumentar la densidad) la resistencia al choque térmico y las características de aislamiento se reducen, mientras que la resistencia mecánica y la capacidad de carga aumentan. Muchos materiales son usados en estados muy porosos y es frecuente encontrar materiales combinados: una capa porosa con buenas propiedades de aislamiento combinada con una delgada chaqueta de material más denso que provee resistencia.
Actividad:
1.-Determinar la porosidad, el peso específico y absorción de agua del material refractario proporcionado por el laboratorio.
	Comment by Fabricio Delgado: promedios agregados
2.- Análisis de la composición química y mineralógica de la muestra de ladrillo
proporcionada
Estas técnicas analíticas comprenden, básicamente, el análisis mineralógico mediante difracción de rayos X (DRX), el análisis químico de materiales por fluorescencia de rayos X (FRX). La técnica DRX permite la identificación de las fases cristalinas presentes en una muestra. Es posible caracterizar, en una amplia variedad de materiales, su estructura cristalina. Estos análisis se realizan mediante el estudio de perfil del difractograma. La difracción y la fluorescencia por RX se aplican en el desarrollo de nuevos materiales cerámicos y vítreos, así como también a nivel industrial para el control de calidad de las materias primas.
. - Análisis Químico FRX
. - Análisis mineralógico DRX (hoja adjunta)
Se identifican dos fases presentes, donde el compuesto está formado en mayor cantidad por Corundum (73% en color rojo para el ladrillo 55, y 52% en color azul para el ladrillo 57).	Comment by Fabricio Delgado: es asi???	Comment by Melisa Valdiviezo: No era necesario poner el porcentaje, sólo el que estaba en mayor cantidad, pero de está de 10
Se identifican dos fases presentes, donde el compuesto está formado en mayor cantidad por Corundum (67% en color rojo) para el ladrillo 51; y Mullita (75% en color rojo) para el ladrillo 59.	Comment by Fabricio Delgado: es asi???	Comment by Melisa Valdiviezo: No era necesario poner el porcentaje, sólo el que estaba en mayor cantidad, pero de está de 10	Comment by Fabricio Delgado: faltaban ladrillos 51 y 59
3.- Análisis de resultados
. - De acuerdo a los resultados obtenidos de qué tipo y clase de ladrillos refractarios se trata teniendo en cuenta las Normas IRAM 12505 – 12508
Ladrillo_55: 76,68% Al2O3
● Tipo de ladrillo refractario : Tipo 1, ladrillo de alta alúmina
● Clase de ladrillo refractario: Clase 70 (tiene como mínimo 67,5% de alúmina)
 
Ladrillo_57: 80,321% Al2O3
● Tipo de ladrillo refractario : Tipo 1, ladrillo de alta alúmina
● Clase de ladrillo refractario: Clase 80 (tiene como mínimo 77,5% de alúmina)
Ladrillo_51: 75,59% Al2O3	Comment by Fabricio Delgado: chequen esto por las dudas, faltaban	Comment by Melisa Valdiviezo: Ahí los revise, digo que están bien
● Tipo de ladrillo refractario : Tipo 1, ladrillo de alta alúmina
● Clase de ladrillo refractario: Clase 70 (tiene como mínimo 67,5% de alúmina)
Ladrillo_59: 75,51% Al2O3
● Tipo de ladrillo refractario : Tipo 1, ladrillo de alta alúmina
● Clase de ladrillo refractario: Clase 70 (tiene como mínimo 67,5% de alúmina)
III – ELEMENTOS DE TRABAJO
. - Probetas de ladrillos refractarios
. - Aparato para determinación de porosidad
. - Balanza
IV – ELABORACIÓN Y PRESENTACIÓN DE INFORME
1.- Describir el trabajo realizado en el Laboratorio tomando como referencia los resultados obtenidos.
Determinación de la porosidad, densidad aparente y absorción de agua porel método de Arquímedes: se procede a medir la porosidad aparente (relación entre poros abiertos en comunicación con el exterior y el volumen total del refractario). En el laboratorio se llevó a cabo el ensayo de porosidad, experiencia que nos permitirá determinar dicha propiedad. Se determina a partir de una serie de cálculos entre los pesos relevados de una probeta seca, saturada de agua y suspendida en agua.
1) se midieron los pesos de las probetas conformadas ya secadas en primer lugar.	Comment by Fabricio Delgado: pasos uno y dos
2) se sumergen las probetas en un recipiente con agua y se deja hervir durante 2hs para que el agua entre a los poros	Comment by Melisa Valdiviezo: Está bien si pongo esto?	Comment by Fabricio Delgado: Si d 10...xq era un detalle q no recordaba q dijeran
3) luego de enfriarse, se extrae la probeta que se va a analizar con unas pinzas y se coloca dentro de un dispositivo que funciona con el principio de arquímedes donde se mide su peso sumergido.
4) Se extrae la probeta del agua, se elimina el agua excedente y se la pesa saturada de agua.
5) La probeta es retirada y se repite la operación tanto para un material conformado como para una muestra obtenida en una clase previa.
6) Se confecciona un cuadro con los valores obtenidos:
	Comment by Fabricio Delgado: aca no coloque los promedios xq ya los puse en un puntos anterior, es el mismo cuadro donde estan los valores de porosidad, ademas no medimos promedio en el lab.
2.- El informe debe consignar todos los puntos desarrollados
corrección para análisis de fases del ladrillo 57
 - Análisis Químico FRX
. - Análisis mineralógico DRX (hoja adjunta)
 A partir de los estudios realizados con los equipos correspondientes podemos obtener determinados datos y sacar las siguientes conclusiones:
· Según el análisis químico FRX, el ladrillo-57 contiene 80,321% de Al2O2. Ladrillo que entra en la clasificación de muy alta alúmina (por lo tanto es de alta refractariedad y más resistente corrosiva y mecánicamente que los ladrillos de arcilla).
· El análisis mineralógico DRX nos da a conocer que las fases predominantes son mullita y corundum. Como es de esperarse, el corundum se encuentra en mayor proporción.
La información previa puede corroborarse en forma teórica con el diagrama de SiO2-Al2O3. Para aproximadamente 80% de Al2O3, las fases predominantes son alúmina y mullita, datos que coinciden con el análisis DRX.
A su vez en el cuadro inferior podemos identificar este tipo de refractario dentro del grupo II de alto contenido de Al2O3, o muy alta alúmina.