Materiales Refractarios 2017bisss

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Materiales Refractarios 
Cátedra Ingeniería de Materiales 
Ing. Teresa Antequera 
Uso e importancia de los 
materiales refractarios 
 Los materiales refractarios constituyen un conjunto de productos 
indispensables para toda actividad industrial en las que se dan 
condiciones de operación severas (ataque químico, tensiones 
mecánicas, etc.) y en las que, casi siempre, se requiera la utilización 
de temperaturas elevadas 
Importancia de los materiales 
refractarios 
 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. 
Revestimiento refractario - 
aislante 
 Un revestimiento refractario – aislante 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 
Refractarios en procesos 
industriales 
Industria 
petroquímica 
Química 
Acería 
Fundición Metales 
no férreos 
Cemento 
Cerámica 
Vidrio 
Esmaltes y fritas 
Sector 
Refractarios empleados 
en procesos industriales 
Empleados a alta 
temperatura 
Definición de materiales 
refractarios 
 Podemos decir que los refractarios son materiales capaces de resistir 
temperaturas elevadas conservando al mismo tiempo buenas 
propiedades operativas frente a las solicitaciones presentes en hornos 
y reactores industriales. A partir de esta definición de refractarios se 
puede dar una definición tecnológica como sigue: 
“Todo material capaz de soportar , a temperaturas elevadas, las 
condiciones del medio en que esta inmerso, durante un periodo de 
tiempo económicamente rentable, sin deterioro excesivo de sus 
propiedades físico – químicas.” 
Condiciones que deben soportar 
los materiales refractarios 
Solicitaciones 
Térmicas Mecánicas Químicas 
Temperaturas 
elevadas 
Compresión, 
flexión y tracción 
Escorias 
Cambios bruscos 
de temperatura 
(choque térmico) 
Vibración Productos 
fundidos 
Abrasión, erosión 
e impacto 
Gases y vapores 
Presión Ácidos 
Características estructurales de los 
materiales refractarios 
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: 
 
1.- Constituyente disperso, generalmente formado por óxidos simples o 
compuestos. 
2.- Constituyente matriz, generalmente formado por materiales complejos 
de naturaleza cristalina o vítrea. 
3.- Porosidad (Macro y microporosidad) 
Características estructurales de los 
Materiales refractarios 
MATERIAL REFRACTARIO: AGREGADOS DE CRISTALES O 
GRANOS CEMENTADOS POR UNA MATRIZ CRISTALINA O 
VÍTREA, CON UN CIERTO GRADO DE POROS 
Constituyentes dispersos y constituyentes 
matrices de los materiales refractarios 
Propiedades del material refractario ideal 
.- Alta refractariedad 
.- Estabilidad volumétrica a las temperaturas de operación 
.- Estabilidad química (frente a gases, vapores y escorias) 
.- Resistencia al choque térmico 
.- Alta resistencia mecánica en caliente 
.- Alta densidad 
.- Baja conductividad térmica 
.- Alta resistencia a la abrasión 
.- Baja conductividad eléctrica a altas temperaturas. 
Propiedades de un material refractario 
aislante ideal 
.- Muy baja conductividad térmica 
.- Alta refractariedad 
.- Buena resistencia al ataque químico de gases , vapores y escorias 
.- Buenas propiedades mecánicas en caliente 
.- Baja densidad 
Clasificación de los materiales 
refractarios 
No existe un criterio único de clasificación de los materiales 
refractarios. Así según sea el criterio que se tome como base se 
tendrá una clasificación u otra. Se pueden clasificar de acuerdo con 
criterios diferentes, tales como: 
 
 Composición química. 
 Propiedades ácido – base (carácter químico). 
 Forma o presentación. Atendiendo a las características físicas del 
producto acabado. 
 Porosidad de los productos conformados (finalidad). 
 Proceso de fabricación 
 Uso 
Clasificación según la composición 
química 
 
 
Esta clasificación está basada en el contenido del compuesto principal: 
 Refractarios de sílice, semi-sílice, sílico-aluminosos. 
 Refractarios aluminosos, de alto contenido de alúmina, de muy alto 
contenido de alúmina. 
 Refractarios de magnesita, magnesia-carbono, forsterita, dolomía, 
magnesia-cromo, cromo-magnesia. 
 Refractarios de cromita 
 Refractarios especiales 
Clasificación de acuerdo a sus 
propiedades ácido - base 
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. 
La composición química se expresa usualmente en porcentaje en peso de 
los óxidos componentes como % de SiO2, % de CaO, % de MgO, % Al2O3, 
etc. 
La siguiente tabla está basada en la fuerza relativa del enlace metal-
oxígeno en los óxidos que forman parte de la mayor parte de los 
refractarios, con los óxidos ácidos teniendo los enlaces mas fuertes, que 
pueden reaccionar para formar compuestos estables con los que se sitúan 
en la parte inferior de la tabla. 
Clasificación de los materiales refractarios 
atendiendo a las características físicas del 
producto acabado 
Según este criterio los materiales refractarios se clasifican en: 
 
 Materiales conformados, que son los que tienen un forma geométrica 
definida, por ejemplo: Ladrillos normales y en cuña, bloques, formas 
especiales, etc. Ellos están listos para ser instalados, obtenidos por 
prensado, extrusión, vibración o aglomeración. 
Clasificación de los materiales refractarios 
atendiendo a las características físicas del 
producto acabado 
 Materiales no conformados o monolíticos: Masas plásticas, masas 
para apisonar, hormigones refractarios, morteros refractarios, masas 
proyectables neumáticamente, etc. Obtienen su forma final en el lugar 
de construcción por colado, vibración, gunitado, etc. 
Clasificación de los materiales refractarios 
atendiendo a las características físicas del 
producto acabado 
 Productos funcionales (preformados): son materiales conformados y 
se corresponden con las partes que se cambian más a menudo en los 
hornos y que realizan una función especifica durante el proceso. 
Están sujetos a solicitaciones mucho más agresivas (Tensiones más 
elevadas, etc), que los situados en otras partes de los hornos. Por 
ejemplo, cierres de corredera, buzas, tapones porosos, etc. 
Clasificación de los materiales refractarios 
atendiendo a las características físicas del 
producto acabado 
 Finalmente, también pueden presentarse los materiales refractarios en 
forma de materiales fibrosos. 
Otras clasificaciones 
Clasificación de los materiales refractarios según la porosidad del 
producto conformado: 
 
 
 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 osuperior al 45 % 
en volumen 
Otras clasificaciones 
Clasificación de los materiales refractarios atendiendo al proceso de 
fabricación: 
 Refractarios convencionales: ladrillos, preformados etc. 
 Refractarios especiales: obtenidos por fusión en horno eléctrico de 
las materias primas (alúmina electrofundidas) o mediante 
sinterización-compresión isostática a elevadas temperaturas (HIP) 
 Clasificación de los materiales refractarios atendiendo a su uso: 
 Refractarios para la industria siderurgica. 
 Refractarios para la industria cementera 
 Refractarios para la industria de la cal 
 Refractarios para la industria del vidrio 
 Refractarios para la industria petroquímica 
 
Diagrama de flujo del proceso de fabricación de 
los materiales refractarios 
Propiedades de los materiales 
refractarios 
Propiedades físicas y químicas 
 Densidad, porosidad 
v 
M (gr) 
V (cm3) – v = VE cm
3 
Densidad aparente = M/V (gr/cm3) 
Densidad específica = M/VE (gr/cm3) 
Porosidad aparente = v/V x 100 (%) 
Porosidad Total = DE – DA/DE x 100 (%) 
La porosidad influye en : 
• Las propiedades mecánicas 
• Propiedades térmicas: conducción del calor 
• Interacción con gases y líquidos durante el uso a 
altas temperaturas 
• Determinación de la porosidad: Por 
ebullición en agua. Método de Arquímedes 
(IRAM 12510) 
A menos que se recurra a procesos muy costosos, todos los refractarios 
producidos tendrán una cierta cantidad de poros, cuyo número, tamaño y 
continuidad tendrán una influencia muy importante en el comportamiento 
del material refractario. 
 
Hay dos tipos de porosidad, la abierta o aparente y la porosidad total. 
 
a) La porosidad aparente es la relación entre poros abiertos en comunicación con el exterior y el 
volumen total del refractario. Se mide por el volumen de agua que absorbe el refractario. 
 
Porosidad aparente = ( V agua absorbida / V geométrico ) x 100 
 
b)La porosidad total es la relación entre el volumen de todos los poros y el volumen geométrico 
del refractario. Se hallará por diferencia entre el volumen geométrico y el ocupado una vez 
dividido finamente en polvo (por desplazamiento de un líquido indicador tras inmersión). 
 
Porosidad total = V poros / V geométrico x 100 = (1 – V polvo / V geométrico) x 100 
 
Esta porosidad total, oscila normalmente entre el 10 y el 25 %. 
La porosidad deteriora las propiedades mecánicas 
La magnitud del módulo elástico E, disminuye con la fracción 
volumétrica de porosidad P 
 E= E0 (1- 1,9P + 0,9P
2 ) 
Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso 
 
 
 
 
La porosidad deteriora la resistencia a la flexión 
 Los poros reducen el área de la sección transversal a través de la 
cual se aplica la carga 
 Actúan como concentradores de esfuerzos (el esfuerzo se amplifica 
por un factor de dos). 
La resistencia a la flexión disminuye exponencialmente con la 
fracción volumétrica de porosidad (P) 
 
 σrf = σ0exp(-nP) 
 σ0 y n son constantes experimentales 
 
Propiedades físicas y químicas 
Resistencia a las solicitaciones 
físicas Resistencia a la 
compresión 
(CCS) 
IRAM 12510 
Resistencia a 
la flexión 
(MOR) 
IRAM 12511 
Resistencia a la 
abrasión (índice 
de abrasión) 
Propiedades físicas y químicas 
 Refractariedad 
Indica la temperatura a la cual el material se deforma por 
ablandamiento, a medida que se incrementa la temperatura 
Depende de 
 El efecto de la composición 
 El efecto de la velocidad de calentamiento 
 Efecto de la microestructura 
 
 
 
 
 
Punto de fusión materiales puros 
Punto de reblandecimiento materiales complejos o impuros 
 Determinación de la refractariedad 
Por comparación con los conos pirométricos 
Mediante pirómetros ópticos 
Formación de fase 
líquida 
Rango de 
fusíón 
 El punto de fusión del material refractario, debe ser suficientemente alto para 
evitar su fusión (o ablandamiento) a la temperatura de operación del horno. 
 
 Los cambios de las propiedades mecánicas del material, ablandamiento y 
eventualmente fusión, pueden suceder gradualmente sobre un rango de 
temperaturas considerable. 
 
 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. 
Propiedades físicas y químicas 
Resistencia al choque térmico 
 Los Refractarios son materiales frágiles que no soportan los cambios 
térmicos como lo hacen algunos metales. Si las tensiones que se 
generan superan la resistencia del material, este se parte generando 
grietas progresivas hasta llegar a la rotura. 
 La resistencia al choque térmico es una función 
 del coeficiente de expansión térmica, 
 de la resistencia mecánica 
 del módulo de elasticidad 
 Pero también, de la existencia de transformaciones polimórficas. 
 
La sílice sufre transformaciones cristalográficas durante el calentamiento: 
 a 573 ºC (cuarzo α cuarzo β), a 870 ºC (cuarzo β tridimita), y a 1470 ºC 
(tridimita a cristobalita) 
Relacionado con el agrietamiento térmico, se tiene el desconchado o descantillado 
térmico o spalling. Al desconchado se ha definido tradicionalmente como la fractura del 
ladrillo o bloque refractario debido a cualquiera de las siguientes causas: 
 
• Un gradiente de temperatura en el ladrillo, debido a un enfriamiento o calentamiento 
no uniformes, que es suficiente para producir tensiones de magnitud tal que puedan 
llegar a una rotura (spalling térmico). 
 
• Una compresión de la estructura del refractario, debida a la expansión de la totalidad 
de la pieza restringida por la estructura circundante (desconchamiento mecánico) 
 
• Una variación en el coeficiente de expansión entre las capas superficiales y el cuerpo 
del ladrillo, debido a cambios estructurales o a la penetración de escorias, cenizas. 
etc. (spalling estructural). 
Se obtiene alta resistencia al desconchado en refractarios que combinan un coeficiente 
de expansión térmica pequeño con una elevada conductividad térmica y una elevada 
resistencia mecánica. 
Propiedades físicas y químicas 
donde: 
k: Conductividad. térmica 
R: Carga de rotura 
α: Coeficiente de dilatación 
E: Modulo de Young 
Ce: Calor especifico 
Una alta carga de rotura R permite soportar tensiones más altas sin fractura. Las tensiones por dilatación o 
contracción son proporcionales a .R, por lo que una reducción en este factor permite reducir la dilatación o 
contracción y. por ende. las tensiones térmicas generadas, se-gún la ecuación: 
σ = - δE= - αE ΔT 
Resistencia a la deformación bajo carga 
La acción combinada de cargas y temperaturas elevadas da lugar a fenómenos de 
fluencia lenta o creep, similares a los encontrados en los materiales metálicos: 
deformaciones crecientes con el tiempo. 
 
 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. 
 
Puede decirse que la resistencia a la compresión en caliente por parte de un 
refractario está influida directamente por 
 la magnitud y viscosidad de la fase vítrea. 
 Las impurezas tales como álcalis, calizas y óxidos de hierro actúan formando eutécticos 
de bajo punto de fusión. Su presencia disminuye la temperatura de formación inicial de 
líquido y su viscosidad incrementando la deformación. 
Otros factores pueden afectar el comportamiento a alta temperatura son: 
 
 Una mayor temperatura de cocción aumentará en general la resistencia porque distribuye 
más uniformemente la fase vítrea. 
 
 El aumento de porosidad disminuye la capacidad de un ladrillo para resistir la deformaciónbajo carga, ya que los poros permiten la posibilidad de que un ladrillo se comprima sobre 
si mismo. y también de que disminuya la cantidad de refractario disponible en un volumen 
dado para soportar la presión. 
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 
http://www.itma.es/esp/02/equipamiento/idi/fotos/normal/foto16_1.jpg
Ensayo para la determinación de la resistencia al ataque 
químico 
Refractarios sílico – aluminosos 
Estos refractarios se clasifican a su vez en dos tipos: 
- Los que tienen un tenor de alúmina (Al2O3) que oscila entre un 20% y un 45%. Son 
fabricados íntegramente con arcillas naturales: caolinita, montmorillonita, illita. 
- Los que cuentan con un 55% a un 100% de Al2O3. 
Los refractarios sílico aluminosos que contienen entre un 55% y un 100% de 
Al2O3 se denominan de Alta Alúmina. Se fabrican agregándole alúmina a las 
arcillas naturales. 
También se elaboran con alúmina pura. 
Entre las materias primas que aportan Al 2O3 tenemos: ANDALUCITA, SILIMANITA, CIANITA, GIBSITA, 
BAUXITA, DIASPORO, CORINDON, ETC. 
 
Es importante determinar las impurezas que tienen las arcillas, ya que por ejemplo el Fe, Ca, Mg y el 
álcalis son elementos que bajan considerablemente el punto de fusión, mientras que las sustancias 
orgánicas influyen en la plasticidad. 
 
A medida que aumenta el porcentaje de alúmina: 
 mejora la resistencia del material a la temperatura. 
 se vuelve inerte a escorias básicas o ácidas, ya que la alúmina es anfótera. 
 De igual forma mejora la resistencia a los gases de 
Combustión, ya que pueden resistir gases oxidantes y reductores. 
 Con el incremento del contenido de Al 2O3 aumenta la conductividad térmica. 
Sistema SiO2 - Al2O3