Materiales Refractarios: Conceptos y Propiedades

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MATERIALES 
REFRACTARIOSREFRACTARIOS
Conceptos Básicos 
Propiedades
DefinicionesDefiniciones
Jlm / 06-12-2007
• Definiciones
Indice
• Definiciones
• Funciones
Cl ifi ió• Clasificación
• Materias primas principales
• Propiedades Físicas y Químicas
• Tipos de ligasp g
• Selección de refractarios
Determinación del Material
Método de Instalación
Anclajes 
Proceso de Secado
• Ejemplos de Análisis comparativoj p p
Que es un material refractario?
Los materiales refractarios son aquellos que pueden ser 
expuestos a altas temperaturas sin perder sus funcionesexpuestos a altas temperaturas sin perder sus funciones ,
es decir aquellos cuya PRINCIPAL característica es la
Resistencia al CalorREFRACTARIOResistencia al Calor
Su instalación es imprescindible en temperaturas deSu instalación es imprescindible en temperaturas de 
proceso > 1000°C ya que los metales no las resisten
Pueden ser definidos también como :
Materiales No metálicos que son difíciles de fundir a 
altas temperaturas. En general lo constituyen oxidos de 
t l
p g y
metales :
Ej. Al (aluminio) : Punto de fusión 660 °C
Al2O3 (alumina) : Punto de fusión 2050 °C
Si bi h t i l i dSi bien hay materiales que parecieran encuadrarse en 
eta definición NO son considerados como refractarios , ej. : 
cerámicas , materiales de construcción , alfarería , fire-proff 
,etc. Esto tiene que ver con :, q
EL DESTINO FINAL PARA EL CUAL ESTAN DISEÑADOS
KAOLITE 2200 HS CARBOXITE 27
RA RA
Aislante RefractarioAislante
K = 0.3
Refractario
K = 1.3
(*) Conductividad : Valores Aprox. en W / º K. m
Clasificación de los Refractarios : 
Según distintas formas de clasificarlosSegún distintas formas de clasificarlos
Por Tipo :
AGLOMERADOS MONOLITICOS PREFORMADOS FIBRAS
Clasificación de los Refractarios : 
Según distintas formas de clasificarlosSegún distintas formas de clasificarlos
Cl ifi ió Q í i
Por Tipo :
Clasificación Química :
RO2 RO
ACIDOS ( PH <7) BASICOS ( PH >7)
R O
SiO2 , ZrO2 CaO , MgO
NEUTROS ( PH 7)
R2O3
Al2O3 Cr2O3Al2O3 , Cr2O3
R + O =
ACID Zirconia ZrO2
 Zircon ZrO2 . SiO2
Clasificación Química :
2 2
 Silica SiO2 
 Semi-Silica SiO2 + 
 Fireclay 
 Kaolin
 Aluminous Fireclay 
 Sillimanite SiO2 . Al2O3 
 Mullite 3Al2O3 . 2SiO2 
 
NEUTRAL Bauxite Al2+
 Alumina Al2O3 
 Carbon C 
 Silicon Carbide SiC 
 Chrome Cr2O3+
 Chrome-Alumina Cr2O3. Al2O3 
 Chrome-Magnesite 
 
BASIC Magnesite-Chrome 
 Spinel Al2O3 . MgO 
 Magnesite MgO+ 
Periclase MgO Periclase MgO
 Dolomite MgO.CaO 
 
 
Punto de Fusión - Clasificación según 
Temperatura :
Las principales materias primas son Oxidos que tienen un alto
punto de fusión , en general mayor al requerido por el proceso :
Periclasa MgO 2800°C
Espinela MgO.Al2O3 2135°C
F t it 2M O SiO 1890°CForsterita 2MgO.SiO2 1890°C
Mullita 3Al2O3.2SiO2 1850°C
Estas temperaturas son válidas únicamente para materias puras. 
En la práctica los refractarios contienen contaminaciones , como 
así también , son fabricados de varios componentes , por lo que , p , p q
su punto de fusión siempre es menor que el componente puro de 
mayor valor.
Punto de Fusión - Clasificación según 
Temperatura :
Aprovechando esta propiedad , podemos clasificar a los 
refractarios dependiendo de la temperatura, en la cual los conos 
refractarios se calientan, hasta doblarse. 
SK 10 Temp.de doblado 1330°C PCE 133 (1330°C )
SK 20 1560°C 156SK 20 1560°C 156
SK 30 1680°C 168
SK 40 1900°C 190SK 40 1900°C 190
De acuerdo a la norma DIN Standard 51 060 los refractarios deben 
mostrar un SK > 17 (PCE 150) 
Esta es una clasificación antigua que es válida fundamentalmente para ladrillos de 
alúmina y tiene el límite mayor es SK = 42 (temp. doblado = 1980 º C) , además la 
resistencia mecánica cae mucho antes de la temperatura de doblado.
Diagramas de Fases - Clasificación según 
Materias Primas :
Dependiendo de las Materias Primas utilizadas , los refractarios 
pueden ser :
Ejemplo : Sistema Binario Alúmina – Silice (Al2O3 – SiO2)
Basados en Materias Primas Naturales
Refractario Fundido
Basados en Materias Primas Sintéticas 100% Basados en Materias Primas Sintéticas
100% 
Sílice
Alúmina
Mulita
Diagramas de Fases :
Ejemplo : Sistema Ternario Alúmina – Silice – Oxido de Ca 
(Al2O3 – SiO2 – CaO )( )
Principales Materias Primas:
Naturales Aluminosas
Al2O3% Tempº C
Vermiculita 12 1100Vermiculita 12 1100
Perlita 14 1200
Arcillas 21/41 1300Arcillas 21/41 1300
Chamotte 42/48 1600
Andalusita 58/60 1650
Sillimanita 63/65 1550
Mullita 70 1700
Bauxita 80/88 1700
Principales Materias Primas:
Naturales No Aluminosas
Tempº C
Carbon C > 3000Carbon C > 3000
Cromita C2O3 2275
Silice SiO2 1725Silice SiO2 1725
Magnesitas MgO 2800
Dolomitas MgO – CaO > 2000
Principales Materias Primas:
Sintéticas 
Tempº C
Alumina Electrofundidas 1800
Aluminas Tabulares 1800
Aluminas Marrones 1700
Carb ro de Silicio 1500Carburo de Silicio 1500
Oxidos de Zircono 1650
Magnesitas (agua de mar) 1550Magnesitas (agua de mar) 1550
Espinelas 1700
Aluminas Bubble 1800
Cementos Cálcico-aluminosos
Propiedades Físicas y Químicas :
Densidad , Porosidad,
Densidad Aparente =V (cm3) M (gr /cm3)
V
Densidad Específica = MVE (cm3)
vv
-
(gr /cm3)
M (gr)
p
VE
VE (cm3) (g /c 3)
P id d A t
v
x 100 ( % )Porosidad Aparente = V
x 100 ( % )
DE - DA
Porosidad Total =
DE DA
DE
x 100 ( % )
Propiedades Físicas y Químicas :
Resistencia a las Resistencia a Resistencia a las 
Solicitaciones Físicas : la Compresión 
(CCS)
ASTM C 133ASTM C 133
Resistencia a 
la Flexión 
(MOR)Resistencia a ( )
la Abrasión 
(Indice de 
Abrasión)
ASTM C 133
)
ASTM C 704
Propiedades Físicas y Químicas - EROSION :
Según la Norma ASTM C-704 , el Indice que mide 
la resistencia a la erosión se expresa en c.c.
C i # 36Csi # 36
V0V1 100 x100x 25 mm
1 kg de Csi Malla 36
450 Segundos
65 psi de presión
Tobera de vidrio (una por vez)
IA = V0 – V1
Propiedades Físicas y Químicas - EROSION :
Material 
Competencia CARBOMUL 202
Propiedades Físicas y Químicas - EROSION :
RESISTENCIA A LA EROSION de los Hormigones Refractarios
16 - 18 c.c.
KAOTUFF
10 c.c.
3 c c
ACTCHEM
3 c.c.
Hormigones 
Convencionales
De Bajo Cemento 
y Antierosivos 
Semiaislantes
Antierosivo
RESISTENCIA A LA ABRASION EN FRIO Aplicación en CEREALERAS
Propiedades Físicas y Químicas - ABRASION :
RESISTENCIA A LA ABRASION EN FRIO Aplicación en CEREALERAS
RESISTENCIA A LA CAVITACION de los Hormigones Refractarios
Propiedades Físicas y Químicas - CAVITACION :
g
Hormigón Civil de 
Alta resistencia
Hormigón 
AntierosivoAntierosivo
RESISTENCIA A LA CAVITACION de los Hormigones Refractarios
Propiedades Físicas y Químicas - CAVITACION :
g
Propiedades Físicas y Químicas :
Resistencia al Shock Térmico :
Los Refractarios son materiales frágiles que no soportan los cambios
térmicos como lo hacen algunos metalestérmicos 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.
Método de Medición
En Agua En Aire
Se calienta hasta 950ºC y se lo enfría 
i t h t l
Se calienta hasta 950ºC y se lo enfría 
i t i
Ladrillos Acidos > 5
Ladrillos de Chamote > 15 Magnesia alto hierro > 10sucesivamente en agua ,hasta la 
rotura . Para LADRILLOS SILICO 
-ALUMINOSOS (ACIDOS)
sucesivamente con aire 
comprimido,hasta la rotura . Para 
LADRILLOS BASICOS.
Ladrillos de Chamote > 15 
Ladrillos de Alúmina > 15
Ladrillos de Mulita > 20
L d ill d C i 25
Magnesia alto hierro > 10 
Magnesia bajo hierro > 25
Magnesia Cromo > 30
E i l i C 50Ladrillos de Csi > 25 Espinelas sin Cromo > 50 
Propiedades Físicas y Químicas :
Conductividad Térmica :
La Conductividad térmica es el valor que determina el Poder Aislante
de los refractarios. Materiales de baja conductividad son usados como
Ai l t i t l d d f t i
Carburo 
de Silicio 
W / K . m
Aislantes , mientras los de de mayor , como refractarios.
Carbón
Carburo 
de Silicio
Magnesia 60%
Corundum
Corundum 
Carbón de Silicio 
40%
Sílice
Cromita
Corundum 
90%
99%
Ladrillos 
Sil-Alum.Zirconio
LadrillosLadrillos 
Aislantes
Propiedades Físicas y Químicas :
Conductividad Térmica :
• Aislación de baja temp. 0.02 • Ladrillo MgO 5.0
• Fibra cerám. 0.07 • Ladrillo MgO-C 12.5
• Ladrillos Aislantes 0.15
• Ladrillos refr Baja alum 0 80
• Ladrillo Carbón BF 13.5
• Semi grafito 30• Ladrillos refr. Baja alum. 0.80
• Ladrillos Alta alum. 1.5
• Semi- grafito 30
• Grafito Alta conductividad 107
W/mKW/mK
Propiedades Físicas y Químicas :
Calor Específico :p
El calor Específico es el factor de energía calorimétrico . Indica la
cantidad de energía que necesita un gramo de un material para 
l d Kalcanzar un grado K . En kJ / kg . K
Propiedades Físicas y Químicas :
Balance Energético de un Equipo:
PCHPCH
CCPC PCPA CCPC PC
PT
AC
PC = CC +PT+AC+PCH+PA+PLL
Propiedades Físicas y Químicas :
Balance Energético de un Equipo:
PCHPCH
CCPC PCCCPC PC
PT
PC = CC +PT+ PCH
Propiedades Físicas y Químicas :
Expansión Térmica :
Magnesia
Corundump
Los materiales experimentan cambios volumétricos bajo la influencia
de la temperatura . Este valor se denomina Expansión Térmica Sílice
Corundum 
99%
Reversible y no debe ser confundida con la Variación Lineal 
Permanente (VLP) que es el valor no-reversible que experimentan 
los refractarios al ser llevados a altas temperatura por primera vez.
Sílice
los refractarios al ser llevados a altas temperatura por primera vez.
Chamote
Carburo de 
Silicio
Refractoriedad Bajo Carga (RUL)
Refractoriedad Bajo Carga
Se somete a una probeta de 50 mm de diámetro y 50 mm Chamote p y
de altura , a una carga de 0.2 N/mm2 , mientras se va 
calentando en una atmósfera reductora.
Se grafican estas variaciones y se obtienen tres puntos
Chamote
Silimanita
Se grafican estas variaciones y se obtienen tres puntos 
clásicos :
Cromo-Magnesia
Silice
Temp. º C
T0 T0.6 Tb
Tipos De Liga :
Temperaturas de desarrollo de ligas
T º C
GA C A CA
1300
1500
1700
DESARROLLO DE
LIGA CERAMICA La LIGA CERAMICA es un 
mecanismo de unión cuyo proceso 
motriz es la REDUCCION DE LA 
Í
900
1100
1300 DESARROLLO DE
LIGA CERAMICA ENERGÍA LIBRE SUPERFICIAL y 
es acelerada por las altas 
temperaturas , algunos aditivos y los LIGA CERAMICA
500
700
SIN LIGA
contaminantes.
100
300
LADRILLOS 
Tipos De Liga :
Temperaturas de desarrollo de ligas
T º C
La liga Cerámica se
1300
1500
1700
LIGA CERAMICA
La liga Cerámica se 
produce por la 
REACCIÓN QUÍMICA
entre un ARIDO y un
900
1100
1300
LIGA CERAMICA
SIN LIGA
entre un ARIDO y un 
CEMENTO cálcico-
aluminoso . Es una 
reacción exotérmica de 
500
700
DESARROLLO DE
LIGA
SIN LIGA
alta resistencia inicial , 
que se va destruyendo a 
medida que secamos el 
100
300 LIGA 
HIDRAULICA producto.
LADRILLOS MONOLITICOS 
Tipos De Liga :
Temperaturas de desarrollo de ligas
T º C
1300
1500
1700
DESARROLLO DE
LIGA CERAMICA
LIGA CERAMICA LIGA CERAMICA
900
1100
1300 DESARROLLO DE
LIGA CERAMICA
SIN LIGA
500
700
SIN LIGA DESARROLLO DE
LIGA
SIN LIGA
DESARROLLO DE
LIGA
QUÍMICA
100
300 LIGA 
HIDRAULICA
MONOLITICOS YLADRILLOS MONOLITICOS MONOLITICOS YLADRILLOS 
CCS (k / 2)
Tipos De Liga :
Hormigones Convencionales
Resistencia vs Temp.
CCS (kg/c2) Curvas de Resistencia Vs Temperatura 
Para Distintos Tipos de Ligas
1000
1100
1200
1300
1400
600
700
800
900
1000
200
300
400
500
600
0
100
0
10
0
20
0
30
0
40
0
50
0
60
0
70
0
80
0
90
0
10
00
11
00
12
00
13
00
14
00
24
Temp. º C
Selección de Materiales :
Proceso de desarrollo de aplicaciones
TemperaturaAcción
Física
Acción Química Medio
Ambiente
Costos METODO DE 
INSTALACION
DETERMINACION DE LA SOLICITACIONDETERMINACION DE LA SOLICITACION
Selección de Materiales :
Determinación de la solicitación
Material Max 
Temp. 
Chemical 
resistance 
acid 
Chemical 
resistance 
alkalis 
Hot 
Strength 
Thermal 
shock 
resistanc
Liquid 
metal 
resistance
Glass 
contact 
resistance
e
Pure 
alumina 
V Good Good Good Good Poor V Good Good 
High Good Good Moderate Moderat Moderate Good Good 
Alumina e
Firebrick Moderate Moderate Moderate Poor Moderate Moderate Moderate 
Silicon Moderate V Good V Good V Good Excellent Excellent Excellent 
Carbide 
Magnesia Excellent Poor Good Moderat
e 
Poor Good Poor 
Magnesium- Good Moderate Good Moderat Good Good PoorMagnesium
aluminate 
Good Moderate Good Moderat
e 
Good Good Poor
Silica 
(fused) 
Poor Good Poor Poor Excellent Poor Good 
 
 
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
Construcción de Ladrillos
Colado de HormigonesColado de Hormigones
Gunitado de Hormigones
Apisonables Refractarios
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
E i i I l i C l dEquipamiento para Instalaciones : Colado
MezcladorasMezcladoras
Vibradores Bombeadora
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
E i i I l i G i dEquipamiento para Instalaciones : Gunitado
Gunitadoras Tobera de 
gunitar
Bombas 
de agua
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
Ejemplos de distintos métodos de instalación en horno CLAUSEjemplos de distintos métodos de instalación en horno CLAUS 
LADRILLO 
AISLANTE JM-28
HORMIGON 
CARBOXITE 66
LADRILLO 
CARBOMUL 202
HORMIGON 
KAOLITE 2600 LI
GUNITABLE 
KAOTAB 95
HORMIGON 
KAOTAB 95
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
Anclajes Tipo “V”
Anclajes Tipo “Y”Anclajes Tipo Y 
Otros Anclajes Metálicos
Anclas Cerámicas
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
Luego de ser instalados, TODOS los materiales que involucran 
contenido de agua , DEBEN SER SECADOS de modo programado.g , p g
40 – 50 %
Agua de Exceso de 
Mezclado
8 - 15 %
Agua de Reacción 
Mezclado
(H2O)< 100 °C
350 °C
Hormigón % A G U A
5 – 7 % 4 – 5 %
g
Química
(combinada)
< 350 °C
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
Selección de Materiales :
Sistemas de Instalación , Anclajes y Secado :
Selección de Materiales :
Proceso de desarrollo de aplicaciones
TemperaturaAcción
Física
Acción Química Medio
Ambiente
Costos METODO DE 
INSTALACION
DETERMINACION DE LA SOLICITACIONDETERMINACION DE LA SOLICITACION
PRUEBAEXPERIENCIA
PREVIA
ENSAYOS DE
LABORATORIO
PRUEBA
PILOTO
CORRECCION
DEL ERROR
RESULTADO NO
SATISFACTORIO
OK
PRODUCTO 
SELECCIONADO