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Lección 1ª. I Propiedades Generales. I-1 Conceptos básicos.

1-1) Materiales y Revestimientos refractarios. El revestimiento refractario es el elemento estructural de los hornos y reactores pirometalúrgicos que delimita el espacio: hogar, laboratorio, etc, en el que se producen las transformaciones químicofísicas a elevadas temperaturas, superiores normalmente a los 500ºC. Está constituido por materiales, asímismo denominados refractarios, que soportan estas condiciones de servicio sin cambio sustancial ni prematuro de sus propiedades. El revestimiento cumple una doble función: por una parte, soporta las acciones que conlleva el contacto con materias sólidas, líquidas y gaseosas, a elevadas temperaturas y, por otra parte, limita la fuga de calor hacia el exterior del horno o reactor. Los materiales refractarios no gozan simultánea y plenamente de ambas capacidades, por lo que el revestimiento se organiza como un sistema complejo de materiales refractarios de diferentes características. Los materiales capacitados por su resistencia al fuego se distinguen bajo la denominación específica de refractarios densos o, más concretamente, refractarios; los que conducen mal el calor se denominan aislantes térmicos o refractarios ligeros, o, más brevemente, aislantes. Los primeros, como su nombre indica, son compactos y densos; los segundos porosos y ligeros, ya que la compacidad y densidad y sus contrarios, la porosidad y ligereza, son las propiedades básicas de la materia que regulan la circulación interna de calor. El efecto refractario puede también conseguirse prescindiendo del aislamiento, mediante sistemas que presentan contrariamente una muy alta capacidad de evacuación de calor. Tal es el caso, por ejemplo, de las cajas metálicas refrigeradas, con circuitos internos de circulación de agua, llamadas camisas de agua o "water-jackets", utilizadas también en la estructura de los aparatos pirometalúrgicos.

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1-2 Naturaleza de los materiales refractarios. Materias primas. Los materiales refractarios son agregados sinterizados de sustancias minerales caracterizadas, en primera instancia, por su elevado punto de fusión. La sinterización puede realizarse con carácter previo a la utilización del material, confiriéndole a la vez forma: briquetas, piezas, etc, o bien realizarla "in situ", inmediatamente antes de su uso, en los revestimientos monolíticos. La sustancia mineral más idónea en principio para su utilización como refractario, dada su extremada resistencia al calor fuera del contacto con el aire, es el carbono, infusible a las temperaturas normales de los procesos pirometalúrgicos, y lentamente volatilizable a las del arco eléctrico. Para producir carbones refractarios se parte de materias primas carbonosas, naturales o elaboradas, de muy bajo contenido en volátiles y cenizas, como las antracitas de muy buena calidad o el coque de petróleo exento de azufre. Los óxidos metálicos minerales son la base sustancial de los materiales refractarios cerámicos, que son los de más extendido uso; gozan también de alta refractariedad y son disponibles de forma económica. Los más utilizados son la sílice: SiO2 ; alúmina: Al2O3 ; magnesia: MgO ; cal: CaO ; y cromita: Cr2O3 , que funden a temperaturas del orden de los 2.000ºC. La sílice refractaria se encuentra en algunas cuarcitas muy puras; la alúmina, aunque aparece raramente de forma directa en la naturaleza, puede obtenerse a partir de bauxitas calcinadas y recristalizadas; forma con la sílice silicatos naturales que por calcinación y cocción presentan propiedades refractarias; la cal y magnesia son abundantes en la rocas caliza, dolomía y magnesita, a partir de las cuales, si su pureza es adecuada, pueden obtenerse los óxidos refractarios por calcinación; la cromita se encuentra tambien en forma mineral acompañada de alumina, magnesia y óxidos de hierro que no invalidan su capacidad refractaria. También se utilizan otras sustancias naturales, de ocurrencia menos frecuente que las anteriores, con propiedades refractarias, como los compuestos de circonio: silicato o más raramente óxido, localizables en las arenas de ciertas playas. También se obtienen por síntésis otras materias como carburos, nitruros y boruros metálicos, entre los cuales el más importante por sus aplicaciones industriales es el carburo de silicio: CSi o carborundo, que gozan de gran refractariedad; todos ellos configuran el campo de los materiales refractarios especiales. En dominios de temperaturas todavía altas, pero inferiores a los 500ºC, se utilizan directamente como elementos refractarios metales o aleaciones capaces de conservan sus propiedades mecánicas en dichas condiciones, como las aleaciones Fe-Cr o Fe-Cr-Ni, englobados en el grupo de aceros refractarios.

1-3) Proceso general de fabricación de los materiales refractarios. Las materias primas susceptibles de utilización en la fabricación de refractarios suelen requerir una preparación previa antes de incorporarlas al proceso de elaboración. Esta

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preparación puede ser más o menos compleja pero siempre comporta un tratamiento granular, y la dosificación, mezcla y homogeneización de sus componentes. Cuando se presentan en la naturaleza con alta grado de humedad, como las arcillas, es necesario también proceder a su secado previo. La elaboración del material refractario se consigue mediante una acción térmica o cocción de las materias primas que estabiliza su comportamiento al fuego y le atribuye la necesaria coherencia. La estabilización comporta eliminar las materias volátiles, como el agua de composición, materia orgánica, anhídrido carbónico, azufre, etc., la transformación cristalina en especies estables a alta temperatura, y el otorgamiento de coherencia de masa contínua por aglomeración o fritado de los granos cristalinos. La forma, como ya se ha dicho, no es una cualidad necesaria de los materiales refractarios. Sin embargo, como la mayor parte de ellos se usan conformados en los revestimientos, el proceso de fabricación lleva aparejado también un conjunto de operaciones unitarias con este fín, como el moldeo.

1-4) Acciones externas e internas sobre los refractarios. El material refractario en servicio se ve sometido a un cierto número de acciones externas de carácter térmico, químico, y mecánico. Las acciones térmicas son, principalmente, la intensidad o nivel de temperatura, y su régimen de variación en el tiempo; las químicas derivan del contacto con las materiales en elaboración, principalmente con los fluidos: escorias y humos; las mecánicas son análogas a las que soporta cualquier material estructural, pero con el agravante de hacerlo en caliente: choque, abrasión, compresión, flexión, cizallamiento, fatiga, etc; en algunas zonas del horno, como las soleras o bóvedas, pueden experimentar acciones especiales como corrientes eléctricas, campos electromagnéticos, presión hidrostática, etc. Los materiales refractarios se ven sometidos también a efectos resultantes de conjugar sus propias características con las acciones térmicas externas; por ejemplo, su capacidad y conductividad calorífica pueden crear gradientes de temperatura y dilataciones no reversibles o diferenciales, o las impurezas no refractarias o del propio aglomerante provocar efectos químicos que alteren su resistencia al fuego. Los refractarios densos soportan en grado máximo todas estas acciones y efectos, con mayor o menor intensidad según su situación en el revestimiento, siendo máxima en su cara de fuego. Los aislantes trabajan en condiciones menos extremas ya que su localización en los revestimientos se corresponde con zonas externas sobre las cuales las acciones son exclusivamente de carácter térmico.

1-5) Calidad de los materiales refractarios y aislantes; calidad de los revestimientos. De entre las propiedades de un material refractario nos interesan aquellas de las que depende su comportamiento en servicio, o lo que es lo mismo su calidad. En algún caso no

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es posible correlacionar unívocamente unas propiedades específicas con un determinado comportamiento y se evalúa aquella modelizando las acciones reales mediante ensayos tipificados o normalizados, clasificando los materiales según su comportamiento en laboratorio. En el cuadro I se indican los ensayos de los materiales refractarios según la norma UNE. Como cualquier material las propiedades o el comportamiento de los refractarios depende no sólo de sus características sino también del proceso de fabricación; las primeras pueden ser consideradas propiedades sustanciales, mientras que las segundas adquiridas o conferidas. La calidad del revestimiento como sistema depende tanto de todos y cada uno de los materiales que lo integran como de su montaje; todo ello dentro de un contexto de durabilidad y economía. El montaje de los materiales refractarios es fundamental en el buen servicio del revestimiento, tanto en sus zonas o partes construidas con piezas prefabricadas y ensambladas como en las monolíticas de cocción "in situ". En el primer caso, las juntas entre piezas siendo la parte más sensible del sistema no deben suponer puntos débiles o de discontinuidad ante las acciones a que se ven sometidos los materiales. El montaje de las zonas monolíticas aunque evita las juntas introduce la necesidad de una cocción posterior que plantea especiales exijencias de ejecución. La vida del revestimiento está también ligada a las posibilidades de su reparación en servicio. Los materiales refractarios pueden sufrir en el tiempo dos efectos: la degradación de sus propiedades refractarios o aislantes, y su desgaste o pérdida de masa.En los revestimientos accesibles, como el de los hornos de funcionamiento discontínuo o por proceso, este último efecto puede combatirse mediante parcheado por proyección, o gunitado, de masa refractaria de reposición. La economía del revestimiento no es sólo enjuiciable en función de su costo directo referido a la unidad de producto; en las grandes unidades de producción metalúrgica son más importantes los costos indirectos que puedan derivarse de la puesta fuera de servicio: pérdida de producción; consumo energético, y otros costos de parada y arranque, consumo de materiales varios etc. Por ello en estos casos la durabilidad del refractario suele ser factor básico de la economía del proceso.

1-6) Desmuestre y recepción de los materiales refractarios. En las normas UNE 61-003-75 y UNE 61-004-75 se define el tamaño de las muestras a ensayar para control de calidad. Dicho tamaño es función de la magnitud del lote en recepción por el usuario. Así mismo, en las normas UNE 61-005-75 y 61-006-75 se establecen los criterios de aceptación y rechazo por forma, dimensión , y defectos internos, de las piezas conformadas de los materiales refractarios.

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