2.6.5. Materials refractaris

Figura 113. Diagrama de sinterització d’una composició de porcellana relativa al suport

2.6.5. Materials refractaris

Les ceràmiques refractàries s’utilitzen en grans quantitats. La seua evolució tecnològica ha anat en paral·lel al desenvolupament de la indústria siderúrgica, per l’alt consum d’aquests materials en aquest sector.

Les propietats més rellevants en aquests materials són la seua alta estabilitat tèrmica (suporten altes temperatures sense fondre’s o descompondre’s) i la seua alta capacitat per romandre inerts, sense reaccionar, quan són exposats en medis agressius. També permeten mantenir un aïllament tèrmic, que de vegades suposa un avantatge tecnològic important. D’aquestes propietats deriven les seues aplicacions, com la de materials per a revestiments de forns de plantes siderúrgiques, revestiment de plantes de forns per a la fusió de vidres, revestiments de forns de fabricació de frites, rodets ceràmics, gresols, etc.

Normalment la fabricació d’aquests materials es fa en zones pròximes a les de l’extracció de les matèries primeres o del seu consum, sent un dels components principals per a la seua fabricació els caolins. Al nostre país, hi ha plantes de fabricació de productes refractaris a les zones del nord d’Espanya (Galícia, Astúries i el País Basc) i també hi ha alguna indústria a la zona de València.

A causa de la decadència que es va produir en els vint últims anys de la indústria siderúrgica a Espanya, la seua activitat ha anat disminuint, si bé la indústria ceràmica ha estat també una gran consumidora dels seus productes.

Les característiques d’aquests materials depenen molt de la seua composició. Per a això s’estudien composicions a partir dels diagrames de fases i, per això, són d’interès, els sistemes SiO2·Al2O3·MgO, on es desenvolupen estructures altament

refractàries com la de mul·lita i cordierita, de baix coeficient d’expansió tèrmica. També s’estudien altres sistemes com el sistema SiO2·Al2O3·CaO (s’obtenen entre d’altres, les estructures d’anortita) i sistemes SiO ·Al22 O3·ZrO2, on cristal·litza entre d’altres el zircó. En la taula 21 es presenta com exemple la composició de cinc materials ceràmics refractaris.

Taula 21. Composició de cinc materials ceràmics refractaris

Tipus de refractari

Al2O

3

Composició percentual en pes Porositat aparent SiO2 MgO Cr2O3 Fe2O3 CaO TiO2 (%) Argila refractària 25-45 70-50 0-1 0-1 0-1 1-2 10-25

Argila refractària d’alt contingut en alúmina 90-50 10-45 0-1 0-1 0-1 1-4 18-25

Sílice 0,2 96,3 0,6 2,2

Periclasa 1,0 3,0 90,0 0,3 3,0 2,5

Mineral de periclasa i òxid de crom 9,0 5,0 73,0 8,2 2,0 2,2 25

22

21

Els materials es conformen a partir de la barreja de partícules de grandàries diferents. En sinteritzar-los, s’origina una fase d’unió (principalment deguda a les partícules més petites) de naturalesa vítria o cristal·lina. La temperatura d’ús és normalment inferior a la temperatura de sinterització.

L’altra variable a tenir en compte és la porositat. Aquesta variable microestructural s’ha de controlar per produir un maó refractari. En reduir-se la porositat, s’augmenta la resistència mecànica i a l’atac corrosiu (resistència a l’atac químic). Tanmateix, les característiques d’aïllament i de resistència al xoc tèrmic disminueixen. Per tant, la porositat òptima s’ha de regular en funció de l’ús a què va destinat.

Sobre la base de la seua composició, els materials refractaris es poden classificar en els següents tipus:

2.6.5.1. Refractaris d’argila

Es conformen amb barreges d’argiles refractàries d’alta puresa, sílice i alúmiOna. Segons el diagrama de fases SiO2·Al2 3 que es mostra en la figura 87, en tot l’interval de composicions, la temperatura màxima que es pot assolir sense que es forme fase líquida és de 1587 °C. Per sota d’aquesta temperatura apareixen com

a fases estables, la sílice (cristobalita) juntament amb la formació d’un compost d’estequiometria: 3Al2O3·2SiO2, denominat mul·lita, l’estabilitat de la qual és de 1820 °C. Si s’augmenten els percentatges d’alúmina, s’incrementarà la temperatura de servei del refractari, encara que es genere una petita quantitat de fase líquida.

Els maons refractaris d’argila s’utilitzen per a la construcció de forns, per a confinar atmosferes molt calents i per aïllar tèrmicament elements estructurals. Normalment no se’ls exigeix a aquests maons que siguen de gran resistència mecànica, ja que no es requereix que suporten càrregues. Els factors més importants són l’aïllament tèrmic, l’estabilitat i la dimensionalitat del producte.

2.6.5.2. Refractaris de sílice

Són els anomenats refractaris àcids. Se solen utilitzar en la indústria de l’acer i del vidre, per tenir capacitat estructural a elevades temperatures (temperatures de 1650 °C). En aquest cas cal controlar la no presència de fase líquida; per tant, i segons el diagrama de fases anterior (fig. 87), s’haurà de controlar que no hi haja alúmina, ja que per sobre de 1587 °C, l’existència de fase líquida dependrà de la presència d’alúmina, ja que la composició eutèctica (7,7 % d’alúmina) està molt propera a la regió de la sílice en el diagrama de fases. Això implica, que petites quantitats de Al2O3, disminueixen la temperatura de liquidus de forma significativa. Per aquest motiu, la quantitat d’alúmina es manté en quantitats que oscil·len entre el 0,2 i l’1 %.

Aquests materials són resistents a les denominades escòries àcides (riques en sílice) i s’utilitzen com a recipients per a contenir-les. Per contra, són fàcilment atacats per les denominades escòries bàsiques (riques en CaO i MgO).

2.6.5.3. Refractaris bàsics

Aquests refractaris són rics en periclasa, és a dir, magnèsia calcinada, un mineral a base de MgO. Els refractaris que es conformen en periclasa també poden contenir calci, crom i ferro. La presència de sílice hi és perjudicial per a les seues prestacions a elevades temperatures. Els refractaris bàsics s’utilitzen per contenir escòries riques en CaO i MgO, en la producció d’acer en la indústria d’alts forns.

2.6.5.4 Refractaris especials

Alguns dels refractaris especials són òxids d’alta puresa i normalment amb baixa porositat, com són els refractaris d’alúmina, sílice, magnèsia, òxid de beril·li (BeO), zircònia (ZrO2 O) i mul·lita (3Al2 3·2SiO2).

Uns altres refractaris especials són compostos de carburs, a més de carboni i grafit. Així, el carbur de silici (SiC) s’ha utilitzat per les resistències elèctriques