Revestimiento Refractario de Alto Horno: Protección de Carcasas para Operación Continua

Revestimiento Refractario de Alto Horno

Un alto horno (AH) moderno está revestido con refractario para proteger la carcasa del horno de las altas temperaturas y materiales abrasivos en su interior. El revestimiento se refrigera para mejorar la protección contra el exceso de calor que puede destruirlo. El AH tiene un sistema refractario complejo para proporcionar larga vida segura, necesaria para disponibilidad y operación casi continua y colada.

Condiciones y Mecanismos de Desgaste

Las condiciones varían ampliamente por región y los refractarios se someten a diversos mecanismos de desgaste. Detalles en Tabla 1. La condición de aplicación en diferentes regiones no es la misma por su geometría y procesos pirometalúrgicos en diferentes etapas. Hay diversos mecanismos físicos y químicos de desgaste en diferentes regiones, complejos en naturaleza. Ejemplo: desgaste mecánico/abrasión ocurre principalmente en región superior de la chimenea (stack) por descenso de materiales de carga y gases con polvo. Cargas térmicas altas son factor principal en chimenea inferior y vientre (belly). En región del crisol (hearth), flujo horizontal y vertical de metal caliente combinado con tensiones térmicas a menudo forman cavitación indeseada en forma de "pie de elefante". Los materiales refractarios en estas regiones deben manejar estos mecanismos para evitar daño. Por tanto, chimenea (superior, media, inferior), vientre, bosh, zona de toberas/raceway, crisol y boca de colada (tap hole) requieren diferentes calidades de refractarios según condiciones.

La selección de combinación refractaria apropiada según mecanismo de desgaste es muy importante. Selección inadecuada lleva a fallo refractario, problema complejo posterior. Tipos de revestimiento requeridos por región y tendencias en patrón mostrados en figura 1.

Figura 1: Revestimiento refractario en varias regiones de un alto horno

Presentemente se espera vida de campaña ~15 años o más. Hay tendencia hacia AH gran capacidad, sometidos a condiciones estrictas. Para lograr larga vida bajo condiciones estrictas, necesario: buena combinación refractarios alta calidad + sistemas refrigeración altamente eficientes + control estricto operación para alta productividad sin trabajo excesivo paredes y minimización de "deslizamientos" (slips) masivos que causan daño prematuro.

Se sabe que fondo y parte del crisol se corroen principalmente por arrabio, escoria y alcalinos. Ladrillos en estas áreas sometidos a alta carga y temperatura. Requieren revestimiento con alta resistencia, bajo creep compresión, altos valores RUL (refractoriedad bajo carga) y PCE (cono pirométrico equivalente). Algunos AH usan ladrillos mullita, alúmina densa 42-62 % bajo hierro, bloques carbono convencionales en fondo y crisol inferior; tendencia actual: reemplazar con bloques grafito super microporosos. Vida crisol depende de:

• Factores operacionales: (i) alta productividad → altas cargas térmicas, (ii) alta velocidad fluidos → más erosión, (iii) alta inyección carbón → menor permeabilidad. Ninguno controlable por operador → única solución: revestimiento robusto.
• Diseño sistema revestimiento: Todo el revestimiento sometido a tensión térmica, papel dominante si diseño inadecuado. Debe: (i) optimizar resistencia térmica, (ii) proveer alivio expansión, (iii) prevenir grietas, (iv) eliminar barreras integradas.
• Propiedades refractarias: (i) Alta conductividad térmica, (ii) resistencia alcalinos, (iii) baja permeabilidad, (iv) baja expansión térmica, (v) baja elasticidad.

Desarrollo reciente de ladrillos carbono microporosos y mejora calidad bloques semigrafito y grafito ha llevado a mayor resistencia infiltración hierro/escoria y conductividad térmica. Problema capa frágil ~800 °C por condensación alcalinos y tensiones térmicas abordado con bloques menores, holguras expansión óptimas. Refractarios carbono cubiertos por ladrillos arcilla fuego o mullita para proteger contra oxidación. Diseño de esta "taza cerámica" (ceramic cup) importante, ya que isotermas se alteran según calidad y espesor material.

Ladrillos chimenea expuestos a alta abrasión/erosión por material carga desde arriba y partículas humo/polvo alta velocidad saliendo por alta presión soplado en ambiente CO. Demanda refractarios: alta resistencia, baja permeabilidad, alta resistencia abrasión, resistencia desintegración CO. Ladrillo arcilla fuego super duty o alúmina densa Al₂O₃ ~39-42 % imparten estas características.

Toberas/bosh atacados por cambio temperatura, abrasión, alcalinos; vientre/ejes inferior por choque térmico, abrasión, ataque CO. En áreas críticas (tobera, bosh, vientre, chimenea inferior), carburo silicio (SiC), SiC-Si₃N₄ y corindón han reemplazado carbono y alúmina 62 % o mullita. Aprovecha alta conductividad SiC con enfriadores stave. Sin embargo, por problema fugas agua alrededor boca colada y toberas, muchos AH revestidos con alúmina alta o corindón alúmina-cromo. Presente y tendencias en refractarios AH en Tabla 2.

Diferentes Tipos de Refractarios para AH

• Bloques carbono cocidos: Bloques carbono microporoso, semigrafítico, carbono-silicio microporoso. Materias primas: antracita calcinada eléctricamente alta temperatura, grafito sintético, carburo silicio. Poseen mayor conductividad térmica, menor permeabilidad, buena resistencia metal caliente y alcalinos. Bloques semigrafíticos: revestimiento fondo inferior. Microporosos: revestimiento fondo superior y crisol inferior AH intensificados. Carbono-silicio microporoso: albañilería crisol, boca colada, boca escoria.
• Ladrillos carbono cocidos tamaño pequeño: Ladrillos carbono microporoso moldeados y carburo silicio carbono por prensado en caliente, cocción alta temperatura, rectificado acabado con antracita calcinada alta temp, grafito sintético, SiC, aceites derivados carbón o resina fenol-formaldehído como aglutinante y aditivos ultrafinos. Ladrillos carbono-SiC moldeados microporosos para albañilería tobera, boca escoria, boca colada, crisol, zonas formación escoria.
• Ladrillo taza cerámica: Ladrillo corindón compuesto fase plástica. Compuesto mullita alta calidad y corindón fundido alta pureza con aglutinante especificado, conformado alta presión, sinterizado alta temperatura. Características: alta RUL, estructura compacta, baja porosidad, alta resistencia corrosión. Usados: fondo AH, revestimiento fondo taza cerámica, ladrillo combinado tobera/boca colada/boca escoria AH grande.
• Ladrillo corindón: Corindón marrón fundido y SiC como materiales base, aditivos especiales, prensado molde, sinterizado, mecanizado fino. Caracterizado por buena resistencia alcalinos y corrosión escoria, adecuado para revestimiento fondo, crisol taza cerámica, tobera, boca colada, boca escoria.
• Ladrillo SiC-Si₃N₄: Muchos tipos con diferentes sistemas unión y contenido SiC variable. En general, SiC unido directamente: alta resistencia alcalinos y Zn. Alta conductividad térmica, excelente resistencia erosión, muy buenas propiedades choque térmico, resistente corrosión y ataque CO. Generalmente, SiC unido nitruro usado en aplicaciones como vientre AH.
• Ladrillo alúmina carbono microporoso: Clinker bauxita grado especial, corindón, grafito, alúmina media como principales, combinados varios aditivos superfino. Características: microporos, buena resistencia alcalinos, alta conductividad térmica. Usado: revestimiento bosh, chimenea, pared refrigeración AH.
• Ladrillos clase 50 % alúmina: Típicamente ladrillos fuego super duty mejorados. Generalmente mezcla bauxita, chamota arcilla sílice/plástica. Baja porosidad, expanden al recalentar 1600 °C, buena resistencia ciclos térmicos. Ladrillo pureza superior: buenas cualidades carga, excelente resistencia ataque alcalinos.
• Ladrillos clase 60 % alúmina: Materiales gran variedad. Más comunes/valorados: minerales grupo sillimanita (usualmente combinados con alúmina calcinada pequeña y arcillas plásticas). Otros: chamota sintética, bauxitas, alúmina calcinada, arcillas plásticas. Altos niveles formación mullita permiten excelente resistencia creep (especialmente sillimanita). Ladrillos sillimanita a menudo fosfato/químicamente unidos y curados para mejorar resistencia choque térmico.
• Ladrillos clase 70 % alúmina: Basados en bauxita o chamota alta alúmina primaria + arcilla fuego. Cocidos ~1400 °C para prevenir expansión excesiva (reacción ingredientes silíceos con bauxita formando mullita). Exhiben altos valores expansión en servicio reduciendo dimensionado juntas.
• Ladrillos clase 80 % alúmina: Basados en bauxita + alúmina calcinada y arcillas. Cocidos 1420-1480 °C para tamaños consistentes. Productos cocidos: ~20 % porosidad, buena resistencia, resistencia ciclos térmicos. Asociados con unión fosfato/química (curada y cocida) para mayor resistencia abrasión y reducir porosidad.
• Ladrillos arcilla fuego (Fireclay): Mezcla usualmente dos o más arcillas. Uso sílice/kaolin imparte refractariedad; arcillas calcinadas (chamotas) controlan contracciones secado/cocción; arcillas plásticas facilitan conformado y resistencia unión. Agrupados: (i) super duty (PCE >33) Al₂O₃ 40-45 %, buena refractariedad, resistencia choque térmico, estabilidad volumen alta T; (ii) high duty (PCE 31½-33) similar super duty pero flint clays/chamotas calidad menor y arcillas plásticas (Al₂O₃ típico 40-45 %), reemplazo común medium duty donde ciclos térmicos problema; (iii) medium duty (PCE 29-31) (Al₂O₃ 38-42 %) aplicaciones menos severas, resistencia choque térmico menor que super/high duty; (iv) low duty (PCE 15-29) (Al₂O₃ 35-38 %) revestimientos traseros y aplicaciones temperaturas moderadas; (v) semi-sílice: Al₂O₃ 18-25 %, sílice 72-80 %, excelente resistencia carga y estabilidad volumen T relativamente altas.
• Masa boca colada (Tap hole mass): Características principales: buena viscosidad y sinterización combinadas con resistencia corrosión y erosión.