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Aspectos tecnicos de fibra ceramica

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Aspectos tecnicos de fibra ceramica

  1. 1. 2009 Aspectos Técnicos de Fibra Cerámica www.byronruizg.com
  2. 2. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 2 INTRODUCCION En los últimos 75 años, Thermal Ceramics ha probado ser un líder mundial en solucionar problemas para industrias de calor intensivo. La fibra cerámica refractaria fabricada por Thermal Ceramics es un material sumamente versátil. Se puede centrifugar o soplar a granel, depositar con aire en una manta, doblar en módulos, formar en módulos monolíticos (Pyro-Bloc), convertir en placas y formas, troquelar en empaquetaduras, doblar en estambre, entretejer en soga o tela, y mezclar en líquidos adherentes para revestimientos y cementos. Con ésta amplia gama de productos, Thermal Ceramics puede proveer exactamente el producto adecuado o sistema diseñado para acomodar sus requisitos. Thermal Ceramics tiene un personal experimentado de especialistas refractarios para asistirlo en la selección de productos, diseño de sistemas y técnicas de instalación. Thermal Ceramics ha gozado de un gran éxito con sus productos de fibra cerámica debido a su rentabilidad en costo y propiedades aislantes excelentes. Son livianos y tienen baja conductividad térmica, resistencia excelente al choque térmico, resistividad eléctrica sobresaliente, y propiedades acústicas buenas. Este manual de instalación y diseño tiene la intención de darle a los diseñadores, instaladores y usuarios de los productos de fibra cerámica de Thermal Ceramics una amplia gama de información de cómo seleccionar el sistema de fibra más apropiado para una aplicación particular, el criterio de diseño necesario, y como instalar correctamente el sistema seleccionado. POR FAVOR NOTE: Este manual ha sido diseñado para acomodar fácilmente información nueva o revisada. A los poseedores del manual se les advierte que mantengan su dirección al día con el Departamento de Propaganda y Promociones de ventas en Thermal Ceramics. Cualquier pregunta o comentario acerca de este manual deberá ser dirigida a su representante local de Thermal Ceramics. ALCANCE Algunos factores muy importantes afectan la selección de fibra y el tipo de revestimiento de fibra cerámica utilizada en cualquier diseño particular. Esta sección no: cubrirá diseño real, pero sí las propiedades y características de la fibra cerámica. Los tópicos específicos que serán discutidos son: 1. Conductividad Térmica 2. Efecto Del Contenido De Gránulos En La Conductividad Térmica 3. Desvitrificación 4. Encogimiento 5. Resistencia A La Velocidad 6. Efectos De Las Atmósferas Reductoras 7. Ataque Químico www.byronruizg.com
  3. 3. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 3 CONDUCTIVIDAD TERMICA La fibra cerámica es uno de los aislantes de alta temperatura más eficientes disponibles. Un buen entendimiento del mecanismo de la conductividad térmica permitirá al ingeniero de diseño maximizar los beneficios de los revestimientos de fibra cerámica, ya sean empapelado, placa, manta, o módulos para soldar. Los tres modos principales de transferencia de calor son, conducción, radiación y convección. CONDUCCIÓN: La transferencia de calor por conducción verdaderamente está compuesta de dos mecanismos separados - conducción en aire entre las fibras, y conducción sólida a través de las fibras individuales y las partículas de gránulos. En temperaturas bajas, la transferencia de calor por conducción es el principal mecanismo de transferencia de calor, como se puede ver en la Figura 1. Al subir la temperatura, la conducción a través del aire y a través de los sólidos aumentará junto con la transferencia de calor por radiación. Figura 1 – Transferencia de Calor en F.C.R. La Figura 2 enseña la relación entre la conductividad del aire, la conductividad de la fibra y la radiación a temperaturas más altas. A temperaturas elevadas, la transferencia de calor radiante se convierte en el mecanismo Figura 2 – Modos principales de Transferencia de Calor RADIACIÓN: Este es el mecanismo principal de transferencia de calor a altas temperaturas para las fibras cerámicas y consiste de dos partes principales: a) radiación que no es absorbida por la estructura fibrosa sino reflejada y dispersada, b) re radiación entre las partículas de fibra que depende de la absorción y emitancia de las fibras y la diferencia en temperatura (distancia térmica) entre dos fibras. La transferencia de calor de energía radiante es proporcional a la diferencia de la 4ta potencia de las temperaturas absolutas de las superficies participantes. Esto quiere decir simplemente que al subir la temperatura, la transferencia de calor principalmente por causa de la transferencia de radiación, subirá rápidamente, convirtiéndose en el mecanismo dominante de transferencia de calor. CONVECCIÓN: La transferencia de calor por convección natural es aparente solamente cuando las células de aire individuales son relativamente grandes (aproximadamente 2mm). Con células más pequeñas que éstas la turbulencia de aire natural es nominal y la transferencia de calor por convecciones insignificante. En los productos de fibra cerámica, el tamaño promedio efectivo de poro es pequeño y la transferencia de calor por convección es sostenida a un mínimo absoluto. www.byronruizg.com
  4. 4. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 4 EFECTO DEL CONTENIDO DE GRÁNULOS EN LA CONDUCTIVIDAD TERMICA Dentro de los campos típicos de fabricación, el contenido de gránulos no influye directamente en la conductividad térmica. Indirectamente reduce el rendimiento térmico simplemente reduciendo la cantidad de fibra cerámica dada en una unidad de volumen, lo cual es similar al efecto de diámetro de fibra incrementado. Los gránulos actuarán algo así como un conductor sólido y como un bloqueador de radiación, pero los efectos son insignificantes cuando se comparan con los efectos que tiene la cantidad reducida de fibra en la conductividad térmica. Donde el gránulo se vuelve importante, es en su relación a la densidad a granel (ej. cuanto más gránulo, más denso el producto y menos fibra presente en una muestra dada, y por lo tanto la conductividad térmica es más alta). Es imperativo que cuando se comparen los valores del contenido de gránulo solo sean comparados cuando se usan métodos de análisis similares. Los dos métodos de medir gránulos son lavados por agua, y ASTM C-892. EL método de elutriación es la norma en la industria, pero ASTM C-892 puede ser usado también. MÉTODO DE ELUTRIACIÓN: Este método consiste de dos análisis, el método de tubo singular (vaso) y el método de cuatro tubos (vaso). Thermal Ceramics usa el método de tubo singular para medir ~1 contenido de gránulo en las fibras cerámicas sopladas, y el método de cuatro tubos para la fibra cerámica centrifugada. Los dos métodos se han desarrollado por la diferencia en tamaño físico entre la fibra cerámica soplada y centrifugada. EL método de tubo singular requiere una cámara de recuperación, un tubo de elutriación (separación) y un frasco para la recolección de los gránulos. La fibra cerámica soplada se toma sin quemarse y molida, entonces se introduce en el tubo de elutriación, donde la fibra y los gránulos se separan. Después los gránulos se recogen, se secan y se ciernen para reportar datos típicos para mallas +40, -40 x +100, -100 y el contenido total. EL método de cuatro tubos requiere cuatro cámaras de elutriación (separación). La fibra cerámica centrifugada se quema y se mete en una cámara de mezclado de alta fuerza cortante para separar las fibras. Entonces se meten las fibras y los gránulos en cuatro tubos de elutriación, cada uno de ellos teniendo de flujo de agua diferente. Los gránulos son clasificados por tubos en escalas de malla +50, malla -50 x +100, malla -100 x + 200, y malla -200 x +325. El material recogido es secado y reportado como el contenido total de gránulos. Una variación entre el método de tubo singular y el de cuatro es el hecho que el método de cuatro tubos da en el resultado un porcentaje más bajo de gránulos. Se estima que el método de cuatro tubos dará resultados entre el 6 y el 15 porciento más bajos que el método de tubo singular. Esto se debe a la medición de partículas de gránulos finos que no es tan exacta en el método de cuatro tubos. ASTM C-892: Este método de prueba usa fibra cerámica quemada y molida la cual se frota a través de mallas regulares. Este método dé el contenido de gránulos como un peso acumulativo y normalmente no se usa en la medición del contenido de gránulos de la fibra cerámica. Variaciones en los procedimientos de pruebas y métodos darán resultados diferentes de pruebas, por lo tanto cuando se comparan los contenidos de gránulos de fibra cerámica es importante saber que método de medición fue usado. DESVITRIFICACION FIBRA DE ALÚMINA-SÍLICE REGULAR: La fibra cerámica está generalmente en un estado amorfo al ser producida. La mezcla de caolín o alúmina-sílice se derrite, y se atenúa con un caudal de aire comprimido; la fibra producida está en un estado vítreo o "vidrioso" típico. El término amorfo es definido mejor como "careciente de estructura cristalina 0 arreglo molecular definido." Una característica de todos los cristales es la ausencia de estructuras cristalinas. Cuando se forman los cristales, el líquido se sofoca 0 "frisa" rápidamente antes de que los átomos individuales o moléculas se puedan arreglar adecuadamente en una estructura cristalina. Estas moléculas se mantienen en una orientación casual hasta que se añade suficiente energía al sistema para promover reestructura y formar productos cristalinos. Esto es, en esencia lo que significa el término desvitrificación, 0 re cristalización. En el caso de la fibra de caolín 0 las fibras sintéticas de alúmina sílice, la temperatura de desvitrificación inicial es de aproximadamente 1750-1800°F (950-975°C). El primer producto de la re cristalización es mullita. La mullita se precipita de la matriz vidriosa como un cristal bien definido, el cual se puede ver en las curvas de DTA y confirmarse por medio de difracción de rayos-x. EL segundo producto de la re cristalización es cristobalita que se empieza a precipitar de la matriz vidriosa rica en silicón después de un periodo extendido de tiempo a 2012°F (1100°C). Como regla rudimentaria ya establecida, las siguientes relaciones de tiempo/temperatura se pueden usar para la formación de cristobalita en las fibras de alúmina-sílice. La cristobalita se forma después de: 4 meses (13000 hrs) @ 2012°F (1100°C) 2 semanas (300 hrs) @ 2192°F (1200°C) 2 días (50 hrs) @ 2372°F (1300°C) www.byronruizg.com
  5. 5. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 5 El retraso considerable del comienzo de la precipitación explica la falta de un pico de temperatura elevada para la cristobalita en análisis de DTA. Este mismo fenómeno también explica la falta de cristobalita en el patrón de difracción de rayos-x de la fibra alúmina-sílice quemada a 2400°F. Esto está detallado en la Tabla 1 Tabla 1 - Manta de Alúmina-Sílice, Cambios de Fase 3.2 FIBRA ALÚMINA-SÍLICE-ZIRCONIO: Este sistema actúa muy diferente al sistema de fibra alúmina-sílice. La forma principal de temperatura baja del material es un vidrio AZS homogéneo el cual es estable hasta una temperatura de aproximadamente 1800 -1830°F (980 - 1000°C). La re cristalización inicial consiste de la co- precipitación de productos de mullita y de la forma tetragonal del zirconio. El zirconio aparentemente estabiliza la estructura vidriosa, lo que explica un cambio leve 50°F (10°C) más alta) en la temperatura inicial de desvitrificación cuando es comparado al sistema de fibra de alúmina-sílice. La re-cristalización secundaria ocurre aproximadamente a 2318°F (1270°C) cuando empieza a precipitarse la cristobalita. El DTA indica un rango de precipitación discreto para este producto muy diferente al mecanismo de precipitación de la cristobalita en el sistema de alúmina sílice. El zirconio aparentemente puede actuar como un mineralizador, promoviendo la precipitación de la cristobalita dentro de un campo finito de temperatura. El zirconio eventualmente reaccionará con la matriz rica en sílice y/o la cristobalita para formar zircón a una temperatura de aproximadamente 2660°F (1460°C). Estos cambios cristalográficos están resumidos en la Tabla 2. Tabla 2 - Manta de Alúmina-Sílice-Zirconio, Cambios de Fase 3.3 RESUMEN: La desvitrificación y cristalización son importantes en los sistemas de fibra cerámica por varias razones. Primero, al formarse los cristales, la fibra cerámica pierde flexibilidad. Al crecer los cristales, la fibra continua perdiendo fuerza y el producto se vuelve rígido 0 térmicamente enlazado. La segunda gran consideración es que el encogimiento está estrechamente relacionado a la cristalización en la fibra cerámica. Aunque la desvitrificación contribuye significativamente al encogimiento, no es el factor contribuyente mayor. Otros mecanismos que envuelven el crecimiento del grano y el "rizado" de la fibra son causas de la mayoría del encogimiento en los sistemas de fibra cerámica. EL encogimiento de la fibra cerámica se puede controlar. Varias opciones de diseños bien conocidas están disponibles para que con la apropiada ingeniería y selección de material, se puedan diseñar revestimientos de fibra cerámica muy apropiados para temperaturas elevadas. 4. ENCOGIMIENTO DE LOS PRODUCTOS DE FIBRA CERAMICA Cuando la Obra cerámica se calienta empieza a encogerse. Este encogimiento determina el límite de la temperatura máxima de la fibra. Cuando los ingenieros de diseño de hornos, trabajadores del mantenimiento, operadores de equipo de proceso deciden revestir o mejorar sus recipientes, necesitan considerar los efectos del encogimiento. EL encogimiento de la fibra cerámica es un proceso continuo, como detallado en la Figura 3. La mayoría del encogimiento ocurre dentro de las primeras 24 horas cuando los filamentos de la fibra se ajustan a su nuevo ambiente. A1 ser expuesto el producto a temperatura, aun sobre años, continuará encogiéndose porque ocurren cambios dentro de las mismas partículas individuales de fibra. www.byronruizg.com
  6. 6. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 6 Figura 3 - Encogimiento a Largo Plazo F.C.R. En el diseño de revestimientos-de hornos con fibra cerámica, se toman varios pasos para contrarrestar este encogimiento y aprovechar al máximo la vida del revestimiento, dependiendo del sistema de revestimiento que se seleccione. Compresión, tramos corto de manta, listones, patrón de parquet, traslapados, configuración de grano de borde son algunas de las maneras en las que el encogimiento de la fibra cerámica se mantiene al mínimo. Al entender los mecanismos específicos que causan que la fibra cerámica se encoja, podemos diseñar mejores revestimientos de hornos los que proveerán una vida satisfactoria. El encogimiento de los productos de fibra cerámica está estrechamente relacionado con los siguientes cambios que ocurren al ser expuesta la fibra a incrementos de temperatura: desvitrificación y cristalización, crecimiento de gránulos, y rizado de la fibra cerámica. Discutiremos cada mecanismo en detalle y explicaremos su interacción con el encogimiento de la fibra cerámica. En temperaturas bajas donde la fibra cerámica permanece amorfa 0 no cristalina, virtualmente no ocurre encogimiento. Solamente cuando la fibra comienza a desvitrificarse o se cambia de un estado Amorfos vidrioso a un estado cristalino es que el encogimiento comienza. DESVITRIFICACIÓN Y CRISTALIZACIÓN: Según previamente descrito, ambas fibras alúmina-sílice y alúmina-sílice-zirconio sufren varios cambios en su estructura cristalina al alcanzar temperaturas más altas. Mientras el material sufre estas transformaciones también tiene cambios concurrentes en gravedad específica. Al subir la temperatura, la estructura cambia, y las fibras individuales se vuelven más densas al aproximarse al límite máximo de uso. Los cambios de los dos tipos de fibra están resumidos en las tablas 1 y 2. El porcentaje de razón de Volumen de la fase sólida es simplemente una medida de porcentaje de sólidos en un Volumen dado de fibra ü- está definido como: Porcentaje de Volumen de la Fase Sólida = Densidad a Granel/Gravedad Especifica X 100. En una manta 8pcf de alúmina-sílice (Caolín) solamente 4.6 por ciento es masa sólida. Simplemente no hay suficiente masa sólida disponible para que contribuya mucho al encogimiento. EL encogimiento 0 la densificación de fibras individuales no son responsables por el encogimiento de los productos de fibra cerámica. En la introducción mencionamos brevemente que la desvitrificación señala el comienzo del encogimiento al empezar un proceso llamado "rizado" en la fibra cerámica. El rizado o la deformación de los filamentos individuales de la fibra, es el mecanismo causante de la gran mayoría del encogimiento. Para entender el rizado, tenemos que mirar al crecimiento de los granos de cristal y como progresa con el tiempo y la temperatura. CRECIMIENTO DEL GRANO DE CRISTAL: Al precipitarse las varias fases mineralógicas, se forman estructuras cristalinas finamente divididas, las cuales crecen con el tiempo y la temperatura. La Figura 4 enseña como en mantas regulares de alúmina-sílice (caolín) el tamaño del cristal de mullita y cristobalita cambian con ambos tiempo y temperatura. Mullita es primer precipitante y comienza a formarse a temperaturas en exceso de 1742°F (950°C). La formación de cristobalita no depende en gran parte del tiempo; no obstante, el tamaño del cristal inicial sí. Estos cristales crecen con el tiempo y la temperatura. A 2372°F (1300°C) los cristales individuales de mullita serán casi cuatro veces el tamaño que era a 2012°F (1100°C). La cristobalita empieza a precipitarse a temperaturas en exceso de 2012°F (1100°C) pero varía con la temperatura. Por lo tanto, cuanta más alta la temperatura, más temprana la formación inicial de cristobalita y más grande será el tamaño de los cristales individuales. A1 crecer el grano y acercarse al diámetro máximo de fibra los filamentos individuales se debilitan. Esta relación de tiempo temperatura es responsable de: · Debilitamiento del producto de fibra sobre largos períodos de tiempo. · La continuación de encogimiento sobre tiempo, reduciendo el largo efectivo de la fibra, www.byronruizg.com
  7. 7. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 7 conduciendo al encogimiento a largo plazo enseñado en la Figura 3. Figura 4 - Crecimiento Del Grano De Cristal En La F.C.R. El crecimiento de granos de cristal es también una razón mayor por la que las fibras se "rizan" y causan encogimiento por el crecimiento de granos no homogéneos o disimilares. RIZADO DE LA FIBRA DE CERÁMICA: Cuando la fibra cerámica se fabrica el resultado es un amplio rango de tamaños de filamentos. Los filamentos individuales pueden cambiar de diámetro, cambiar de dirección, o contener cualquiera de una variedad de imperfecciones en su estado amorfo. Al enfriarse rápidamente los productos de material fundido fibrilizado, desarrollarán tensiones diferentes a lo largo de la fibra. Estas tensiones disimilares tienen la tendencia a aliviarse a temperaturas en exceso de la temperatura de desvitrificación en una manera similar a la de los metales recocidos. Al aliviarse estas tensiones la fibra se distorsiona, reduciendo el largo efectivo de la fibra. Al progresar la cristalización la fibra continúa distorsionándose y el largo efectivo se acorta con el tiempo y la temperatura. El crecimiento de grano disimilar puede ser atribuido a ambos temperatura e imperfecciones en la estructura del cristal. Este crecimiento inconsistente se debe en parte a los intentos de la fibra de aliviarse la tensión por medio de mecanismos diferenciales de crecimiento del grano causados por pequeñas diferencias térmicas. Los productos iníciales de precipitación se formarán en esas regiones de tensión alta (i.e, el radio externo de la fibra), y se formarán más despacio en los lugares de tensión baja a lo largo del radio interior de la fibra. Este fenómeno inicia y suscita el rizado como resultado directo de la formación de cristal y el crecimiento continuo. La figura V ilustra este comportamiento con tensión alta, cristalización inicial (región "A") y tensión baja, cristalización retardada (región "B"). Estos dos mecanismos, cristalización inicial para aliviar tensión y crecimiento del grano de cristal por la relación de tiempo-temperatura, causan la mayor parte del encogimiento en los productos de fibra cerámica. Figura 5 - Cristalización Inducida Por Tensión RESISTENCIA A VELOCIDAD DE GASES Uno de los parámetros más comunes que debe de ser considerado en el diseño de revestimientos de fibra cerámica es la habilidad que tiene el revestimiento de resistir el flujo de gas de los quemadores. Por su estructura inherente, a veces es necesario modificar el diseño de revestimiento del horno para acomodar velocidades altas. La velocidad generalmente se mide en términos de pies por segundo (p/s) o metros por segundo (m/s). Es importante cuando se discute la velocidad si se refiere a modelos de flujo laminar o flujo turbulento. El flujo laminar es mucho menos destructivo hacia los revestimientos de fibra que el flujo turbulento donde el aire "se voltea", creando regiones localizadas de velocidad alta en su patrón de flujo. Cuando ocurre un flujo turbulento tal como en codos, curvas o restricciones, se debe tener cuidado especial para proteger adecuadamente el revestimiento de fibra cerámica. Una norma general para las regiones de flujo turbulento es utilizar el próximo nivel de resistencia de velocidad. Más allá de la simple selección de producto, otra alternativa es utilizar sistemas de cobertura que protejan la capa de la cara caliente de la fibra. Las coberturas disponibles son suspensiones coloidales de ambos sílice o alúmina y coberturas de cerámica las cuales son aplicadas en la www.byronruizg.com
  8. 8. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 8 superficie de las mantas, módulos y tablas. Los productos específicos, límite de uso de temperatura, y velocidad de cobertura son como siguen: Rigidizador Kaowool 1800°F (982°C) 15 Ft^2/Gal Unikote M 2400°F (1316°C) .81 Lb/Ft^2 Unikote S 2800°F (1538°C) . 81 Lb/Ft^2 Tabla 3 - Velocidades Máximas Para Flujo Laminar a través de la Superficie de la Fibra Cerámica Nota: Unikote M o S no está recomendado para uso en revestimientos de mantas. Es muy importante no exceder las normas de temperaturas dadas previamente porque puede ocurrir un encogimiento muy severo en la superficie de la fibra. Las coberturas de cerámica puede que ofrezcan resistencia a formas específicas de ataque químico. EFECTO DE LAS ATMOSFERAS DE REDUCCIÓN La fibra cerámica se usa frecuentemente bajo condiciones reductoras. Hornos de carburización, reformación y vacio proveen un grupo de condiciones especializadas en las que la fibra cerámica debe de existir. Gases tajes como H2, CO, NH3 y CH4 son considerados generalmente ser reductores en naturaleza y pueden provocar cambios en la micro estructura de la fibra cerámica. REDUCCIÓN DE SÍLICE: Las atmósferas reductoras pueden llevar a una reducción de sílice (SiO2) fuera de la fase de vidrio 0 mullita. Esta vaporización de SiO2 fuera de la fase de vidrio 0 mullita en un vacio puede afectar el proceso de re cristalización en las fibras de alúmina-sílice y alúmina-sílice zirconio. La reducción de sílice ocurre en función de temperatura y punto de rocío y se observa como una pérdida de peso al alejarse de la cara caliente el SiO2 gaseoso y condensarse en afeas más frías del revestimiento. Varios mecanismos pueden estar envueltos con la reducción de sílice en las atmósferas reductoras. Pueden envolver reducciones de SiO2 a SiO o con vapor o chorro de agua presentes forman hidratos de ácido silícico lates como Si(OH)4 o Si2O(OH)6. La vaporización de SiO2 incrementa con el incremento del contenido de H2, con el aumento de SiO2 libre y con el aumento de temperatura. La reducción de sílice empezará a ocurrir a 2100°F (1149°C) pero solamente se volverá significante a temperaturas sobre 2100°F (1149°C). Una combinación de atmósferas de hidrógeno y nitrógeno (H2N2) son más propensas a atacar el SiO2 que las atmósferas de hidrógeno puro, y la presencia de vapor de agua acelerará la reacción. REDUCCIÓN DE OTROS ÓXIDOS: Las atmósferas reductoras pueden causar que otros óxidos refractarios se disocien de una manera similar a SiO2. La Figura 6 ilustra el efecto de las atmósferas reductoras en óxidos de hierro, titanio y hasta alúmina. Generalmente los óxidos de titanio e hierro se encuentran en pequeñas cantidades en la fibra cerámica, así que la reducción de estos óxidos produce poco, si algo de efecto en el rendimiento de la fibra. Solamente bajo las condiciones más extremas de temperatura y punto de roció bajo es que la alúmina se puede reducir, así que generalmente es de poca preocupación. Figura 6 - Efectos De Las Atmósferas, Reductoras En Óxidos Refractarios ATAQUE QUIMICO La resistencia de las fibras cerámicas a ambientes corrosivos puede ser uno de los temas más confusos asociados con el diseño de fibra. Esta información enseñará cómo se comportan las fibras bajo un ataque químico y www.byronruizg.com
  9. 9. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 9 esperamos que sea una referencia de buen uso. La manera más fácil de tratar este tema es discutir individualmente varios agentes corrosivos de los que se sabe que atacan la fibra cerámica. Los ambientes discutidos incluyen flúor y derivados, vanadio y otros metales pesados, azufre y ácido sulfúrico, álcalis y otros ácidos. FLÚOR Y SUS DERIVADOS: Sin duda alguna, el flúor es el atacante más agresivo de la fibra cerámica. A temperaturas por debajo de los 212°F (100°C) las reacciones de flúor y vapor de agua con la fibra cerámica lleva a extensa destrucción del material. Aún en concentraciones relativamente pequeñas, el fluoruro de hidrógeno (FH) aparenta atacar preferiblemente la alúmina, formando A1F3 y A1F3-3H2O, causando destrucción masiva de la estructura de la fibra. El fluoruro de hidrógeno también atacará fácilmente el SiO2. En rangos de temperaturas moderadas (i.e, escala amorfa normal hasta 1800°F (982°C), aparenta que un ambiente rico en flúor puede promover la re cristalización a baja temperatura que en sí, causa destrucciones menores de la fibra. En temperaturas donde la re cristalización es significativa, el flúor parece formar un producto de reacción en la superficie de la fibra, el cual puede conducir a alteraciones en la estructura de la fibra. Una capa delgada de costra en la superficie de la fibra debe de ser evidente. El flúor ataca todas las formas alúmino-silicosas, incluyendo mullita. Después de que el flúor ataca, muy a menudo se evapora, lo cual casi imposibilita detectar la causa de la falta. VANADIO Y OTROS METALES PESADOS: El vanadio y otros metales pesados, los cuales están presentes en combustibles de baja calidad, al quemarse, atacan la fibra cerámica. El ataque viene del pentóxido de vanadio (V2O5) el cual a temperatura ambiente es sólido, pero se derrite a una temperatura de aproximadamente 1280°F (693°C). La escoria líquida es absorbida dentro de la fibra porosa y reacciona químicamente con el sistema refractario de alúmina-sílice en la fibra cerámica. Una vez reaccionada, la escoria formará una capa dura y costrosa en la cara caliente. Sobre un período de tiempo ésta costra se soltará de la porción no reaccionada de la manta de fibra cerámica, y el proceso comenzará otra vez en la fibra nuevamente expuesta. La razón de ataque depende de un número de factores los cuales incluyen concentración (ppm) de metales pesados, tiempo, porosidad del material, y temperatura. No hay un límite firme de concentración bajo el cual el ataque será minimizado. Más bien, es la concentración de metales pesados sobre tiempo el cual determinará la vida refractaria. EL pentóxido de vanadio a temperaturas sobre 1280°F (693°C) atacará la fibra, pero la razón de ataque será afectada por los parámetros dados previamente. El reemplazo periódico de materiales en la cara caliente será requerido según se acumula el ataque sobre el tiempo. Una palabra de advertencia: EL pentóxido de vanadio ataca a la fibra, pero el vanadio en la presencia de álcalis forma escorias más agresivas que se derriten a temperaturas muy bajas, lo que causa que la fibra cerámica se degrade mucho más rápidamente. Normalmente, combustibles de alto contenido de metales pesados también contienen ácalis. AZUFRE Y ACIDO SULFÚRICO: La fibra cerámica tiene una resistencia excelente al ácido sulfúrico. Se pueden esperar solamente roturas o reacciones menores de la fibra, típicamente formando sulfato de alúmina (Al2 (SO4)3) ó hidratos de sulfato de alúmina. Esto generalmente no lleva al fallo de la fibra. La corrosión del anclaje metálico es una preocupación seria. y se deben tomar pasos para proteger los componentes de metal con una capa bitumástica o lámina inoxidable, o mantener las partes de metal a una temperatura sobre la temperatura a la que se forma el rocío de ácido sulfúrico (generalmente 250- 350°F (121-177°C)). La fibra cerámica en la presencia de hierro (Fe) y ácido sulfúrico (H2SO4) formará un compuesto de sulfato de fierro-alúmina-silicato. Este componente "disolverá" el anclaje y la cubierta, convirtiendo el metal en un material liso. Existen algunos desacuerdos sobre los efectos del azufre sobre la fibra cerámica a altas temperaturas. Generalmente ocurre un amarilla miento de la superficie de la fibra. Parece que depósitos de azufre en la superficie de la fibra puede causar interrumpimiento durante el proceso de re cristalización a temperaturas alrededor de 1800 °F (982 °C). Este ataque normalmente ocurre en una localidad discreta en la cara caliente del revestimiento. EL ataque parece causar que la fibra obtenga una consistencia polvorienta la cual, con acción mecánica (vibraciones) o Velocidades altas de gases, puede llevar a una pérdida del material en la cara caliente. Esta reducción gradual del material en la cara caliente expondrá nuevo material el cual es susceptible al ataque, y el proceso puede regenerarse el mismo. Solamente sobre largos períodos de tiempo es que esto puede ser detrimental a la integridad del revestimiento. EL reemplazo periódico de la capa de manta en la cara caliente podría ser requerido. Si se usa una forma modular de fibra cerámica, una capa de Unikote puede ser considerada. ATAQUE DE ALCALI EL ataque de álcali en la fibra cerámica parece depender grandemente de tiempo y temperatura. Los alcalinos forman compuestos de bajo derretimiento que llevan al encogimiento intenso/ sinterización de las fibras y al fallo final del revestimiento. Componentes tales como V2O5, S03, etc. amplifican el comportamiento destructivo o que lleva al fallo prematuro de la fibra. El ataque de álcali usualmente ocurre en la capa de fibra de la cara caliente donde una capa de costra o "escoria" se forma. Al ocurrir más ataque, esto eventualmente degrada la fibra y nueva fibra es expuesta al ataque. www.byronruizg.com
  10. 10. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 10 OTROS ÁCIDOS: Generalmente se piensa que la fibra cerámica es resistente al ácido hidroclórico (HCI). ácido acético (CH3COOH), y ácido nítrico (HNO3). También es resistente al ácido fosfórico (H3PO4) a bajas temperaturas; no obstante, ocurre encogimiento significante de la fibra al formarse alumino fosfatos complejos a temperaturas más altas. Es mejor evitar la presencia de fosfatos a temperaturas en exceso de 1000°F (537°C). Nota: Algunos de los productos descritos en ésta literatura contienen fibra cerámica refractaria (FCR) y/o sílice cristalino (cristobalita o cuarzo. Basado en datos obtenidos por medio de experimentos con animales, la Agencia Internacional de investigación del cáncer (AIIC) ha clasificado la FCR, junto con la lana de vidrio fibrosa y lana mineral, como un posible cancerígeno humano (Grupo 2B) y al sílice cristalino respirable como un probable cancerígeno humano (Grupo 2A). Para reducir el riesgo potencial de efectos a la salud, Thermal Ceramics recomienda diseñar controles y prácticas de trabajo seguras para que las sigan los usuarios del producto. Póngase en contacto con el grupo administrador de Thermal Ceramics, para pedir información detallada contenida es sus MSDSs, literatura del producto y Videos. www.byronruizg.com
  11. 11. Refractarios Nacionales, S.A. Refractarios Nacionales de Centro América Página 11 GLOSARIO DE TÉRMINOS Amorfo (a): No tiene una estructura cristalina definitiva. Materiales Aislantes De Respaldo: La capa o capas de material aislante que están localizadas entre la capa de la cara caliente del aislante y la cubierta exterior. Manta: Un material aislante flexible cerámico-fibroso no enlazado de dimensiones razonablemente determinadas. Placa: Una lámina plana rígida o semirrígida producida por formación al vacio. Fibra A Granel: Fibra cerámica en estado de "como es producida". Junta A tope: Un empalme de construcción de empapelado de fibra cerámica donde los filos de las mantas adyacentes se encuentran. Temperatura De La Cara Fría: Término usado para denotar la temperatura de la cubierta exterior. Cristobalita: Una fase cristalina del sílice que empieza a formarse a los 1 800°F. Desvitrificación: La fase de transformación de vidrio a estructura cristalina. Grano De Borde: La orientación de un sistema de fibra en el cual tiras de fibra cerámica o felpa están orientadas perpendicularmente al plano de la cubierta del horno. Felpa Prensada: Un producto laminar flexible formado de fibra cerámica y ligado con un adhesivo orgánico. Límite De Uso Continuo: Límite de temperatura Continua a largo plazo para un producto instalado como revestimiento. Esta temperatura está basada sobre el encogimiento del producto, especialmente lo que se considera un encogimiento "manejable" ó "controlable". Este término no debe de ser confundido con la clasificación de temperatura. Pérdida de Calor: El término para denotar la cantidad de calor que se pierde a través de una construcción de revestimiento sobre el tiempo, medida en BTU/Ft^2/Min, (vatios/Ft^2). Almacenaje de Calor: La propiedad térmica de un material en donde la masa acumula calor (lo cual en refractarios es una función principal del calor específico del material, la masa y la subida de temperatura medida en BTU/lb./°F (cal/gr/°C). Transferencia De Calor: El estudio de los mecanismos de flujo de calor, conducción, convección y radiación. Fibra De Alto Contenido De Alúmina: Una fibra que contiene más del 90% de alúmina, dándole un límite de uso alto. La fibra de mullita también se usa en aplicaciones de altas temperaturas. Fibra De Alta Pureza (AP): Una fibra cerámica fabricada de materiales sintéticos de alúmina y sílice. Materiales Aislantes para la Cara Caliente: La capa de material aislante que tiene por lo menos una superficie expuesta a la temperatura máxima de los gases del horno. Fibra De Caolín: Una fibra cerámica fabricada de caolín calcinado. Flujo Laminar: El flujo de un gas en el que la corriente de gas se mueve en línea recta paralela a la dirección del flujo. Empapelado De Revestimiento En Capas: Revestimiento que está compuesto de varias capas y espesores de fibra cerámica refractaria. Encogimiento Lineal: La cantidad de encogimiento que ocurre a lo largo de un material después de ser sujeto a temperaturas elevadas y después enfriado - medido en porcentaje del largo original pre quemado. Arandela De Cierre: Arandela usada en conjunto con anclajes Kaolok. Tienen una ranura para cuando sean empujados sobre el anclaje y entonces girados 90° la arandela queda sujeta en el sitio, otros sistemas de cierre están disponibles, tajes como anclas de cono. Los anclajes de cierre vienen en cerámica o aleaciones de metal para satisfacer los requisitos de temperatura. Clasificación De Temperatura Máxima: La temperatura que usa la industria como una clasificación libre de diferentes grados de fibra cerámica. Esta es generalmente más alta que la de límite de uso continuo. Módulos: Una unidad prefabricada que puede ser aplicada como un bloque de revestimiento en la cara interior de la estructura del horno. Mortero/Cemento: Un adhesivo de base cerámica para adherir productos de fibra cerámica a otras superficies. Mullita: Una fase cristalina de alúmina-sílice. Construcción Traslapada: Una técnica de construcción usada para acomodar el encogimiento en la fibra cerámica 0 mejorar la resistencia de velocidad en la que una orilla de una manta está traslapada sobre una manta adyacente por 4" a 12" y comparte un ancla y arandela común. Papel: Un producto enrollado fabricado de fibra cerámica y adhesivos orgánicos en una maquinaria convencional de hacer papel. Entarimado: Un método de instalar formas modulares de fibra cerámica de orilla-granulada para que el gránulo de la orilla de un módulo esté perpendicular al gránulo de la orilla del módulo adyacente. Rigidizar: La práctica de aplicar un agente adherente a la fibra cerámica (por rocío o brocha) para mejorar su resistencia a la velocidad. FCR: Fibra Cerámica Refractaria. Junta Escalonada: Un método de aplicar capas dobles de mantas de fibra cerámica de tal manera que la mitad del ancho de cada capa traslapa la mitad del ancho de la capa adyacente. Gránulos: Un material vidrioso que se forma durante la fibrilización. Textil: Tela, cinta, mangas, tubos o otras formas fabricadas de hilo de fibra cerámica. . Conductividad Térmica: Las propiedades del material para conducir calor - medida en flujo de BTU por hora a través de un pie cuadrado de afea a través de una pulgada espesor BTU*in/hr ft °F (W/m*°C) Resistividad Térmica: La propiedad de un material para resistir el flujo de calor; el recíproco de conductividad térmica. Choque Térmico: Un mecanismo de falta donde cambios de temperatura repentinos traen suficientes tensiones mecánicas térmicas en un material para causar grietas 0 fragmentación. Como una regla general, la resistencia del choque térmico de un material es más grande al aumentar la fuerza y conductividad térmica de un material y al disminuir la expansión térmica y módulo de elasticidad. Flujo Turbulento: Flujo fluido en el cual la velocidad de una corriente de gas cambia constantemente en magnitud y dirección. Formado Al Vacio: Un método de fabricar formas moldeadas y placas planas convirtiendo las fibras en una suspensión y succionándolas dentro de un formador de cedazo. Enchapado: Capas de fibra cerámica en ambas formas de manta 0 módulo que son fijadas a la cara caliente de un ladrillo, módulo o revestimiento monolítico. Construcción De Empapelado: El término usado para describir la técnica de construcción de un revestimiento de fibra cerámica donde la manta es instalada en una pared como un rollo de papel para empapelar. www.byronruizg.com

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