El documento proporciona información técnica sobre la fibra cerámica fabricada por Thermal Ceramics. Explica que la fibra cerámica puede producirse de varias formas y que Thermal Ceramics puede proveer el producto adecuado para cada aplicación. También discute varias propiedades clave de la fibra cerámica como su baja conductividad térmica, resistencia al choque térmico y propiedades aislantes. El documento analiza factores como la desvitrificación y cristalización que afectan las propied

1. 2009
Aspectos Técnicos de Fibra Cerámica
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2. Refractarios Nacionales, S.A.
Refractarios Nacionales de Centro América
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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
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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.
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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)
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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.
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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,
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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