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4.-Características estructurales de los materiales refractarios. Los materiales refractarios son materiales polifásicos y heterogéneos, tanto desde el punto de vista de su composición química como de su estructura física. Así, estructuralmente los materiales refractarios conformados presentan tres fases perfectamente definidas (Figura 4.1): - Constituyente disperso, generalmente formado por óxidos simples o compuestos. - Constituyente matriz, generalmente formado por materiales complejos de naturaleza cristalina o vítrea. - Porosidad (Macro y microporosidad) Basándose en su constitución estructural se puede dar una nueva definición de material refractario como sigue agregados de cristales o granos cementados por una matriz cristalina o vítrea, con un cierto grado de porosidad. Figura 4.1.- Microestructura de un material refractario. En la tabla 4.1 se dan las especies químicas que dan lugar al denominado constituyente disperso (Cristales gruesos’ que forman la base del material). A título indicativo se da el punto de fusión y la densidad. En el caso de los óxidos se da la temperatura de fusión del metal correspondiente, apreciándose la superior refractariedad de los óxidos. Tabla 4.1.- Constituyentes dispersos más importantes de los materiales refractarios. NOMBRE FORMULA QUIMICA PUNTO FUSION (ºC) OXIDOS SIMPLES PUNTO FUSION METAL (ºC) MAGNESIA MgO 2800 650 CIRCONIA ZrO2 2720 1850 CAL CaO 2570 840 ALUMINA Al2O3 2050 660 OXIDO TITANIO TiO2 1840 1660 SILICE SiO2 1713 1410 OXIDOS COMPUESTOS CROMITA Cr2O3.FeO 2180 Cr (1857), Fe(1550) ESPINELA MgO. Al2O3 2135 CROMO-MAGNESIA Cr2O3.MgO 2000 FORSTERITA 2MgO. SiO2 1900 MULLITA 3 Al2O3.2 SiO2 1845 OTROS COMPUESTOS GRAFITO C 3525 CIRCON ZrSiO4 2500 CARBUROS SiC, ZrC 2700, 3540 BORUROS CrB, ZrB NITRUROS Si3N4, BN
El constituyente matriz puede ser una fase vítrea o cristalina “microcristales” de composición más compleja que el constituyente disperso. La refractariedad (o la temperatura de ablandamiento) es menor para el componente matriz que para el disperso. La naturaleza del constituyente matriz es, normalmente, compleja debido a la presencia de los óxidos alcalinos (litio, sodio, potasio) y de los óxidos de hierro, que disminuyen su refractariedad. El constituyente matriz al reblandecerse o fundir a las temperaturas de cocción del material refractario, nos garantiza la consistencia mecánica del constituyente disperso. Paralelamente a los procesos de fusión parcial (o de reblandecimiento) de la matriz, suelen tener lugar reacciones sólido-liquido, procesos de crecimiento de grano, segregaciones y transformaciones cristalinas en estado sólido. Las propiedades del constituyente matriz son extremadamente importantes puesto que es la “cola” o “pegamento” que mantiene cohesionados a los cristales o granos del constituyente disperso. Así, por ejemplo., los refractarios de arcilla cocida (Alúmina calcinada ligada mediante arcilla plástica) pueden dividirse en semisílice, bajo contenido de alúmina, etc. En general, el contenido de alúmina aumenta en el orden listado y hay una tendencia a juzgar el comportamiento tomando como base dicho contenido. Esto puede conducir a errores, puesto que la fase arcillosa que actúa como ligante tiene un profundo efecto sobre el comportamiento del material refractario aún con un alto contenido en fase alúmina. En tabla 4.2 se dan las especies químicas, cristalinas o vítreas, que dan lugar al denominado constituyente matriz y que cementan los constituyentes dispersos anteriormente citados. Se da su punto de fusión. Tabla 4.2.- Constituyentes matrices de los materiales refractarios. NOMBRE FORMULA QUIMICA OXIDOS SIMPLES PUNTO FUSION (ºC) SILICE SiO2 1713 OXIDOS COMPUESTOS SILICATO BICALCICO 2CaO. SiO2 2130 FORSTERITA 2MgO. SiO2 1900 SILICATO MAGNESICO SiO2.MgO 1720 WOLLASTONITA CaO. SiO2 1900 SERPENTINA 3MgO. 2SiO2 1845 MAYENITA 12CaO.7Al2O3 1410 FERRITA DICALCICA 2CaO.Fe2O3 1435 Por último, una fase que está siempre presente en los materiales refractarios, en proporción y distribución variables, es la porosidad. Esta influye decisivamente en sus propiedades y características. Las propiedades y características del material refractario dependerán tanto de las fases cristalinas que forman el agregado refractario (Constituyente disperso), como de la matriz cementante y del contenido y distribución de la porosidad. Así, pues, desde el punto de vista de la constitución microscópica, un ladrillo refractario es como una roca granito, riolita, etc., está formada por partículas cristalinas cementadas por una matriz. Los refractarios electrofundidos se fabrican por solidificación de una mezcla de materiales fundidos, de manera análoga a como las rocas eruptivas se formarán por solidificación de un magma, y pasando por los mismos procesos de cristalización de ciertos componentes, crecimiento de grano, segregación de otros componentes a la fase liquida residual, reacciones sólido-liquido y, por fin, solidificación de ese líquido residual para formar la matriz cementante. En la fabricación de un refractario convencional se parte de materiales sólidos en vez del equivalente artificial del magma, pero durante la fusión parcial que se produce durante la cocción encontraremos los mismos procesos (Transformaciones cristalinas, segregación y crecimiento de grano, reacciones sólido-líquido, etc) que se citaron anteriormente.
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