ES2201707T3 - Cuerpo compuesto de ceramica. - Google Patents
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Abstract
Cuerpo compuesto de cerámica, que se puede endurecer, maleabilizar y/o cocer para dar un cuerpo compuesto de cerámica resistente al fuego, formado por al menos: a) una primera capa con un material resistente al fuego, oxídico, que contiene carbono, y b) una segunda capa, aplicada sobre la primera capa, con un material resistente al fuego, oxídico, libre de carbono, unido con un aglutinante, en el que c) la primera capa que contiene carbono consta de una pieza prensada, y d) la segunda capa libre de carbono de una masa de fundición o de lubricación monolítica.
Description
Cuerpo compuesto de cerámica.
La invención se refiere a un cuerpo compuesto de
cerámica, en especial para la utilización en la metalurgia
secundaria.
Se conocen muchas piezas constructivas cerámicas
resistentes al fuego, las cuales son utilizadas en la metalurgia
secundaria y, por ejemplo, sirven para acoger o conducir masas
fundidas metálicas. A éstas pertenecen las vainas de vertido, las
boquillas de inmersión, los tapones monobloque, las vainas de
distribuidor y similares.
A estos productos resistentes al fuego se les
exige una elevada resistencia a la erosión y la corrosión, una
buena resistencia al cambio de temperatura y una duración
prolongada.
Dependiendo del caso de aplicación se utilizan
diferentes materiales cerámicos. Por ejemplo, los tubos de
inmersión del tipo mencionado usualmente están realizados en la
actualidad en materiales
Al_{2}O_{3}-grafito.
En este contexto es conocido que al colar ciertas
clases de acero, por ejemplo los aceros denominados ULC (ultra low
carbon), el acero líquido absorbe carbono del material resistente
al fuego y se produce la formación de un depósito de óxido de
aluminio en la zona de contacto acero/material resistente al fuego.
Esta formación de un depósito, también denominada "clogging",
puede representar un serio problema, por ejemplo, en el caso de
aceros de baja carbonización, calmados al aluminio. La adhesión de
material resistente al fuego algo más frío puede obturar de tal
manera una boquilla de inmersión, tras un cierto período, que se
produzca una interrupción de la colada.
Estos fenómenos están extensamente descritos en
la literatura (J. Poirier en New Submerged Nozzles to reduce
Alumina build up in continuous casting, páginas
79-86).
Como resultado se establece que los materiales
resistentes al fuego libres de carbono pueden impedir mejor la
formación de un depósito de óxido de aluminio descrita que los
materiales resistentes al fuego convencionales sobre la base de
Al_{2}O_{3}-grafito.
La patente US nº 5.370.370 describe una pieza
preformada resistente al fuego uno de cuyos lados consta de un
material oxídico resistente al fuego ligado a carbono y cuyo otro
lado presenta una zona oxidada, libre de carbono, la cual está
infiltrada con un material resistente al fuego libre de
carbono.
Para su fabricación, se forma en primer lugar un
material resistente al fuego que contiene carbono, por ejemplo para
proporcionar una boquilla de inmersión. La superficie exterior es
vidriada a continuación. Seguidamente la boquilla de inmersión es
cocida en atmósfera oxidante. Sobre el lado no vidriado se produce
al mismo tiempo una quema completa del carbono el cual, mediante el
ajuste de la duración de la cocción, es limitado a lo largo de una
cierta profundidad de penetración, por ejemplo 2-3
mm. Esta "zona oxidada" es infiltrada a continuación con el
material resistente al fuego libre de carbono.
Una boquilla de inmersión de este tipo tiene la
ventaja de poseer, en la zona de contacto con la masa fundida de
metal (por dentro), una capa de un material libre de carbono, que
impide ampliamente una formación de un depósito de la masa fundida
de metal. La fabricación de una pieza preformada de este tipo es
sin embargo - como se ha mostrado - extremadamente compleja.
En la publicación WO 95/34395 se propone una
pieza resistente al fuego que puede utilizarse para la colada de
acero, la cual contiene carbono de manera continua. Para evitar
asimismo dicha formación de un depósito se propone formar la pieza
preformada como cuerpo compuesto, es decir con una capa contigua a
la masa fundida de metal, la cual se hace impermeable al gas a
temperaturas superiores a los 1.000ºC. Para ello se propone mezclar
con esta capa medios auxiliares de sinterización correspondientes y
ello en forma de partículas finas (< 50 \mum).
El contenido en carbono es esta capa debe ser,
con un 4-9% en peso, sin embargo, claramente
inferior al contenido en carbono de la capa contigua (que se indica
con un 20-30% en peso). Únicamente esta
característica no reduce, sin embargo, el peligro de una formación
de un depósito, por lo cual la siguiente característica tiene un
significado esencial, es decir, sinterizar de forma estanca al gas
la siguiente capa durante el funcionamiento. De ello resulta
simultáneamente una notable inseguridad de funcionamiento, dado que
la capa impermeable debe formarse durante la colada.
En la publicación DE 35 23 420 C1 se describe un
procedimiento en el cual es vertida una barbotina en la forma hueca
formada por un cuerpo de base. Durante el contacto de la barbotina
con el cuerpo de base aspirante poroso se forma sobre su superficie
una pasta según el procedimiento de función hueca.
El cuerpo compuesto resistente al fuego según la
publicación DE 197 27 649 A1 presenta dos capas prensadas
conjuntamente.
La invención se plantea en esta medida el
problema de proponer una pieza constructiva de cerámica que resulte
adecuada para impedir, de forma los más fiable posible, dicha
formación de un depósito, que se pueda fabricar mediante un
procedimiento sencillo y que presente una resistencia a la erosión
y corrosión lo mejor posible así como una resistencia al cambio de
temperatura.
Es conocido que los materiales cerámicos
resistentes al fuego, que contienen carbono o están libres de
carbono, se pueden procesar en un procedimiento de fabricación
conjunto para dar un cuerpo compuesto de cerámica libre de fisuras
también bajo la carga y los cambios de la temperatura, cuando la
primera capa que contiene C es prensada y la segunda capa libre de
C es aplicada, como capa monolítica, sobre la capa prensada.
En esta medida la invención se refiere, en su
forma de realización más general, a un cuerpo compuesto de cerámica
que se puede endurecer, maleabilizar y/o cocer para proporcionar un
cuerpo compuesto de cerámica resistente al fuego formado por al
menos:
- -
- una primera capa con un material resistente al fuego, oxídico, que contiene carbono, y
- -
- una segunda capa, aplicada sobre la primera capa, con un material resistente al fuego, oxídico, libre de carbono, unido con un aglutinante, en el que
- -
- la primera capa que contiene carbono consta de una pieza prensada y
- -
- la segunda capa libre de carbono de una masa de fundición o de lubricación monolítica.
La pieza prensada puede estar también ya
precocida antes de ser combinada con la capa monolítica.
Los materiales oxídicos resistentes al fuego de
las capas forman el componente principal de las capas. Su
proporción equivale, por regla general, en cada caso al menos >
50% en peso de la masa total de cada capa. Los demás componentes
comprenden, por ejemplo, diferentes nitruros resistentes al fuego,
aglutinantes u otras sustancias adicionales así como carbono, en la
primera capa.
Por ejemplo, para la fabricación de una boquilla
de inmersión el cuerpo compuesto de cerámica se puede fabricar de
la manera siguiente:
En una prensa isostática se comprime, entre un
mandril de acero central y una vaina de goma exterior, un material
resistente al fuego que contiene carbono con material de matriz
oxídico como componente principal (primera capa). La pieza prensada
es extraída y se coloca sobre un mandril, y ello con la formación
de una rendija anular entre el mandril y la primera pieza prensada.
A continuación se llena la rendija anular con la masa para la
segunda capa libre de C y, tras alcanzar una resistencia verde, se
retira el mandril.
El cuerpo compuesto puede después ser endurecido
(a aproximadamente 150- 250ºC), maleabilizado (a
250-600ºC) y/o cocido (> 600ºC). Un cuerpo
compuesto de cerámica resistente al fuego se comprobó en un horno
de inducción con utilización de un acero de la clase ST 37, donde
se añadió dos veces un 1,5% en peso de metal de aluminio, para
simular un denominado "clogging Test".
En la zona de la segunda capa libre de carbono no
se pudo establecer ninguna formación de un depósito de óxido de
aluminio. No apareció ninguna formación de fisuras entre ni en las
capas.
Alternativamente el espacio interior de la
primera pieza prensada del cuerpo compuesto puede estar también
completamente colado o revestido con masa libre de C y, a
continuación, ser perforada hasta el grosor de pared deseado o ser
retirada mecánicamente de otra forma.
Como material para la primera capa pueden
encontrar aplicación en principio todos los materiales a partir de
los cuales se puedan fabricar productos que contienen carbono, por
ejemplo, Al_{2}O_{3}, ZrO_{2}, SiO_{2}, MgO solos o en
combinación, donde la porción de carbono, usualmente como grafito,
vale entre 10 y 40% en peso, referido a la masa total de la primera
capa.
Como material resistente al fuego para la segunda
capa se pueden considerar asimismo diferentes materiales
resistentes al fuego convencionales, en su mayoría sobre la base de
ZrO_{2}, mullita, mullita de circonio, óxido de aluminio
calcinado, corindón o nitruros, como silicio nitruro, solos o en
combinación.
Para la segunda capa libre de carbono es
necesario, para alcanzar una resistencia verde suficiente hasta la
introducción de una unión cerámica, estabilizar las partes
resistentes al fuego con la ayuda de un aglutinante. Han resultado
ser aglutinantes adecuados, entre otros, los materiales que
contienen fosfato como ácido fosfórico o fosfato de monoaluminio,
barbotina, glicol, la lejía sulfítica de desecho, cemento resistente
al fuego, vidrio soluble, SiO_{2}-Gel,
SiO_{2}-Sol o resina sintética, solos o en
mezcla.
En la medida en que se utilice una resina
sintética como aglutinante, ésta contiene carbono; sin embargo, el
aglutinante de resina sintética se utiliza en cantidades muy
pequeñas (0,5 hasta como máximo 2% en peso, referido a la masa total
de la segunda capa) y el carbono craquea por lo demás durante la
maleabilización que viene a continuación, de tal manera que no se
han podido establecer influencias negativas de la resina sintética
que contenía originalmente carbono con vistas a la formación de un
depósito que se desea evitar. Los posibles pequeños restos de C se
quemarían además durante el precalentamiento del cuerpo compuesto.
Un contenido de C que sea introducido, a través del aglutinante, en
la mezcla de componentes para la segunda capa, debería ser limitado
en todo caso a < 2% en peso.
Según la invención la segunda capa, que no tiene
ninguna porción de adición de C elemental (como grafito, hollín,
coque) y que, en todo caso, presenta un contenido en C introducido
a través del aglutinante de como máximo un 2% en peso, se designa
como libre de carbono.
Son proporciones típicas de los aglutinantes
mencionados (en % en peso, referidos en cada caso a la masa total
de la segunda capa):
- -
- para el material que contiene fosfato: 3-7
- -
- para la barbotina: 10-17
- -
- para el glicol: 5-10
- -
- para la lejía sulfítica de desecho: 5-10
- -
- para SiO_{2}-Sol o SiO_{2}-Gel: 3-7
- -
- para vidrio soluble: 1-5
- -
- para resina sintética: 0,5-2
- -
- para cemento resistente al fuego, p. ej. cemento de calcio aluminato: 1- 10.
Una mezcla de componentes típica para la segunda
capa contiene como material resistente al fuego
50-60% en peso de Al_{2}O_{3}, 20-30% en peso de SiO_{2}, 15-25% en peso de ZrO_{2} así como hasta un 9% en peso de CaO, P_{2}O_{2}, Na_{2}O y K_{2}O, solos o en combinación.
50-60% en peso de Al_{2}O_{3}, 20-30% en peso de SiO_{2}, 15-25% en peso de ZrO_{2} así como hasta un 9% en peso de CaO, P_{2}O_{2}, Na_{2}O y K_{2}O, solos o en combinación.
La seguridad contra desprendimiento del material
compuesto se puede aumentar y se puede reducir el peligro de una
formación de fisuras cuando la elección del material de las capas
se lleva a cabo de tal manera que la capa que contiene C tiene un
coeficiente de dilatación térmica menor que la capa libre de C. Una
capa interior libre de C presiona de este modo contra una capa
exterior que contiene C, en sí "más elástica".
Los coeficientes de dilatación pueden al mismo
tiempo variar hasta 0,2 puntos porcentuales (absolutos). Sobre todo
se controla el peligro de desprendimiento mediante un ajuste
específico de los correspondientes grosores de capa. Para ello se
propone ajustar la relación de los grosores de pared de la
primera capa respecto de la segunda \geq 1,5 : 1, según una forma
de realización > 2 : 1.
En caso de un calentamiento preferentemente
inductivo del cuerpo compuesto se dilata primero la capa exterior
que contiene C. Por conducción térmica, la capa interior libre de C
es calentada por la capa exterior y se dilata en la capa exterior
dilatada. Al mismo tiempo, la capa exterior se puede mantener,
durante la totalidad del tiempo de utilización del cuerpo
compuesto, a la temperatura de una masa fundida correspondiente o a
una temperatura superior, para la cual se da una dilatabilidad,
ductilidad, respectivamente, elasticidad estructural de la capa
exterior. Con ello se debe deformar plásticamente la capa exterior
calentada por la capa interior que se dilata. De este modo se puede
evitar la formación de fisuras en la capa exterior. Los
coeficientes de dilatación pueden variar, con este procedimiento de
calentamiento, en hasta 0,5 puntos porcentuales (absolutos). En el
ajuste de los correspondientes grosores de capa se puede reducir la
relación de grosores de la primera capa respecto de la segunda
dependiendo de la diferencia de los coeficientes de dilatación.
Tal como se han realizado, los cuerpos compuestos
mencionados se pueden utilizar en especial en el campo de la
metalurgia secundaria y para colar aceros agresivos. De acuerdo con
esto pueden estar confeccionados por ejemplo como boquilla de
inmersión, en la cual la primera capa que contiene C discurre por
fuera y la segunda capa libre de C por dentro.
Otra confección conduce a un tapón monobloque o
una caperuza de tapón monobloque, en el/la cual la primera capa
discurre por dentro y la segunda capa por fuera.
El cuerpo compuesto puede estar confeccionado
también como vaina de distribuidor o como tubo de sombra donde, de
nuevo, la primera capa discurre por fuera y la segunda capa por
dentro.
El cuerpo compuesto presenta una resistencia a la
erosión y a la corrosión favorables y comprende con ello también
aplicaciones en la colada continua horizontal y como vaina de
sangría de un recipiente de colada.
Claims (18)
1. Cuerpo compuesto de cerámica, que se puede
endurecer, maleabilizar y/o cocer para dar un cuerpo compuesto de
cerámica resistente al fuego, formado por al menos:
- a)
- una primera capa con un material resistente al fuego, oxídico, que contiene carbono, y
- b)
- una segunda capa, aplicada sobre la primera capa, con un material resistente al fuego, oxídico, libre de carbono, unido con un aglutinante, en el que
- c)
- la primera capa que contiene carbono consta de una pieza prensada, y
- d)
- la segunda capa libre de carbono de una masa de fundición o de lubricación monolítica.
2. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, en
el que la primera capa que contiene carbono es una capa comprimida
de forma isostática.
3. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, en
el que la relación de los grosores de pared de la primera capa
respecto de la segunda capa equivale a
\geq 1,5 : 1.
\geq 1,5 : 1.
4. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, en
el que la segunda capa libre de carbono consta de un material cuyo
coeficiente de dilatación térmica es mayor que el de la primera
capa que contiene carbono.
5. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, en
el que la primera capa contiene \geq 5% en peso de
Al_{2}O_{3}, ZrO_{2}, SiO_{2}, MgO solos o en combinación
así como 10 a 40% en peso de carbono, en especial en forma de
grafito, junto a componentes oxídicos resistentes al fuego hasta un
25% en peso.
6. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, en
el que el aglutinante de la segunda capa consta de un material que
contiene fosfato, como ácido fosfórico o fosfato de monoaluminio,
una barbotina, glicol, la lejía sulfítica de desecho, cemento
resistente al fuego, vidrio soluble, SiO_{2}-Gel,
SiO_{2}-Sol o resina sintética, solos o en
mezcla.
7. Cuerpo compuesto según la reivindicación 6,
que presenta las siguientes proporciones (en % en peso) del
aglutinante referidas en cada caso a la masa total de la segunda
capa:
- -
- material que contiene fosfato: 3-7
- -
- barbotina: 10-17
- -
- glicol: 5-10
- -
- lejía sulfítica de desecho: 5-10
- -
- SiO_{2}-Sol o SiO_{2}-Gel: 3-7
- -
- vidrio soluble: 1-5
- -
- resina sintética: 0,5-2, y
- -
- cemento resistente al fuego: 1-10.
8. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, en
el que el material resistente al fuego de la segunda capa consta en
su mayoría de ZrO_{2}, mullita, mullita de circonio, óxido de
aluminio calcinado, corindón o nitruros, solos o en combinación.
9. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1, en
el que el material resistente al fuego de la segunda capa contiene
un 50-60% en peso de Al_{2}O_{3}, un
20-30% en peso de SiO_{2}, un
15-25% en peso de ZrO_{2} así como hasta un 9% en
peso de CaO, P_{2}O_{5}, Ma_{2}O y K_{2}O, solos o en
combinación.
10. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1,
en el que el material resistente al fuego contiene, para la segunda
capa, hasta un 5% en peso de nitruro de boro y silicio nitruro,
solos o en combinación.
11. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1,
en el que la primera capa que contiene carbono consta de un
material que, a temperaturas elevadas, en especial a temperaturas
> 1.000ºC, muestra deformación plástica.
12. Cuerpo compuesto según la reivindicación 11,
en el que el material para la primera capa, que contiene carbono,
contiene hasta un 3% en peso de fundente.
13. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1,
en el que la primera capa, que contiene carbono, consta hasta >
50% en peso de materiales oxídicos resistentes al fuego y la
segunda capa, libre de carbono, hasta > 80% en peso de materiales
oxídicos resistentes al fuego.
14. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1,
confeccionado como vaina de distribuidor, tubo de sombra, vaina de
sangría de un recipiente de colada, o boquilla de inmersión, donde
la primera capa, que contiene carbono, discurre por fuera y la
segunda capa, libre de carbono, por dentro.
15. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1,
confeccionado como tapón monobloque o caperuza de tapón monobloque,
en el(la) cual la primera capa, que contiene carbono,
discurre por dentro y la segunda capa, libre de carbono, discurre
por fuera.
16. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1,
en el que una primera capa exterior y una segunda interior están
ajustadas en cuanto al material de tal manera que la primera capa,
que contiene C, se dilata en caso de calentamiento inductivo y la
segunda capa, calentada por la primera capa por conducción térmica
desde la primera capa, se dilata en la primera capa dilatada.
17. Cuerpo compuesto según la reivindicación 1,
cuya pieza prensada está precocida.
18. Cuerpo compuesto cerámico resistente
al fuego que ha sido endurecido a 150-250ºC y/o
maleabilizado a 250-600º y/o cocido a 600ºC a partir
de un cuerpo compuesto, según una de las reivindicaciones 1 a
17.
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