ES2885102T3 - Material de revestimiento refractario que contiene fibras de baja biopersistencia y procedimiento de fabricación del mismo - Google Patents

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Abstract

Material de revestimiento refractario compuesto por: fibras inorgánicas de baja biopersistencia; un aglutinante orgánico; un óxido inorgánico coloidal; un compuesto que contiene sílice que comprende polvo de dióxido de silicio, cuarzo, ceniza de cáscara de arroz, ceniza de salvado de avena, ceniza de paja de trigo o una combinación de los mismos; un agente gelificante; y opcionalmente, agua.

Description

DESCRIPCIÓN
Material de revestimiento refractario que contiene fibras de baja biopersistencia y procedimiento de fabricación del mismo
La presente divulgación se refiere a materiales de revestimiento refractario que contienen fibras de baja biopersistencia para proteger una superficie o un sustrato, y a procedimientos de fabricación y uso de los mismos. Los materiales de revestimiento refractario pueden utilizarse para evitar la propagación térmica desde o hacia los equipos de manipulación de materiales fundidos u otros equipos, recipientes o conductos.
En altos hornos, acerías, fundiciones de hierro y acero y otras instalaciones, se requieren equipos tales como cucharas de colada, carros torpedos, canales de colada, artesas, moldes, hornos, hornos de recocido y otros recipientes y equipos para el transporte, procesamiento y almacenamiento de materiales fundidos o casi fundidos. Mantas, tiras, módulos, tableros o similares de aislamiento térmico resistentes a altas temperaturas pueden adherirse a las superficies interiores y/o exteriores de dichos recipientes y equipos para protegerlos contra el choque térmico, la erosión química y los daños mecánicos, así como para aumentar su eficiencia térmica general.
Se han desarrollado varios materiales de revestimiento refractario para proporcionar cierto grado de protección a los sustratos, tales como módulos aislantes que recubren la superficie interior de los hornos. Sin embargo, no se ha desarrollado ningún material que se adhiera de forma satisfactoria y proporcione protección continua a una amplia variedad de materiales, tales como metales, grafito, materiales refractarios y otros materiales aislantes a temperaturas de aproximadamente 1500 °C y superiores.
Las fibras cerámicas refractarias, también conocidas como fibras de aluminosilicato, exhiben excelentes propiedades de resistencia al calor. Sin embargo, debido a su biopersistencia relativamente alta, se han desarrollado fibras de “baja biopersistencia” para reemplazar a las fibras cerámicas refractarias.
El documento WO 2010/074711 divulga un material de revestimiento pelicular para sustratos cerámicos porosos que comprende fibra cerámica refractaria o fibra inorgánica biosoluble, un modificador de la viscosidad y un óxido inorgánico coloidal.
El documento US 2013/0331489 se refiere a una composición ignífuga intumescente, que comprende una formulación que incluye una resina, un coalescente y fibras de un tamaño predeterminado.
El documento US 2013/0090410 describe composiciones similares.
Se ha descubierto que la sustitución de las fibras cerámicas refractarias por fibras de baja biopersistencia en las composiciones de revestimiento del estado de la técnica da como resultado una fuerte fusión a aproximadamente 1200 °C. Esto se debe, en parte, al uso de cargas o agentes densificantes a base de alúmina, tal como la alúmina tabular, que se han utilizado en materiales de revestimiento convencionales. A temperaturas superiores a 1000 °C, la alúmina reacciona con la magnesia y la sílice contenidas en las fibras de baja biopersistencia para formar cordierita. La cordierita presenta una refractariedad significativamente inferior en comparación con la magnesia y la sílice. Debido a la fusión y la deformación física resultante, la cordierita no puede utilizarse a temperaturas superiores a aproximadamente 1300 °C, ni siquiera durante breves periodos de tiempo.
El eutéctico que se forma por la reacción entre las propiedades químicas de la fibra de baja biopersistencia y la alúmina disminuye la refractariedad de los materiales de revestimiento, haciéndolos inadecuados para las temperaturas de uso pretendidas de aproximadamente 1500 °C y superiores. Se ha descubierto que la sustitución de la carga o del agente densificante que contiene alúmina en el material de revestimiento por un compuesto que contiene sílice impide la formación de cordierita, proporcionando así una composición de revestimiento que tiene la temperatura de uso deseada de aproximadamente 1500 °C y superior.
Se proporciona un material de revestimiento refractario que contiene fibras inorgánicas de baja biopersistencia tal como se define en la reivindicación 1, que puede usarse en una amplia variedad de superficies y sustratos para proporcionar protección térmica y mecánica. El material de revestimiento refractario puede soportar la exposición a temperaturas de aproximadamente 1500 °C y superiores, pero las fibras contenidas en el mismo exhiben, no obstante, una baja biopersistencia en fluidos fisiológicos tales como fluido pulmonar simulado.
El material de revestimiento refractario está compuesto por
fibras inorgánicas de baja biopersistencia;
un aglutinante orgánico;
un óxido inorgánico coloidal;
un compuesto que contiene sílice que comprende polvo de dióxido de silicio, cuarzo, ceniza de cáscara de arroz, ceniza de salvado de avena, ceniza de paja de trigo, o una combinación de los mismos;
un agente gelificante; y
opcionalmente, agua.
En ciertas realizaciones, el material de revestimiento refractario es similar al cemento y puede utilizarse para revestir superficies o sustratos tales como metales, grafito, materiales refractarios y similares. Además, el material de revestimiento refractario puede utilizarse como cemento para unir sustratos que presentan las mismas o diferentes características. En determinadas realizaciones, el material de revestimiento refractario se caracteriza por una alta adhesión a varios tipos de objetos y superficies, incluso a temperaturas elevadas. El material de revestimiento refractario presenta excelentes características de aislamiento y es resistente al choque térmico.
En ciertas realizaciones, el material de revestimiento refractario se aplica a mantas, tiras, módulos, tableros, o similares, de aislamiento térmico resistentes a altas temperaturas para aumentar la resistencia a la corrosión, el desgaste y la abrasión de estos materiales de aislamiento térmico. El material de revestimiento refractario puede aplicarse sobre un material aislante existente, tal como un forro aislante, prolongando así la vida útil del material aislante existente. El material de revestimiento refractario puede aplicarse sobre módulos que aíslan tapas de cucharas de colada, tapas de artesas, hornos de recalentamiento y similares.
El material de revestimiento refractario puede aplicarse a un sustrato de sacrificio, de modo que el sustrato mismo se consuma por la elevada temperatura, permaneciendo solo el material de revestimiento, que mantendrá la forma en la que se haya formado.
En ciertas realizaciones, el material de revestimiento refractario no requiere ningún tiempo de curado y puede hacerse funcionar con independencia de las condiciones de temperatura.
El material de revestimiento refractario es fácil de fabricar, presenta una baja contracción tras la exposición a temperaturas de uso de al menos aproximadamente 1500 °C, mantiene una buena resistencia mecánica después de una exposición continuada a las temperaturas de uso, exhibe características aislantes excepcionales, es resistente al choque térmico y las fibras contenidas en el mismo exhiben baja biopersistencia en fluidos fisiológicos tales como fluido pulmonar simulado.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 presenta fotografías que muestran la reactividad y fusión de un material de revestimiento convencional que comprende un compuesto que contiene alúmina revestido sobre un sustrato cerámico refractario (un tablero formado a partir de fibras cerámicas refractarias) y un sustrato de baja biopersistencia (un tablero formado a partir de fibras Isofrax®) antes y después de ser expuesto a 1550 °C.
La Figura 2 presenta fotografías que muestran la no reactividad de una realización ilustrativa del material de revestimiento refractario revestido sobre un sustrato cerámico refractario (un tablero formado a partir de fibras cerámicas refractarias) y un sustrato de baja biopersistencia (un tablero formado a partir de fibras Isofrax®) antes y después de ser expuesto a 1550 °C.
La frase "fibras de baja biopersistencia" se refiere a fibras que son solubles o de otro modo descomponibles en un medio fisiológico o en un medio fisiológico simulado tal como fluido pulmonar simulado, soluciones salinas, soluciones salinas tamponadas o similares. La solubilidad de las fibras puede evaluarse midiendo la solubilidad de las fibras en un medio fisiológico simulado en función del tiempo. La biosolubilidad también puede estimarse observando los efectos de la implantación directa de las fibras en animales de prueba o mediante el examen de animales o seres humanos que han estado expuestos a fibras, es decir, la biopersistencia.
Un procedimiento para medir la biopersistencia de fibras en medios fisiológicos se divulga en la patente de Estados Unidos n.° 5.874.375, transferida a Unifrax I LLC (Tonawanda, Nueva York), que se incorpora al presente documento por referencia. Existen otros procedimientos adecuados para evaluar la biopersistencia de fibras inorgánicas. Según determinadas realizaciones, las fibras de baja biopersistencia exhiben una solubilidad de al menos 30 ng/cm2-h cuando se exponen como una muestra de 0,1 g a un flujo de 0,3 ml/min de fluido pulmonar simulado a 37 °C. Según otras realizaciones, las fibras de baja biopersistencia pueden exhibir una solubilidad de al menos 50 ng/cm2-h, o al menos 100 ng/cm2-h, o al menos 1000 ng/cm2-h, cuando se exponen como una muestra de 0,1 g a un flujo de 0,3 ml/min de fluido pulmonar simulado a 37 °C.
Sin limitación, ejemplos adecuados de fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles que pueden utilizarse para preparar el material de revestimiento refractario descrito en el presente documento incluyen las fibras divulgadas en las patentes de Estados Unidos n.° 6.953.757, 6.030.910, 6.025.288, 5.874.375, 5.585.312, 5.332.699, 5.714.421, 7.259.118, 7.153.796, 6.861.381, 5.955.389, 5.928.075, 5.821.183 y 5.811.360, que se incorporan al presente documento por referencia.
Las fibras inorgánicas adecuadas que pueden utilizarse para preparar el material de revestimiento refractario de baja biopersistencia incluyen, sin limitación, fibras de silicato alcalinotérreo, tales como fibras de óxido de calcio-magnesiasilicato o fibras de magnesia-silicato, fibras de óxido de calcio-aluminato, fibras de óxido de potasio-óxido de calcio aluminato, fibras de óxido de potasio-alúmina-silicato, fibras de óxido de sodio-alúmina-silicato y/o combinaciones de las mismas.
Según ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo pueden comprender el producto de fibrización de una mezcla de óxidos de magnesio y sílice. Estas fibras se denominan comúnmente fibras de magnesia-silicato. Las fibras de magnesia-silicato generalmente comprenden el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 60 a aproximadamente un 90 por ciento en peso de sílice, de más de 0 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia y, opcionalmente, un 5 por ciento en peso o menos de impurezas. Según determinadas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo comprenden el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 65 a aproximadamente un 86 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 14 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia y, opcionalmente, un 5 por ciento en peso o menos de impurezas. Según determinadas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo comprenden el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 70 a aproximadamente un 86 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 14 a aproximadamente un 30 por ciento en peso de magnesia y un 5 por ciento en peso o menos de impurezas. Las fibras de magnesia-silicato adecuadas están disponibles comercialmente de Unifrax I LLC (Tonawanda, Nueva York) bajo la marca registrada ISOFRAX. Las fibras ISOFRAX disponibles comercialmente comprenden generalmente el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 70 a aproximadamente un 80 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 18 a aproximadamente un 27 por ciento en peso de magnesia y un 4 por ciento en peso o menos de impurezas.
Según ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo comprenden el producto de fibrización de una mezcla de óxidos de calcio, magnesio y sílice. Estas fibras se denominan comúnmente fibras de óxido de calcio-magnesiasilicato. Según determinadas realizaciones, las fibras de óxido de calcio-magnesia-silicato comprenden el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 45 a aproximadamente un 90 por ciento en peso de sílice, de más de 0 a aproximadamente un 45 por ciento en peso de óxido de calcio, de más de 0 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia y un 10 por ciento en peso o menos de impurezas. Según ciertas realizaciones, las fibras de óxido de calcio-magnesia-silicato pueden comprender el producto de fibrización en una proporción de más de un 71,25 a aproximadamente un 85 por ciento en peso de sílice, de más de 0 a aproximadamente un 20 por ciento en peso de magnesia, de aproximadamente un 5 a aproximadamente un 28,75 por ciento en peso de óxido de calcio y de 0 a aproximadamente un 5 por ciento en peso de circonia.
Las fibras de óxido de calcio-magnesia-silicato útiles están disponibles comercialmente de Unifrax I LLC (Tonawanda, Nueva York) bajo la marca registrada INSULFRAX. Las fibras INSULFRAX generalmente comprenden el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 61 a aproximadamente un 67 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 27 a aproximadamente un 33 por ciento en peso de óxido de calcio y de aproximadamente un 2 a aproximadamente un 7 por ciento en peso de magnesia. Otras fibras de óxido de calcio-magnesia-silicato adecuadas están disponibles comercialmente de Thermal Ceramics (Augusta, Georgia) bajo las denominaciones comerciales SUPERWOOL 607, SUPERWOOL 607 MAX y SUPERWOOL HT. Las fibras SUPERWOOL 607 comprenden de aproximadamente un 60 a aproximadamente un 70 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 25 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de óxido de calcio, de aproximadamente un 4 a aproximadamente un 7 por ciento en peso de magnesia y trazas de alúmina. Las fibras SUPERWOOL 607 MAX comprenden de aproximadamente un 60 a aproximadamente un 70 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 16 a aproximadamente un 22 por ciento en peso de óxido de calcio y de aproximadamente un 12 a aproximadamente un 19 por ciento en peso de magnesia y trazas de alúmina. Las fibras SUPERWOOL HT comprenden aproximadamente un 74 por ciento en peso de sílice, aproximadamente un 24 por ciento en peso de óxido de calcio y trazas de magnesia, alúmina y óxido de hierro.
Según ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo comprenden el producto de fibrización de una mezcla de óxidos de calcio y aluminio. Según determinadas realizaciones, al menos un 90 por ciento en peso de las fibras de óxido de calcio-aluminato comprenden el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 50 a aproximadamente un 80 por ciento en peso de óxido de calcio, de aproximadamente un 20 a menos de un 50 por ciento en peso de alúmina y un 10 por ciento en peso o menos de impurezas. Según otras realizaciones, al menos un 90 por ciento en peso de las fibras de óxido de calcio-aluminato comprenden el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 50 a aproximadamente un 80 por ciento en peso de alúmina, de aproximadamente un 20 a menos de un 50 por ciento en peso de óxido de calcio y un 10 por ciento en peso o menos de impurezas. Según determinadas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles pueden comprender el producto de fibrización de una mezcla de óxidos de potasio, calcio y aluminio. Según ciertas realizaciones, las fibras de óxido de potasio-óxido de calcio-aluminato comprenden el producto de fibrización en una proporción de aproximadamente un 10 a aproximadamente un 50 por ciento en peso de óxido de calcio, de aproximadamente un 50 a aproximadamente un 90 por ciento en peso de alúmina, de más de 0 a aproximadamente un 10 por ciento en peso de óxido de potasio y un 10 por ciento en peso o menos de impurezas.
Según ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles pueden comprender el producto de fibrización de una mezcla de óxidos de uno o más componentes alcalinotérreos, sílice y otros óxidos. Los ejemplos incluyen el producto de fibrización de sílice y magnesia; o de sílice y óxido de calcio; o de sílice, magnesia y óxido de calcio; junto con óxido de litio. Otros ejemplos incluyen el producto de fibrización de sílice y magnesia con componentes de óxido tales como óxido de estroncio, óxido de litio y óxido de estroncio u óxidos de hierro. Tales fibras pueden incluir un modificador de la viscosidad tal como alúmina y/u óxido de boro.
Según ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles pueden comprender el producto de fibrización de una mezcla de óxidos de magnesio, silicio, litio y estroncio. Según ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles comprenden de aproximadamente un 65 a aproximadamente un 86 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 14 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia, óxido de litio y óxido de estroncio. Según ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles comprenden de aproximadamente un 65 a aproximadamente un 86 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 14 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia, de más de 0 a aproximadamente un 1 por ciento en peso de óxido de litio y de más de 0 a aproximadamente un 5 por ciento en peso de óxido de estroncio.
Según determinadas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles pueden comprender el producto de fibrización de sílice, magnesia y hasta aproximadamente un 1 por ciento en peso de óxido de litio. De acuerdo con ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles comprenden de aproximadamente un 65 a aproximadamente un 86 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 14 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia y de más de 0 a aproximadamente un 0,45 por ciento en peso de óxido de litio. De acuerdo con ciertas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles comprenden de aproximadamente un 65 a aproximadamente un 86 por ciento en peso de sílice, de aproximadamente un 14 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia y de más de 0 a aproximadamente un 5 por ciento en peso de óxido de estroncio. Según determinadas realizaciones, las fibras de silicato alcalinotérreo biosolubles comprenden aproximadamente un 70 o más por ciento en peso de sílice, magnesia y más de 0 a aproximadamente un 10 por ciento en peso de óxido de hierro.
Las fibras inorgánicas pueden acortarse picándolas o cortándolas. Las fibras se pueden picar utilizando cualquier procedimiento de picado o corte adecuado, por ejemplo, troquelado, guillotinado y/o corte por chorro de agua. Las fibras inorgánicas pueden picarse o cortarse en el procedimiento de fabricación de fibras cuando las fibras tienen direccionalidad o son laminares, en lugar de estar dispuestas de forma aleatoria. En determinadas realizaciones, las fibras inorgánicas pueden ser fibras sopladas por fusión, fibras hiladas por fusión, fibras extruidas por fusión y/o fibras hiladas viscosas.
El material de revestimiento refractario también incluye un aglutinante orgánico. Según ciertas realizaciones, el material de revestimiento refractario incluye uno o más aglutinantes orgánicos. Los ejemplos de aglutinantes orgánicos adecuados incluyen, pero no se limitan a, resinas naturales, resinas sintéticas o almidón. El aglutinante orgánico puede comprender un polímero de alto peso molecular que imparte plasticidad al material de revestimiento y aumenta la resistencia del material una vez seco. Sin limitación, la poliacrilamida es un polímero de alto peso molecular adecuado que puede usarse en el material de revestimiento refractario.
El material de revestimiento refractario incluye al menos un óxido inorgánico coloidal. Sin limitación, los óxidos inorgánicos coloidales adecuados incluyen una solución de óxido metálico coloidal, tal como sílice coloidal, circonia coloidal, titania coloidal, ceria coloidal, itria coloidal y/o combinaciones de las mismas. En este contexto, el término "solución" pretende incluir suspensiones o dispersiones que contienen óxidos inorgánicos coloidales.
La composición de la solución de óxido inorgánico coloidal puede comprender de aproximadamente un 30 al 100 % en peso de óxido inorgánico coloidal. En determinadas realizaciones, la solución de óxido inorgánico coloidal puede comprender de aproximadamente un 50 a aproximadamente un 90 % de óxido inorgánico coloidal. En otras realizaciones, de aproximadamente un 80 al 100 % de óxido inorgánico coloidal, tal como sílice coloidal y/o circonia coloidal. Pueden utilizarse formulaciones comercialmente disponibles del óxido inorgánico coloidal tal como, a título ilustrativo y no limitativo, sílice coloidal NALCO, que comprende un 40 % de sólidos, disponible de Nalco Company (Naperville, Illinois). Sin embargo, también pueden utilizarse otros grados de óxidos inorgánicos coloidales, tales como un contenido de sólidos del 30 % o menos o, de manera alternativa, un contenido de sólidos superior al 40%.
El material de revestimiento refractario incluye un agente gelificante y agua en una cantidad suficiente para solubilizar el agente gelificante. Los componentes del agente gelificante pueden incluir sales u óxidos inorgánicos que favorecen el fraguado o la gelificación del óxido inorgánico coloidal, por ejemplo, en el caso de la sílice coloidal, tal como acetato de amonio, cloruro de calcio, cloruro de magnesio, óxido de magnesio y similares, y/o un ácido, tal como ácido acético, ácido clorhídrico, ácido fosfórico y similares.
En determinadas realizaciones, el agente gelificante, tal como el cloruro de magnesio, puede introducirse bien como un sólido o como una solución acuosa. El cloruro de magnesia puede ser una solución acuosa fuerte que contenga, por ejemplo, un 28 % de MgCh. El cloruro de magnesio puede ser cualquier grado comercial de cloruro de magnesio. El uso de este material como solución favorece la mezcla uniforme con los otros componentes de la composición de revestimiento refractario y produce un revestimiento más adherente.
El material de revestimiento refractario puede incluir, además, un compuesto que contiene sílice, distinto de la sílice coloidal, incluso en la realización en la que se utiliza sílice coloidal. El compuesto "secundario" que contiene sílice comprende polvo de dióxido de silicio, cuarzo, ceniza de cáscara de arroz, ceniza de salvado de avena, ceniza de paja de trigo y/o combinaciones de los mismos. La ceniza de cáscara de arroz adecuada está disponible comercialmente de Rice Chemistry Inc., bajo la denominación Ricesil 100. El polvo de dióxido de silicio puede tener un tamaño de grano medio de entre aproximadamente 50 y aproximadamente 200 |jm. El compuesto secundario que contiene sílice imparte propiedades de resistencia al calor similares a las de la alúmina, pero, a diferencia de la alúmina, no reacciona con la magnesia y la sílice para formar la cordierita que disminuye la resistencia al calor y la refractariedad del material de revestimiento.
Con fines ilustrativos pero no limitativos, el material de revestimiento refractario puede prepararse a partir de una solución o suspensión acuosa de aproximadamente un 3 a aproximadamente un 60 % de fibras inorgánicas de baja biopersistencia, opcionalmente de aproximadamente un 12 a aproximadamente un 25 %; de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 6,5 % de aglutinante orgánico, opcionalmente de aproximadamente un 0,3 a aproximadamente un 2,5 %; de aproximadamente un 5 a aproximadamente un 50 % de un aglutinante inorgánico tal como sílice coloidal y/o circonia coloidal, opcionalmente de aproximadamente un 10 a aproximadamente un 25 %; de aproximadamente un 5 a aproximadamente un 65 % de un compuesto adicional que contiene sílice tal como cuarzo, polvo de dióxido de silicio, sílice amorfa biogénica y/o combinaciones de los mismos, opcionalmente de aproximadamente un 15 a aproximadamente un 30 % de agente gelificante y de aproximadamente un 5 a aproximadamente un 65 % de agua, opcionalmente de aproximadamente un 27 a aproximadamente un 35 %.
Sobre una base de peso seco, el material de revestimiento refractario puede comprender de aproximadamente un 5 a aproximadamente un 70 % de fibras inorgánicas de baja biopersistencia, opcionalmente de aproximadamente un 27 a aproximadamente un 42 %; de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 7,5 % de aglutinante orgánico, opcionalmente de aproximadamente un 1 a aproximadamente un 3,5 %; de aproximadamente un 2 a aproximadamente un 50 % de óxido inorgánico coloidal tal como sílice coloidal y/o circonia coloidal, opcionalmente de aproximadamente un 7 a aproximadamente un 25 %; de aproximadamente un 30 a aproximadamente un 85 % de un compuesto adicional que contiene sílice, tal como cuarzo, polvo de dióxido de silicio, sílice amorfa biogénica y/o combinaciones de los mismos, opcionalmente de aproximadamente un 40 a aproximadamente un 55 %, y un agente gelificante.
En determinadas realizaciones, el procedimiento de fabricación del material de revestimiento refractario incluye mezclar una suspensión acuosa de fibras inorgánicas de baja biopersistencia con al menos un aglutinante orgánico, al menos un óxido inorgánico coloidal, tal como sílice coloidal y/o circonia coloidal, el al menos un compuesto secundario que contiene sílice y un agente gelificante. El espesor del material de revestimiento refractario puede ser de aproximadamente 0,1 a 3 milímetros, opcionalmente de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 1,0 milímetros. El espesor se puede controlar según la aplicación.
En ciertas realizaciones, el procedimiento de uso del material de revestimiento refractario comprende revestir el material sobre una superficie o sustrato, tal como una manta o tablero resistente a altas temperaturas, secar en un horno y, si se desea, cortar la manta o el tablero seco al tamaño final. En determinadas realizaciones, el material de revestimiento refractario se aplica con llana sobre un sustrato y se seca al aire, con o sin calentamiento.
La cantidad de agua añadida al material de revestimiento refractario antes de la aplicación a la superficie o al sustrato se determina por la forma en que se va a aplicar a la superficie o al sustrato y el espesor deseado del revestimiento. Así, un revestimiento fino que se aplique por pulverización requerirá más agua para producir una mezcla menos viscosa de la que sería satisfactoria para aplicar un revestimiento grueso y pesado por inmersión, cepillado, llana, pistola o moldeado. En determinadas realizaciones, la formulación de material de revestimiento refractario comprende de aproximadamente un 20 a un 40 % de agua. Dependiendo del procedimiento de aplicación, el material de revestimiento puede diluirse aún más con agua.
En determinadas realizaciones, la superficie o el sustrato que entra en contacto con el material de revestimiento refractario se seca a una temperatura que oscila de aproximadamente 80 °C a aproximadamente 150 °C durante un periodo tiempo que oscila de aproximadamente 2 a aproximadamente 6 minutos. En otra realización más, el sustrato revestido con el material de revestimiento refractario se seca a una temperatura que oscila de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 350 °C, durante un periodo de tiempo que oscila de aproximadamente 10 minutos a aproximadamente 1 hora. El secado en horno es un medio para efectuar un curado rápido. En determinadas realizaciones, el curado a alta temperatura puede efectuarse en condiciones de secado "instantáneo". El curado a temperatura ambiente es igualmente efectivo, pero requiere periodos de tiempo más largos. El material de revestimiento refractario podrá aplicarse fácilmente, se endurecerá rápidamente y adquirirá todas sus funcionalidades sin necesidad de ser sometido a un complejo procedimiento de curado.
Con fines ilustrativos y no limitativos, las superficies o los sustratos que pueden entrar en contacto con el material de revestimiento refractario que contiene fibras de baja biopersistencia pueden comprender mantas resistentes a altas temperaturas o tableros compuestos de fibras de silicato alcalinotérreo (SAT), como las disponibles de Unifrax I LLC (Tonawanda, Nueva York) bajo la marca ISOFRAX y fibras cerámicas de alta temperatura, como las fibras con alto contenido de alúmina, tales como las disponibles de Unifrax I LLC (Tonawanda, Nueva York) bajo la marca FIBERFRAX y los productos DURABOARD. Las fibras inorgánicas de baja biopersistencia reaccionan con el compuesto secundario que contiene sílice en el material de revestimiento refractario antes de ser aplicadas a la superficie o al sustrato deseado. Por lo tanto, las fibras inorgánicas de baja biopersistencia en el material de revestimiento no reaccionan con las superficies o los sustratos que contienen alúmina sobre los que entra en contacto en una medida sustancial.
El material de revestimiento refractario puede aplicarse a superficies o sustratos tales como metales, grafito, materiales refractarios y similares. A título ilustrativo, pero no limitativo, el material de revestimiento refractario puede aplicarse a cucharas o artesas de colada que se utilizan en el transporte de metal fundido, conductos de chimeneas y gas caliente y revestimientos de hornos. En determinadas realizaciones, el material de revestimiento refractario se utiliza sobre módulos de fibra cerámica, moldes y ladrillos refractarios a temperaturas de aproximadamente 1500 °C y superiores. El material de revestimiento refractario puede aplicarse sobre un aislamiento de fibra cerámica para formar una superficie que presenta una baja conductividad térmica, es altamente resistente a la abrasión, al choque térmico y a la incidencia de llama, y exhibe una contracción mínima a las temperaturas de funcionamiento. Al calentarse, el material de revestimiento refractario forma una unión cerámica, proporcionando una fuerte adhesión a la superficie o al sustrato sobre el que se aplica.
En determinadas realizaciones, el material de revestimiento refractario se aplica con llana, pistola o de otro modo a un material aislante existente, tal como una manta de fibra cerámica, un módulo o similar. El material de revestimiento refractario puede ser pulverizado, aplicado con llana, por inmersión, cepillado, vertido, pistola, moldeado, inyección o por cualquier otro medio a una superficie o un sustrato, y luego puede permanecer sustancialmente en la superficie exterior de la superficie o el sustrato, penetrar parcial o totalmente en el espesor de la superficie o del sustrato, o ambos.
El grado de penetración depende de la porosidad de la superficie y de la viscosidad del material de revestimiento refractario. Cuando el material de revestimiento refractario se aplica sobre una superficie o un sustrato, solo la parte líquida, tal como la sílice coloidal, penetrará en la superficie o el sustrato. Para determinadas aplicaciones, el uso de anclajes mecánicos, tal como la formación de agujeros en la superficie o el sustrato y su relleno con el material de revestimiento refractario, proporciona un efecto de anclaje mejorado.
La aplicación del material de revestimiento refractario a los sistemas de recubrimiento de fibra cerámica proporciona una mayor resistencia a la abrasión y durabilidad, protege la fibra subyacente de la contracción y/o el ataque químico, minimiza la pérdida de calor a través de las grietas en el aislamiento, aumenta la resistencia a la velocidad del viento y mejora la reflectancia del calor y la eficiencia energética.
La aplicación del material de revestimiento refractario a superficies refractarias duras proporciona una mayor protección frente al choque térmico y una mayor resistencia a la abrasión y durabilidad, minimiza la pérdida de calor, prolonga la vida útil del material refractario y aumenta la reflectancia del calor y la eficiencia energética.
EJEMPLO 1
La Tabla 1 muestra la reactividad en realizaciones ilustrativas del material de revestimiento refractario que comprenden polvo de SiO2 (Prueba 1) y RiceSil, que se refiere a la ceniza de cáscara de arroz, (Prueba 2) como compuesto secundario que contiene sílice, en comparación con la reactividad de los materiales de revestimiento refractario convencionales que contienen compuestos de AL-20 que contienen alúmina, que se refiere a alúmina coloidal, y AhO3 (Prueba 3) y a L-20 solo (Prueba 4). Los materiales se analizaron como una masa solo y también como un revestimiento sobre un sustrato de tablero Isofrax®, excepto por la Prueba 2, que no se analizó como revestimiento.
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Estos resultados muestran claramente que los materiales de revestimiento refractario convencionales que comprenden un compuesto que contiene alúmina se fundieron de forma considerable, mientras que las realizaciones ilustrativas del material de revestimiento refractario permanecieron intactas con poca o ninguna contracción. La sustitución de un compuesto que contiene alúmina por al menos un compuesto secundario que contiene sílice en el material de revestimiento refractario impide la formación de cordierita, proporcionando así un material de revestimiento refractario que tiene la temperatura de uso deseada de aproximadamente 1500 °C y más.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Material de revestimiento refractario compuesto por:
fibras inorgánicas de baja biopersistencia;
un aglutinante orgánico;
un óxido inorgánico coloidal;
un compuesto que contiene sílice que comprende polvo de dióxido de silicio, cuarzo, ceniza de cáscara de arroz, ceniza de salvado de avena, ceniza de paja de trigo o una combinación de los mismos;
un agente gelificante; y
opcionalmente, agua.
2. El material de revestimiento refractario según la reivindicación 1, en el que las fibras inorgánicas de baja biopersistencia están presentes en una cantidad de aproximadamente un 5 a aproximadamente un 70 por ciento en peso, el aglutinante orgánico está presente en una cantidad de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 7,5 por ciento en peso, el óxido inorgánico coloidal está presente en una cantidad de aproximadamente un 2 a aproximadamente un 50 por ciento en peso y el compuesto que contiene sílice está presente en una cantidad de aproximadamente un 30 a aproximadamente un 85 por ciento en peso.
3. El material de revestimiento refractario según la reivindicación 2, en el que las fibras inorgánicas de baja biopersistencia están presentes en una cantidad de aproximadamente un 27 a aproximadamente un 42 por ciento en peso, el aglutinante orgánico está presente en una cantidad de aproximadamente un 1,0 a aproximadamente un 3,5 por ciento en peso, el óxido inorgánico coloidal está presente en una cantidad de aproximadamente un 7 a aproximadamente un 25 por ciento en peso y el compuesto que contiene sílice está presente en una cantidad de aproximadamente un 40 a aproximadamente un 55 por ciento en peso.
4. El material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que las fibras inorgánicas de baja biopersistencia comprenden fibras de magnesia-silicato que comprenden un producto de fibrización en una proporción de al menos aproximadamente un 60 a aproximadamente un 90 por ciento en peso de sílice y de más de 0 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia.
5. El material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que las fibras inorgánicas de baja biopersistencia comprenden fibras de óxido de calcio-magnesia-silicato que comprenden un producto de fibrización en una proporción de al menos aproximadamente un 45 a aproximadamente un 90 por ciento en peso de sílice, de más de 0 a aproximadamente un 45 por ciento en peso de óxido de calcio y de más de 0 a aproximadamente un 35 por ciento en peso de magnesia.
6. El material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que el óxido inorgánico coloidal comprende sílice coloidal, circonia coloidal, titania coloidal, ceria coloidal, itria coloidal y/o combinaciones de las mismas.
7. El material de revestimiento refractario según la reivindicación 6, en el que el óxido inorgánico coloidal comprende sílice coloidal.
8. El material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que el aglutinante orgánico comprende resinas naturales, resinas sintéticas, almidón y/o combinaciones de los mismos.
9. El material de revestimiento refractario según la reivindicación 8, en el que el aglutinante orgánico comprende un polímero que contiene poliacrilamida.
10. El material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que las fibras inorgánicas de baja biopersistencia comprenden fibras de óxido de calcio-magnesia-silicato, fibras de magnesiasilicato, fibras de óxido de calcio-aluminato, fibras de óxido de potasio-óxido de calcio-aluminato, fibras de óxido de potasio-alúmina-silicato, fibras de óxido de sodio-alúmina-silicato o combinaciones de las mismas.
11. El material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que el agente gelificante comprende acetato de amonio, cloruro de calcio, cloruro de magnesio, óxido de magnesio, ácido acético, ácido clorhídrico, ácido fosfórico o una combinación de los mismos.
12. El material de revestimiento refractario según la reivindicación 11, en el que el agente gelificante comprende cloruro de magnesio.
13. Procedimiento de fabricación del material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-12, que comprende preparar una suspensión acuosa mezclando el agua con la composición formada por las fibras inorgánicas de baja biopersistencia, el aglutinante orgánico, el óxido inorgánico coloidal, el compuesto que contiene sílice y el agente gelificante.
14. Procedimiento de uso del material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-12, que comprende revestir una superficie o un sustrato con el material de revestimiento refractario según una cualquiera de las reivindicaciones 1-12.
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