Fallo del material fundido para el stock del tuyere: mecanismo de desgaste y TDS | YK Chanshine

Blast furnace tuyere stock refractory castable failure analysis and TDS specification guide - YK Chanshine

Por Jack Xing, director técnico de ventas de YK Chanshine · Refractarios para altos hornos ·

Cubierta de material refractario para el soporte de la tobera de un alto horno: mecanismo de desgaste, prueba de escoria y datos de resistencia
Cubierta de material refractario para el soporte de la tobera de un alto horno

Los operadores de altos hornos están utilizando un gas de combustión más caliente, a mayor presión, con más oxígeno y más carbón pulverizado. Cada parte del sistema de suministro del gas caliente soporta una mayor carga, y el soporte de la tobera es el que más la sufre. Cuando un soporte de tobera se enrojece o se perfora, el horno debe apagarse o funcionar a menor capacidad.

Este artículo analiza en detalle el fallo del material refractario para el soporte de la tobera en la práctica de los altos hornos chinos. Identifica la caída de resistencia a temperaturas intermedias que permite el ataque de la escoria, reproduce el fallo mediante XRD y SEM, y destaca las especificaciones que los compradores deberían incluir en la orden de compra de un material refractario.

Principales conclusiones del análisis de fallo:

  • El material es un refractario de Al₂O₃-SiO₂ ligado con cemento de aluminato de calcio. A 1100-1200 °C, la resistencia a la compresión en frío disminuye aproximadamente un 47 % y la porosidad aparente aumenta.
  • La escoria del alto horno ataca esta estructura debilitada: el Ca y el Mg migran al refractario y forman gehlenita (Ca₂Al₂SiO₇) y MgSiO₃ de bajo punto de fusión.
  • El ataque se agrava por materias primas sin mullitizar, cuarzo libre y Fe₂O₃ procedente de la escoria de hierro.
  • Tres medidas correctoras: materias primas más puras, andalusita/cianita para compensar la contracción y un 3-6 % en peso de arcilla blanda para reducir la temperatura de sinterización.

Por qué falla el refractario del soporte de la tobera

Condiciones de funcionamiento

La alta temperatura del gas de combustión, la alta presión del gas, el enriquecimiento con oxígeno y la inyección intensiva de carbón pulverizado someten al sistema de suministro de gas a una mayor carga. Aumentan las probabilidades de agrietamiento, colapso y perforación de los componentes del sistema. El soporte de la tobera es la pieza más expuesta. El refrigerador de la tobera deja poco espacio, por lo que el cuerpo del tubo es estrecho y la capa refractaria es fina, a pesar de la severidad del servicio.

Causas reportadas del enrojecimiento y la perforación

Las principales causas citadas en el estudio son:

  • espacio en la junta de la brida: fuga de gas en la superficie de contacto y sobrecalentamiento del cuerpo del tubo
  • calidad del refractario: baja resistencia al choque térmico, baja resistencia en caliente o escasa resistencia a la escoria
  • desgaste de la lanza de carbón pulverizado: la alta velocidad del gas y la abrasión del carbón adelgazan el revestimiento
  • colapso del material de la pared del horno: la carga cae sobre el tubo de soplado y lo daña mecánicamente

Dos casos reportados

Liugang

La investigación concluyó que la mala calidad del refractario era la principal razón por la que el soporte de la tobera se quemaba. La planta mejoró la calidad del refractario y el método de fabricación del soporte de la tobera. El enrojecimiento y la perforación cesaron, y la calidad y la vida útil aumentaron.

Shougang

Se produjo una perforación en un tubo de soplado que había estado en servicio durante mucho tiempo y había pasado por numerosas purgas. Las grandes oscilaciones de temperatura agrietaron el revestimiento entre la camisa de agua frontal y el cuerpo del tubo. El gas de combustión rico en oxígeno quemó el revestimiento por la parte delantera. La planta analizó el refractario para comprobar su calidad y supervisar el uso del soporte de la tobera.

Análisis del rendimiento del refractario del soporte de la tobera

Muestreo

Se tomaron muestras tanto de refractario usado (del soporte fallido) como de refractario nuevo para su análisis. Las fotografías de las muestras usadas y nuevas se muestran en la figura después de la Tabla 2.

Composición química: refractario nuevo frente al usado

Tabla 1. Análisis químico del refractario del soporte de la tobera, % en peso

Muestra SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO TiO₂ K₂O Na₂O ZnO S
Nuevo 42.14 49.69 1.36 3.92 0.60 0.63 0.46 0.32 0.001 0.018
Usado 42.19 49.54 2.10 3.66 0.58 0.86 0.29 0.22 0.004 0.006

Ambos son materiales de Al₂O₃-SiO₂ y los óxidos principales apenas cambiaron durante el servicio. El Fe₂O₃ es mayor en la muestra usada, lo que los autores atribuyen a la presencia de escoria de hierro mezclada. El CaO de aproximadamente un 3,9 % en el refractario nuevo es coherente con el uso de cemento de aluminato de calcio como ligante, lo que concuerda con la posterior identificación del ligante realizada por los autores.

Propiedades físicas del refractario nuevo

Tabla 2. Resistencia a la compresión en frío del refractario nuevo de las dos plantas

Planta Tratamiento térmico Resistencia a la compresión en frío, MPa
Planta A (Shougang) 110 °C × 24 h 18.5
Planta A (Shougang) 1200 °C × 3 h 9.80
Planta B (Liugang) 110 °C × 24 h 30.0
Muestras usadas y nuevas de refractario para el soporte de la tobera con datos de composición química y resistencia a la compresión en frío
Refractario usado y nuevo para el soporte de la tobera

El refractario de la planta A tenía una densidad aparente y una resistencia en frío menores que el de la planta B. Tras el tratamiento de 1200 °C × 3 h, la resistencia en frío de la planta A disminuyó de 18,5 MPa a 9,80 MPa, una caída de aproximadamente el 47 %. Los autores indican que la porosidad aparente aumentó claramente tras el tratamiento a 1200 °C, por lo que la estructura se debilitó.

Bajo una alta velocidad del gas y altas temperaturas, un revestimiento débil se desgasta más rápido y puede desprenderse.

Resistencia a la escoria del refractario nuevo

Los autores utilizaron una prueba estática en crisol para simular el efecto de la escoria del alto horno sobre el refractario nuevo a temperatura. La composición de la escoria fue:

Tabla 3. Composición de la escoria del alto horno utilizada en la prueba, % en peso

SiO₂ CaO MgO Al₂O₃ TiO₂ FeO
34.42 41.22 7.32 14.04 1.21 0.43
Prueba de escoria en crisol del refractario para el soporte de la tobera a 1500 °C: fotografías de las muestras y cambio de dimensiones de la cavidad
Prueba de escoria en crisol del refractario para el soporte de la tobera a 1500 °C

XRD de la muestra sometida a la prueba de escoria

Se analizó la muestra 1 mediante XRD en cuatro zonas: la escoria, los granos blancos del agregado, la matriz amarilla y la matriz negra.

Tabla 4. Principales fases de la muestra 1 según la zona

Zona Aspecto Principales fases minerales
Escoria Capa adherida de escoria Gehlenita, melilita, fase vítrea
Agregado Granos blancos Mullita, corindón, trazas de cristobalita
Matriz (amarilla) Zona de reacción Gehlenita, anortita, mullita
Matriz (negra) Refractario sin alterar Mullita, corindón, hidratos de cemento
XRD y SEM del refractario para el soporte de la tobera tras la prueba de escoria del alto horno, que muestran gehlenita y MgSiO₃ en la interfaz con la escoria
XRD y SEM del refractario para el soporte de la tobera tras la prueba de escoria del alto horno

SEM en la interfaz entre la escoria y el refractario

El examen mediante SEM de la frontera entre la escoria y el refractario mostró concentraciones más elevadas de calcio y magnesio en el lado refractario. El Ca y el Mg de la escoria habían migrado al refractario. Reaccionan con el Al₂O₃ y el SiO₂ de la matriz y forman gehlenita (Ca₂Al₂SiO₇) y MgSiO₃. Ese es el ataque. Conclusión general de los autores sobre la prueba de escoria: escasa resistencia a la escoria y fácil ataque por la escoria del alto horno.

Refractario usado: XRD y SEM

XRD en seis zonas

Se analizaron seis zonas representativas del refractario usado. La zona 1 se encuentra en la interfaz entre la escoria y el refractario.

Tabla 5. Principales fases minerales del refractario usado para el soporte de la tobera

Zona Descripción Fases identificadas
1 Interfaz entre la escoria y el refractario Gehlenita, fases ricas en hierro, melilita
2 Matriz cercana a la superficie (0-5 mm) Gehlenita, mullita, anortita
3 Zona intermedia (5-15 mm) Mullita, corindón, gehlenita
4 Matriz del núcleo (15-30 mm) Mullita, corindón, trazas de cuarzo
5 Agregado grueso Mullita, corindón
6 Frente frío de soporte Mullita, fases de deshidratación del cemento
XRD, SEM y EDS del refractario usado para el soporte de la tobera según la distancia desde la superficie de la escoria
XRD, SEM y EDS del refractario usado para el soporte de la tobera

SEM-EDS según la distancia desde la superficie de la escoria

Se analizaron puntos desde la escoria adherida hacia el interior del refractario. La superficie de la escoria se considera a 0 mm.

Tabla 6. Análisis EDS del refractario usado desde la superficie de la escoria hacia el interior, % en peso

Distancia Al₂O₃ SiO₂ CaO Fe₂O₃ MgO
0 mm (superficie de la escoria) 18.4 31.2 38.1 6.2 6.1
2 mm (capa de reacción) 36.5 35.8 19.4 4.5 3.8
5 mm (zona penetrada) 45.2 39.1 8.6 3.9 1.2
15 mm (zona sin alteraciones) 49.4 42.0 3.8 2.1 0.6

Mecanismo de desgaste del refractario para el soporte de la tobera

Mecanismo de desgaste del refractario de mullita ligado con cemento en un soporte de tobera: caída de resistencia a 900-1200 °C y secuencia de ataque de la escoria
Mecanismo de desgaste del refractario de mullita ligado con cemento en un soporte de tobera

Por qué el intervalo de 900-1200 °C es el punto débil

A partir de las propiedades y de los resultados de XRD y SEM, los autores identifican el material como un refractario de mullita ligado con cemento de aluminato de calcio.

A 1100-1200 °C, los enlaces de hidratos de cemento se han descompuesto, pero la sinterización cerámica apenas ha comenzado. La estructura presenta su menor resistencia y mayor debilidad. Coincidentemente, esa es la temperatura de funcionamiento del revestimiento del soporte de la tobera.

Secuencia de fallo durante el servicio

  1. El revestimiento pierde resistencia y aumenta su porosidad en su intervalo de funcionamiento.
  2. El Ca y el Fe de la escoria penetran en la estructura abierta.
  3. Reaccionan con el Al₂O₃ y el SiO₂ de la matriz para formar gehlenita, MgSiO₃ y otros compuestos de bajo punto de fusión.
  4. El uso de materias primas sin mullitizar completamente agrava la situación.
  5. La velocidad del gas y la temperatura desgastan el revestimiento debilitado.

Cómo solucionarlo: tres medidas

Tres soluciones para la resistencia a temperaturas intermedias del refractario para el soporte de la tobera: materias primas más puras, expansión de andalusita o cianita y aditivo de sinterización de arcilla blanda
Tres soluciones para la resistencia a temperaturas intermedias del refractario para el soporte de la tobera

1. Aumentar la calidad de las materias primas

Reducir las impurezas, especialmente los metales alcalinos, que dañan los enlaces de cemento de aluminato de calcio.

2. Añadir andalusita o cianita

Estos materiales se expanden durante la mullitización, lo que compensa la contracción y la pérdida de resistencia a temperaturas intermedias. El resultado es un refractario con microexpansión.

3. Añadir un aditivo de sinterización

Se da como ejemplo una arcilla blanda del 3 al 6 % en peso. El material refractario fundible se sinteriza entonces a una temperatura más baja, lo que evita o suaviza el violento cambio de estructura y aumenta la resistencia a temperaturas intermedias.

Qué incluir en la ficha técnica de un material refractario fundible para stock de tobera

Tabla 7. Parámetros recomendados a especificar al comprar material refractario fundible para stock de tobera

Parámetro Condición de ensayo Valor objetivo
Contenido de Al₂O₃ FRX / química húmeda ≥ 50,0 %
Contenido de Fe₂O₃ FRX / química húmeda ≤ 1,2 %
Resistencia a la compresión en frío 110 °C × 24 h ≥ 30,0 MPa
Resistencia a la compresión en frío (temperatura intermedia) 1200 °C × 3 h ≥ 18,0 MPa (caída ≤ 40 %)
Cambio lineal permanente 1200 °C × 3 h 0,0 a +0,4 % (microexpansión)
Índice de resistencia a la escoria Ensayo en crisol, 1500 °C × 3 h Profundidad de erosión ≤ 3,0 mm

Lista de verificación para compradores y datos de solicitud de cotización

Qué solicitar a su proveedor

  • Resistencia a la compresión en frío después de 110 °C y después de 1200 °C
  • Cambio lineal permanente a 1200 °C
  • Fuente del agregado (mullita sinterizada, mullita fundida o andalusita)
  • Tipo de aglutinante y contenido de CaO

Qué enviarnos para obtener una recomendación

Para obtener una recomendación, envíe esta información a sales@ykchansh sunshine.com o utilice nuestra página de contacto:

  • volumen del alto horno, temperatura del aire caliente y enriquecimiento con oxígeno
  • dibujo del stock de tobera y espesor del revestimiento
  • ficha técnica del material refractario fundible actual y fotografías de fallas
  • número de soplos por mes
  • cantidad anual objetivo y puerto

Conclusiones

  1. La caída de resistencia entre 1100 y 1200 °C es la causa raíz de la falla del material refractario fundible del stock de tobera.
  2. La escoria del alto horno penetra en esta matriz porosa y forma gehlenita de bajo punto de fusión.
  3. Los aditivos de microexpansión (andalusita/cianita) y los auxiliares de sinterización eliminan eficazmente el valle de resistencia.

Preguntas frecuentes (FAQ): Material refractario fundible para stock de tobera de alto horno

¿Qué es un stock de tobera de alto horno?

Es el tubo de soplado que transporta el aire caliente desde el principal hasta el enfriador de tobera. Tiene un cuerpo de acero delgado y un revestimiento refractario delgado.

¿Por qué un stock de tobera se pone rojo o se perfora?

Las causas reportadas son fugas de aire caliente en la superficie de contacto, mala calidad del material refractario fundible, desgaste excesivo de la lanza de carbón y desprendimiento de material de la pared del horno. Los soplos repetidos también pueden agrietar el revestimiento cerca de la camisa de agua frontal.

¿Por qué el material refractario fundible con aglutinante de cemento es débil entre 1100 y 1200 °C?

Para entonces, los enlaces de hidrato han desaparecido y los enlaces cerámicos aún no se han formado. La estructura se afloja y se contrae, por lo que la resistencia disminuye. Un stock de tobera opera en ese rango.

¿Qué efecto tienen la andalusita o la cianita en un material refractario fundible para stock de tobera?

Estos minerales se expanden cuando se transforman en mullita. La expansión compensa la contracción del enlace de cemento y da como resultado un material refractario fundible de microexpansión.

¿Cuánta arcilla blanda se añade como auxiliar de sinterización?

El estudio sugiere entre un 3 y un 6 % en peso. Ayuda a que el material refractario fundible se sinterice a una temperatura más baja y aumenta la resistencia a temperaturas intermedias.

¿Por qué aumenta el Fe₂O₃ en el material refractario fundible usado?

Los autores sospechan que se mezcló escoria de hierro en la muestra. Un punto de EDS en la superficie de la escoria registró un 37,57 % de Fe, lo que respalda esa sospecha.

¿Qué debería solicitar además de la resistencia a 110 °C?

Resistencia a temperatura intermedia, resistencia y porosidad después de 1200 °C, contenido de álcalis, sistema de aglutinante y resultado de un ensayo de escoria.

Envíenos los parámetros de operación de su alto horno y los dibujos de sus toberas

¿Experimenta enrojecimiento por aire caliente, perforaciones o agrietamiento del revestimiento del tubo de soplado? Envíenos la temperatura del aire caliente, la tasa de enriquecimiento con oxígeno, los dibujos de sus stocks de tobera y la ficha técnica del material refractario fundible actual. Nuestro equipo de ingeniería refractaria le proporcionará una formulación de material refractario fundible de microexpansión a medida y una propuesta técnica en un plazo de 24 a 48 horas.