"Implementación de una metodología para evaluar la degradación química de refractarios MgO-C por ataque de la atmósfera gaseosa"

M.N. MOLINÉ; P.G. GALLIANO; A.G. TOMBA MARTINEZ

La Plata

Jornada; 5° Jornadas de Investigación en Cerámica JONICER; 2022

Los ladrillos MgO-C son ampliamente utilizados en la industria siderúrgica como revestimiento de trabajo de cucharas de acería. Son materiales estructurales capaces de soportar altas temperaturas, resistentes al choque térmico y con baja mojabilidad por el acero. La corrosión es la condición que más frecuentemente limita su vida útil, debido en parte a las elevadas temperaturas que prevalecen en el servicio que favorecen la reactividad química con el entorno. En la actualidad, el abanico de conocimiento generado en torno a este tema es amplio, aunque los estudios reportados sobre la oxidación de los materiales MgO-C se han limitado casi exclusivamente a evaluar su reactividad frente al aire atmosférico, siendo poco exploradas otras condiciones que se producen durante el servicio del ladrillo, y que pueden tener un efecto similar sobre la pérdida de los componentes carbonosos. En este trabajo se reporta la implementación de una metodologíaexperimental mediante la cual abordar diferentes aspectos de la corrosión gaseosa de materiales MgO-C, y puede extenderse a otro tipo de material cerámico que contenga carbono. La misma se basa en un tratamiento térmico controlado, en el que la temperatura y la composición atmosférica, así como la masa de la muestra, son variables de estudio, además de los cambios en la composición, textura y microestructura del material.El equipo construido, que se diseñó en base a conocimientos previos generados por diversos autores [1-5], y la metodología implementada, permiten evaluar comparativamente la resistencia química de materiales refractarios sensibles a los gases atmosféricos, como es el caso de los quecontienen carbono. En vistas a obtener un sistema que genere más datos de los que usualmente se obtienen de los ensayos que se encuentran en la literatura, se establecieron los requisitos primordiales que debía satisfacer el equipo: a) el control térmico a temperaturas superiores a 500 °C, b) la posibilidad de modificar la atmósfera a la cual se encuentra expuesta la muestra y c) el registro continuo de la masa de la muestra, y de la concentración de oxígeno y la temperatura en sus inmediaciones. El equipo en su versión actual, mostrado en la figura adjunta, permite exponer la muestra a tratamientos programados hasta 1500 °C (TS), con posibilidad de alterar la atmósfera combinando hasta tres gases diferentes (GS). Gracias a la disposición vertical del horno y la cámara reactiva de mullita (MS), es posible el seguimiento continuo y automatizado (CRS) de la masa de la probeta cilíndrica que se usa de muestra, mediante una balanza que se ubica en la parte superior (CS1), y también de la concentración de oxígeno y la temperatura circundantes con el uso de una sonda (CS2). Además, el contacto con la atmósfera se limita a las caras laterales de la probeta, cuyas caras planas se cubren con discos de alúmina con esta finalidad.La metodología implementada se dividide en tres etapas fundamentales: a) acondicionamiento de la probeta y caracterización, b) ensayo de la muestra acondicionada utilizando el equipo a la temperatura y atmósfera establecidas, y c) evaluación y caracterización del material luego de ser sometido al ensayo de corrosión. El acondicionamiento de la probeta comprende desde su dimensionamiento (cilindro de 26,6 mm de diámetro y 25 mm de alto), hasta su pretratamiento térmico a 500 °C en lecho de grafito por 5 horas para eliminar los volátiles (probeta TT500). La caracterización de los materiales fue enfocada en el aspecto químico, mineralógico y físico de las probetas originales y TT500, incluyendo las siguientes técnicas: espectrometría de absorción atómica, contenido de carbono (LECO), DRX, SEM-EDS, TGA-ATD, porosimetría de intrusión de Hg y determinación de densidad y porosidad. Para los ensayos de corrosión gaseosa se seleccionaron las condiciones experimentales (temperatura, tiempo y composición de la atmósfera) en basea las de servicio de este tipo de ladrillos [5], definiéndose en primera instancia las siguientes: a) 1000 °C durante 1 hora, b) dos composiciones atmosféricas, una con relación 20:80 en volumen de O2:Ar (Q-Ox) y la segunda con 3:97 en volumen de O2:Ar (Q-Red) y c) rampas de calentamiento y enfriamiento a 5°C/min en atmósfera de argón. La evaluación de los materiales ensayados incluyó el registro de profundidad descarburada (diametralmente) y la variación textural de las probetas (densidad y porosidad aparente).Los refractarios empleados para poner a punto la metodología y el equipamiento involucrado, fueron diseñados especialmente, pero fabricados en planta con el proceso tradicional. Consisten en ladrillos MgO-C con 8 % m/m de grafito, 3 % m/m de ligante orgánico tipo ‘soft-bonding’ (combinación de alquitrán químicamente modificado “CarboRes ®” en polvo [6] con resina fenólica líquida tipo Resol, en proporción 1:3 en masa) y magnesia, con una relación entre partículas electrofundidas:sinterizadas de 70:30 en masa. Sólo uno de los ladrillos contiene un adicional de 2 % m/m de aluminio como antioxidante. Los ensayos fueron realizados por cuatriplicado para corroborar la reproducibilidad de la metodología, con resultados positivos, ya que se obtuvieron variaciones máximas de 2 % entre los valores de masa y concentración de oxígeno a lo largo de todo el ensayo entre muestras de un mismo material. La evaluación del área descarburada, posterior a los ensayos de corrosión gaseosa, permitieron corroborar que la oxidación fue homogénea en todo el diámetro de la probeta, sin direcciones preferenciales de oxidación. No sedeterminó visualmente descarburación por las caras planas, de lo cual se infiere que se logró limitar la oxidación a las caras laterales de la muestra. El uso de aluminio, produjo una mejoría sustancial en la resistencia a la oxidación del material refractario a 1000 °C, que se manifestó en menores áreas decarburadas y cantidad de poros abiertos formados, y una reducción en la velocidad de la reacción con el oxígeno. Este comportamiento, más marcado para menores concentraciones de O2, se atribuyó a una oxidación preferencial del Al por sobre el C, y al posible llenado de poros por la fundición del aluminio y el posterior producto de reacción (alúmina).