Prof. Dr.-Ing. G. Alan Castillo-Rodriguez1
1Universidad Autónoma de Nuevo León, México
Proposal for RHI Magnesite GmbH through IN-PART Publishing Ltd.
A company number 8342655 in England and Wales
Normalmente los materiales refractarios preformados son fabricados mediante métodos que permitan obtener propiedades homogéneas, las cuales deben cumplir las condiciones térmicas, mecánicas y químicas durante su operación en un horno industrial, para que prolonguen su vida útil.
En la Figura abajo se muestra un ladrillo refractario MgO-C, el cual al instalarse en el horno tendrá una cara caliente y una cara fría; es decir, la cara caliente será el área correspondiente que estará sometida a alta temperatura y la cara fría es el área posterior a la cara caliente.
Estos ladrillos refractarios se fabrican para cumplir las condiciones de operación en la cara caliente, pero las condiciones de operación en el resto del ladrillo son diferentes. Por ejemplo, es deseable que el ladrillo refractario tenga alta refractariedad, baja conductividad térmica y alta resistencia mecánica, así como baja penetración de gases y líquido a alta temperatura.
La alta densidad contribuye en la resistencia a la penetración de líquidos y gases calientes en la cara fría, pero ésta aumenta la conductividad térmica en el resto del ladrillo.
Por otro lado, es conocido que, en el ejemplo del ladrillo refractario MgO-C, el mecanismo de protección es la oxidación de C con reducción del MgO y re-oxidación simultánea del Mg, con lo cual se forma una capa densa de MgO en la cara caliente.
Basado en lo anterior, la propuesta consiste en el desarrollo de un sistema de propiedades topológicas en refractarios, con el cual se desarrollen productos refractarios con propiedades diferenciales en los ladrillos de acuerdo con las condiciones de operación en la cara caliente y la cara fría del ladrillo refractario.
La propuesta consiste en desarrollar capas sobre la cara caliente con propiedades de mayor protección a las condiciones de operación en esta, sin detrimento de las propiedades en el resto del ladrillo refractario.
El sistema de propiedades topológicas consiste en la transformación morfológica estructural y química mediante técnicas de tratamiento selectivo superficial mediante irradiación láser con potencia controlada.
En la Figura abajo se muestra la superficie de un ladrillo refractario MgO-C, la cual fue superficialmente irradiada con láser. Cada círculo es el resultado de la irradiación con diferentes potencias y tiempo de irradiación. La mínima potencia es a la izquierda y se incrementa gradualmente a la derecha hasta la potencia máxima. El tiempo máximo de prueba es arriba y se disminuye gradualmente hacia abajo hasta el tiempo mínimo de irradiación.
El resultado esperado es obtener modificaciones estructurales en la superficie del refractario, cuya morfología dependerá de la potencia y el tiempo de irradiación, así como de la composición química del refractario y en su caso, del material de aporte para formar una película densa sobre el ladrillo.
Como ejemplo, en la Figura abajo se muestra una micrografía de un ladrillo MgO-C, en la cual se observa una fase discontinua de MgO en color gris claro, así como una gran cantidad poros entre la fase de MgO.
En la Figura abajo se muestra la microestructura de la superficie de MgO-C irradiada con un nivel de potencia 1 y tiempo de irradiación 13. Se observa que la fase de MgO es más continua y disminuye la porosidad en la superficie.
Al incrementar la potencia al nivel 6 con nivel 13 de tiempo de irradiación se observa una degradación en la superficie, lo que ocasiona mayor porosidad como se puede observar en la Figura abajo.
Cuando se irradia con nivel de potencia 6 y se disminuye el tiempo de irradiación al nivel 6. Se mejora significativamente la microestructura como se muestra en la Figura abajo.
De igual manera, se obtiene una microestructura superficial más densa cuando se mantiene un nivel de potencia 1 y nivel 6 de tiempo de irradiación como se muestra en la Figura abajo.
Como se muestra, el tratamiento térmico es localizado y superficial, por lo que se espera que las condiciones estructurales y químicas en el interior del ladrillo refractario no sean modificadas.
Con lo anterior, se propone un desarrollo sistemático de diferentes refractarios para modificar su microestructura superficial mediante irradiación con láser. La propuesta contempla como variante incluir la formación de películas, con sustancias acorde al tipo de refractario y su aplicación, usando nanopartículas, con el objetivo de obtener películas densas con propiedades topológicas en la superficie sin afectar la microestructura del resto del ladrillo refractario. Se contempla un convenio de colaboración de transferencia de conocimiento de la Universidad Autónoma de Nuevo León a RHI, mediante la financiación y formación de estudiantes de licenciatura y posgrado, asesorados por el autor de la propuesta.