DESGASTE DE FRENTE DE PIQUERA EN AH N 2 DE SIDERAR

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
Área: Materiales Cerámicos y Refractarios
DESGASTE DE FRENTE DE PIQUERA EN AH Nº2 DE SIDERAR
Dr. Roberto Emilio Caligaris1; Dr. Raúl Topolevsky2;
Ing. Silvia Camelli3; Mg Ing. Liliana Zamboni4
1
DEYTEMA- UTN – Facultad Regional San Nicolás – Colón 332- 2900 San Nicolás. Argentina. E-mail:
recaliga @frsn.utn.edu.ar
2
SIDERAR – San Nicolás-Argentina. E-mail: [email protected]
3
SIDERAR – San Nicolás-Argentina. E-mail: [email protected]
4 DEYTEMA- UTN – Facultad Regional San Nicolás – Colón 332- 2900 San Nicolás. Argentina. E-mail:
lzamboni @frsn.utn.edu.ar
RESUMEN
Frente al desgaste que se produce en el frente de piqueras del Alto Horno Nº2 de SIDERAR, se comenzó
un estudio sistemático de los posibles mecanismos de desgaste, así como un programa de secados del material
a diferentes temperaturas, que ocasionan irremediablemente variaciones en sus propiedades mecánicas.
La posibilidad de lograr un mayor rendimiento del material refractario utilizado en el frente de la piquera.,
nos motivó a encarar una serie de estudios y análisis, que contribuyan a tomar las decisiones apropiadas.
Se procedió a analizar macroscópica y microscópicamente y determinar las propiedades mecánicas de los
materiales vírgenes y posmortem. Se estudiaron probetas atacadas con escoria y arrabio sumergiéndolas en el
canal de colada.
Continuando con la misma metodología de caracterización se procedió a elaborar un plan de conformado –
colado o vibrado según el caso- y posterior secado de las probetas a diferentes temperaturas, acorde con un
relevamiento in situ de los perfiles térmicos de la zona en cuestión, que osciló entre 50 y 350ºC Estas
muestras fueron sometidas a ensayos de MOR y CCS, se les determinó porosidad y densidad y se analizaron
los cambios estructurales de las zonas en contacto con escoria y/o con arrabio.
Mediante los estudios de microscopía óptica y electrónica y los análisis EDAX fue posible determinar la
aparición de fases que en ningún caso representan riesgo por su refractariedad, pero esta situación puede
derivar en una falta de cohesión que implique un mayor desgaste por erosión producida por el caudal de
líquido a altas temperaturas que circula intermitentemente.
Las variaciones en la resistencia a los esfuerzos de compresión, en función de los distintos niveles térmicos
del secado fueron notorias, acercandonos a la determinación del perfil térmico óptimo posible.
Palabras claves: Refractarios proyectables; Frente de piquera AH; Hormigones aluminosos.
1. INTRODUCCIÓN
La empresa siderurgica SIDERAR SAIC
cuenta con dos altos hornos. El alto horno Nº 2
tiene una producción promedio de 6.800 ton/día. La
evacuación de escoria y arrabio líquido a unos
1490ºC se realiza a través de dos piqueras.
La vida útil del material refractario utilizado
en el frente de piquera varía por las características
de los materiales refractarios y por las condiciones
operativas del horno, tales como cantidad y
duración de las coladas, número de salas de colada
en servicio, etc. El objetivo principal de este
trabajo es lograr a mayor performance de los
materiales refractarios involucrados en esta zona.
Por cada piquera circula un promedio de 3.400
ton/día de arrabio, por lo que la salida de servicio para
reparaciones representa inconvenientes que involucran
tiempo y costos.
En las reparaciones parciales del frente de piquera
se utilizan hormigones aluminosos. Estos materiales se
aplican por proyección sobre la superficie en caliente
donde previamente se han eliminado todos los trozos de
material visiblemente alterado y el material que pudiese
haber quedado suelto.
La calidad y propiedades de estos materiales
dependerán de las condiciones impuestas por el medio:
temperatura, impacto del cañón, condiciones de
limpieza, agentes agresivos – escoria, arrabio y gases-.
De considerar las condiciones operativas, surge la
necesidad de un material que reúna las siguientes
propiedades: Alta densidad; Fragüe rápido; Baja
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
• Resistencia al ataque por escoria y arrabio, lo que se
logra con una composición química y mineralógica
compatible.
• Resistencia a la reacción del CO que llega a depositar
C en el interior de la matriz-reacción de Boudward-.
permeabilidad; Buena resistencia mecánica en
caliente; Resistencia al ataque por escoria y arrabio
y Resistencia a la reacción del CO.
• Alta densidad que nos garantice una correcta
cohesión del material y que permita trabajar en
contacto con escoria y arrabio líquido impidiendo
la penetración.
• Fragüe rápido, para la disminución de tiempor
que permitan la puesta en servicio.
• Baja permeabilidad, también para garantizar buen
comportamiento frente a los agentes agresivos –
gases, escorias y metal líquido-.
• Buena resistencia mecánica en caliente para
permitir la operación de perforación y soportar la
presión que ejerce el cañón durante el tapado , sin
sufrir degradaciones.
2. DESARROLLO
En la Figura Nº1 se muestra un detalle de la
piquera, ubicada en el crisol del alto horno Nº 2 de
Siderar, donde se observa en forma esquemática la
salida de líquidos y gases a través de la misma.
En las tablas 1 y 2 se indican composiciones
promedio de la escoria y del arrabio.
Presión de la carga
gases
140ºC
escoria
arrabio
Chorro de arrabio
y escoria
Figura 1. Esquema de piquera AH 2 de SIDERAR.
El material que se está utilizando en la
reparación del frente de la piquera es un hormigón
proyectable con 90- 95% de Al2O3 Este se aplica
sobre la superficie en caliente y es secado con calor
aportado desde el exterior, sin llama directa.
Tabla 1. Comp. Quím. Prom. de las escoria
oscilan entre 150 y 500ºC, medidas con pirómetro
óptico.
En la Figura 3 es posible ver la evolución de las
temperaturas inmediatamente finalizada la proyección
del material. Estas temperaturas se encuentran entre
50 y 150ºC.
520ºC
380/440ºC
230ºC
Composición química (%Wt) –promedioCaO
SiO2
Al2O3
MgO
FeO
TiO2
NaO/K2O
S
39.9
37.1
12.2
11
0.35
0.47
0.6
0.78
Tabla 2. Composición química del arrabio
Composición química (%Wt) –promedioC
Si
Mn
Ti
P
4.48
0.37
0.31
0.032
0.071
En la Figura 2 se muestra el aspecto de la zona,
después de la limpieza con martillo neumático. En la
misma se indican las temperaturas alcanzadas, que
280ºC
220ºC
250ºC
320ºC
430ºC
Figura 2. Temperaturas después de la limpieza
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
60
140ºC
55
70ºC
48ºC
Temperatura (°C)
50
110ºC
45
40
35
Termocuplas
sobreel
probetero
15
T4
T e r m o c u p la s o b r e
30
0
5
10
T ie m p o (h o r a s )
Figura 3.Temperaturas del frente inmediatamente de
finalizada la proyección del material
En esta primera etapa del trabajo se evaluaron
los efectos producidos por la temperatura sobre las
propiedades mecánicas y físicas del material
refractario.
Se analizaron curvas de secado, bajo diferentes
condiciones térmicas buscando optimizar las
propiedades mecánicas según los requerimientos
preestablecidos.
También se analizó microscópicamente la
estructura de muestras del material virgen y se lo
comparó con muestras del mismo material luego de
haber estado en operación.
3. EXPERIMENTAL
3.1 Perfiles térmicos
En las Figura 4 y 5 se presenta la evolución de
las temperaturas, en función del tiempo, en el interior
de probetas conformadas del hormigón, con dos
programas de secado: a temperatura ambiente y a
50ºC.
45
T1
40
Temperatura (°C)
T2
35
Figura 7. Evolución de la temperatura del hormigón
durante el ciclo de curado a 50°C. Termocupla en el
interior de la probeta.
En estos ensayos se determina que en el secado a
T ambiente, luego de 7horas de iniciado el proceso se
verifican las reacciones hidráulicas exotérmicas,
mientras que cuando el curado se hizo a 50°C, estos
picos exotérmicos aparecen luego de cinco horas de
proceso.
3.2 Resistencia a la compresión (CCS)
El comportamiento mecánico de estos
hormigones refractarios tiene una fuerte dependencia
con la distribución granulométrica, la porosidad, y el
proceso de secado. Siendo la temperatura de curado el
parámetro que nos es posible adaptar para conseguir
los resultados deseados, se conformaron probetas, las
cuales fueron secadas a 110, 250 y 350°C. A estas
muestras se les determinó su CCS (Resistencia en frío
a la compresión). Ver Tabla 4.
S e c a d o s a CCS medio P o [ % ] P . E s p .
Frag.(25ºC)+
54-60
14.5
2.90
Secado a
110ºC
110ºC
42
15.0
2.80
250ºC
11.5
24.0
2.85
350ºC
8
30.0
2.70
Tabla 4. Comparación de distintas condiciones de
secado.
T
30
3.3 Microestructura
25
20
0
5
10
15
20
T ie m po (ho ra s )
Figura 4. Evolución de la temperatura durante el
curado a temperatura ambiente.
25
Durante la colada se forman deposiciones de
escoria y arrabio en la parte inferior de la piquera,
siendo esta región la más afectada. De aquí se
tomaron muestras que fueron embutidas con vacío y
pulidas para su posterior observación microscópica,
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
las cuales se compararon con probetas de material
virgen.
De la observación surge que el material virgen
presenta una estructura homogénea, con una
porosidad baja y de buena distribución.
Sobre las muestras atacadas fue posible
identificar diversas fases Los resultados de análisis
EDS se muestran en la Tabla 3.
Analizando el diagrama de equilibrio de fases
Al2O3 – CaO- SiO2, se llegaron a determinar las
fases encontradas y sus puntos de fusión y de primera
formación de líquido (Tabla 3).
MgO Al2O3 SiO2 CaO FeO Tliq[°C]
1 6.64
15.4
46.45 26.5 5.01 1330
2
22.14
1.8
0.95 70.1 1620
3
65.1
22.01 9.92 1.59 1820
4 14.99 56.83
0.64 27.54 1700
Tabla 3. Composición química . Análisis EDS.
1. Matriz en la zona de contacto con escoria
2. Análisis puntual sobre un cristal de forma
poligonal. Ver Fig 5.
3. A 3-5 mm del borde. Fases con forma de
agujas. Ver Fig 4.
4. Borde de grano con abundante Fe en SS.
Figura 4. Microscopía óptica 1000X. A 3mm del
borde atacado. (A- CAS2- C2AS) Alúmina, Anortita
y Gelenita.
4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Los ensayos de secado a distintas temperaturas
nos evidencian que cuando mayor es la temperatura
de secado, es menor el desarrollo de la liga hidráulica
en los hormigones aluminosos analizados.
De las curvas de secado, Temperatura vs.
Tiempo se deduce que se requieren aproximadamente
12 horas para un secado completo, y que las
reacciones hidráulicas se producen no antes de las
cinco horas cuando se trabaja a 50 °C.
De las observaciones y análisis de la
microestructura surge que las fases formadas no
representan riesgo para la integridad microestructural
del material, ya que las fases que aparecen en el
análisis posmortem no tienen temperaturas de liquidus
ni de primera formación de líquido que afecten la
estructura a las temperaturas de servicio.
5. CONCLUSIONES
El ciclo de secado es crítico para el desarrollo de
las propiedades mecánicas resultantes en el producto
final.
Los ensayos realizados demuestran que la
resistencia a la compresión acusa una marcada
disminución cuando las temperaturas de secado
aumentan.
El análisis microestructural revela los
mecanismos de ataque de los granos de alúmina,
penetración de escoria a través de la matriz del
hormigón y formación de nuevas fases.
El análisis sobre los diagramas de equilibrio de
fases nos permite asegurar que las transformaciones
químicas y microestructurales que ocurren en el
material refractario no conducen a la formación de
fases de bajo punto de fusión que puedan ser
responsables del deterioro del material en servicio.,
6. BIBLIOGRAFÍA
Hiromoto Sakai, Masataka Satou, Makoto Takata and
Sadayuki Iwamoto . Taikabutsu Overseas. 19 (3) 4851 (1999)
R.E. Moore, J.D. Smith and T.P. Sander. Proceeding
of Unified International Technical Conference on
Refractories. Fifth Biennial Worldwide Congress.
New Orleans, Louisiana. USA. 1997.Ed. Mark A.
Stett, (573-582)
Figura 5. Microscopía óptica 1000X. Borde atacado.
Fases enriquecidas en Fe. abla 3. Composición
química . Análisis EDS
Marta G. Caligaris, Liliana A. Zamboni, Nancy E.
Quaranta, Robert E. Caligaris. “Estudio post-mortem
de hormigones de alta alúmina”, Cerámica y Cristal.
119 (1997) 23-25.