Soldadura cerámica para la reparación de hornos de coque siderúrgico

Abstract

En muy diversas industrias –acero, metales no ferrosos, vidrio, cemento- las operaciones habituales producen un deterioro progresivo de origen térmico, mecánico y/o químico de los materiales refractarios de hornos y otros equipamientos. El proceso de soldadura cerámica se presenta como un atractivo método de reparación en caliente de revestimientos refractarios de hornos industriales. Consiste en la proyección a alta temperatura de una mezcla de soldadura cerámica en polvo mediante una corriente gaseosa rica en oxígeno sobre el material refractario dañado. La mezcla de soldadura está constituida por agregados gruesos refractarios y un combustible sólido (finas partículas oxidables metálicas y no metálicas). En el presente trabajo se ha implementado una metodología para la reparación por soldadura cerámica a escala laboratorio de ladrillos de sílice KN de uso en hornos de coque siderúrgico. Se optó por un sistema de aplicación abierto tipo venturi y se construyó un equipo adaptando un dispositivo comercial empleado para otros usos. Se seleccionó una disposición del sustrato a puerta del horno cerrada con la doble ventaja de permitir mantener constante la temperatura del sustrato durante la proyección y confinar el material proyectado al área de reparación. Las variables experimentales establecidas fueron: corriente gaseosa: O2; presión de entrada de O2: 4,5 bar; distancia de proyección: 8 cm; temperatura del sustrato: 1000 °C; programa de calentamiento: 15 oC/min hasta 800 oC; 5 oC/min hasta 1000 oC, 60 min a 1000 °C (15 min de estabilización); enfriamiento libre hasta temperatura ambiente. Con la metodología implementada se evaluaron dos polvos de soldadura comerciales (A y B) empleados en la reparación de revestimientos refractarios de sílice (que difieren en sus características granulométricas, contenido de fases refractarias y contenido y tipo de material oxidable) y dos mezclas de soldadura diseñadas a partir de estos polvos por modificación del tamaño medio de partícula refractaria y variación del contenido de combustible sólido, respectivamente. Para la validación del método se utilizó un ladrillo refractario de sílice post-mortem de un horno de coque siderúrgico reparado en Planta por soldadura cerámica (provisto por la industria) comparando los resultados de su evaluación con los de las reparaciones realizadas en el laboratorio. Los dos polvos de soldadura comerciales se caracterizaron por análisis granulométrico por tamizado, análisis térmico diferencial y termogravimétrico (ATD/ATG), análisis cualitativo y semicuantitativo (ajuste Rietveld) de fases por difracción de rayos X (DRX) y por microscopía electrónica de barrido (SEM). Las masas de reparación obtenidas en el laboratorio a partir de los polvos comerciales y mezclas diseñadas se caracterizaron por medidas de densidad y porosidad aparentes (método de Arquímedes en agua) análisis cualitativo por DRX y análisis por microscopías óptica y electrónica de barrido (SEM). El análisis microestructural de las interfases ladrillo de sílice/masa de soldadura se realizó por microscopía electrónica de barrido (SEM). La masa de soldadura del ladrillo post-mortem se caracterizó por medidas de densidad y porosidad aparentes, análisis cualitativo por difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (SEM). Su interfase se analizó por SEM. Se realizó un estudió térmico de las masas de reparación obtenidas para analizar la evolución de las fases generadas inmediatamente después de la reparación: las muestras fueron tratadas a 1200 °C durante 16 h. El análisis de las fases en función del tiempo se realizó por DRX. El polvo comercial con granulometría más fina y distribución más ancha (B) resultó en una reparación de calidad superior. La granulometría de uno de los polvos (C) diseñado a partir del A, con el fin de evaluar la disminución del tamaño de partícula de los agregados refractarios presentes, resultó excesivamente fina, se produjo rebote de la totalidad de las partículas y el sustrato refractario resultó dañado por erosión. Al evaluar el otro polvo (D) diseñado con el objetivo de minimizar el contenido de aluminio del polvo comercial más fino (B), se logró una operación más controlada y la masa de reparación obtenida fue de calidad similar. Las masas de soldadura inmediatamente después de las proyecciones resultaron muy poco cristalinas con alta cantidad de fase vítrea silícea y con silicio residual. Las porosidades de las masas de soldadura resultaron cuantitativamente similares con diferencia en el tamaño de los poros presentes. Todas las interfases de reparación entre los sustratos refractarios y las masas de soldadura presentaron buena continuidad estructural. Las mismas masas de soldadura después del tratamiento térmico presentaron un aspecto muy similar a las del ladrillo post-mortem: coloración más clara y estratificación, y evolucionaron a las mismas fases cristalinas: cristobalita, tridimita y escasa cantidad de cuarzo, junto a silicio residual. La cantidad de puentes sólidos por soldadura cerámica aumentó significativamente resultando, en todos los casos, muy difícil distinguir la interfase de reparación.