Análisis de problemas comunes en hormigones refractarios: Explicación detallada de las causas de la eflorescencia, el desmoronamiento, la contracción y la exudación

El hormigón refractario es un tipo de material refractario sin forma ampliamente utilizado, perteneciente al sistema de materiales refractarios hidráulicos. Los hormigones refractarios suelen estar compuestos por agregados refractarios, polvos refractarios, aglutinantes y diversos aditivos. Durante la construcción, se añade agua y se mezcla, luego se vierte en moldes y se compacta con un vibrador. Se utilizan ampliamente en revestimientos de hornos industriales de alta temperatura en las industrias metalúrgica, de materiales de construcción, de generación de energía y química.

En la construcción real, si algunos hormigones refractarios no se secan correctamente en un horno después del desmoldeo y se dejan al aire libre durante un tiempo, la superficie tiende a desarrollar una "pelusa blanca" o "escarcha blanca", seguida de un lijado y desmoronamiento gradual, con desprendimiento notable de arena al tacto. Este fenómeno se conoce comúnmente como eflorescencia en la industria.

La razón fundamental de la eflorescencia está relacionada con las sustancias alcalinas contenidas en las materias primas del hormigón. Los agregados, polvos, cemento de aluminato de calcio y aditivos como dispersantes, reductores de agua y aceleradores suelen contener pequeñas cantidades de óxidos de metales alcalinos, como Na₂O, K₂O y Fe₂O₃. Después de mezclar el hormigón con agua, algunas de estas sustancias alcalinas se disuelven en el agua y migran a la superficie con el agua libre. Cuando estos componentes alcalinos llegan a la superficie, reaccionan con el dióxido de carbono del aire para formar carbonatos, formando así depósitos blancos en la superficie del hormigón, que parecen "pelusa blanca" o "escarcha blanca".

Cabe señalar que la eflorescencia generalmente no afecta significativamente el rendimiento refractario general del hormigón, pero puede causar aflojamiento y rugosidad en la superficie, afectando la calidad de la apariencia y, en casos graves, puede provocar el desmoronamiento de la superficie. En el caso de los hormigones refractarios a base de aluminato, el desmoronamiento de la superficie suele tener dos causas: una es el aflojamiento de la superficie causado por la migración de impurezas alcalinas, y la otra es la reacción de carbonatación de los productos de hidratación del cemento en el aire. Estas reacciones tienden a repetirse en ambientes húmedos; por lo tanto, un curado adecuado y un secado oportuno en el horno son cruciales.

Los hormigones refractarios también pueden experimentar problemas de contracción durante su uso, especialmente contracción durante la etapa de baja temperatura. Si la velocidad de cambio en el revestimiento moldeable es demasiado alta, puede dañar la estructura del revestimiento del horno, provocando grietas e incluso desprendimientos, lo que acorta su vida útil. La contracción del material moldeable se produce principalmente en dos etapas: primero, durante el proceso de secado posterior al desmoldeo, el agua libre y el agua cristalina internas se expulsan gradualmente, provocando cambios de volumen; segundo, durante el uso a altas temperaturas, se producen reacciones químicas o transformaciones de fase dentro del material, lo que da lugar a cambios lineales. Estos problemas suelen estar relacionados con una proporción de mezcla inadecuada del material moldeable.

En la producción real, optimizar la composición de la matriz del material moldeable puede reducir eficazmente la contracción. Por ejemplo, la introducción de silicio metálico, polvo de cianita o polvo de andalucita en la fórmula puede mejorar el comportamiento de cambio lineal a altas temperaturas en cierta medida. Entre estos, el silicio metálico tiene el efecto de compensación de contracción más significativo a altas temperaturas, contrarrestando eficazmente la contracción del material moldeable a 1400 °C y reduciendo los problemas de agrietamiento durante su uso. Sin embargo, debido al alto costo del silicio metálico, generalmente se requiere un equilibrio razonable entre rendimiento y costo.

Además, los materiales moldeables pueden experimentar exudación después de la construcción. Los materiales refractarios moldeables se fabrican mezclando agregados, polvos, aglutinantes y aditivos con agua. Idealmente, todos los componentes se distribuyen de forma uniforme y estable, pero en algunos casos, el agua puede ascender y separarse, un fenómeno conocido como exudación. Según el estado del agua en el material moldeable, se puede dividir en agua ligada, agua de humectación y agua libre. El agua libre está débilmente ligada al material sólido y migra fácilmente hacia arriba a lo largo de los canales de poros, lo que es la principal causa de la exudación.

La exudación forma una capa de lodo en la superficie del material moldeable. Cuando esta capa de lodo pierde agua, su resistencia es insuficiente, lo que provoca fácilmente grietas superficiales; internamente, el agua ascendente forma canales de exudación y huecos locales, lo que hace que la estructura del material sea irregular y afecta el rendimiento general del material moldeable. Muchos factores influyen en la exudación, incluida la selección de la materia prima, la distribución del tamaño de partícula, la diferencia de densidad, la viscosidad del material moldeable y el proceso de construcción. Generalmente, cuanto mayor sea el tamaño de las partículas, mayor será la diferencia de densidad y menor la viscosidad, más pronunciado será el fenómeno de la exudación.
El método de vibración durante la construcción también influye significativamente en la exudación. Un tiempo de vibración excesivo puede provocar que el material refractario se fluidifique en exceso, facilitando la separación del agua libre. Por lo tanto, la vibración debe controlarse dentro de un rango adecuado, idealmente hasta el punto en que la exudación superficial y las burbujas de aire se eliminen en gran medida, evitando la vibración excesiva. Además, un control inadecuado del tiempo de fraguado también puede agravar la exudación; un fraguado lento puede provocar la sedimentación de las partículas y la separación del agua. Mediante la selección racional de dispersantes y sistemas aceleradores, y garantizando una trabajabilidad adecuada, se puede reducir eficazmente el problema de la exudación en los refractarios colables.