Ladrillos de magnesia y productos refractarios a base de magnesia para uso a altas temperaturas

El ladrillo de magnesia es un material refractario básico producido a partir de magnesita sinterizada con una pureza superior al 87%. En el ladrillo de magnesia, la periclasa actúa como la fase cristalina principal, mientras que fases secundarias —tales como el espinelo compuesto, la monticelita, la forsterita y una pequeña cantidad de fase vítrea— conforman su microestructura. El ladrillo de magnesia exhibe una fuerte resistencia a los entornos alcalinos, aunque presenta una resistencia débil frente a los medios ácidos. Sustancias como el B₂O₃ ejercen un fuerte efecto fundente sobre el ladrillo de magnesia; incluso cantidades traza de B₂O₃ en el ladrillo pueden reducir su resistencia a la fluencia (creep) a temperaturas comprendidas entre 1200 °C y 1250 °C.

La fase de unión del ladrillo de magnesia pertenece principalmente al sistema CMS-M₂S, lo cual le confiere una buena conductividad térmica. A medida que aumenta la temperatura, la conductividad térmica del ladrillo de magnesia disminuye, mientras que su capacidad calorífica aumenta. El ladrillo de magnesia posee una elevada refractariedad —generalmente superior a los 2000 °C—; no obstante, su temperatura de reblandecimiento bajo carga se sitúa alrededor de los 1550 °C. Asimismo, el ladrillo de magnesia presenta una resistencia relativamente baja al choque térmico. El desempeño del ladrillo de magnesia depende de las propiedades de las materias primas, de su composición mineral y de su microestructura, y guarda una estrecha relación con su densidad.

El ladrillo de magnesia-sílice utiliza como materia prima magnesita con un alto contenido de sílice, cuyo porcentaje de SiO₂ oscila típicamente entre el 5 % y el 11 %. Esta composición influye en las fases minerales y en el rendimiento del ladrillo de magnesia en aplicaciones específicas.

Materias primas y proceso de producción

Los fabricantes producen ladrillos de magnesia triturando las materias primas de magnesia hasta convertirlas en agregados gruesos y polvos finos. El personal dosifica los materiales de acuerdo con formulaciones específicas y añade aglutinantes para mezclarlos hasta obtener una masa uniforme. Posteriormente, la mezcla se moldea, se seca y se somete a cocción para dar lugar al ladrillo de magnesia sinterizada. La temperatura de cocción para el ladrillo de magnesia ordinario oscila entre 1500 °C y 1650 °C, mientras que el ladrillo de magnesia de alta pureza requiere temperaturas de cocción comprendidas entre 1700 °C y 1900 °C. El ladrillo de magnesia de unión química sigue una ruta de producción similar, pero utiliza aglutinantes químicos en lugar de la sinterización a alta temperatura. Este tipo de ladrillo de magnesia no requiere altas temperaturas de cocción y solo necesita un tratamiento térmico adecuado a baja temperatura para conformar el ladrillo de magnesia sin cocer.

El ladrillo de magnesia presenta una escasa resistencia a la hidratación. Cuando el ladrillo de magnesia se expone al agua, se produce fácilmente la hidratación, lo que provoca fisuras y una reducción de su resistencia mecánica. Por lo tanto, tanto los fabricantes como los usuarios deben proteger el ladrillo de magnesia de la humedad, la lluvia y la nieve durante su almacenamiento y transporte.

Ladrillo de magnesia-cromo

El ladrillo de magnesia-cromo es un producto refractario básico que contiene entre un 55 % y un 80 % de MgO y entre un 8 % y un 20 % de Cr₂O₃. Las principales fases cristalinas en el ladrillo de magnesia-cromo son la periclasa y el espinelo compuesto (XO·Y₂O₃). En esta estructura, el XO se compone principalmente de MgO y FeO, mientras que el Y₂O₃ se compone principalmente de Cr₂O₃, Al₂O₃ y Fe₂O₃. La relación molar entre XO y Y₂O₃ es aproximadamente igual, y el exceso de Y₂O₃ se disuelve en el espinelo compuesto. También están presentes pequeñas cantidades de fases de silicatos, tales como la forsterita y la monticelita.

El ladrillo de magnesia-cromo se produce utilizando magnesia sinterizada de alta calidad y cromita como principales materias primas. La cromita suele contener entre un 30 % y un 15 % de Cr₂O₃ y entre un 1 % y un 5 % de CaO. El proceso de producción del ladrillo de magnesia-cromo es similar al del ladrillo de magnesia. El ladrillo de magnesia-cromo de unión química utiliza soluciones de sales inorgánicas de magnesio como aglutinantes.

Durante la cocción, las reacciones entre el MgO y el Cr₂O₃, el Al₂O₃ o los óxidos de hierro dan lugar a la formación de fases de espinelo, lo cual puede provocar efectos de expansión y disgregación. Para evitar estos problemas, se puede utilizar un clinker de magnesia-cromo presintetizado. La cocción debe llevarse a cabo por encima de los 1600 °C en una atmósfera oxidante. Si la atmósfera cambia, el Fe₂O₃ presente en la cromita puede experimentar reacciones redox, formando diferentes óxidos de hierro, mientras que el Cr₂O₃ también puede reducirse a otros estados de valencia. Estas reacciones repetidas pueden dañar los ladrillos de magnesia-cromo; por ello, generalmente se prefieren los productos con un mayor contenido de MgO y un menor contenido de Cr₂O₃.

Tipos de ladrillos de magnesia-cromo

En función de las materias primas y los procesos de producción, los ladrillos de magnesia-cromo pueden clasificarse en varios tipos:

Ladrillos de magnesia-cromo electrofundidos

Los ladrillos de magnesia-cromo electrofundidos se producen mediante la fusión eléctrica y el moldeo de magnesia y cromita. Este tipo de ladrillo de magnesia-cromo presenta poros de gran tamaño pero aislados, una alta densidad, una elevada resistencia mecánica y una fuerte resistencia a la corrosión. Los ladrillos de magnesia-cromo electrofundidos son sensibles a los cambios de temperatura, pero ofrecen una buena estabilidad térmica y una elevada temperatura de reblandecimiento bajo carga.

Ladrillo de magnesia-cromo de unión directa

El ladrillo de magnesia-cromo de unión directa se fabrica a partir de magnesia sinterizada y cromita con un bajo contenido de SiO₂. Se cuece a temperaturas superiores a 1700 °C para formar una unión directa entre los granos de periclasa y cromita. Sus propiedades típicas incluyen: MgO 82,61 %, Cr₂O₃ 8,72 %, SiO₂ 2,02 %, porosidad aparente del 15 %, densidad aparente de 3,08 g/cm³, resistencia a la compresión de 59,8 MPa, temperatura de reblandecimiento bajo carga de 1765 °C, resistencia al choque térmico (mediante temple en agua desde 1100 °C) de 14 ciclos y resistencia a la flexión de 8,33 MPa.

Ladrillo de magnesia-cromo de unión silicatada

El ladrillo de magnesia-cromo de unión silicatada se produce utilizando magnesia sinterizada y cromita en proporciones adecuadas, y se cuece a una temperatura de alrededor de 1600 °C. Su composición mineral incluye periclasa, espinela y pequeñas cantidades de silicatos. Su composición química típica abarca: SiO₂ entre 2,98 % y 4,50 %, MgO entre 61,75 % y 72,69 %, y Cr₂O₃ entre 10,04 % y 14,90 %. La porosidad aparente oscila entre el 18 % y el 21 %, la resistencia a la compresión entre 36,1 y 50,0 MPa, y la temperatura de reblandecimiento bajo carga entre 1600 °C y 1640 °C.

Ladrillo de magnesia-cromo re-unido y semi-re-unido

El ladrillo de magnesia-cromo re-unido se produce a partir de clinker de magnesia-cromo fundido mediante un proceso de re-sinterización. Su estructura presenta poros distribuidos uniformemente y fases de matriz finas con microfisuras, lo cual mejora su resistencia al choque térmico en comparación con los productos de fundición. El ladrillo de magnesia-cromo semi-re-unido combina características de los tipos re-unidos y de unión directa. Sus propiedades típicas varían, pero generalmente exhiben un equilibrio entre resistencia y rendimiento térmico.

Ladrillo de magnesia-cromo pre-reaccionado

El ladrillo de magnesia-cromo pre-reaccionado utiliza clinker de magnesia-cromo total o parcialmente pre-reaccionado. Durante la calcinación se producen reacciones parciales entre la magnesia y la cromita, lo cual reduce la porosidad y mejora la resistencia a altas temperaturas. Este tipo de producto ofrece un menor costo de producción en comparación con los productos reaglomerados.

Ladrillo de magnesia-cromo de unión química (sin cocer)

El ladrillo de magnesia-cromo sin cocer se produce mediante la mezcla de magnesia sinterizada y cromita con aglutinantes químicos, seguido de un proceso de curado a bajas temperaturas. Algunos productos endurecen a temperatura ambiente, mientras que otros requieren un calentamiento moderado. Durante el servicio a altas temperaturas, se forman fases de unión cerámica que mejoran el rendimiento. Las propiedades típicas incluyen: 52,73 % de MgO, 18,08 % de Cr₂O₃, 5,0 % de SiO₂, una porosidad aparente del 10,9 %, una resistencia a la compresión de 58 MPa y una temperatura de reblandecimiento bajo carga de 1520–1530 °C.