Microsílice para canales de alto horno: selección por zonas

I. No se puede aplicar la misma lógica de diseño de materiales a todas las partes del canal de colada del alto horno

El sistema de canal de colada del alto horno del alto horno suele incluir la zona de recepción de la boca de salida, la zona de impacto del canal principal, la sección media y trasera del canal principal, el separador de escoria, los canales secundarios de salida de hierro. los canales de escoria y la boquilla oscilante o el canal basculante. Aunque todas estas zonas se encuentran en un entorno de hierro fundido o escoria a alta temperatura, el medio con el que entran en contacto, la velocidad de flujo, el grado de turbulencia, las fluctuaciones de temperatura y los métodos de mantenimiento no son los mismos.

Las revisiones científicas pertinentes señalan que el deterioro del revestimiento refractario del canal de colada del alto horno no se debe únicamente a la erosión mecánica, sino que es el resultado de la acción conjunta del cizallamiento del fluido. las tensiones térmicas, la oxidación, la erosión por escoria fundida y el transporte de materia. Cerca de la línea metálica del canal principal, suelen predominar la oxidación y las reacciones en la interfaz entre el hierro fundido y la escoria, mientras que la línea de escoria se ve más condicionada por la disolución, la penetración y el transporte de masa de la escoria fundida.

Por lo tanto, la función del microsílice en los revestimientos de los canales de salida de hierro no puede resumirse simplemente como «aumentar la resistencia». No solo optimiza la distribución granulométrica y reduce la porosidad de la matriz. sino que también modifica la fase líquida a alta temperatura, la formación de mullita, la resistencia a la oxidación y la resistencia a la escoria. Las diferentes zonas requieren distintos equilibrios entre la densificación, la estabilidad térmica, la resistencia a la oxidación y el control de la fase líquida a alta temperatura.

II. Funciones principales del microsílice en los refractarios de los canales de colada de Al₂O₃–SiC–C

1. Optimización de la distribución granulométrica de la matriz y de las propiedades de aplicación

El microsílice, compuesto por partículas de tamaño submicrométrico, puede rellenar los huecos entre las partículas finas de corindón, la alúmina activa y el cemento. En condiciones de dispersión adecuadas, contribuye a aumentar la densidad aparente de la matriz y a reducir la cantidad de agua de mezcla necesaria para la aplicación, al tiempo que se mantiene la fluidez.

Un estudio sobre materiales para canales de hierro industriales logró, mediante la optimización de la distribución granulométrica y el sistema de dispersión, reducir la cantidad de agua añadida al revestimiento de 5,2 % a 4,4 %, manteniendo prácticamente inalterado el valor de fluidez. La menor cantidad de agua añadida permitió que el material obtuviera una porosidad aparente más baja y una estructura más densa. lo que prolongó los intervalos de mantenimiento en las pruebas realizadas en canales principales industriales. Este estudio demuestra que el valor de los sistemas de polvo ultrafino no depende únicamente de la pureza química, sino también de la distribución granulométrica, los dispersantes y el diseño global de la matriz.

2. Participación en la unión a alta temperatura y la protección contra la oxidación

Las investigaciones indican que una cantidad adecuada de microsílice en los refractarios de colada de Al₂O₃–SiC–SiO₂–C puede formar una fase líquida rica en SiO₂ de alta viscosidad, que reacciona posteriormente con el Al₂O₃ para formar mullita. La fase líquida rica en silicio es capaz de sellar parte de los poros, ralentizando la difusión del oxígeno hacia el interior del material. además, el cambio de volumen asociado a la formación de mullita puede compensar, en cierta medida, la contracción por sinterización, mejorando así la resistencia a la oxidación.

Sin embargo, esto no significa que cuanta más sílice microfina, mejor. Un exceso de sílice microfina o una dispersión deficiente pueden aumentar la cantidad de agua añadida, formar una fase líquida de bajo punto de fusión en exceso o provocar un sinterizado excesivo del material a temperaturas medias y altas, lo que a su vez afecta a la estabilidad al choque térmico.

3. La sílice microfina no debe seleccionarse únicamente en función de la pureza de SiO₂

Un estudio sobre revestimientos para canales de hierro publicado en 2023 comparó tres tipos de microsílices con un contenido nominal de SiO₂ del 93 %, 96 % y 99 %. Los resultados mostraron que la muestra de microsílice al 99 % de dicho ensayo presentaba una mayor cantidad de agua añadida, la densidad volumétrica más baja, la porosidad aparente más alta y la peor resistencia a la oxidación. la muestra de polvo de sílice microfin de 93 % presentó la menor resistencia a la flexión a alta temperatura. la muestra de 96 % ofreció la mejor resistencia a la escoria y el mejor rendimiento global.

Cabe destacar que este resultado no puede interpretarse en el sentido de que «todas las microsilicas al 99 % son inadecuadas para los refractarios de canales de hierro». Los tres productos no solo presentan una composición química diferente, sino que también difieren en la distribución granulométrica y en otras impurezas. La conclusión que realmente respalda el artículo es que, para el uso de microsilicas en refractarios de canales de hierro, es necesario evaluar de forma integral la distribución granulométrica, la dispersabilidad, la cantidad de agua añadida, la composición de las impurezas y el comportamiento reactivo a altas temperaturas, en lugar de limitarse a comparar únicamente los valores de SiO₂.

III. Condiciones de trabajo en diferentes zonas y aspectos clave de la aplicación de la microsílice

1. Zona de recepción de la boca de salida y zona de impacto del canal principal

El tramo delantero del canal principal soporta directamente el impacto del chorro de hierro fundido y es una de las zonas con condiciones de trabajo más exigentes de todo el sistema del canal de colada del alto horno. Los análisis posteriores a la explotación industrial suelen denominar «zona de turbulencia» o «zona crítica» al área situada a una distancia de entre 3 y 6 metros de la boca de salida. Esta zona soporta simultáneamente el impacto del hierro fundido a alta temperatura y de la escoria, fuertes turbulencias, la entrada de gases, choques térmicos periódicos y la erosión repetida causada por el reflujo del hierro fundido.

Los estudios de CFD muestran que la acción de cizallamiento que sufre el fondo del canal principal suele ser mayor que la de las paredes laterales, y que las tensiones de cizallamiento y térmicas cerca del punto de caída del hierro son notablemente superiores a las de otras zonas. en un modelo de canal principal, la tensión térmica máxima se produjo a unos 4 metros de la parte delantera del canal, lo que coincide básicamente con la zona de menor vida útil observada en la planta.

Los principales objetivos del uso de microsílice en esta zona son:

• Reducir la cantidad de agua añadida durante la construcción, aumentar la densidad de la matriz y mejorar su resistencia a la penetración del hierro fundido;
• mejorar la integridad de la unión entre el árido y la matriz, reduciendo el desprendimiento de partículas bajo impacto;
• frenar la oxidación del carbono y del SiC mediante la formación adecuada de fases ricas en silicio y de mullita;
• mejorar la fluidez del vertido, garantizando la integridad de la construcción en el fondo del canal, las esquinas y las paredes laterales.

Sin embargo, en la zona de impacto no se debe buscar de forma exclusiva una porosidad extremadamente baja y una alta resistencia a la sinterización. Una matriz excesivamente densa o con un exceso de fase líquida puede aumentar el riesgo de drenaje durante el horneado y generar una mayor tensión térmica durante los ciclos térmicos repetidos. Por lo tanto. en esta zona es más necesario equilibrar la resistencia a la erosión, la resistencia a la oxidación, la estabilidad frente a los choques térmicos y la seguridad durante el horneado, en lugar de limitarse a aumentar la cantidad de microsílice añadida.

2. Tramo medio-posterior del canal principal: hay que considerar por separado la línea de metal y la línea de escoria

La intensidad de la turbulencia en la parte media y final del canal principal suele ser inferior a la de la zona de impacto, pero el tiempo de contacto del hierro fundido y la escoria con el revestimiento refractario es mayor. Aquí es necesario distinguir aún más entre la línea de metal, la línea de escoria y el fondo del canal.

Zona de la línea metálica

La línea de metal se encuentra cerca de la interfaz entre el hierro fundido, la escoria y el revestimiento refractario, por lo que es propensa a sufrir simultáneamente oxidación del carbono, oxidación del SiC, erosión por FeO y penetración en fase líquida. Los análisis posteriores a nivel industrial han revelado que en la línea metálica puede formarse una fase de olivina ferrosa de bajo punto de fusión que contiene FeO y SiO₂. cuando la escoria contiene una cantidad elevada de componentes alcalinos como el K₂O, su viscosidad y temperatura de reblandecimiento pueden disminuir, lo que favorece aún más la penetración y la transferencia de masa, acelerando así el desgaste del SiC.

La función positiva del microsílice en los hilos metálicos consiste principalmente en densificar la matriz, bloquear las vías de penetración del oxígeno y del material fundido, y favorecer la formación de ciertas uniones protectoras de silicatos o mullita. Sin embargo, si el contenido total de SiO₂ en el sistema es demasiado elevado y, al mismo tiempo, hay una cantidad considerable de FeO u óxidos de metales alcalinos, también puede aumentar el riesgo de formación de fases de silicatos de bajo punto de fusión.

Por lo tanto, en los materiales de los hilos metálicos es necesario controlar simultáneamente:

• el SiO₂ total aportado por el polvo de silicio fino y otras materias primas;
• las reacciones tras la intrusión de FeO, MnO y óxidos de metales alcalinos;
• el sistema antioxidante del SiC y el carbono;
• la estructura porosa de la matriz y la viscosidad de la fase líquida a alta temperatura.

Zona de la línea de escoria

La línea de escoria soporta principalmente la erosión de la escoria de alto horno, que contiene CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂ y pequeñas cantidades de FeO y óxidos de metales alcalinos. Estudios posteriores a su uso industrial han revelado que la escoria puede reaccionar con el Al₂O₃ y el SiO₂ del revestimiento refractario, generando fases como el feldespato cálcico y el feldespato cálcico-alúminico. algunos de los productos de reacción tienen un punto de fusión bajo, lo que debilita fácilmente la matriz y favorece el desprendimiento de los áridos.

En la línea de escoria, el microsílice, por un lado, reduce la penetración de la escoria al disminuir la porosidad. por otro, constituye una de las fuentes de SiO₂ en el sistema de reacción entre la escoria y el material refractario. Por lo tanto, el uso de microsílice en la línea de escoria debe encontrar un equilibrio entre los «beneficios de la densificación física» y los «riesgos de las reacciones químicas a alta temperatura».

En el caso de escorias con alto contenido en FeO, alto contenido en álcalis o con grandes fluctuaciones, no se puede determinar la idoneidad del polvo de microsílice basándose únicamente en la resistencia a temperatura ambiente. se deben realizar ensayos prácticos con crisol estático, ensayos de erosión rotativa o ensayos de erosión dinámica con la escoria real.

3. Separador de escoria y zonas de transición anteriores y posteriores

El separador de escoria se encarga de permitir el paso del hierro fundido, de mayor densidad, por la parte inferior, al tiempo que conduce la escoria hacia el canal de escoria. En su parte delantera se tienden a formar acumulaciones de líquido, reflujos y turbulencias, mientras que en la parte trasera se produce una aceleración del hierro fundido, un cambio en la dirección del flujo y una erosión local.

Los estudios sobre el campo de flujo indican que cerca del separador de escoria se producen turbulencias evidentes. el ángulo de la barrera, la altura de la abertura y la posición relativa entre el separador de escoria y la salida de escoria influyen en la tensión de cizallamiento en las paredes, la eficacia de la separación entre la escoria y el hierro y la vida útil del separador de escoria.

El objetivo principal de la aplicación de polvo de microsilicio en esta zona es:

• mejorar la fluidez del material de colada y la integridad de la conformación de estructuras complejas;
• reducir la porosidad en las aberturas, los ángulos y las juntas de los elementos prefabricados;
• mejorar la resistencia global del material a la penetración de la escoria y a la erosión por el hierro fundido;
• mejorar la adhesión entre el material de reparación y el revestimiento residual.

En los separadores de escoria no suele ser posible sustituir los materiales específicos únicamente por «revestimiento principal de alta resistencia». El diseño estructural de esta zona, las dimensiones de los elementos prefabricados, la resistencia a la flexión y la estabilidad termoshock son tan importantes como el sistema de microsílice.

4. Canales secundarios de arrabio

Tras pasar por el separador de escoria, el hierro fundido entra en el canal de derivación, donde el contenido de escoria suele reducirse notablemente y el material entra en contacto principalmente con el hierro fundido a alta temperatura. Los principales factores de deterioro incluyen la erosión continua por el hierro fundido, el desgaste local en las curvas y los puntos de derivación, los ciclos periódicos de calentamiento y enfriamiento, la penetración del hierro fundido y la oxidación tras el cierre del canal.

En la bibliografía disponible actualmente, son escasas las investigaciones que comparan directamente a nivel industrial «diferentes soluciones con microsílice para los canales de derivación». Por lo tanto, lo que sigue es un análisis de ingeniería basado en la mecánica de los materiales del canal principal y en las condiciones de funcionamiento de los canales de derivación:

• La microsílice debe centrarse en mejorar la densidad de la matriz, la uniformidad de la aplicación y la resistencia a la penetración del hierro fundido;
• no conviene buscar una resistencia de sinterización excesivamente alta mediante un exceso de fase líquida, para no reducir la estabilidad frente a los choques térmicos en condiciones de arranque y parada repetidos;
• En las curvas, los desniveles y los puntos de derivación, se debe reforzar la granulometría del árido y el diseño de la matriz para resistir la erosión;
• En las zonas expuestas al aire tras el cierre de la canaleta, debe prestarse especial atención a la protección contra la oxidación del carbono y el SiC.

La selección de la microsílice para los canales de soporte de la barra de hierro suele inclinarse más hacia una baja adición de agua, una dispersión estable y una estabilidad volumétrica, sin necesidad de aplicar al pie de la letra el diseño de alta resistencia a la escoria de la línea de escoria del canal principal.

5. Canal de escoria

Los canales de escoria se utilizan principalmente para transportar escoria de alto horno. su temperatura suele ser inferior a la del hierro fundido recién salido de la boca de colada, pero la proporción de contacto entre la escoria y los materiales refractarios es mayor, por lo que la erosión química es más acusada. Los materiales de Al₂O₃–SiC–C se utilizan ampliamente tanto en el canal principal como en los canales de escoria, debido a que el SiC y el carbono presentan una baja humectabilidad frente a la escoria fundida, al tiempo que ofrecen buenas propiedades de resistencia al choque térmico y a la erosión.

La función principal del microsílice utilizado en los canales de escoria es:

• formar una matriz densa que frene la penetración de la escoria a través de los poros y las microfisuras;
• mejorar la fluidez durante la construcción y la integridad de la superficie del canal;
• favorecer la formación de una cantidad adecuada de mullita o de una unión cerámica, mejorando así la estabilidad estructural en estado caliente;
• controlar las fases de bajo punto de fusión provocadas por CaO, MgO, FeO y óxidos de metales alcalinos.

En el estudio de 2023 mencionado anteriormente, una muestra concreta de microsílice al 96 % obtuvo el mejor rendimiento frente a la escoria de los tres grupos de materiales, lo que demuestra una vez más que, en el caso del microsílice para canales de escoria, se debe prestar atención a la calidad global, en lugar de limitarse a buscar la máxima pureza.

6. Canal y piquera basculantes

La boquilla oscilante se encuentra antes de que el hierro fundido entre en el tanque de torpedo o en la cubeta de colada. además de soportar la erosión del hierro fundido, también está sometida a inclinaciones, vibraciones, coladas intermitentes, impactos por desniveles locales y cambios frecuentes de temperatura. Las zonas cercanas al eje de rotación, la salida de la boquilla y el punto de caída del hierro fundido suelen ser áreas de concentración de tensiones mecánicas y térmicas.

Actualmente, la evidencia científica independiente sobre el papel de la microsílice en las boquillas oscilantes es limitada. por lo tanto, no se debe afirmar que un tipo concreto de microsílice o una proporción fija de adición haya sido demostrada como óptima en estudios científicos. Desde un punto de vista técnico, la microsílice se utiliza principalmente para:

• reducir el contenido de agua en la mezcla y aumentar la resistencia estructural inicial;
• mejorar la homogeneidad de la matriz y reducir la penetración del hierro fundido y la erosión local;
• mejorar la integridad del vertido en los ángulos y puntos débiles de la boquilla;
• combinarse con la granulometría de los áridos y los antioxidantes, para garantizar tanto la resistencia a la erosión como la estabilidad frente a los choques térmicos.

En esta zona es especialmente importante evitar la sinterización excesiva y la fragilización de la matriz. la evaluación de los materiales debe incluir ensayos de resistencia residual tras choques térmicos, así como de integridad estructural en condiciones de erosión dinámica y vibración.

IV. Principios para la selección de microsílice para materiales de canaletas de hierro

En primer lugar, no se debe considerar la pureza del SiO₂ como único criterio

Una alta pureza no equivale a un bajo consumo de agua, ni implica necesariamente una alta densidad volumétrica ni una elevada resistencia a la escoria. Es imprescindible analizar simultáneamente la distribución granulométrica, la superficie específica, el estado de aglomeración, la pérdida por calcinación, el contenido de carbono y las impurezas de metales alcalinos.

En segundo lugar, controlar el SiO₂ total y la fase líquida a alta temperatura en función de la zona

La zona de impacto requiere densidad, resistencia a la erosión y a la oxidación. en la línea de escoria es necesario controlar estrictamente la fase de bajo punto de fusión. en los canales de hierro de apoyo y las boquillas oscilantes se hace mayor hincapié en la resistencia a la penetración del hierro fundido, la estabilidad térmica y la estabilidad volumétrica. No se debe aplicar mecánicamente la misma fórmula de matriz a todas las zonas.

En tercer lugar, evaluar el microsílice junto con todo el sistema de matriz

El efecto del polvo de microsílice se ve influido conjuntamente por la alúmina activa, el cemento, el SiC, la fuente de carbono, el silicio metálico, el B₄C, los dispersantes y la cantidad de agua añadida durante la aplicación. Discutir el «mejor polvo de microsílice» al margen de la fórmula global carece de sentido científico.

En cuarto lugar, la cantidad a añadir debe determinarse mediante ensayos prácticos con el material

Se recomienda evaluar, como mínimo, los valores de fluidez en función de la cantidad de agua añadida, la densidad volumétrica, la porosidad aparente, la resistencia a temperatura ambiente, la resistencia a la flexión a alta temperatura. el índice de resistencia a la oxidación, la resistencia residual tras el choque térmico, la erosión real por escoria y el comportamiento durante el secado de seguridad. Una dosis fija no puede aplicarse directamente, copiándola de un artículo, a todas las acerías ni a todas las zonas.

Conclusión

El valor de la microsílice en los refractarios de los canales de salida de hierro de los altos hornos radica, en esencia, en el control integral de la estructura de la matriz y de los procesos de reacción a alta temperatura. Permite optimizar la distribución granulométrica, reducir el agua de aplicación, aumentar la densidad y, mediante la formación de una fase líquida rica en silicio y de mullita, mejorar la unión cerámica y las propiedades de resistencia a la oxidación.

Sin embargo, el microsílice también modifica el contenido total de SiO₂ del sistema y la composición de la fase líquida a alta temperatura. En condiciones de intrusión de FeO, CaO, MgO u óxidos de metales alcalinos, un exceso de SiO₂ o una proporción inadecuada pueden contribuir a la formación de una fase de bajo punto de fusión. Por lo tanto. la zona de impacto del canal principal, la línea de metal, la línea de escoria, el separador de escoria, los canales secundarios de salida de hierro, los canales de escoria y la boquilla oscilante deben diseñarse por zonas, en lugar de utilizar un único tipo de «polvo de silicio microfinos de alta pureza» para todas las condiciones de funcionamiento.

El criterio de selección verdaderamente fiable no es la máxima pureza ni la máxima resistencia a temperatura ambiente, sino si, en condiciones concretas de escoria, temperatura del hierro fundido, régimen de colada y ciclo de mantenimiento, el material es capaz de mantener a largo plazo una baja permeabilidad, una baja oxidación, una resistencia térmica estable y una tasa de desgaste controlable.

Referencias principales

1. Darban S. et al., «Corrosion mechanisms of Al₂O₃-SiC-C refractory castables by iron and slag based on post-mortem analysis of industrial samples», Open Ceramics, 2023, n.º de artículo 100453.
2. Cao Z. et al., «Efecto de diferentes humos de sílice sobre las propiedades de los refractarios moldeados de Al₂O₃-SiC-C para canales de hierro», China’s Refractories, 2023, 32(2): 31-36.
3. Liu G. et al., «El efecto de la microsílice en la resistencia a la oxidación de los morteros refractarios de Al₂O₃-SiC-SiO₂-C con aditivos de Si y B₄C», *Ceramics International*, 2016.
4. Yao H. et al., «Análisis numérico de la erosión y optimización de la canal principal de un alto horno», *Materials*, 2021, 14: 4851.
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6. Domiciano V. G. et al., «Retos de la sala de colada del alto horno: análisis de fallos del hormigón refractario del canal principal», ponencia presentada en la conferencia UNITECR.
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