soldadura ceramica para la reparacion de …

Anais do 50º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 50th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

22 a 25 de maio 2006 – Blumenau, SC

SOLDADURA CERAMICA PARA LA REPARACION DE REFRACTARIOS DE HORNOS INDUSTRIALES

H. E. Lobato, M. A. Camerucci y A. L. Cavalieri

J. B. Justo 4302-(B7608FDQ) Mar del Plata-Argentina

Lab. Materiales Estructurales-División Cerámicos-INTEMA-Facultad de

Ingeniería-UNMdP-CONICET [email protected]

RESUMEN

El proceso de “soldadura cerámica” es un atractivo método para reparar

materiales refractarios (fisuras, desgaste) en hornos industriales a alta

temperatura. Si bien los costos son elevados frente a métodos convencionales, la

ventaja es la mayor durabilidad de la reparación.

Se utilizaron un polvo de soldadura comercial y ladrillos de sílice KS para

reparaciones a escala laboratorio, empleando un equipo construido bajo diseño

propio. Con fines comparativos, se trabajó con ladrillos de sílice post-mortem de

un horno de coque siderúrgico reparados en Planta por soldadura cerámica.

El polvo comercial se caracterizó por análisis granulométrico, análisis por

DRX, densidad picnométrica y ATD/ATG. Las interfases y masas de reparación

se estudiaron por análisis cualitativo de DRX y SEM.

El análisis de los resultados constituye un punto de partida para establecer

una metodología para el estudio de las variables de proceso y diseño de nuevas

mezclas de reparación.

Palabras claves: Soldadura cerámica, Refractarios, Microestructura

1. INTRODUCCIÓN

El proceso de “soldadura cerámica” es un atractivo método para la

reparación de materiales refractarios en hornos industriales. Consiste en

1



proyectar a presión mediante corriente de oxígeno o aire sobre el material

refractario dañado (fisuras, desgaste) a alta temperatura una mezcla de

soldadura en polvo. Esta contiene además de óxidos compatibles con el

sustrato refractario, partículas metálicas finamente divididas las cuales actúan

como agentes exotérmicos en el proceso. Cuando las partículas metálicas

impactan en la superficie del sustrato refractario, que se encuentra a alta

temperatura (1000-1500°C), reaccionan con el oxígeno liberando calor y

alcanzando localmente temperaturas del orden de 2000-2500 ºC. Estas

temperaturas producen la fusión parcial tanto del sustrato como de la carga de

soldadura formándose una unión cerámica entre ambos. Las partículas

metálicas usadas deben ser tales que al producirse la combustión formen

óxidos compatibles químicamente con el sustrato y se generen fases similares

a las del material refractario. De esta manera, esta técnica permite diseñar

polvos de soldadura que, una vez aplicados, tengan propiedades similares a

las del sustrato a reparar, haciéndola aún más conveniente (1-3). Si bien los

costos del uso de soldadura cerámica son elevados, el beneficio se relaciona

con la mayor durabilidad de la reparación (formación de una unión cerámica)

frente a las producidas con los métodos de reparaciones convencionales

menos costosos. Se suma que es un proceso que se puede realizar a la

temperatura de operación de los hornos sin parada de Planta.

Para la proyección del polvo de soldadura cerámica se pueden emplear

máquinas presurizadas (sistema cerrado) o máquinas abiertas tipo venturi

ambas con una tolva que contiene la mezcla del polvo y equipos de control que

se diferencian en el sistema de arrastre del material (4).

Todos los materiales refractarios se pueden reparar por soldadura

cerámica. Sin embargo, cada tipo de refractario requiere composiciones de

materiales de reparación específicos y métodos de aplicación particulares (4-6).

En particular, en la reparación de hornos de ladrillos refractarios de sílice, la

carga utilizada puede consistir de SiO2, en alguna de sus formas polimórficas

(cuarzo, cristobalita, tridimita) y los metales que se agregan a la mezcla son

silicio y aluminio en pequeñas cantidades (alrededor de 10% Si y 0,5% Al) (5).

En este se trabajo se realizaron ensayos de soldadura cerámica a escala

laboratorio sobre sustratos refractarios de sílice, empleando un polvo de

soldadura comercial. La puesta a punto del proceso, diseño y construcción del

2



equipo utilizado para realizar los ensayos de soldadura cerámica a escala

laboratorio, fueron realizados previamente (7). En esta instancia, se pretenden

obtener, mediante ensayos de soldadura cerámica a escala laboratorio,

calidades aceptables de reparación, tomando como punto de partida muestras

de refractarios que han sido reparados en la industria mediante esta técnica,

con el fin de establecer una metodología de estudio para evaluar nuevos

diseños de mezclas.

2. EXPERIMENTAL

2.1. Materiales y métodos

Se realizaron ensayos de soldadura cerámica a escala laboratorio

utilizando: a) un polvo de soldadura comercial empleado para la reparación de

ladrillos de sílice de hornos de coque siderúrgico y b) ladrillos de sílice calidad

KS como sustratos. Con fines comparativos, se analizaron refractarios de sílice

post-mortem de un horno de coque de la industria siderúrgica reparados por

soldadura cerámica.

El polvo de soldadura comercial se caracterizó mediante análisis

granulométrico por tamizado (distribución de tamaño de partículas y tamaño

medio), análisis cualitativo por difracción de rayos X, DRX (Philips, radiación Co

a 30 mA y 40 kV, 1 °2θ/min), análisis semi-cuantitativo de fases (polimorfos de

sílice y metales) por difracción de rayos X empleando el método Rietveld

(Cetmic, La Plata), análisis térmico diferencial, ATD, (Shimatzu DTA-50, a 10

ºC/min hasta 1400 ºC en aire) y análisis termogravimétrico, ATG (Shimatzu

TGA-50, a 10 °C/min hasta 1400 °C en aire).

Las fases presentes se analizaron en función del tamaño de partícula por

DRX de cortes granulométricos (fracciones del polvo de soldadura retenidas en

tamices de mallas N° 12, 20, 45, 70 o sea con tamaños de partículas > 1,68;

0,84; 0,35 y 0,21 mm).

Los ladrillos de sílice calidad KS se caracterizaron previamente (8, 9). Se

determinaron tridimita y cristobalita como fases mayoritarias y escasa

proporción de α-cuarzo. Presentan alta porosidad con poros intergranulares

formando canales y cristales blancos asociados a una matriz vítrea silícea. La

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densidad y porosidad aparentes (asociada casi en su totalidad a poros

abiertos) son 1,8 g/cm3 y 23%, respectivamente.

Las masas de reparación obtenidas por soldadura cerámica en los ensayos

de laboratorio y las provenientes de Planta se caracterizaron por DRX. El estudio

microestructural de las masas de soldadura cerámica y de las interfases ladrillo

de sílice/masa de soldadura se realizó por SEM (Jeol JSM-6460 LV).

2.2. Ensayos de aplicación de soldadura cerámica

Para estudiar el proceso de soldadura cerámica a escala laboratorio se

diseñó y construyó un equipo con un dispositivo tipo venturi que permite proyectar

sobre un sustrato refractario a alta temperatura el polvo de soldadura vehiculizado

en corriente gaseosa a presión (7). Se diseñó un ensayo, a partir del cual se evaluó principalmente la

disposición del sustrato refractario, presión de aplicación y distancia de

proyección. Para realizar el calentamiento se empleó un horno eléctrico de

cámara (elementos calefactores de SiC y temperatura máxima de 1400 °C). Se

seleccionó un sistema con un tubo de sillimanita (3,5 cm de diámetro interno y 20

cm de longitud) posicionado horizontalmente en la cámara del horno a través de

un orificio en el panel de la puerta. En una ranura en la parte central del tubo se

apoya perpendicularmente el sustrato refractario. Una ventaja de este sistema,

frente al diseño en el cual el sustrato es la puerta del horno propiamente dicha, es

mantener constante la temperatura del sustrato durante todo el ensayo ya que no

requiere la apertura de la puerta durante la operación de soldadura. Además, se

logra mayor eficiencia ya que la proyección a través del tubo permite confinar

sobre el sustrato la mayor parte del polvo proyectado. Los discos de material

refractario (sustrato) de 4,5 cm de diámetro y 0,8 cm de espesor se obtuvieron

por corte del ladrillo de sílice virgen con broca y disco diamantados.

Se fijaron condiciones de proceso sobre la base de trabajos reportados (2, 4,

10) y de un estudio previo (7). Los ensayos se llevaron a cabo a dos temperaturas,

1000 ºC (ensayos 1-2) y 1200 ºC (ensayos 3-4) empleando distintas presiones y

distancias de proyección detalladas en la Tabla I. En todos los ensayos se

empleó O2 como gas de transporte del polvo de soldadura. Es importante

recordar que la reparación de refractarios por soldadura cerámica se realiza en

4



capas hasta obtener el espesor de reparación deseado. En el ensayo 1 sólo se

realizó una proyección y en los restantes (2, 3 y 4) se realizaron 6 proyecciones.

Los espesores logrados fueron <1 mm y 3-4 mm, respectivamente.

Tabla I: Condiciones experimentales de los ensayos

Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3 Ensayo 4 Temperatura (°C) 1000 1000 1200 1200

Presión (bar) 3,5 3,5 3,5 4,5 Distancia (cm) 9 9 8 8

N° proyecciones 1 6 6 6

3. RESULTADOS Y DISCUSION

3.1. Polvo de soldadura comercial

Por análisis por tamizado, se determinó que el polvo de soldadura cerámica

(mezcla de partículas metálicas y de óxidos cerámicos) tenía una distribución de

tamaño de partículas relativamente estrecha con el total de las partículas con

tamaños por debajo de 1,8 mm y un diámetro medio D50 = 0,9 mm (7).

Por análisis cualitativo por DRX, se identificaron picos de difracción

característicos de tridimita (ICDD File 14-0260) y cristobalita (ICDD File 39-1425)

de significativa intensidad junto a picos de muy baja intensidad correspondientes

a aluminio (ICDD File 04-0787) y picos intensos de silicio (ICDD File 05-0565). A partir del análisis de los difractogramas correspondientes a los cortes

granulométricos entre 12 y 70 mallas, se identificaron partículas de sílice en sus

formas polimórficas de cristobalita y tridimita en todo el rango de la distribución

granulométrica. Contrariamente, las partículas metálicas estaban presentes

principalmente en los finos de la mezcla sólida con tamaños menores a 0,35 mm

(malla 45). A partir de este diseño granulométrico se podría esperar una mayor

reactividad debido a la mayor área superficial expuesta de las partículas

metálicas finas (7).

La formación de óxidos de aluminio y silicio se infirió a partir del análisis

térmico del polvo de soldadura: en el ATD se registró un pico exotérmico con un

máximo en ≈ 1100 °C que se corresponde con el aumento de peso (∼4%)

registrado a partir de los 800 °C en la curva de ATG. Un hombro superpuesto a

5



∼1250 °C y el comienzo de un pico endotérmico se asociaron con formación de

mullita y fase líquida, respectivamente.

Los porcentajes de aluminio y silicio metálicos y de las fases de sílice

presentes en el polvo de soldadura se determinaron a partir del análisis por DRX

por el método Rietveld empleando el programa FULLPROF de refinamiento

estructural. Los resultados obtenidos se muestran en las Tablas II y III.

Tabla II: Porcentaje en peso (%P) de metales (Si y Al) en el polvo de soldadura

Metales Porcentaje en la mezcla (%P) silicio 13

aluminio ∼ 2 Tabla III: Porcentaje en peso (%P) de las fases de sílice (cristobalita y tridimita) en

el polvo de soldadura

Polimorfos de sílice Porcentaje en la mezcla (%P) Cristobalita 54

Tridimita 31

Los metales se adicionan a la mezcla de soldadura cerámica en bajas

cantidades, en especial el aluminio, debido a la alta exotermia de las reacciones

de oxidación (8):

Si + O2 → SiO2 + 210 kcal/mol (A)

2Al + 3/2 O2 → Al2O3 + 408 kcal/mol (B)

En cuanto a la sílice, se observa una mayor cantidad de cristobalita, fase

estable a mayor temperatura (54 % en peso) respecto de la otra fase tridimita (31

%). No se registró la presencia de cuarzo.

3.2. Sistema ladrillo de sílice/interfase/masa de soldadura

En la Figura 1 se muestra una imagen del ladrillo de sílice post-mortem de

un horno de coquización reparado en la industria mediante soldadura cerámica y

en la Figura 2 se presenta una imagen de la reparación realizada en laboratorio

(ensayo 2) cuyo tamaño es ≈ 5% del tamaño del ladrillo post-mortem.

6



Figura 1: Ladrillo de sílice reparado

por el método de soldadura cerámica

. Figura 2: DRX del material de soldadura

La parte superior es la masa de soldadura aplicada y la inferior corresponde

al sustrato (SiO2) sobre el cual se proyectó el polvo de soldadura. En ambos

casos, se observa continuidad estructural a lo largo de la interfase. En la muestra

obtenida en el laboratorio, la carga aplicada es densa en una capa delgada

próxima al sustrato refractario de sílice, y se vuelve más porosa y menos

consolidada al incrementar la distancia desde el refractario hacia la superficie de

la masa de reparación. El ladrillo reparado en la industria, posee una resistencia

mecánica que supera la de la muestra obtenida en el laboratorio. Sin embargo, en

esta última muestra la capa correspondiente a la primera proyección se encuentra

firmemente adherida al sustrato refractario indicando que se ha formado unión

cerámica entre el material de soldadura y el sustrato. Una posible explicación de

esta diferencia sería que la granulometría del polvo de soldadura comercial no es

adecuada para las dimensiones de probetas y el equipo utilizados a escala

laboratorio afectando así la calidad de la reparación. Se prevé entonces trabajar

sobre el acondicionamiento de la granulometría del polvo de soldadura, para

lograr además de una buena adhesión de la masa de soldadura al sustrato, una

buena cohesión en todo el volumen de la masa de reparación. Las muestras obtenidas en las restantes condiciones (ensayos 3 y 4)

presentan un aspecto similar al observado en la Figura 3 indicando que el

aumento de la temperatura de operación de 1000 a 1200 °C no se traduce en una

mejora significativa del proceso (mayor resistencia de la masa de reparación).

Adicionalmente, en las condiciones del ensayo 4, se observó un mayor rebote de

material que podría asociarse al aumento de la presión de proyección.

7



En la Figura 3 se observan los difractogramas de los polvos de las masas de

reparación molidas en mortero de tungsteno obtenidas en los ensayos 2 y 3

(SC2-SC3) y el correspondiente a la masa de soldadura de la muestra comercial

post-mortem junto al del polvo de soldadura comercial.

Figura 3: Difractogramas de las soldaduras en polvo obtenidas en el

laboratorio y de la soldadura post-mortem junto con el polvo de soldadura

comercial

El difractograma de la masa de soldadura del ladrillo post-mortem de

Planta revela la presencia de fases con un alto grado de cristalinidad (picos

estrechos y muy intensos). Se determinó la presencia de silicio metálico

residual (ICDD File 05-0565) junto a los picos característicos de cristobalita y

tridimita (ICDD Files 39-1425 y 14-0260, resp.) y no se detectó aluminio (ICDD

File 04-0787).

En las muestras obtenidas en laboratorio se observa disminución de la

intensidad de los picos de difracción de silicio metálico, originalmente de muy

baja intensidad, y desaparición de los picos de difracción del aluminio. Además,

se observó un apreciable aumento del ancho y disminución de las intensidades

de los picos de difracción característicos de las fases cristobalita y tridimita que

se asocian con pérdida de cristalinidad. El aumento de la línea base en la zona

de los picos de difracción más intensos (20-30 °2θ) de cristobalita y tridimita

indica la aparición de fase vítrea silícea. Este último resultado apoya la

hipótesis de fusión parcial del sustrato de sílice y del polvo de soldadura con la

consiguiente formación de liga cerámica. Aunque ambos materiales son

8



químicamente compatibles, la expansión térmica y contracción característica de

la sílice vítrea formada difieren marcadamente de las de sílice en sus formas

cristalinas. De este modo, hasta que la cristalización de la masa de soldadura

ocurra, el desajuste en los cambios volumétricos podría resultar en la

generación de altos niveles de esfuerzos en la interfase ladrillo/masa de

soldadura con subsiguiente formación de fisuras. No se observó formación de

alúmina en su forma cristalina más estable, corindón (α-Al2O3 ICDD File 42-1468)

y/o mullita (3Al2O3.2SiO2 ICDD File 15-776) que podrían originarse a la

temperatura de aplicación por oxidación del aluminio y reacción entre la sílice

presente y la alúmina, respectivamente, hecho que se puede atribuir a una muy

escasa cantidad de estas fases por debajo del límite de detección de esta

técnica.

Un aspecto en común a la reparación en Planta y en laboratorio, es que

ambos presentan partículas de silicio metálico residual. Esto atenta contra la vida

útil de la reparación, debido al aumento de volumen al doble asociado a la

oxidación de estas partículas durante la operación normal del horno.

Se prevé seguir la evolución térmica de las muestras obtenidas con el fin de

establecer las fases presentes en la reparación con el tiempo de permanencia

dentro del horno, ya que son éstas las que determinarán las propiedades físicas y

mecánicas de la reparación. En la Figura 4a se muestra la interfase de la muestra obtenida en las

condiciones del ensayo 2, mientras que en la Figura 4b se muestra la interfase

del ladrillo de sílice post-mortem reparado en la industria. En ambas muestras se

observan microestructuras similares. Tanto en la muestra obtenida en el

laboratorio como en la muestra post-mortem se observa continuidad estructural

(formación de unión cerámica entre los componentes) a lo largo de la interfase

ladrillo de sílice/masa de soldadura y presencia de escasos huecos. En la

muestra de laboratorio se observan zonas de aspecto vítreo que confirman los

resultados obtenidos por DRX. A partir de estos resultados se puede inferir la

formación de una unión cerámica entre el sustrato de sílice y el polvo de

soldadura.

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Interfase Soldadura Soldadura

Figura 4: Imágenes de SEM de interfases de reparación, a) muestra obtenida

en el laboratorio (ensayo 5); b) muestra post-mortem

4. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos a nivel interfase en los ensayos de soldadura

cerámica a escala laboratorio son prometedores, lográndose una verdadera unión

entre la masa de soldadura y el sustrato.

En cuanto a la masa de reparación en sí, a escala laboratorio se obtuvo una

masa menos densa que la correspondiente a la muestra reparada en la industria.

De acuerdo con los resultados obtenidos, se infiere que una disminución de

la granulometría del polvo de soldadura comercial utilizado a escala laboratorio y

un mayor ajuste de las variables de ensayo: presión de aplicación, temperatura

del sustrato y distancia de proyección pueden contribuir a mejorar la calidad de la

reparación.

5. REFERENCIAS 1. A. R. Hamacher: Durable renovation of defective coke oven walls using the

ceramic welding process. World Ceramic (1985) 19-24.

2. B. Dueker, J. Smart: Ceramic welding (Oxythermie) – the refractory life

support system, 53-56. 3. Principios técnicos: “Soldadura Cerámica: Un sistema adelantado de arreglo

en caliente”. Fosbel (1986)

4. C. Zvosec, J. Briggs: Ceramic welding: A new approach to the production of

refractory repair masses. I & SM 9 (1988) 43-46.

Ladrill

a) b) Ladrillo Interfase Ladrillo

10



5. K. Pendleton: Ceramic Welding: Performance by Design. Ceramic Industry

(2001) 29-31.

6. J. P. Meynckens: Ceramic Welding: Techniques and improvements for glass

furnaces. Unified International Technical Conference on Refractories (2000) pp.

238-240.

7. Lobato, H. E., Camerucci, M. A., Cavalieri, A. L. “Diseño de un equipo a escala

laboratorio para soldadura cerámica”. Actas Congreso Binacional SAM/

CONAMET: Jornadas Memat 2005, Mar del Plata, Argentina, Octubre 2005.

8. M. A. Camerucci, A. G. Tomba M., A. L. Cavalieri, M. de Córdova, R.

Topolevsky, “Post-morten analysis of silica bricks for coke ovens”. Journal of the

Technical Association of Refractories, Japan 3 (2004)

9. Gomez Sanchez, Trabajo Final de Ingeniería en Materiales, Universidad

Nacional de Mar del Plata (2004).

10. W. Lang. Ceramic Welding Used with High Temperature CCTV in Advanced

Repair Technique for Glass Furnace. RA&N 1 (2000) 6-7.

CERAMIC WELDING FOR INDUSTRIAL OVEN REFRACTORY REPARATION

H. E. Lobato, M. A. Camerucci y A. L. Cavalieri

J. B. Justo 4302-(B7608FDQ) Mar del Plata-Argentina [email protected]

Lab. Materiales Estructurales-División Cerámicos-INTEMA-Facultad de

Ingeniería-UNMdP-CONICET

ABSTRACT

The “ceramic welding” process is an atractive method to repair refractories

(cracks, wear) in industrial ovens at high temperature. Although its cost is higher

than in convencional methods, the advantage is the major durability of the

reparation.

Commercially available welding powder and KS silica refractories were used

in the laboratory ceramic welding tests employing a device manufactured with

proper design. For a comparative purpose, it worked with post-mortem silica

bricks from a siderurgical coke oven repaired in factory by ceramic welding.

11



The commercial powder was characterized by granulometric analysis, X-ray

diffraction analysis and DTA/TGA analysis. The interphases and masses of

reparation were studied by X-ray diffraction analysis and scanning electronic

microscopy (SEM). The analysis of the results constitutes a starting point in order

to stablish a metodology to study the process variables and design new reparation

mixtures.

Key-words: Ceramic welding, Refractories, Microstructure

12

soldadura ceramica para la reparacion de …

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