Los materiales refractarios y su aplica­ción actual en la industria siderúrgica

JOSE MARIA BILBAO ARISTEGUI Doctor Ingeniero Industrial

Director de "Refractarios Aristegui"

I. Introducción.

Desde el año 1955 la industria siderúrgica mundial señala una auténtica revolución y renovación en los procesos de producción de acero que forzosa­mente ha repercutido en la fabricación de materiales refractarios.

La industria siderúrgica es la mayor consumidora de refractarios, pudiendo calcularse que absorbe el 70 % de su producción. Este porcentaje puede variar ± 5 % de uu país a otro, pero en todo caso reñeja la trascendendia que la pro­ducción de arrabio y acero tiene para la industria de refractarios.

En U. S. A., de acuerdo con las estadísticas publicadas el año 1963 por 'The Refractories Institute'' (1), la producción de refractarios de las fábricas ameri­canas se repartió del siguiente modo entre las diferentes industrias :

Siderúrgica 63 % Metales no férreos 9 % Exportaciones 9 % Vidrio 7 % Cerámica 3,5 % Cemento 3 %

o/ /O

Químicas 3 Servicios públicos 1,5 % Petróleo 1 %

Del 9 % de la partida correspondiente a exportaciones, su mayor parte, tal vez el 7 % fue destinada a hornos altos y hornos de acero, lo que nos conñrma

* Conferencia pronunciada en la VII Reunión Anual de la Sociedad Española de Cerá­mica, celebrada en Barcelona durante los días 1-4 de junio de 1966.

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la cifra antes mencionada, es decir, que la industria siderúrgica viene absorbiendo hasta el presente cerca del 70 % de la producción de materiales refractarios.

II. Praducción mundial de acero y de materiales refractarios.

Dada la íntima conexión existente entre las dos industrias, es de interés dar a conocer unos datos sobre las cifras de producción de acero y refractarios du­rante el año 1965 en los principales países.

Las estadísticas de la producción mundial de acero durante el año 1965 se han publicado recientemente en Stahl und Eisen (2). En ellas se comparan las producciones en el último trienio 63-64 y 65 con el bienio 1936-38 anterior a la II Guerra Mundial, así como la producción de acero por habitante, que en España ha pasado de 38 Kg. en el bienio 1936-38 a los 109 Kg. por habitante en el año 1965.

Resumida la producción de acero mundial en los cuatro grupos geográñcos y políticos más importantes, nos encontramos con las siguientes cifras corres­pondientes al año 1965 :

U. S. A 121,9 mill/t Canadá 9,1 131,0

M. C. E 85,9 O. E. C. D 41,2 127,1

U . R . S . S 91,0 China 12,0 Otras naciones 31,5 134,5

Japón 41,2 India 6,3 Australia 5,4 Otras naciones 12,5 65,4

Producción mundial mill/'t 45'8,0

El resumen de estas cifras nos muestra bien a las claras un reparto que es muy significativo.

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PRODUCCIÓN MUNDIAL DE ACERO EN 1965

América del Norte (U. S. A. y Canadá) 131 mill/t ^ 29 % Europa Occidental 127 = 28 % U. R. S. S., China y otros países 135 = 29 % Japón, India, Australia, Africa del Sur y América del Sur. 65 = 14 %

Producción mundial 458 mill/t = 100 %

En cuanto a la industria de refractarios se reftere, a continuación indicamos los datos de producción en 1965 de los países que más nos pueden interesar y son los siguientes :

U.S. A 5.522.317 toneladas. Alemania Federal 2.152.480 Japón 1.737.454 Gran Bretaña 1.666.522 Francia 663.259 Austria 523.440 Italia 430.000 España 312.340 Grupo Escandinavo 162.440 Bélgica 155.453 Holanda 67.102 Suiza 33.599

Los datos correspondientes a U. S. A. están tomados de las estadísticas ofi­ciales publicadas en Current Industrial Reports Series (3) y los de Gran Bre­taña de las estadísticas de la National Federation of Clay Industries. Los datos de las restantes naciones europeas corresponden a las estadísticas oficiales del P. R. E. (4). Las cifras correspondientes al Japón son estimadas, tomando como base los datos oficiales correspondientes al año 1962.

En estas cifras de producción, están incluidos los productos refractarios mol­deados, clasificados en sus categorías de :

— alto contenido en alúmina (de 45 a 56 % y de más de 56 % AL,0,) — aluminosos (de 30 a 45 % AI2O3) — silicoaluminosos —• semisílice — sílice

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— básicos — aislantes — especiales (carbono, grafito, carburo de silicio, óxido de circonio, silicato

de circonio y electrofundidos)

y también los produtos refractarios no moldeados, tales como :

-— masas para apisonar, masas plásticas, morteros, cementos, etc.

No están incluidas las cifras de producción correspondientes a arcillas y dolomías, pero sí las de magnesita a granel en U. S. A., Japón, Gran Bretaña y Austria.

Quizá llame la atención la desproporción entre la producción de acero y re­fractarios en un mismo país, pero de este índice no se puede sacar ninguna conclusión definitiva, puesto que el consumo de refractarios nacionales por to­nelada de acero depende fundamentalmente de :

a) de los procesos siderúrgicos (una instalación de acería L-D de converti­dores soplados con oxígeno consume muchos menos kilos de refractario por tonelada de acero que una acería con hornos Siemens con bóvedas acidas).

b) De las importaciones y exportaciones de material refractario que realiza cada país.

Así tenemos, por ejemplo, el caso de Holanda, que alcanza una producción de 3.190.000 toneladas de acero y sólo produce 67.102 toneladas de materiales refractarios, mientras que por el contrario, en el mismo año 1965, Austria, con una producción similar de acero de 3.220.000 toneladas, alcanzó una cifra de 523.440 toneladas de refractario.

Esto no debe interpretarse en el sentido de que los refractarios holandeses son superiores a los austríacos, como pudiera parecer a primera vista para un profano, sino que conviene aclarar que Austria, bajo el punto de vista refrac­tario, es una nación eminentemente exportadora, mientras que a Holanda le ocurre todo lo contrario y tiene que realizar grandes importaciones de ma­terial refractario.

III. Evolución de las procesos siderúrgicos y su repercusión en la industria de los refractarios.

Una vez esbozada, en líneas generales, la trascendental importancia que la industria siderúrgica tiene para los fabricantes de material refractario, vamos

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a pasar rápidamente revista a cuál ha sido la evolución de procesos en la pro­ducción de arrabio y acero en los últimos diez años y cuáles son bajo el punto de vista refractario los problemas de más candente actualidad.

Nos vamos a ocupar exclusivamente de los nuevos procesos de producción de acero y de los refractarios, que para los mismos, los siderúrgicos nos exigen.

En el horno alto, como es sabido, el mineral de hierro y el cok son transfor­mados por un proceso de reducción, en arrabio o hierro^ líquido, producto fun­damental para la obtención del acero.

Las tendencias actuales, ayudadas considerablemente por los notables avan­ces conseguidos en la preparación de lechos de fusión mediante plantas de sinte-rización de finos de mineral, se orientan hacia la utilización de estufas Cowpers para producir viento caliente a temperaturas elevadas, incluso hasta de 1.250''C.

En Alemania, doce compañías siderúrgicas se han integrado en un grupo de trabajo e investigación titulado "Winderhitzer", con la finalidad de estudiar los efectos de esta nueva tendencia en la marcha del horno alto.

Para ello, aprovechando la reconstrucción del horno alto número 1 de la Salzgitter Hüttenwerk AG (5), se instalaron tres nuevas estufas proyectadas por la firma Koppers, Essen.

Para conseguir elevar a 1250° C la temperatura del viento caliente, medida en el conducto de soplado, es necesario el empleo de ladrillos refractarios que puedan resistir temperaturas de l.óOO'̂ C. Por esta razón fueron utilizados ladri­llos de sílice en la zona de las estufas que están trabajando continuamente a temperaturas por encima de LIOO'̂ C. Para evitar los problemas de dilatación de los ladrillos de sílice por encima de óOO^C, éstos se colocaron únicamente en las hiladas superiores de las colmenas, mientras que la zona inferior se construyó con los materiales aluminosos habituales.

No entraremos en msá detalles sobre los resultados obtenidos en Salzgitter, pero no podemos dejar de resaltar la conomía conseguida en el consumo de cok por tonelada de arrabio, que descendió de 635 Kg/ton. con viento soplado a 850'', a 558 Kg/ton. con viento soplado a 1.250", lo que supone una reducción, nada despreciable, del 12 % en el consumo de cok.

También se realizaron campañas con inyecciones de 80 Kg. de fuel-oil por tonelada de arrabio, con lo que se consiguió rebajar, aún más, el consumo espe­cífico de cok a la cifra record de 475 Kg/ton. de arrabio.

En lo que concierne a la producción de acero los procesos que más han revolucionado las antiguas técnicas en los últimos años han sido :

a) La inyección de oxígeno en diversos tipos de hornos y convertidores.

b) La colada continua.

c) Las plantas de desgasificación.

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El objetivo principal de todo proceso siderúrgico es la oxidación de las im­purezas contenidas en la carga del horno.

Esto es cierto, no sólo para la transformación de arrabio en acero, sino tam­bién —en menor escala— aplicable a la transformación de chatarra en acero tra­tándose de cargas frías, bien sea en hornos Siemens o en hornos eléctricos de arco.

En un trabajo publicado por las Naciones Unidas, sobre comparación de procesos siderúrgicos (6) se supone que desde hace tiempo se sabe qiíe la fuente más pura e inagotable de oxígeno es el aire atmosférico, y que la aplicación del oxígeno en plantas siderúrgicas permite la más rápida transformación del arra­bio y chatarra en acero, con un ahorro térmico considerable. Debemos señalar, que ya en 1856, Henry Bessemer, en las patentes del proceso que lleva su nombre, cubría también la posible aplicación de oxígeno.

Pero hasta 1950 la utilización del oxígeno en siderurgia estaba limitada, por razón de su alto costo, a fines determinados y específicos. Como expone A. Jack­son, en su obra recientemente publicada (7), ya en 1960 gracias a la labor de investigadores y aceristas que estudiaron nuevos procesos y técnicas donde el oxígeno pudiera utilizarse en gran escala, se produjeron cerca de 30 millones de toneladas de acero con los nuevos procesos y es muy probable que en los próximos diez años la mayor parte del acero mundial se obtendrá por aplicación de oxígeno en los procesos de fusión y afino.

El soplado de oxígeno en convertidores ha creado una auténtica revolución, tanto por la calidad del acero como por la ñexibilidad del proceso. La utilización del oxígeno ha permitido la puesta en marcha de muchos nuevos procesos, tales como los L-D, L-D-AC, OLP, LD-Pompey, Kaldo, Rotor y PL.

Representantes de la industria siderúrgica de todas partes del mundo se re­unieron en Le Touquet (Francia), en septiembre de 1963, para discutir los últimos adelantos en los procesos de fabricación de acero al oxígeno (8), publicándose con tal ocasión trabajos muy interesantes sobre este tema.

La industria mundial de refractarios, preocupada por esta revolución de los procesos siderúrgicos, ha procurado alinearse, e incluso adelantarse, a las nue­vas exigencias que la aplicación del oxígeno le ocasionaba.

Por no citar todos los trabajos aparecidos en los últimos años en las revistas técnicas, sólo quiero señalar que un año antes del Congreso Siderúrgico de Le Touquet, exactamente el 3 de mayo de 1962, la Refractories Association de Great Britain fue invitada a la reunión anual del Instituto del Hierro y del Acero Británico celebrada en Londres, para tomar parte activa en las discusiones sobre tan interesante tema, contribuyendo a la publicación del resumen de tra­bajos titulado ''Refractarios para procesos de acero al oxígeno" (9).

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Como expone el doctor Chesters en la introducción de dicha obra, para los fabricantes de refractarios los procesos de acero al oxígeno son revolucionarios y alarmantes, ya que hasta ahora la mayor parte de la producción mundial de acero se obtenía en hornos Martin Siemens, con consumos de 60 Ib. de ladrillos y 60 Ib, de material refractario para parcheo por tonelada de acero, mientras que con los nuevos procesos se ha llegado a cifras de 10 Ib. por tonelada de acero y aún menores.

Lógicamente, ello nos afecta y preocupa seriamente, ya que la mayoría de las ampliaciones que se efectúan en las plantas siderúrgicas introducen el sis­tema de afino por soplado con oxígeno, bien en convertidores o por lanzas a través de las bóvedas en los hornos Martin Siemens.

El plan de expansión previsto en España para la industria siderúrgica incluye los siguientes objetivos en acerías con convertidores soplados con oxígeno :

E M P R E S A S CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN

ENSIDESA.—Planta L-l :

Tres convertidores LD de 65 toneladas 1.400.000 toneladas.

ENSIDESA.—Planta L-2 :

Dos convertidores LD de 100 toneladas 1.000.000

UNINSA :

Tres convertidores LD-AC de 110 toneladas 1.600.000

ALTOS HORNOS DE VIZCAYA.—Sestao :

Dos convertidores LD de 35 toneladas j Un convertidor LD de 60 toneladas )

1.000.000

Total 5.000.000 toneladas.

En ocasión de la visita que este invierno pasado hizo en Pittsburgh a las instalaciones de la U. S. Steel, el ministro de Industria señor López Bravo, de­claró : España espera que en 1972 su producción de acero será de trece millones de toneladas.

Por consiguiente, la producción de acero al oxígeno en España supondrá cerca del 40 % de la total, o tal vez un porcentaje mayor, ya que todo depende del Plan de Expansión de la Factoría de Sagunto de Altos Hornos de Vizcaya

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y de la realización o no del proyecto de la nueva siderúrgica estatal en el Sur de España.

Ha sido mi deseo insistir sobre estas cifras del Plan de Expansión de la in­dustria siderúrgica, para destacar nuestra preocupación como industriales re­fractarios por la tendencia claramente deñnida de preponderancia de los nuevos procesos. Con arreglo a este plan, dentro de breves años España será —junto con el Japón— el país con el mayor porcentaje de acero (40 %) producido en convertidores soplados con oxígeno, ya que otros países todavía conservarán sus hornos de acero Martin Siemens y sus convertidores Thomas. En 1965, el 14,50 % —es decir, 66 mill/t.— de la producción mundial de acero se obtuvo en convertidores soplados con oxígeno, destacando en sus porcentajes Gran Bretaña con el 25 %, M. C. E., con el 18,4 -̂ z, y U. S. A. con el 15;2 %.

Refiriéndonos ahora al proceso de acero en hornos Martin Siemens, sabemos que está sufriendo una sensible regresión, disminuyendo, por ejemplo, su parti­cipación en la producción total de Gran Bretaña del 84,5 % en 1960, al 60 \̂, en 1965. Fundamentalmente esto es debido al factor económico, ya que según datos americanos (10) el costo de una nueva planta con una capacidad de pro­ducción anual de 1 4 millones de toneladas de acero sería el siguiente, según el tipo de instalación :

Hornos Martin Siemens $ 33.50/tonelada. 4 hornos eléctricos de 24 ft $ 18.50/ Convertidores LD $ 17.50/

Así, pues, se ve claramente la situación de inferioridad en que se encuentra el proceso de fabricación de acero con hornos Martin Siemens. De todos mo­dos, la introducción de bóvedas básicas y la aplicación de lanzas de oxígeno, han hecho aumentar el rendimiento de estos hornos y mejorar la calidad del acero producido en ellos.

Por supuesto, la aplicación de oxígeno y la marcha más forzada de los hornos exige mejores características a los refractarios destinados a sus revestimientos. Fundamentalmente en lo que se refiere a los revestimientos para los hornos Mar­tin Siemens podemos señalar las siguientes etapas :

1.̂ Bóvedas con ladrillos de sílice.

2.̂ Bóvedas con ladrillos cocidos de cromo-magnesita.

3.̂ Bóvedas con ladrillos quím. aglomerados de magnesita-cromo.

4.'' Bóvedas con ladrillos cocidos a muy alta temperatura de magnesita

con pequeñas adiciones de cromo.

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Sólo queremos mencionar que la transición entre la primera y segunda etapa se inició después de la II Guerra Mundial, lo que da una idea del rápido des­arrollo seguido en la evolución de las bóvedas de estos hornos.

Hoy día, la discusión prácticamente queda reducida a dos tendencias bien definidas. La europea —pudiéramos también llamarla austríaca— caracterizada por la utilización de bóvedas suspendidas con perfil plano que emplean ladrillos básicos químicamente aglomerados de magnesita-cromo, y por otro lado la ten­dencia americana a utilizar bóvedas con ladrillos cocidos —también de magne­sita-cromo— a muy alta temperatura.

Últimamente, se ha abierto un amplio y nuevo mercado en U. S. A. —y también en Japón, Rusia y Gran Bretaña— para los refractarios básicos high fired, cocidos en hornos túneles donde se alcanzan los 1.700''C y aún más altas temperaturas.

Los ladrillos refractarios básicos, cocidos y fabricados a base de magnesita y mineral de cromo, pueden considerarse como sistemas compuestos de tres com­ponentes : Perichosa, espinelas y silicatos.

Según la proporción en que entran estos tres constituyentes, los ladrillos básicos se clasifican de la siguiente manera :

a) Ladrillos básicos aglomerados cerámicamente por silicatos.

b) Ladrillos básicos aglomerados directamente.

El término o calificativo aglomerados directamente, derivado del inglés direct bonded, que se aplica a este último tipo de ladrillos, tiene su origen en la forma en que los cristales primarios de magnesia (MgO) están unidos a los granos de cromo.

En uno de los primeros trabajos sobre esta materia, realizados en 1959 por J. Laming (11), el autor llega a las siguientes conclusiones:

1.̂ La formación de silicatos en un ladrillo cocido de cromo-magnesia, im­pide la creación de una aglomeración directa entre el cromo y la magnesita.

2.^ Esta aglomeración directa es preferible a una aglomeración a base de forsterita (2 Mg O. SiO^).

3.'' La contracción volumétrica o lineal a LSOO^C es directamente propor­cional al contenido de sílice e inversamente a la temperatura de cocción de los ladrillos.

4."" Los ladrillos básicos para bóvedas deben ser de tipo de aglomeración directa —espinela Mg O. AI2O3— mejor que aglomerados por forsterita.

5.̂ Para lograr esta calidad hay que partir de primeras materias con muy

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bajo contenido de sílice y utilizar muy altas temperaturas de cocción en el horno túnel.

Un trabajo publicado por Ben Davies y Frank Walther (12) en 1963. resalta la importancia de las impurezas en las magnesitas sinterizadas utilizadas en la fabricación de refractarios básicos. Las impurezas totales que presentaban las magnesitas que en el año 1945 disponían los fabricantes de material refractario llegaban al 12 %. Hoy día dicho porcentaje de impurezas se ha rebajado al 2 % y disponiéndose, pues, de magnesitas con el 98 % de Mg O.

En lo que respecta al mineral de cromo, también se ha mejorado conside­rablemente en su preparación y clasificación y actualmente hay en el mercado calidades con contenidos de sílice inferiores al 2,5 %.

Existe una clara tendencia en U. S. A., Japón y Gran Bretaña hacia una ma­yor y creciente demanda de magnesitas sintéticas a costa de magnesitas natu­rales. O. M. Wicken y Ben Davies (13), en su trabajo Magnesitas naturales vs., magnesitas sintéticas en la fabricación de refractarios, llegan a la siguiente con­clusión :

En resumen, existe mucho mayor margen de flexibilidad y control en la com­posición y estructura de las magnesitas sintéticas y su suministro es virtualmente inagotable. Por el contrario, las magnesitas naturales cuya explotación se en­cuentra localizada principalmente en Rusia, Austria, China, Checoslovaquia y Yugoslavia, tienen composiciones difíciles de modificar. Su gran ventaja es el bajo costo, pero en el futuro se prevé un agotamiento gradual de sus reservas y la utilización de minerales de más baja calidad. La pregunta queda todavía por responder: ¿Podrán las plantas de sinterizado de magnesitas naturales llegar a suministrar un material de calidad suficiente para responder a las exigencias de los refractarios básicos del futuro, obligados a trabajar a cada vez más altas temperaturas?

Una gran parte de la labor de investigación en U. S. A. está dedicada actual­mente hacia este apasionante tema. Como dice Ben Davies, en su trabajo sobre "High Purity Basic Refractories'' (14) :

Cuando dispusimos de magnesitas con un 98 % Mg O, uno de los primeros pasos experimentales fue simplemente utilizarla sustituyendo a las magnesitas que se empleaban en la fabricación de ladrillos químicamente aglomerados de magnesia-cromo, logrando con gran éxito campañas records en bóvedas de dos de las mayores acerías de U. S. A.

En el pasado, la industria de refractarios ha producido un porcentaje relati­vamente pequeño de ladrillos cocidos de magnesia-cromo en comparación con

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el tonelaje de ladrillos químicamente aglomerados y no cocidos de la misma composición. Actualmente, hay una continua tendencia hacia el uso de los refractarios aglomerados directamente a base de magnesitas muy puras en la industria siderúrgica y del cobre.

En definitiva, la más importante propiedad que caracteriza a este tipo de refractarios básicos es su estabilidad de volumen y resistencia a alta temperatura, que puede estimarse con un valor mínimo de módulo de ruptura de 1.000 p. s. i. a 2.300T.

La temperatura exacta de cocción en hornos túneles o en hornos de diseño especial para lograr la formación de esta aglomeración directa o direct bonded, es variable, ya que depende de la composición de los ladrillos así como de su proceso de fabricación.

En lo que se refiere a otros procesos siderúrgicos no podemos dejar de men­cionar, por su creciente importancia, la producción de acero en hornos eléc­tricos.

Sobre los problemas de revestimientos refractarios para hornos eléctricos nos limitaremos únicamente a señalar algunos datos estadísticos sobre el particular.

En U. S. A., por ejemplo, en el año 1964, la capacidad de producción anual de acero con 288 hornos eléctricos fue de 17.800.000 toneladas, o sea más del 15 % del total, y en el año próximo, es decir, en 1967 con 307 hornos eléctricos la capacidad de produción anual alcanzará 20 millones de toneladas.

En Inglaterra, la Compañía Steel, Peech and Tozer, reemplazó totalmente su acerería de 21 hornos Martin Siemens por 6 hornos eléctricos de arco de 24 ft. de diámetro. El proyecto de esta instalación, llamado SPEAR, fue publi­cado en 1960 (15) por Howes y Jackson y aparte el Instituto del Hierro y del Acero Británico, escogió como tema principal para su reunión anual, que tuvo lugar en Sheffield del 6 al 10 de julio de 1964, la "Producción de acero en hor­nos eléctricos básicos", cuyos trabajos se publicaron en uno de sus números especiales.

En España, según datos publicados por el Ministerio de Industria, la pro­ducción de acero al horno eléctrico fue en el año 1964 de 837.000 toneladas, es decir, el 26,60 % de la total, estimándose disponer en 1972 de una capacidad de producción de acero en hornos eléctricos de mas de dos millones de tone­ladas.

Hoy día se habla en el extranjero de hornos eléctricos de 100, 150 y 200 to­neladas de capacidad. En nuestro país, por el momento, el mayor horno en fun-

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cionamiento es de 75 toneladas de capacidad, instalado en la Acería de }. M. Aris-train, en Guipúzcoa, del tipo Lectromelt "JT", de 18 ft. de diámetro.

En resumen, el futuro siderúrgico se caracteriza por un predominio de insta­laciones de nuevas plantas con convertidores soplados con oxígeno, suplemen-tadas con hornos eléctricos de gran capacidad para la producción de aceros especiales y una progresiva desaparición de los hornos Martin Siemens Si a ello añadimos las innovaciones que suponen las instalaciones de colada continua, colada en vacío y desgaseado del acero, nos encontramos con un impacto que afecta profundamente a la industria de refractarios.

A pesar del aumento de producción siderúrgica, los mercados de sílice y aluminosos van disminuyendo, mientras que aumentan los de refractarios bási­cos y de alto contenido de alúmina.

Como expone el Dr. Chesters en Steel Review (16) : En el futuro la industria siderúrgica consumirá menores tonelajes de refractarios y éstos serán de mejor calidad y mayor precio. Ello significará que la siderúrgica será un cliente más minucioso y ampliará aún más sus controles de recepción... Por consiguiente, la industria de refractarios tendrá que continuar con energía sus esfuerzos para mejorar la calidad, duración y variedad de sus productos.

BIBLIOGRAFÍA

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