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Industrias de insumos inorgánicos no metálicos
VI.- INDUSTRIAS DE INSUMOS INORGANICOS
NO METALICOS.
CERAMICOS
VI.1.-INTRODUCCION
Las estructuras básicas de los productos fabricados por un cierto grupo de industrias están
constituidas por redes moleculares donde se encuentran asociados óxidos de: silicio, aluminio,
hierro, calcio, sodio.
Todos los minerales sedimentarios que contienen estos óxidos provienen de la descomposición
de las rocas originales de la corteza terrestre por acción de los factores atmosféricos, bajo la
influencia de agentes reductores como lignitos, ácido húmico, anhídrido carbónico.
Durante los procesos de fabricación, las mezclas de los minerales que contienen las materias
primas son sometidas a calentamiento en un rango de temperaturas que generalmente va de
1000 y 1700 oC.
Este grupo de industrias se agrupa bajo el nombre de industrias cerámicas o que emplean
como materia prima el barro, que es una mezcla de arcillas y otros silicatos de aluminio. La
palabra cerámica viene del griego keramos que significa objeto de barro.
Los minerales que constituyen las fuentes principales de materias primas, identificados por las
especies mineralógicas característica, son:
a) Arcillas.- Aluminosilicatos, de formula empírica mAl2O3nSiO2oH2O.
b) Feldespatos.- Silico aluminatos de sodio, potasio, litio o calcio, de formula empírica
Al2O36SiO2MxO, M= Na, K, Li, Ca.
c) Sílice o arenas siliceas.- Oxido de silicio, de formula empírica SiO2.
d) Calizas.- Carbonatos de calcio con algo de magnesio, de formula empírica CaCO3.
e) Otros.- Bauxita, mineral de aluminio, de formula empírica Al2O3 (OH)n;
Yeso o sulfato de calcio dihidratado, CaSO4;
Bórax, Na2B4O7;
Carbonato de sodio, Na2CO3.
En los yacimientos minerales se encuentran las especies mineralógicas características
acompañadas de los otros productos de disgregación y reacción de los constituyentes de la roca
original. De acuerdo al grado de pureza del mineral se puede tener, por ejemplo, una arcilla
acompañada de: caolines, cuarzo, micas, calizas, óxidos de hierro, de aluminio, de titanio. Las
materias primas se pueden emplear directamente en la fabricación de productos cerámicos o ser
sometidas a un proceso previo de purificación.
De acuerdo a los productos
cerámicas pueden agruparse en:
y la similitud de métodos de producción, las industrias
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a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
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Productos estructurales.- Ladrillos, baldosas, tubería vitrificada.
Productos blancos.- Porcelanas de uso doméstico e industrial.
Cerámicas técnicas.- Materiales para las industrias: electrónica, nuclear, espacial.
Refractarios.- Ladrillos refractarios.
Cementos.- Materiales hidráulicos empleados en la industria de la construcción
Esmaltes.- Recubrimiento vítreos.
Vidrios.- Silicatos no cristalizados.
Abrasivos.- Materiales en polvo de alta dureza.
VI.2.-MATERIAS PRIMAS
VI.2.1- INTRODUCCION
Las materias primas aportan los óxidos silicio, aluminio, hierro, calcio sodio y otros. Las
proporciones entre las cantidades de los óxidos varía de acuerdo al producto a fabricar.
Generalmente, se considera a los óxidos de silicio y aluminio como refractarios, y a los óxidos
de calcio, sodio y potasio, como fundentes. Los óxidos de calcio, sodio y potasio, reaccionan
con los óxidos de silicio y aluminio formando silicatos y aluminatos, que pueden fundir
durante los procesos de fabricación.
VI.2.2- FELDESPATOS
Minerales compuesto por aluminosilicatos de potasio, sodio, litio, calcio, bario. Se
encuentran como cristales aislados o en masas y son un constituyente importante de muchas
rocas ígneas y metamórficas, incluyendo el granito, el basalto y otras rocas cristalinas.
Los feldespatos son los minerales más abundantes en la naturaleza y ocupan casi la mitad
del volumen de la corteza terrestre. Su lustre es vítreo y su color puede variar desde blanco o
incoloro hasta distintos tonos de rosa, amarillo, verde o rojo. Se descomponen con facilidad
formando arcillas.
Se emplean como fundentes para formar la fase vidrio en los cerámicos. No tienen punto
de fusión definido, al calentarlos se ablandan formando una masa viscosa que solidifica
como fase amorfa, vidrio.
Los feldespatos más comunes son:
6SiO2  Al2O3  Na2O
albita
6SiO2  Al2O3  K2O
ortoclasa
2SiO2  Al2O3  CaO
anortita
VI.2.3.- ARCILLAS
La arcilla se compone de un grupo de minerales aluminosilicatos formados por la
meteorización de rocas feldespaticas, como el granito.
La acción del agua y el anhídrido carbónico hace que el óxido alcalino o alcalino térreo del
feldespato original de la roca, 6SiO2Al2O3MxO, se solubilice como carbonato o bicarbonato.
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La alúmina y la sílice pasan al estado de gel y precipitan en forma conjunta formando
aluminosilicatos con distintas proporciones de SiO2, Al2O3 y H2O.
El grano es de tamaño microscópico y con forma de escamas. Esto hace que la superficie
de agregación sea mucho mayor que su espesor, lo que permite un gran almacenamiento de
agua por adherencia, dando plasticidad a la arcilla y provocando la hinchazón de algunas
variedades. La arcilla común es una mezcla de caolín y de polvo fino feldespatos anhídros
no descompuestos. Las arcillas varían en plasticidad, pero todas son maleables y capaces de
ser moldeadas cuando se humedecen con agua.
Las arcillas más conocidas son:
2SiO2  Al2O3  2H2O
caolinita
2SiO2  Al2O3  H2O
haloisita
3SiO2  Al2O3  H2O
beidelita
4SiO2  Al2O3  H2O
montmorillonita
El ordenamiento de los grupos funcionales en la estructura cristalina de las arcillas
depende la proporción SiO2, Al2O3, H2O, en las moléculas. Así, por ejemplo, la caolinita
posee una estructura formada por 2 capas: una capa formada por iones Si+ y iones O=, donde
el Si+4 se coloca en el centro de un tetraedro formado por 4 iones de oxígeno; la otra capa
está formada por iones Al+3 e iones OH-. En la haloisita entre las 2 capas hay agua
molecular. En la montmorillonita una capa de hidróxido de aluminio está condensada entre 2
capas de silica.
El diferente ordenamiento molecular se manifiesta exteriormente en las diferencias de
plasticidad entre las arcillas.
La arcilla más conocida es la caolinita, 2SiO2  Al2O3  2H2O, formada por: 46,51% de
SiO2, 39,53% de Al2O3 y 13,95% de H2O.
El grado de pureza de las arcillas minerales oscila en amplios límites, que va desde
arcillas puras a barros ordinarios, pasando por toda una serie de minerales con contenido
variable de SiO2, Fe2O3 y CaO.
En la tabla VI.1 da las composiciones de: la caolinita, una arcilla de alta calidad destinada
a la fabricación de cerámica blanca y una arcilla de baja calidad destinada a la fabricación de
ladrillos, todas deshidratadas:
Tabla VI.1.-Composición de arcillas minerales
Componente
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
Fe2O3
alcalis
caolinita
54,1
45,9
-
Composición % en peso
Arcilla alta calidad
Arcilla para ladrillos
63,1
54,0
32,6
16,6
0,0
18,6
2,4
1,4
6,5
2,2
1,9
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VI.2.4.-SILICE
La sílice o dióxido de silicio, SiO2, es un mineral muy abundante en la corteza terrestre.
Al estado libre existe como cuarzo. Distribuido por todo el mundo como componente de
rocas o en forma de depósitos puros, es un constituyente esencial de las rocas ígneas, como
el granito, la riolita y la pegmatita. En rocas metamórficas es componente principal de
distintos tipos de gneis y de esquisto; la roca metamórfica llamada cuarcita es cuarzo casi
puro. El cuarzo forma vetas y nódulos en rocas sedimentarias, sobre todo en caliza.
El cuarzo es constituyente principal de la arena, que es una mezcla de materias minerales
en estado granular fino; consta normalmente de sílice con una pequeña proporción de mica,
feldespato, magnetita y otros minerales resistentes.
La arena es un constituyente importante de los suelos; es muy abundante como depósito
superficial en los cursos de los ríos, en las orillas de lagos, en las costas y en las regiones
áridas.
VI.2.5.- CALIZAS
Las calizas están formadas principalmente por un mineral conocido como calcita o espato
caliza, que es carbonato de calcio, CaCO3, cristalizado en forma hexagonal.
Los yacimientos de calizas pueden ser de origen volcánico, sedimentarios y metamórficos.
Sus texturas van de terrosas a compactas.
Los minerales más puros contienen hasta un 95% de CaCO3. Pero lo normal es que la
calcita esté acompañada de otros minerales, principalmente arcillas; las cantidades de arcillas
pueden ser tan importantes que igualan a las de calcita; el grupo de calizas arcillosas se
conocen como margas; grupos intermedios reciben los nombres de calizas margosas o margas
calcáreas.
La combinación equimolecular de carbonato de calcio y de magnesio, CaCO3MgCO3,
forma un mineral isomorfo de la calcita, conocido como dolomita.
VI.2.5.- VARIOS
Bauxita.- Mineral que contiene óxido de aluminio hidratado impuro. Es la fuente principal de
la materia destinada a la producción de aluminio metálico. Durante la calcinación puede
perder hasta un 30% de su masa; la masa calcinada puede alcanzar contenidos de hasta: 90%
de Al2O3, 20% de SiO2 y 6% de Fe2O3.
Yeso.- Mineral que contiene sulfato de calcio hidratado CaSO4·2H2O. Ampliamente
distribuido en rocas sedimentarias, formado por la precipitación de sulfato de calcio en el
agua del mar. Se forma también en zonas volcánicas por la acción de ácido sulfúrico sobre
minerales que contienen calcio.
Bórax.- Tetraborato de sodio decahidratado, Na2B4O7 · Existen grandes depósitos de
mineral de bórax en países como Alemania, Estados Unidos, Italia, Chile.
Carbonato de sodio.- Na2CO3.- Producido industrialmente a partir del NaCl mediante el
Procesos Solvay.
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VI.3.- REACCIONES
Durante el calentamiento de las mezclas de materias primas se producen reacciones como:
evaporación del agua libre, cambios de fases cristalinas, fusión, formación de silicatos y
aluminatos.
VI.3.1.- ARCILLA
Cambios experimentados por la arcilla durante el calentamiento
Rango de temperatura oC
Cambio producido

de 20 a 110
Eliminación de agua de humedad.

de 110 a 260
Eliminación de últimos vestigios de humedad higroscópica.

de 260 a 425
No hay cambios salvo la oxidación de impurezas orgánicas.

de 425 a 650

de 925 a 1050
Perdida del agua de hidratación, formación de metacaolín:
2(2SiO2  Al2O3  2H2O)  4SiO2 2Al2O3 + 4H2O
Descomposición del metacaolín y formación de silimanita con
liberación de sílice:
4SiO2 2Al2O3  4SiO2 + 2Al2O3
4SiO2 + 2Al2O3  2(SiO2 Al2O3 ) + 2 SiO2

1050 a 1500
Transformación de la silimanita a mulita y sílice libre:
SiO2 Al2O3  2SiO2 3Al2O3 ) + SiO2

sobre 1500
Reblandecimiento de la arcilla y aglomeración dependiendo de
la cantidad de fundentes presentes.
VI.3.2.- FELDESPATOS
Funden entre1110 y 1530 oC.
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VI.3.3.- SILICE
Cuando la sílice se calienta experimenta una serie de transformaciones cristalinas,
algunas reversibles y otras irreversibles, figura VI.1
Se experimenta un fuerte aumento de volumen, a causa de la transformación del cuarzo a
tridimita. Los fundentes contenidos en el mineral aceleran la formación de la tridimita. Los
cambios de fases de la sílice son lentos; en una pieza que ha sido sometida a calentamiento, la
sílice se encuentra, en proporciones variables como: cuarzo, tridimita y cristobalita.
to C
573o

cuarzo
D gr/cm
3
2,65

870o
cuarzo

1 470o
tridimita
2,53

1725o
cristobalita
2,19
163o
230 o
117


cristobalita
D 2,23
o
vidrio
2,21


tridimita


D 2,32
tridimita
Figura VI.1- Cambios de fases de la sílice
VI.3.4.- CALIZAS
El carbonato de calcio el carbonato de magnesio se descomponen desprendiendo anhídrido
carbónico. La descomposición es importante por sobre la temperatura de oC, la presión del
CO2 desprendido iguala a la presión atmosférica a la temperatura de oC.
CaCO3  CaO + CO2
MgCO3
 MgO + CO2
VI.3.5.- VARIOS
Bauxita.- Los óxidos de aluminio y hierro pierden el agua de humedad y de hidratación.
Al2O3 · nH2O
 Al2O3 + nH2O
Fe2O3 · n’H2O
 Fe2O3 + n’H2O
Carbonato de sodio.- Se descompone desprendiendo anhídrido carbónico. La
descomposición es importante por sobre la temperatura de oC, la presión del CO2
desprendido iguala a la presión atmosférica a la temperatura de oC.
Na2CO3
 Na2O + CO2
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VI.3.6.- REACCIONES ENTRE LOS OXIDOS APORTADOS POR LAS
MATERIAS PRIMAS
Las materias primas aportan los óxidos de silicio, aluminio, calcio, hierro, sodio, y
otros óxidos de menor importancia. Al someter a calentamiento las materias primas todos
los óxidos presentes pueden reaccionar entre ellos. Se producen todas las reacciones
posibles. De acuerdo a la afinidad química y a la temperatura de calentamiento, hay
compuestos que tienen mas posibilidades de formarse que otros.
Las reacciones entre sólidos son lentas. Una fusión parcial de la masa favorece el
intercambio de óxidos en las fases sólidas; un óxido entra en solución y es reemplazado en
la red cristalina por otro que se deposita desde la solución.
Debido a la lentitud de las reacciones, en los productos terminados se encuentra a menudo
una mezcla de los compuestos que se encuentran en las materias primas con los formados
por las reacciones producidas durante el calentamiento.
En la tabla VI.2 se establecen las posibles combinaciones entre 2 y entre 3 de los óxidos
presentes.
Debido a sus afinidades químicas similares: el Al2O3 y el Fe2O3 no forman compuestos
binarios; lo mismo sucede con el CaO y el Na2O.
De estos óxidos, el más ácido es el SiO2 y los más básicos Na2O y CaO, en ese orden
descendente. De preferencia, los mas ácidos reaccionan con los más básicos, deben
formarse los silicatos de sodio y de calcio; después los aluminatos y ferritos de sodio y
calcio; finalmente los compuestos de SiO2 y Al2O3.
El grado de reacción alcanzado depende del rango de las temperaturas de calentamiento y
del tiempo de reacción.
La proporción entre los compuestos formados esta condicionada a la disponibilidad de los
óxidos constituyentes, y esta depende de la proporción entre las materias primas
mezcladas.
Las combinaciones de 4 o más óxidos, o la presencia simultánea de CaO y Na 2O en un
compuesto, pueden ser el resultado de la asociación de 2 o más de los compuestos entre 2 o
3 óxidos.
Tabla VI. 2.- Compuestos posibles formados por la combinación de 2 y 3 óxidos
M, n o, p, q : números enteros cualquieras. Iguales o diferentes de uno a otro compuesto
Óxidos
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
Na2O
Compuestos posible entre:
2 óxidos
3 óxidos
m SiO2q Na2O
m SiO2n Al2O3 pCaO
m SiO2pCaO
m SiO2n Al2O3q Na2O
n Al2O3q Na2O
m SiO2n Fe2O3pCaO
o Fe2O3q Na2O
m SiO2n Fe2O3q Na2O
n Al2O3pCaO
n Al2O3oFe2O3nCaO
o Fe2O3pCaO
m SiO2n Al2O3oFe2O3
m SiO2n Al2O3
m SiO2o Fe2O3
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En tabla VI.3 muestra un listado de compuestos comunes identificados en productos
cerámicos.
Tabla VI. 3.- Compuestos comunes en productos cerámicos
Formula empírica
SiO2
SiO2Na2O
SiO2CaO
SiO22CaO
SiO23CaO
4 SiO22 Al2O3
3 SiO22 Al2O3
2 SiO23 Al2O3
Al2O33CaO
Fe2O32CaO
Al2O3Fe2O34CaO
6 SiO2Al2O3Na2O
2SiO2Al2O3 CaO
nombre
Silice ,como -tridimita o -cristobalita
Silicato de sodio
Silicato de calcio
Silicato dicálcico
Silicato tricálcico
Metacaolín
Espinel
Mulita
Aluminato tricálcico
Ferrito dicálcico
Alumino ferrito tetracálcico
Albita, feldespato sódico
Anortita, feldespato cálcico
VI.4.-INDUSTRIAS
VI.4.1.-PRODUCTOS ESTRUCTURALES
Se fabrican materiales aptos para la construcción, fijando requisitos de forma, resistencia
mecánica y durabilidad a la acción del medio ambiente.
Como materias primas se emplean minerales arcillosos de baja calidad, llamados a menudo
barros, contienen muchas impurezas, como minerales de hierro, que le dan el característico
color rojo a los productos finales.
El proceso de fabricación consiste en amasar mecánicamente el barro, prensarlo y cortarlo
para darle la forma deseada, secarlos al aire libre o en secadores interiores, y finalmente
cocerlos en hornos.
La calidad final del producto es función de: la composición de la materia prima, el proceso
de amasado, el prensado, la temperatura de cocción.
Los compuestos o fases formadas dependen de la temperatura de calentamiento y del tiempo de
cocción.
Al calentar a una temperatura un poco por encima de los 1000oC, la arcilla se descompone en
metacaolín, 4 SiO22 Al2O3, y espinel, 3 SiO22 Al2O3; no se alcanza a formar mulita. Se
produce la fusión de parte de los compuestos alcalinos y alcalino térreos, que favorece la
compactación de las piezas.
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VI.4.2.-PRODUCTOS BLANCOS
Estos productos incluyen: vajillas, alfarería, porcelanas dentales, porcelanas químicas y
eléctricas.
En su fabricación se emplean materias primas de alta calidad, caolín lavado y calcinado al
rojo blanco, feldespatos y cuarzo de alta pureza.
Sobre la superficie de las piezas se aplica un esmalte que una vez fundido sella las superficies.
Las piezas se someten a calentamiento hasta obtener un material duro y compacto, a menudo
de color blanco.
VI.4.3.-CERAMICAS TECNICAS
La investigación en el campo de los cerámicos a conducido al desarrollo de una serie de
productos que se emplean en áreas de alta tecnología, como las industrias electrónicas,
nuclear, espacial. Cerámicos de óxido de uranio, óxido de berilio, titanatos y circonatos, se
cuentan entre los nuevos materiales. Otros materiales tradicionales han mejorado
notablemente sus propiedades debido al alto grado de pureza alcanzado en las materias
primas y al avance en los procesos de fabricación.
Como ejemplos de las propiedades de los nuevos cerámicos se pueden citar: la super
conductividad en la familia de compuestos basados en óxido de cobre; las propiedades
térmicas de las placas de óxidos y carburos, resistentes al calor, empleadas en los
transbordadores espaciales; las propiedades magnéticas de las ferritas cerámicas empleadas
en magnetismo y memorias de computadoras.
VI.4.4.- REFRACTARIOS
Son productos cerámicos cuyo punto de fusión supera los 1600oC. También se usa la
denominación de super refractarios para productos de punto de fusión superior a 1750 oC. Los
ladrillos refractarios se emplean en el recubrimiento de hornos y otros equipos que trabajan a
altas temperaturas.
Los refractarios son fabricados con óxidos de alto punto de fusión, como SiO2, Al2O3, MgO,
CaO, Cr2O3. A la mezcla de óxidos se le agrega una cantidad mínima de fundentes que
favorecen la aglomeración de los óxidos durante la cocción del producto.
En estos productos es importante su comportamiento químico; un ladrillo ácido de SiO2,
reacciona con la carga del equipo si esta manifiesta carácter básico; un ladrillo básico de MgO,
reacciona con la carga del equipo si esta manifiesta carácter ácido; los ladrillos neutros de
Al2O3 tienen un comportamiento intermedio.
VI.4.5-CEMENTOS
Los cementos son materiales que se endurecen tanto en el aire como en el agua y después
de endurecidos son aglomerados resistentes a la acción del agua. Están compuestos
principalmente por combinaciones de óxido de calcio con sílice, alúmina y óxido de hierro.
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Deben cumplir con las normas dictadas para tales materiales, especialmente en lo relativo a
resistencia y estabilidad de volumen. El material crudo o por lo menos los componentes
principales tienen que ser calentados como mínimo hasta fusión parcial.
El cemento Portland se fabrica a partir de mezclas de arcillas, calizas, arenas, en una
proporción tal que, el producto final es principalmente una mezcla de silicatos dicálcico,
SiO22CaO, y tricálcico, SiO23CaO.
Al mezclar con agua el cemento Portland los silicatos de calcio se hidratan formando
SiO22CaO4H2O, la mezcla se endurece produciéndose el fraguado.
El cemento aluminoso se fabrica a partir de mezclas de alto contenido en alúmina, como
materias primas se emplean caliza y bauxita.
El producto final es principalmente una mezcla: aluminato monocálcico, Al2O3CaO; y
penta aluminato tricálcico, 5Al2O33CaO.
Durante el fraguado, el aluminato monocálcico y el penta aluminato tricálcico se hidratan
formando un complejo cristalino de Ca3Al2(OH)103H2O y un gel de Al(OH)3
VI.4. 6.- ESMALTES
Los esmaltes son vidrios de silicatos de bajo punto de fusión y de composición variable.
Se les emplea en el recubrimiento de metales y como barniz en los cerámicos. Los
coeficientes de dilatación del esmalte y de la pieza recubierta deben ser lo más próximos
posibles, de esta manera se evitan las tensiones que se producen con la variación de
temperaturas y que conducen al agrietamiento del recubrimiento.
Las materias primas a partir de las cuales se fabrican los esmaltes son mezclas de:
feldespatos, bórax, cuarzo, nitrato, espato flúor, carbonato de sodio, y óxidos que le dan el
color final al producto. La materia prima se funde y la masa de vidrio sólido se muele
finamente.
VI.4.7.- VIDRIOS
El vidrio es una sustancia amorfa, no es ni un sólido ni un líquido, se halla en un estado
vítreo en el que las unidades moleculares están dispuestas de forma desordenada pero tienen
suficiente cohesión para presentar rigidez mecánica. Al calentar el vidrio se ablanda y fluye
como un líquido de muy alta viscosidad; cuando se enfría, la viscosidad va creciendo hasta
que la masa se vuelve sólida y quebradiza; se solidifica sin que se produzca cristalización.
En los vidrios se encuentran los grupos SiO4, en forma de tetraedros con átomos de silicio
en el centro y átomos de oxígeno en los vértices; los grupos SO4 están encadenados por un
átomo de oxígeno común. Los grupos SiO4 se encuentran ubicados en forma desordenada,
lo que confiere al material su carácter amorfo.
La materia prima básica en la fabricación del vidrio común es la sílice, SiO2, a la cual se le
agrega carbonato de calcio, CaCO3, y carbonato de sodio, Na2CO3. Los carbonatos se
descomponen durante el calentamiento quedando una mezcla de SiO2 – Na2O – CaO, que
reacciona formando una mezcla de silicato de sodio y calcio, estos vidrios son sódicocálcicos.
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Si además se agrega ácido bórico, H3BO3, o borax, Na2B4O7, estos se descomponen durante
el calentamiento generando óxido de boro, B2O3. El óxido de boro reemplaza parte del óxido
de sodio en los silicatos, se forman los vidrios de borosilicato.
VI.4. 8.- ABRASIVOS
Los abrasivos son materiales extremadamente duros que se emplean como abrasivos en la
fabricación de herramientas para cortar, para moler y para desgastar.
Abrasivos cerámicos importantes son: la alúmina, Al2O3, en forma de corindón o alúmina
natural anhídra; el carburo de silicio, CSi; los diamantes sintéticos.
El óxido de aluminio fundido y vuelto a cristalizar es idéntico en sus propiedades químicas y
físicas al corindón natural, sólo le superan en dureza el diamante y algunas sustancias
sintéticas, concretamente el carborundo o carburo de silicio.
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