Capacidad de Retención-de Agua de las Bentonitas y su

LatinAmerican Journai of Metallurgy and Materials, Vol. 7, Nos. 1 & 2 (1987)
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Capacidad de Retención-de Agua de las Bentonitas y su Resistencia a la Degradación Térmica
Dionisio Síguín del Dedo", Luis Froufe Carlos", Juan B. Navarrete Arévalo**
• Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM), Avda. Gregario del Amo 8, 28040 Madrid, España
Facultad de Ingeniería. Universidad de la Concepción. Casilla 53 e, Concepción, Chile
u
El trabajo relaciona los resultados de los ensayos realizados sobre el aglutinante (hinchabilidad.límite líquido. volumen de sedimentación) con el poder aglutinante en la mezcla de arcna-bentonita-agua (Resistencia a la comprensión en verde) y su degradación
térmica.
Water Holding Capacity of the Bentonites and their Resistance to the Therrnic Degradation
In this study a relationship among the results obtained in clay by different tests (swelling index, liquid limit, sedirnentation), with the
bonding capacity in the sand-clay-water mixture (green compression strength) and its thermic degradation is established.
1. INTRODUCCION
Las características de las arenas de moldeo, y
muchos de los defectos superficiales de las piezas moldeadas. dependen en gran medida del aglutinante utilizado. El poder aglutinante de las bentonitas está relacionado con su capacidad de retención de agua, que se
valora mediante los ensayos de Hinchabilidad y Límite
líquido y se complementa con el de Volumen de sedimentación. Una medida más directa se obtiene con el ensayo
de Resistencia a la compresión en verde.
Sin embargo, la bentonita pierde estas propiedades
debido a la destrucción de su estructura cristalina por
efecto del choque térmico que se produce durante el proceso de colada. Si la bentonita presenta una buena estabilidad térmica, debido a su composición mineralógica y
buena cristalización, menor será la cantidad que debe
agregarse a la arena de circuito en su regeneración de
características y, por lo tanto, menores serán los costos
de fabricación debidos a la arena de moldeo.
Recordemos que el térmico comercial "bentonita"
designa una arcilla cuyo constituyente mineralógico
principal es la montmorillonita con una riqueza que no
debe ser inferior al 80%.
2. OBJETO DEL TRABAJO
El objeto de este trabajo es proporcionar al fundidor
una valoración de las bentonitas que usa o se le ofrecen
en el mercado. mediante ensayos de fácil realización.
Para ello hemos realizado estudios para establecer relaciones entre estos ensayos, la información que facilita el
análisis térmico-diferencial (equipo no disponible en los
talleres de fundición) y el análisis químico.
3. PARTE EXPERIMENTAL
Este propósito se ha llevado a cabo mediante el estudio de 19 bentonitas recogidas en las fundiciones españolas de las siguientes procedencias: 10 españolas, 3 ma-
rroquíes, 2 italianas. 2 griegas. 1 británica y una norteamericana.
Estas bentonitas se estudian tanto en estado de
recepción como después de haberlas sometido a tratamientos térmicos previos de 50 y 600°C respectivamente,
durante 2 horas. Además, el estudio se complementó con
los análisis térmico-diferenciales (ATD) y químico de las
19 bentonitas.
Las características tecnológicas que hemos manejado son:
a) El límite líquido [1. 2]. cuyo ensayo indica la
capacidad de la bentonita para retener la mayor cantidad posible de agua en estado plástico.
b) La Hinchabilidad [1. 2]. cuyo ensayo evalúa la
cantidad de agua que la bentonita puede absorber entre
sus partículas y, de forma indirecta. la de "agua rígida".
Cuanto más altos son los valores que resultan de
estos dos ensayos, mejor es el comportamiento del molde
frente a los defectos superficiales del tipo dartas, colas de
rata y similares [3-11].
'
e) El ensayo de sedimentación [1], que está relacionado de alguna manera con el de hinchabilidad, pero
que está afectado por la sensibilidad de la bentonita a los
materiales contaminantes electrolíticos.
d) Por último, se determinan los ensayos de Resistencia a la compresión en verde. valor muy manejado por
el fundidor [12-18], pero que puede ser engañoso por
cuanto que los más altos valores los dan las bentonitas
cálcicas que no son las mejores para evitar los defectos
superficiales (dartas, colas de rata).
Ciertamente. otra característica importante para el
fundidor, desde el punto de vista económico, es la Durabilidad de la bentonita [11. 14, 20-22], sobre la que el análisis térmico-diferencial suministra información importante por cuanto facilita la temperatura a la cual se desprenden los hidroxilos de la estructura cristalina, origen
de su destrucción como aglutinante. Esta característica
de la bentonita puede detectarse también por la caída de
valores del Límite líquido. Hinchabilidad -.Sedimenta-
Revista Latinoamericana
Resistencia a la compresión en verde, cuando las
estras ensayadas se han sometido a calentamiento s
íos.
Pero aunque hay un agrupamiento general en valores altos y bajos, se presentan irregularidades, pues hay
bentonitas con alto Límite líquido y baja Hinchabilidad y
Sedimentación (bentonitas T y S) y a la inversa (bentonitas U, A y J).
Por lo tanto, los valores de estas características tecnológicas determinados con bentonitas en estado de
recepción sólo nos permite hacer una agrupación valorativa global de las bentonitas con un elevado grado de
incertidumbre.
-'n y
3.1. Límite líquido, Hinchabilidad
y Volumen de sedimentación
Los resultados de los ensayos de Límite líquido,
chabílidad y Volumen de sedimentación se recopilan
la Tabla 1, en la que las bentonitas se han ordenado
la valoración relativa global de estos ensayos.
b)
a)
61
de Metalurgia y Materiales, Vol. 7, Nos. 1 & 2 (1987)
Con bentonitas tratadas térmicamente
Con bentonitas en estado de recepción
Cuando las bentonitas se someten a calentamientos
de 500 0(; durante 2 horas, las propiedades tecnológicas
se degradan.
Ahora, sólo un grupo de 8 bentonitas mantienen
valores significativos:
Un grupo de 12 bentonitas presentan valores altos:
de Límite líquido> 350%
de Hinchabilidad > 18 cm3/2 g
de Sedimentación> 36 cm3/g
de Límite líquido > 100%
de Hinchabilidad > 5 cm3/2 g
de Sedimentación> 5 cm3/g
ores que suelen satisfacer las bentonitas sódicas), si
los valores máximos corresponden a bentonitas
- erentes para cada ensayo:
de manera que el agrupamiento general de la Tabla 1
presenta ahora menos irregularidades. Hay que destacar el comportamiento de la bentonita I que acapara el
máximo valor de los tres ensayos considerados, en tanto
que las bentonitas R y U presentan alguna excepción. En
cuanto a la Durabilidad de las bentonitas se refiere. la
caída al valor cero de la característica Hinchabilidad, es
muy significativa.
Si las bentonitas se han calentado a 600 DC.desaparecen en todos los casos sus características de Hinchabi-
633%
35 cm3/2 g
78 cm3/g
en Límite líquido: Bentonita R
en Hinchabilidad: Bentonita B
en Sedimentación: Bentonita e
que, no obstante las significaciones análogas. demuestran las peculiaridades de cada ensayo.
Otro grupo de 7 bentonitas presentan valores bajos
que pueden corresponder a bentonitas cálcicas) o in_rmp.ilill..
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIONES METALURGICAS CiuDAD UNIVERSITARIA-MADRID-3
A 4 UNE 1011
TABLA
1.-
RESULTADO
DE LOS ENSAYOS
SEDIMENTACION
A TEMPERATURAS
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BENTONITAS
N
DE LIMITE
LIQUIDO,
HINCHABILIDAD
CON BENTONITAS
DE 500 Y 600°C
EN ESTADO DE RECEPCION
DURANTE
2 HORAS.
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VALORACION GLOBAL
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64
I. VALO RES
ALTOS
II. VALORES
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BAJOS
LatinAmerican
62
Journai of Metallurgy ami Materials. Vol. 7. Nos. 1 &: 2 n!HJ7)
lidad y Sedimentación y sólo 7 bentonitas dan valores
medibles de Límite líquido. Evidentemente esta tempe.ratura de ensayo es demasiado elevada en cuanto al
efecto que produce en estas características.
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GRUPO
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Clasificación'
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Del análisis de los datos de los ensayos de estas
características, las bentonitas resultan clasificadas en
tres grupos:
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Altas características iniciales
Alta durabilidad
n. Altas características iniciales
Baja durabilidad
III. Bajas características iniciales
Baja durabilidad
Estos agrupamientos contienen, como ya hemos
indicado, algunas irregularidades que pretenderemos
,aclarar con los análisis térmico-diferenciales y químico.
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3.2. Análisis térmico-diferencial (ATD)
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Los análisis térmico-diferenciales de las 19 bentonitas se realizaron en las siguientes condiciones de trabajo: Calentamiento de las muestras desde la temperatura ambiente hasta 1000 °C,a una velocidad de calentamiento de 11 °e/min. con aproximadamente 300 mg de
muestra y A~03-a como materia térmicamente inerte.
Las Figs.l, 2 y 3 muestran las curvas obtenidas. El
profundo efecto alrededor de los 130°C corresponde a la
eliminación del agua higroscópica e interlaminar. El proceso es reversible, de manera que si las muestras vuelven
a humedecerse, recuperan sus características iniciales.
Este primer efecto endotérmiéo no es diferenciador de
las especies minerales [23]. El segundo efecto endotérmico sí es característico, pues determina la temperatura
a la cual la muestra pierde los hidroxilos de la estructura
cristalina, lo que supone la descomposición de la capa
octaédrica y la pérdida irreversible de características de
las arcillas. Otros efectos endotérmicos secundarios (debidos en la mayor parte de los casos a mezclas) o exotérmicos (debidos a la reorganización más estable de la
estructura cristalina) no son de interés analizarlos en
detalle en el marco del objetivo de este trabajo.
Tomando en consideración las temperaturas, T, de
.los mínimos del fenómeno endotérmico característico
principal (Tabla 2), podemos hacer dos grandes grupos:
Grupo S. T alrededor de 800°C
Grupo B. T inferior a 705°C
En un prrmer análisis, podemos decir que las temperaturas, T, del primer grupo son propias de arcillas trioctaédricas tipo sepia lita, que se corrobora por el agudo
fenómeno exotérmico que le sigue. Las arcillas del segundo grupo muestran curvas características de especies dioctaédricas tipo montmorillonita, con un amplio
margen para T. Dentro de este amplio margen se pueden
considerar' dos subgrupos con los valores más altos
(Grupo B.l) y más bajos (Grupo B.2). respectivamente.
Así, pues, las arcillas del Grupo S no tienen como
_especie mineralógica principal la montmorillonita, por lo
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TEMPERATURA
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ATD de las muestras del Gmpo S.
que, en realidad, no pueden considerarse.t'bentonítas",
aunque como tales se vendan y se usen. No andaremos
muy desacertados si diferenciamos las muestras que
componen este grupo denominándolas "sepiolítieas", Si
nos remitimos a la Tabla 1 comprobaremos que estas
muestras, independientemente de que sus características de Límite líquido, Hinchabilidad y Sedimentación en
estado de recepción sean altas o bajas, es suficiente un
calentamiento a 500 DCpara que tales características se
pierdan por completo (Hinchabilidad y Sedimentación
eri todos los casos; Límite líquido en algunos, y en cualquier caso inferior a 100), lo que concuerda con la pérdida
irreversible del agua zeolítica de las sepiolitashacia los
400°C, que originan la distorsión de la red cristalina para
autos aturar las enlaces liberados. Debido a este mecanismo, y aunque la deshidroxilación octaédrica ocurra a
la elevada temperatura de, aproximadamente, 800°C
debido a la fuerza del enlace trioctaédrico Mg-OH, la
durabilidad de estas muestras, por lo que a las características consideradas se refiere, es evidentemente baja.
Esto explicaría las excepciones que algunas de las muestras de este grupo introducen en la Tabla 1.
Los altos valores de la temperatura T del Grupo B.l
auguran una buena durabilidad, Constatamos que este)
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Fig. 3.
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A ~ UNE 1011
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DE INVESTIGACIONES
ATD de las m\1jeStn:s del Gtupo B.2.
METALURGICAS
2.- TEM PERATURA DEL PICO ENDOTERMICO
PRINCIPAL
CARACTERISTICO DEL ATD
DE LAS 19 MUESTRAS ENSAYADAS.
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SEPIOLlTICAS
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64
Journai of Metallurgy and Materials, Vol. 7, Nos. 1
& 2 (1987)
piedades de durabilidad referida a la caída de características que recoge la Tabla 1. Por otro lado, la temperatura
T del a muestra Q es excesivamente baja (544°C) con
referencia a la de arcillas dioctaédricas montmorilloníticas, aunque en este caso el bajo valor de la temperatura T
sí concuerda con su bája durabilidad.
grupo se forma con las mismas bentonitas que contiene
en la Tabla 1 el Grupo I. VALORES ALTOS, las cuales
mantienen valores significativos para el Límite líquido,
la Hinchabilidad y la Sedimentación (salvo 2 excepciones) después de someter las muestras a calentamientos
de 500°C e, incluso, del Límite líquido cuando se las
somete al elevado calentamiento de 600 °C.
Por el contrario, los menores valores de la temperatura T de las bentonitas del Grupo B.2 hace esperar una
peor durabilidad. En la Tabla 1, mezcladas con las muestras "sepiolítícas", se distribuyen entre los Grupos n.
VALORES MEDIO y m. VALORES BAJOS.
Finalmente hay que anotar que las muestras P y Q
no encuadran bien en ninguno de los grupos formados.
Ambas muestras presentan curvas ATD parecidas a las
de las montmorillonitas, pero la muestra P alcanza un
valor de.la temperatura T excesivamente alto (747 °e)
para este tipo de arcillas, que no concuerda con sus PfO-
3.3. Análisis químico
El análisis químico de los elementos -dados en
forma de óxidos- que contienen las muestras, no es suficiente, por si solo, para identificar especies arcillosas,
pero sí puede ratificar algunas dé las conclusiones del
ATD O aclarar algunas de sus dudas,
Todas las determinaciones se hicieron por absorción
atómica, excepto la sílice, que se determinó gravimétricamente. En la Tabla 3 recopilamos los resultados.
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TABLA 3.-ANALlSIS
QUiMICO DE LAS 19 MUESTRAS, EN % DE OXIDOS
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Revista Latinoamericana
65
de Metalurgia y Materiales, Vol. 7, Nos. 1 & 2 (1987)
Un primer grupo se destaca por su elevado con teo en magnesio, por ~ncima del 20% de MgO, y el
eorrespondiente
bajo contenido de aluminio, inferior al
de A~03, formado por las muestras B;E, G, S y T, que
ATD agrupa también correctamente
como arcillas
trioctaédricas
sepiolíticas.
TABLA.4.-
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RESISTENCIA
A LA
COMPRESION
EN
DURANTE
2 HORAS.
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3.4. Resistencia a la compresión en verde
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La resistencia a la compresión en verde es un ensayo
nrtinario de control de las arenas de moldeo; en este trabajo se enfoca desde el punto de vista de control del
aglutinante.
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La mezcla arena-bentonita-agua
(sin ningún aditivo más) se prepara según el procedimiento de desorción
de agua por mezclados sucesivos [14-19]. Las probetas
de ensayo, y en ensayo mismo, se ajustan a la Norma
DIN 52.401. También aquí se utiliza el aglutinante tanto
en estado de recepción como después de haberlos calentado durante 2 horas a 500 y 600 °C respectivamente.
Sin embargo, las diferencias entre Grupos se hacen
evidentes en cuanto se utilizan aglutinantes
previamente sometidos a calentamiento. En efécto: las bentonitas del Grupo B, reducen la Resistencia de la mezcla en
un tercio, también, aproximadamente,
y surge la diferencia entre los otros dos grupos: el Grupo b, es afectado en
casi un 90% y el Grupo S se queda en un valor intermedio
del 50% aproximadamente.
La Fig. 4 visualiza este diferente.comportamiento.
LA
RES!STENCIA A LA COMPRES!ON EN VERDE, EN o/ern2
CORRESPOND!ENTE AL 45%
DE COMPACTABILlDAD
BENTONITAS
El análisis químico no acaba de desvelar el caso de la
muestra P; sólo revela que esta muestra tiene los más elevados contenidos de calcio (6,6% de CaO),de sodio (4,0%
de Na¿O) y de potasio (2,6% de K.¿O), Se requieren estu'os mineralógicos
más profundos para desvelar su
naturaleza.
Si prescindimos de algunos valores particulares, en
general no hay un manifiesto comportamiento
diferenciador en estado de recepción.
DE
VERDE) CORRESPONDl ENTES AL 45% DE COMPACTA9\ U DAD
CON BENTONITAS
EN ESTADO DERECEPC\ON y SOMET!DAS
El resto de las m~bstras presentan una composición
química que queda dentro de las formulaciones arcillosas
taédricas. No obstante, el elevado contenido de hierro (12,5% de F~03) de la muestra Q, que rebaja el de alu. io al 12,6% de A~03' justifica la baja temperatura que
se necesita para descomponer la. estructura cristalina,
pues existe una elevada sustitución de A13+por Fe3+ en la
capa octaédrica en la que los enlaces Fe-OH son más
ébiles.
Además de la Resistencia, se determina también la
Humedad y la Compactibilidad de la mezcla. En la Tabla
4 se incluyen los valores (determinados por interpolación
de los dos datos experimentales circundantes más próximos) de la Resistencia a la compresión en verde correspondiente al 45% de Compactabilidad,
que 'indica la
óptima preparación
de la mezcla para el moldeo. La
Tabla 4 respeta los Grupos establecidos por los ensayos
anteriores y contiene el valor medio de cada Grupo, así
como la disminución de la resistencia por efecto de los
calentamientos de los aglutinantes a 500 y 600 oC, expresada en tantos por cientos del valor obtenido con el aglutinante en estado de recepción.
VALORES
(Ll
770
1085
930
47%
65%
Ensayos
realizados
con las bentonitas
en estado de recepción
y previamente calentadas
a 500 y 6006C,
respectivamente,
durante
2 horas
porcentaje
respecto
01 valor con bent onitu s en estado de recepción
~~~~~~~~~~~~~~-----------------(2)
" GRUPO
• GRUPO
°GRUPOS
2200
al
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010
DEL VALOR
EN ESTADO DE RECEPCION
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Fig. 4. Efecto del calentamiento previo de las bentonitas sobre la
resistencia a la compresión en verde de las mezclas de arena
de moldeo.
LatinAmerican
66
4.
Journal 01 Metallurgy and Materials, Vol. 7, Nos. 1 & 2 (1987)
CONCLUSIONES
Los ensayos de fácil realización de Hinchabilidad,
Límite líquido y Volumen de Sedimentación, relacionados con la capacidad de retención de agua de las bentonitas, dan -en primera aproximación- una idea de su
durabilidad cuando se realizan con el aglutinante en
estado de recepción. Sin embargo, la presencia de arcillas de otra naturaleza -no montmorillonítica- pasa
desapercibida.
Cuando estos ensayos se realizan después de haber
sometido el producto a un calentamiento previo de 500°C
durante 2 horas, no sólo se aportan datos de mayor fiabilidad de su durabilidad, sino que ofrecen una base para
.dudar, en algunos casos, de su naturaleza montmorillonítica. Por supuesto, para desvelar su verdadera naturaleza se debe recurrir a ensayos especializados (el análisis
térmico diferencial puede ser concluyente y en cualquier
caso es un dato de gran utilidad).
La Resistencia a la compresión en verde, directamente relacionada con el poder aglutinante de-la bentonita aporta datos muy ilustrativos cuando se realizan
con el 'producto previamente calentado, no sólo a 500,
sino también a 600°C durante 2 horas. Esta temperatura
clasifica con gran evidencia las bentonitas de alta y baj a
durabilidad; un valor intermedio puede estar en relación
con una diferente naturaleza de la arcilla aglutinante.
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