CERÁMICOS Y REFRACTARIOS
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CERÁMICOS Y REFRACTARIOS Víctor H. Guerrero, Ph.D. Departamento de Materiales Escuela Politécnica Nacional Materials in Design Design = Process of translating a new idea or a market need into the detailed information from which a product can be manufactured Materials have limited design since the beginning Need to decide about: materials, processes Materials 40000 to 80000 different ones are available Classical: The choice of material is dictated by design Currently: New products are developed because we have new materials available How do we choose? Experience, catalogs, systematic procedure Processes Product forming technological processes depending on its shape complexity level and weight [2] Materials Choice The number of materials to be considered depends on the stage during the design process Beginning Design becomes more focused Finally Options are wide List is shortened, more data is needed precise data required for reduced number of materials Materials Choice You need to keep an open mind Choice cannot be made independently $$$ is important Materials Choice Objective: develop a methodology that, if properly applied, gives guidance through the forest of complex choices Consider: Materials (data) – processes (attributes) Material – shape Performance – cost Aesthetics Ergonomics Relationships among some factors connected with materials, processes & functions of a product [2] Evolution of Engineering Materials From: Gold masks Bronze swords Stone tools To: Titanium watch Carbon fiber reinforced tennis racquet Metal matrix composite mountain bike Evolution of Engineering Materials Evolution of Engineering Materials Theres has never been an era in which the evolution of materials was faster and the range of properties more varied This is not the age of one material; it is the age of an inmense range of materials Designers who left college 20 years ago can be forgiven for not knowing that have of them exist Not knowing = risk to failure (disaster) 1. Introducción Las estructuras cristalina y amorfa A escala atómica: Los átomos en los materiales se mantienen unidos mediante un enlace químico: iónico, covalente, metálico, molecular y de hidrógeno. Un material puede ser cristalino (p.e. cerámica policristalina) o amorfo (p.e. vidrio). Estructura a escala atómica Propiedades intrínsecas: químicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas. ABO3 Ejemplos: punto de fusión, módulo elástico, coeficiente de expansión térmica, ferroelectricidad (BaTiO3), fragilidad. Monocristales y policristales. Microestructura. Monocristal: Material constituído por una única orientación del cristal Policristales: Materiales constituídos por un gran número de pequeños cristales o granos, separados entre sí por fronteras de grano. Propiedades del policristal Propiedades de sus cristalitos, moduladas por el estado de agrupación de ellos ¿Por qué es más común el uso de cerámicas y metales policristalinos? ¾ La microestructura: Se refiere a la naturaleza, cantidad y distribución de las diferentes fases que forman el material La microestructura cerámica: vítrea o cristalina, o cristalina y vítrea. Microestructura Propiedades extrínsecas: mecánicas, reactividad, propiedades finales Ejemplos: la resistencia mecánica, la constante dieléctrica y la conductividad eléctrica. 2. La cerámica Químicamente, las cerámicas son compuestos inorgánicos no metálicos, formados de elementos metálicos y no metálicos, cuyos enlaces son predominantemente iónicos Óxidos simples: Al2O3, ZrO2 Óxidos complejos: BaTiO3, Bi4Ti3O12,YBa2Cu3O6+δ (0≤δ≤1) No óxidos: SiC, B4C; Si3N4, BN; TiB2; MoSi2; LiF Óxidos-nitruros: sialones β’: Si6-zAlzN8-zOz Silicatos: caolinita (Al2Si2O5(OH)4), mullita (Al6Si2O13) Estructuras cristalinas en las cerámicas Si el enlace es iónico, la estructura está determinada por: Cargas de los cationes, An+, y de los aniones Xm-, tales que el cristal es eléctricamente neutro rC rC rA rA Estable Estable Inestable Cerámicas tipo AX A: metal, X: no metal Estructura del NaCl •Número de coordinación = 6 •Estructura: dos redes FCC interpenetrantes •Ejemplos: NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO Estructura del CsCl •Número de coordinación = 8 •Estructura: X en los vértices de un cubo y A en el centro, o al revés. •Ejemplos: CsCl, CsI Estructura del ZnS (blenda o esfalerita): •Número de coordinación = 4 •Estructura: A en vértices y centros de caras de un cubo, y X en los sitios tetraédricos. •Ejemplos: ZnS, ZnTe, SiC Cerámicas tipo AmXp Estructura del CaF2 (fluorita): •Número de coordinación = 8 •Estructura: F en vértices un cubo, y Ca alternadamente en los centros •Ejemplos: UO2, PuO2, ThO2 Estructura del A2X3: •Número de coordinación = 8 •Estructura: iones O forman red hexagonal, 6 iones A colocados entre O, con ocupación 2:3 de los lugares •Ejemplos: Al2O3, Cr2O3 Cerámicas tipo AnBmXp Estructura perovskita, ABX3: A B X •Número de coordinación = 12 (A) y 6 (B) •Estructura: A en vértices, B en el centro y X en los centros de las caras de un cubo •Ejemplos: BaTiO3, PbTiO3 Estructura espinela, AB2X4: •Número de coordinación = 4 (A) y 6 (B) •Estructura: Los iones X forman red FCC, los iones A se ubican en lo sitios teraédricos y los B en los octaédricos •Ejemplos: MgAl2O4, FeAl2O4, NiFe2O4, ≈ ferritas Silicatos El tetraedro SiO4, enlace Si-O covalente 2MO + SiO2 oxígeno 2M2+ + SiO44- silicio Ejemplo: La arcilla: •Mineralógicamente, engloba a un grupo de minerales, filosilicatos (cuarzo, feldespatos, etc.) en su mayor parte, cuyas propiedades físico-químicas dependen de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino (inferior a 2 mm). •Para un ceramista, una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta plástica. Diversas formas de ordenamiento de los tetraedros SiO4 Los cationes, tales como Ca2+, Mg2+, Al3+ aseguran la neutralidad de la carga y enlazan los tetraedros SiO44- Silicatos y silicones •Cadenas lineales de silicatos y silicones Silicatos laminares: Caolinita, Al2Si2O5(OH)4 Talco, Mg3(Si2O5)2(OH)2 Mica, p.e: KAl3Si3O10(OH)2 Silicatos de malla: SiO2 puro (sílice, cristalino: cuarzo, cristobalita); feldespato (KAlSiO3) cristobalita Modificaciones de SiO2 Sistema cristalino Densidad en g/cm3 Condiciones de formación Cuarzo trigonal 2,65 T < 573ºC Cuarzo hexagonal 2,53 T > 573ºC Tridimita monoclínico 2,27 Tridimita hexagonal 2,26 Cristobalita tetragonal 2,32 Cristobalita cúbico 2,20 T > 1470ºC Coesita monoclínico 3,01 P > 20kbar Stishovita tetragonal 4,35 P > 80kbar Lechatelierita vidrio natural de sílice amorfo 2,20 relámpagos incidentesen arena de puro cuarzo, impactos de meteoritos Ópalo (SiO2 ´ aq) amorfo 2,1 - 2,2 T > 870ºC El carbono: como diamante El carbono: como grafito El carbono: como fullereno C60 Cálculo de la densidad teórica n(∑ Ac + ∑ AA ) ρ= Vc N A n = número de unidades fórmula en la celda unidad ΣAc = suma de pesos atómicos de todos los cationes en la fórmula ΣAA = suma de pesos atómicos de todos los aniones en la fórmula Vc = volumen de la celda unidad NA = número de Avogadro, 6,023x1023 moléculas por mol 3. Soluciones sólidas Defectos cristalográficos Defectos puntuales: Vacantes, Shottky y Frenkel ¿La estequiometría en la cerámica? Soluciones sólidas Soluciones sustitucionales Ejemplo: Rubí, Cr3+ sustituyen un 1% de Al3+ en el Al2O3 Ejemplo: PbZr1-XTiXO3 (PZT) Defectos lineales: Dislocaciones Deslizamiento puro a nivel atómico 4. Métodos de caracterización Caracterización de Muestras Sólidas Composición elemental de volumen Etapas en disolución Absorción atómica Espectrometría ICP Espectr. masas ICP Propiedades estructurales Fenómenos de superficie Espectrom. Infrarrojos Dinámica SIMS Espectrometría UV-VIS Estática SIMS Difracción de rayos X Mic. Electrón. Barrido Mic. Elect. Transmisión XPS / SAM MET, emisión de campo Área superficial y porosimetría Análisis directo en sólido Microprueba electrónica Micros. Electrón. Barrido Electrómetro de carbón Micr. Fuerza Atómica Difracción de rayos X Ley de Bragg n λ = 2d sen θ 5. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LA CERÁMICA Clasificación de los materiales cerámicos en base a su aplicación Vidrios Productos - arcilla Refractarios Vidrios Vitrocerámica Estructuras Porcelanas Artística Arcilla Sílice Básicos (MgO) Especiales (alúmina, circonia, mullita, BeO) Abrasivos Cementos Cerámicas avanzadas Cemento Yeso Caliza Refractarias Electrocerámica Resistentes a desgaste ¿Qué propiedades generales caracterizan a la cerámica? La mayor parte de la cerámica es: Dura, resistente al desgaste, frágil, refractaria, aislante térmico, resistente a la oxidación, propensa al choque térmico y químicamente inerte. Su comportamiento eléctrico y magnético cubre un amplio rango: Existen cerámicas aislantes, semiconductoras y superconductoras. LA CERÁMICA AVANZADA Aplicaciones en: Electrónica Óptica Comunicación Medicina Control Medioambiental Industria Aeroespacial Aplicaciones Electromagnéticas Condensadores Termistores PTC, NTC, CTR Sustratos Varistores Bujías Aisladores AV Pilas de combustible Sensores Aislantes Celdas solares Semiconductores Conductores iónicos Superconductores Botellas magnéticas Levitación magnética Piezoeléctricos Ferritas Transductores Actuadores Osciladores Cerraduras Cabezas magnéticas Micromotores Almacenamiento magnético Aplicaciones Ópticas y en Comunicación Trasmisión y detección infrarroja Lámpara de vapor de sodio de alta presión Tubos de iluminación LEDs Válvulas ópticas Redes de fibras óptica Cerámica Traslúcida Fibra óptica Moduladores de luz Memorias ópticas Aplicaciones Medioambientales y Químicas Catalizadores en automóviles Sensores de gas, humedad Filtros Cerámica celular Cerámica porosa Contenedores Protección nuclear Electrodos Procesos fotoquímicos Membranas Transportadores de enzima Capturadores de desechos tóxicos Aplicaciones Médicas Implantes: dientes, huesos, articulaciones Biocerámica Tomografía Computarizada de RX Piezocerámica Detectores de RX Ecosonografia ultrasónica Aplicaciones Mecánicas y Térmicas Herramientas de corte Partes resistentes al desgaste Recubrimientos cerámicos Radiadores infrarrojos Cerámica refractaria Hojas de turbina Azulejo cerámico aeroespacial 5a. Comparación de propiedades entre metales, polímeros y cerámicos Coeficiente de Poisson Metales Cerámicas 0,5 Coef. Poisson ν 0,4 0,3 0,2 Caucho nat. Pb PE Ag Cu Al PMMA PS, PA 6-6 0 ∆V = 0 Fe, acero, W Vidrio mineral Al2O3, WC MgO Si amorfo 0,1 Polímeros Diamante ∆V > 0 Límite de elasticidad / módulo elástico Metales Cerámicas Polímeros 1 10-1 Re / E 10-2 10-3 Fibras Aleaciones Ti Aceros Aleaciones Al Aleaciones Cu Concreto, cemento Metales puros 10-4 10-5 10-6 Diamante SiC Al2O3, Si3N4 MgO Metales ultrapuros PE, EP, PA PMMA Límite de elasticidad Metales Cerámicas Polímeros 105 Re (MPa) 104 Fibras Fe 103 Acero Aleaciones Ti Aleaciones Al, Cu 102 Metales puros Diamante SiC Si3N4 Al2O3 Vidrio MgO Cemento 10 1 10-1 Metales ultrapuros PMMA PA EP PS PE Polímeros expansivos Comparación esfuerzo – deformación en tracción de varios materiales Tenacidad Metales 200 100 Tenacidad (MN-3/2) 50 Cerámicas Polímeros Metales puros Acero Aleaciones Al 20 10 5 2 1 0,5 0,2 BeO Al2O3 + ZrO Si3N4 Al2O3 SiC, MgO PS PP-Nylon Vidrio PMMA PE Epoxi Cemento Conductividad eléctrica 108 105 σ (Ω-1m-1) 102 10-1 Cu,Ag,Al Fe Hg Sn TiC Grafito SiC Ge puro, SiC puro GaAs Poliacetileno (puro) 10-4 10-7 Polímeros Semiconduc. Conductores 1011 Cerámicas Al2 O3 Vidrio mineral 10-10 10-13 10-16 Diamante SiO2 PMMA PE, PS PTFE Aislantes Metales Conductividad térmica Metales Cerámicas Polímeros 104 Diamante κ (W m-1 K-1) 103 102 10 1 10-1 Cu,Ag Al,W Zn Fe Cr Pb,Ni,acero Grafito Al2O3 TiC SiO2 Concreto Verre PE no orientado PA Epoxi PS Caucho Materiales Refractarios - Un refractario, material refractario o producto refractario está constituido de materias y productos no metálicos (sin excluir algún constituyente metálico) donde la resistencia piroscópica es equivalente a 1500ºC como mínimo - Definición tecnológica “Todo material capaz de soportar a temperaturas elevadas, las condiciones del medio en que está inmerso, durante un periodo económicamente rentable, sin deterioro excesivo de sus propiedades físicoquímicas” Refractarios - Introducción - Muchos productos utilizados en una sociedad avanzada dependen directa o indirectamente de procesos conducidos a altas temperaturas: - Manufactura, conformado y tratamiento de metales Producción de cerámicos incluyendo vidrios y cementos Materiales electrónicos Combustibles Productos químicos orgánicos e inorgánicos, etc. Los refractarios hacen posible nuestra productividad Funcionalidad e Integridad - FUNCIONALIDAD Permeabilidad Conductividad térmica Capacidad térmica Conductividad eléctrica Costo - Las mejores soluciones se alcanzan considerando: materiales, tipos, formas dimensiones y configuraciones - INTEGRIDAD Fusión y Vaporización Estabilidad dimensional y de fases Propiedades de flujos y de resistencia Propiedades elásticas Expansión térmica Resistencia a la corrosión Resistencia a la erosión Resistencia a la abrasión Refractarios como Materiales - Constituyen una categoría de cerámicos técnicos Casi todos son complejas combinaciones de óxidos cristalinos, unos pocos carburos, carbono y grafito Los cerámicos policristalinos tienen propiedades tales como: - Fragilidad Mucho menor resistencia en tensión que en compresión Considerable variabilidad en resistencia Exhiben fluencia a altas temperaturas Módulos de elasticidad elevados Reto de Calidad - - Existe una variación inevitable en: Composición de las materias primas Tamaños y distribución de tamaños Composición y microestructura de la fase final Grado de compactación del material particulado Productos Refractarios CLASIFICACIÓN - Existen unos 8000 productos refractarios con nombre de marca - Estos productos han sido organizados en unas pocas docenas de clasificaciones - En la actualidad la clasificación tiene como ejes la estandarización y la aplicación - Muchos productos se desarrollan para aplicaciones específicas en conjunto con sus métodos de aplicación - Se busca establecer una base de datos a nivel mundial con una nomenclatura acordada Clasificación ⎧ Densos Finalidad ⎨ ⎩ Aislantes ⎧Conformados ⎪ Presentación ⎨ Sin forma ⎪ Fibras ⎩ ⎧ ⎧ Acidos ⎪ ⎪ Carácter químico ⎨Neutros ⎪ ⎪ Básicos ⎪ ⎩ ⎪ Naturaleza Química ⎨ Sílice ⎧ ⎪ ⎪Sílice-Alúmina ⎪Composición química ⎪⎨ ⎪ ⎪ Magnesia ⎪ ⎪⎩ Especiales ⎩ - Se involucran los siguientes sistemas de 3 componentes: MgO-Cr203-Si02 CaO-Al203-Zr02 CaO-MgO-Al203 CaO-MgO-SiO2 CaO-SiO2-ZrO2 Cr203 -Si02-ZrO2 Al203- Cr203 -Zr02 MgO-Al203- Cr203 (6 sistemas monocomponente, 15 binarios y 20 ternarios, no considera algunas composiciones especiales que involucran TiO2, beta-alúmina NaAl11O17, hafnia HfO2, urania UO2) Representación octaédrica de los sistemas ternarios de materiales refractarios Refractarios Conformados (1) Refractarios Conformados (2) Refractarios No Formados (1) Refractarios No Formados (2) Algunas Propiedades a Tomar en Cuenta - Refractariedad Coeficiente de conductividad térmica Conductividad eléctrica Estabilidad dimensional Capacidad autoportante Corrosión Resistencia a la abrasión… Temperaturas Máximas de Servicio Temperaturas Máximas de Servicio para Refractarios Comerciales Sensibilidad a Esfuerzos Térmicos – Refractarios Monofásicos (1) Sensibilidad a Esfuerzos Térmicos Refractarios Monofásicos (2) Sensibilidad a Esfuerzos Térmicos Refractarios Multifásicos Resistencia a Esfuerzos Térmicos Refractarios Varios (1) Resistencia a Esfuerzos Térmicos Refractarios Varios (2) Temperaturas Límite: Corrosión Atmosférica/Alteración Temperaturas Límite: Corrosión por Líquidos Calientes Propiedades de Diseño - Coeficiente de Expansión Lineal Capacidad Calórica Conductividad Térmica Resistividad Eléctrica Propiedades Mecánicas Coeficiente de Expansión Lineal Coeficiente de Expansión Lineal Es usual reportar datos del CTE desde temperatura ambiente hasta 1000ºC Capacidad Calorífica Molal de Oxidos Simples Capacidad Calorífica Molal de Oxidos Ternarios Capacidad Calorífica Molal de No-Oxidos Conductividad Térmica para Sustancias Densas Conductividad Térmica de Oxidos Densos Conductividad Térmica de No-Oxidos Densos Conductividad Térmica de Ladrillos Básicos Conductividad Térmica de Ladrillos con Alúmina Resistividad Eléctrica de Materiales Aislantes Propiedades Mecánicas de Refractarios Densos Monofásicos Esfuerzo de Flexión y Deformación vs. Temperatura Módulo a la Falla a Tambiente vs. Porosidad para Ladrillos Resistencia a la Compresión a Tambiente vs. Porosidad para Ladrillos Módulo a la Falla vs. Temperatura para Ladrillos Módulo de Young vs. Temperatura (a) Ladrillos, (b) Monolíticos Manufactura de Refractarios Diagrama de Flujo (1) Diagrama de Flujo (2) Materias Primas (1) Naturales Cuarzo Silicatos Bauxitas Magnesita Dolomita Cromita Zircon Talco Sintéticas Alúminas Magnesia Mullita Carburo de Silicio Cementos Espinelas Cerámica Tradicional - - - Materias Primas Plásticas Materias Primas Refractarias Materias Primas Desengrasantes o Inertes Materias Primas Fundentes Materias Primas 1. Minerales No Arcillosos a) No silicatos b) Sílices anhidros y silicatos 2. Arcillas y minerales similares SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Sílice Cristalina Minerales Rocas Cuarcitas Arena Diatomea >97 0.1-2.0 0.1-2.0 0.1-0.5 0.1-0.5 94-97 1-3 0.1-0.5 0.1-0.2 0.1-0.3 65-87 3-10 1-3.5 0.5-1.5 0.5-3.5 Amorfa Opalos Cuarzo Cuarcitas Diatomea Vidrio de Calcedonia Grava sílice Agata Arena Sílice Pedernal Ganister volátil Cristobalita Minerales No Arcillosos Minerales Arcillosos Arcillas y Caolines (1) - Caolines: Color Blanco y cocción blanca, tamaño pequeño: 0.5 – 2 um, mineral más puro: caolinita Arcilla: Generalmente coloreadas y de cocción no blanca. Tamaño fino, acompañadas de otros minerales y materia orgánica De acuerdo al uso Porcelana: caolines, cocción blanca Loza: caolines y caolines arcillosos Refractarios: solo arcillas de cono > 1580ºC Gres: Se busca vidrio, casi fusión. Exceso de sílice. Se agregan feldespatos Mayólicas y terracotas: Arcillas magras. Muchos fundentes. Hasta 40% de CaCO3. Cocción 900 – 1050ºC Ladrillos y baldosas: Mucho fundente, especialmente hierro. Cocción: 900 – 1050ºC Arcillas y Caolines (2) - Minerales muy difundidos, estructura en capas, constituyen la mayor parte de la corteza terrestre junto con los suelos - Se consideran refractarias si tienen un cono superior al 33 (1743ºC) Propiedades Arcillas Duras Duras no plásticas, Fractura concoide, Aptas (Flint clay, Fire clay) para chamota Arcillas Plásticas y Semiplásticas Plásticas, Untuosas , (Ball clay, bond clay) Forman liga Caolines (Kaolin) Alta pureza (caolinita), Blancas (bajo Fe), Plasticidad relativa Arcillas y Caolines (3) Grupo Mineral Caolín Caolinita Diquita Macrita Pirofilita Montmorillonita Montronita Beidelita Mica arcillosa Montmorillonita Alcalino Fórmula Al203.2SiO2.2H20 Al203.4SiO2.H20 (Mg,Ca)O. Al203.5SiO2.4H20 K2O.MgO 4Al203.7SiO2.2H20 Tipos de arcillas por color y porosidad Arcillas porosas coloreadas Arcillas porosas blancas Tejares y alfares en bruto, barnizadas, Mayólicas finas estanníferas Sanitarias y productos refractarios Arcillas fusibles Arcillas refractarias 850-1100ºC 1000- 1550ºC Arcillas impermeables coloreadas Arcillas impermeables blancas Gres finos, comunes, clinkers Arcillas vitrificables 1100-1350ºC Porcelanas duras, tiernas, china vidriada Caolines 1250- 1460ºC Propiedades de las Arcillas Plasticidad: “Material intermedio entre un líquido viscoso y un sólido elástico” La plasticidad está ligada a la estructura físico-química: - Distribución de tamaño de partículas - Capacidad de cambio de iones - Naturaleza de los iones absorbidos inicialmente - Naturaleza de los iones en el agua de amasado - Contenido de materia orgánica El aumento de plasticidad conduce a: - Mayor ductilidad de los moldeados - Mayor retención de agua - Las barbotinas son más viscosas Grano Premanufacturado: Materia Prima Secundaria - Chamota (grog) es uno de estos productos Es una fracción reciclada de ladrillos arcillosos Se utiliza para: - Reducir el encogimiento Mejorar la resistencia a la corrosión Mejorar la estabilidad térmica Alterar la distribución de microfisuras y la porosidad del refractario final Mejorar la respuesta a los ciclos térmicos y al choque térmico Aditivos Sólidos - Químicos matriz Finamente subdivididos, reaccionan o interactúen con los constituyente principales por motivos de enlace - Alteran la reología de la mezcla - Otros Aditivos Clasificación de Aditivos Lignosulfonados ⎧ ⎪ Polisacáridos ⎪ ⎪ Alcohol polivinílico (PVA) ⎪ Liga temporal ⎨ PVA copolimerizado ⎪ Carboxi-metil celulosa ⎪ Metil celulosa ⎪ ⎪ Etil silicatos ⎩ ⎧Polietileno (líquido) ⎪ Acido esteárico ⎪ ⎪ Aceites Auxiliares de prensado ⎨ Ceras ⎪ ⎪ Polietilenglicol ⎪ ⎩ Tensoactivos ⎧ Silicatos de Na ⎪Poliacrilato de Na ⎪ Defloculantes ⎨ ⎪ Esteres orgánicos ⎪⎩ Fosfatos ⎧Na-Naftalen sulfonatos Reducidores de H 2 O ⎨ Taninos ⎩ ⎧ Acido cítrico y sales ⎪ Otros ⎨ Acido oxálico y sales ⎪ Glicerina ⎩ Preparación de Sólidos - - La naturaleza química y la distribución del tamaño de partícula de cada materia prima constituyente debe estar de acuerdo con el proceso de manufactura Algunos casos típicos incluyen: - Fusión Granos con reacción previa y sinterizados Morteros y Fireclays Morteros y Fireclays - - - - - Uno o más constituyentes pueden ser calcinados a alta temperatura en lugar de someterse a calcinación activa Varios constituyentes pueden ser molidos a un tamaño más grueso Los constituyentes matriz se muelen a un tamaño reducido y en un estado químicamente activo Los morteros se formulan de acuerdo con los elementos que van a unir La calcinación es necesaria no solo para remover el agua intercalada y colapsar las estructuras cristalinas hidratadas sino también para evitar la rehidratación Para arcillas y bauxitas esto significa no solo descomponer los hidratos sino también inducir cambios de fase irreversibles térmicamente activados Fireclays Caolinita pura y seca: - La deshidratación ocurre rápidamente, típicamente entre 550 y 650ºC - - - - El encogimiento de la caolinita se inicia conjuntamente con su descomposición La caolinita luego se transforma en una estructura casi amorfa de “meta-caolín” Termina en un estado vitreo anhidro alrededor de 950-1000ºC Se detecta mullita alrededor de 1000ºC, luego aparece cristobalita Fireclays (2) - - - - - - - Contienen Al2O3 y SiO2 en diferentes relaciones, así como otras impurezas Su descomposición ocurre a temperaturas bajas y sobre rangos amplios Se revierten en vidrios a temperaturas bajas, pero eventualmente dan lugar a mullita y cristobalita La resistencia a rehidratación debería obtenerse aproximadamente a los 900ºC Los vidrios formados a partir de los cristales originales son muy rígidos Casi imposible obtener todo el encogimiento hasta alcanzar las temperaturas de sinterización en fase líquida: 1500 – 1600ºC Calcinación elimina la lubricidad. Es necesario adicionar una arcilla plástica Refractarios No Formados o Monolíticos - Refractarios Sin Forma Especialidades Refractarios Especiales Refractarios Moldeables Refractarios Colables Concretos Refractarios Morteros Refractarios Se estima que el consumo de este tipo de materiales es del orden del 50-60% del consumo total Ventajas Comparativas - Menor tiempo de manufactura, por formato y cocción. Reducción del espacio - Menor costo energético. Eliminación de la contaminación por gases - Construcción de formas complicadas y de gran tamaño utilizando soportes y anclajes - En general son tan durables como los ladrillos, aun en espesores menores - Fácil instalación. Permite la reparación local - Los refractarios monolíticos tienen menor expansión térmica - Dado el método de fabricación, permiten una mayor flexibilidad de diseño según el requerimiento del servicio Mezclado - Se busca lograr la mayor homogeneidad posible - Los distintos tipos de máquinas mezcladoras están diseñadas para usos “casi específicos”: plásticos, áridos secos, pastas finas, etc. - El orden de mezclado debe minimizar las heterogeneidades - Orden de agregado - Agregar los cortes gruesos (hasta malla 30 aprox.) Seguir con los extrafinos o fácilmente aglomerables - - Arcillas micronizadas Alúminas menores a 44 um Productos orgánicos Aditivos que van en poca proporción Agregar el resto (mallas menores que 30 y pulverizados) Si es necesario humectar hacerlo con chorro fino durante el mezclado Objetivos – Proyecto PIC 209 Seleccionar materiales que puedan ser empleados en la construcción de incineradores reduciendo costos - - Seleccionar materiales (propiedades, disponibilidad) Ensayar los materiales puros Elaborar y ensayar mezclas Recolección de Arcillas Pruebas - Sinterización Composición Densidad Porosidad Dilatación Térmica Conductividad Características Físicas (1) Arcillas/Arenas Codificación Características físicas 1. Arcilla de la Formación ATos1 Tosagua 529897, 9790530 Fracción < 0.053mm En estado puro presenta una coloración amarilla terrosa, después de la cocción adquiere una coloración café. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad. 2. Arcilla de la Formación ATos2 Tosagua 554683, 9744610 Fracción < 0.053mm En estado puro presenta una coloración amarilla más intensa que la anterior, después de la cocción adquiere una coloración café oscura. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad. 3. Arcilla Limón-Azuay ALim-Az En estado puro presenta una coloración blanco hueso, después de la cocción adquiere una coloración amarilla de baja intensidad. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad. 4. Arcilla Engabao 1 AEng1 En estado puro presenta una coloración ocre, después de la cocción adquiere una coloración café cobrizo. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad. 5. Arcilla Engabao 2 AEng2 En estado puro presenta una coloración grisácea y retiene su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad. Características Físicas (2) 6. Arcilla Paján APaj En estado puro presenta una coloración amarilla intensa, después de la cocción adquiere una coloración café. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad. 7. Arcilla Socorro ASoc En estado puro presenta una coloración café, después de la cocción adquiere una coloración cobriza. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad. 8. Arena Quilotoa Aren-Quil En estado puro presenta una coloración blanca hueso y retiene su color durante la cocción. Se disgrega con facilidad. 9. Sílice Nacional Sil-N En estado puro presenta una coloración blanca absoluta y retiene su color durante la cocción. Se disgrega con facilidad. 10. Arcilla Loja- ALoj-Paj Paján En estado puro presenta una coloración café y después de la cocción adquiere una coloración terracota. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad. 11. Arcilla Loja En estado puro presenta una coloración grisácea y retiene su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad. ALoj 12. Arcilla Colimes ACol-Bal del Balzar En estado puro presenta una coloración negra-plomiza y retiene su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad. Elaboración de Probetas Troqueles rectangulares Probetas cilíndricas Troquel circular: Ø = 25 mm, h = 50 mm. Probetas prismáticas. Sinterización (1) Sinterización (2) Sinterización (3) Composición Al2O3 (wt.%) Fe2O3 (wt.%) MgO (wt.%) CaO (wt.%) TiO2 (wt.%) GRUPO ARCILLA SiO2 (wt.%) Loja 19.36 9.52 3.17 1.27 0.67 0.42 1 Limón-Azuay 23.92 10.26 2.70 0.78 0.58 0.79 Engabao 2 19.13 9.38 3.15 1.25 0.68 0.42 Paján 18.15 8.83 3.07 1.15 0.69 0.43 Socorro 15.27 7.04 2.64 0.79 0.63 0.44 Sílice 15.58 7.20 2.49 0.75 0.66 0.53 Engabao 1 52.51 21.61 8.02 2.96 1.32 0.73 Loja-Paján 50.04 21.28 7.84 2.61 1.33 0.72 Tosagua 1 50.69 21.25 7.68 2.61 1.30 0.70 Tosagua 2 50.83 22.04 8.08 2.61 1.30 0.76 Colimes de Balsar 53.64 21.96 8.10 2.98 1.33 0.74 Quilotoa 50.82 21.26 7.86 2.75 1.31 0.72 2 Densidad Arcillas/Arenas 2000 1.9 Presión (psi) 3000 1.9 4000 2.1 Arcilla Engabao 2 1.6 1.4 1.4 Arcilla Paján Sílice Nacional 2.1 1.4 2.1 1.5 2.1 1.5 Arcilla Loja 2.3 2.3 2.3 Arcilla Limón-Azuay Porosidad Arcillas/ Arenas Porosidad Aparente (%) Porosidad Real (%) 3000 (psi) 0.5 0.2 4000 (psi) 0.9 0.3 1.6 1.2 2000 (psi) 2.2 1.9 3000 (psi) 1.6 1.7 4000 (psi) 1.7 1.5 0.4 0.2 0.3 15.8 Arcilla Engabao 2 Arcilla Limón-Azuay 3000 (psi) Sílice Nacional Arcilla Socorro 2000 (psi) Arcilla Paján 3000 (psi) Mezclas Material Características Físicas y Químicas Alúmina Material cerámico muy versátil, sus propiedades la hacen especialmente apta para aplicaciones en donde la temperatura es un factor critico, además de su relativa facilidad para adaptarse a diversos trabajos y usos. Es un material con buenas propiedades de adsorción de fluoruros del agua y constituyen el material adsorbente mas usado. Oxido de Magnesio Tiene una temperatura de fusión alta, buena refractariedad y buena resistencia al ataque de los ambientes que a menudo se encuentran en los procesos de fabricación de acero..Se le considera como un refractario básico. Ladrillo Refractario Constituido por sílice y alúmina. Su característica es ser poco fundente, resiste el calor a altas temperaturas y posee poca vitrificación. Conductividad – Mezclas (1) Mezcla Presión (psi) Coeficiente de Conductividad térmica (W/m K) Socorro 55% Alúmina 45% 3000 4.88 Engabao2 55% Alúmina 45% 3000 3.81 Paján 55% Alúmina 45% 3000 3.16 Loja 55% Alúmina 45% 3000 2.86 Limón-Azuay55% Alúmina 45% 3000 2.01 Sílice 55% Alúmina 45% 3000 2.56 Limón-Azuay 25% Ladrillo Refractario 75% 3000 1.53 Conductividad – Mezclas (2) Limón-Azuay 50% Ladrillo Refractario 50% 3000 1.86 Limón-Azuay 75% Ladrillo Refractario 25% 3000 2.00 Formación Tosagua 1 25% Ladrillo Refractario 75% 3000 59.39 Formación Tosagua 1 50% Ladrillo Refractario 50% 3000 48.63 Formación Tosagua 2 75% Ladrillo Refractario 25% 3000 29.98 Formación Tosagua 2 50% Ladrillo Refractario 50% 3000 3.01 Formación Tosagua 1 25%-Ladrillo Refractario 75% 3000 3.26 Engabao 2 75% - Ladrillo Refractario 25% 3000 4.04 Engabao 2 50% - Ladrillo Refractario 50% 3000 4.99 Loja-Paján 50% - Ladrillo Refractario 50% 3000 8.26 Loja-Paján 75% - Ladrillo Refractario 25% 3000 8.13 Colimes de Balsar 75% - Ladrillo Refractario 25% 3000 4.25 Colimes de Balsar 50% - Ladrillo Refractario 50% 3000 4.14
