Un refractario, material refractario o producto refractario ... Existen unos 8000
productos refractarios con nombre de marca ..... Morteros Refractarios. Se estima
...
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 -
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-
-
-
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) -
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-
-
-
-
-
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
