CERÁMICOS Y REFRACTARIOS

Transcripción

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

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
•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):
•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):
•Estructura: F en vértices un cubo,
y Ca alternadamente en los centros
•Ejemplos: UO2, PuO2, ThO2
Estructura del A2X3:
•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
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
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
- 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
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
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
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
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
3000
48.63
3000
29.98
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

CERÁMICOS Y REFRACTARIOS

Transcripción

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CEMENTO REFRACTARIO