Ceramicos y refractarios (1)

$: Ceramicos y refractarios (1)$
CERCERÁÁMICOS Y REFRACTARIOSMICOS Y REFRACTARIOS

VVííctor H. Guerrero, ctor H. Guerrero, Ph.DPh.D..

Departamento de MaterialesDepartamento de MaterialesEscuela PolitEscuela Politéécnica Nacionalcnica Nacional

Materials in Materials in DesignDesignDesign = Process of Design = Process of translating a new idea or translating a new idea or a market need into the a market need into the detailed information from detailed information from which a product can be which a product can be manufacturedmanufactured

Materials have limited Materials have limited design since the design since the beginningbeginning

Need to decide about: Need to decide about: materials, processesmaterials, processes

MaterialsMaterials40000 40000 toto 80000 80000 differentdifferentonesones are are availableavailable

ClassicalClassical: : TheThe choicechoice ofofmaterial material isis dictateddictated by by designdesign

CurrentlyCurrently: : NewNew productsproductsare are developeddeveloped becausebecausewewe havehave newnew materials materials availableavailable

How do How do wewe choosechoose? ? ExperienceExperience, , catalogscatalogs, , systematicsystematic procedureprocedure

ProcessesProcesses

ProductProduct formingforming technologicaltechnological processesprocesses dependingdepending onon itsits shapeshape complexitycomplexity levellevel andand weightweight [2][2]

Materials Materials ChoiceChoiceTheThe numbernumber ofof materials materials toto be be consideredconsidereddependsdepends onon thethe stagestage duringduring thethe designdesignprocessprocess

Options are wide

List is shortened, more data is needed

precise data required for reduced

numberof materials

Beginning

Design becomes more focused

Finally

Materials Materials ChoiceChoiceYouYou needneed totokeepkeep anan openopenmindmindChoiceChoice cannotcannot be be made made independentlyindependently$$$ $$$ isis importantimportant

Materials Materials ChoiceChoiceObjectiveObjective: : developdevelop a a methodologymethodology thatthat, , ififproperlyproperly appliedapplied, , givesgivesguidanceguidance throughthrough thetheforestforest ofof complexcomplex choiceschoices

ConsiderConsider::Materials (data) Materials (data) –– processes processes (attributes)(attributes)Material Material –– shapeshapePerformancePerformance –– costcostAestheticsAestheticsErgonomicsErgonomics

Relationships among some factorsconnected with materials, processes & functions of a product [2]

EvolutionEvolution ofof Engineering MaterialsEngineering MaterialsFromFrom::

ToTo::

Titanium watch Metal matrix compositemountain bike

Carbon fiber reinforcedtennis racquet

Stone toolsBronze swords

Gold masks

EvolutionEvolution ofof Engineering MaterialsEngineering Materials

EvolutionEvolution ofof Engineering MaterialsEngineering MaterialsTheresTheres has has nevernever beenbeen anan era in era in whichwhich thetheevolutionevolution ofof materials materials waswas fasterfaster andand thethe rangerange ofofpropertiesproperties more more variedvariedThisThis isis notnot thethe ageage ofof oneone material; material; itit isis thethe ageage ofofanan inmenseinmense rangerange ofof materialsmaterialsDesignersDesigners whowho leftleft collegecollege 20 20 yearsyears ago can be ago can be forgivenforgiven forfor notnot knowingknowing thatthat havehave ofof themthem existexistNotNot knowingknowing = = riskrisk toto failurefailure ((disasterdisaster))

A escala atómica: Los átomos en los materiales se mantienen unidos medianteun enlace químico: iónico, covalente, metálico, molecular y

de hidrógeno.

Un material puede ser cristalino (p.e. cerámica policristalina) o amorfo (p.e. vidrio).

1. 1. IntroducciIntroduccióónn

Las estructuras cristalina y amorfa

Ejemplos: punto de fusión, módulo elástico, coeficiente de expansión térmica,ferroelectricidad (BaTiO3), fragilidad.

Propiedades intrínsecas: químicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas.

Estructura a escalaatómica

ABO3

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?

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.

Ejemplos: la resistencia mecánica, la constante dieléctrica y la conductividad eléctrica.

Propiedades extrínsecas: mecánicas, reactividad, propiedades finales

Microestructura

2. La cer2. La ceráámicamica

Óxidos simples: Al2O3, ZrO2Óxidos complejos: BaTiO3, Bi4Ti3O12,YBa2Cu3O6+δ (0≤δ≤1)

No óxidos: SiC, B4C; Si3N4, BN; TiB2; MoSi2; LiFÓxidos-nitruros: sialones β’: Si6-zAlzN8-zOz

Silicatos: caolinita (Al2Si2O5(OH)4), mullita (Al6Si2O13)

Químicamente, las cerámicas son compuestos inorgánicos no metálicos, formados de elementos metálicos y no metálicos, cuyos enlaces son predominantemente

iónicos

Estructuras cristalinas en las cerámicas

Si el enlace es iónico, la estructura está determinada por:

A

C

rr rA

rC

Cargas de los cationes, An+, y de los aniones Xm-,tales que el cristal es eléctricamente neutro

Estable Estable Inestable

Cerámicas tipo AXA: 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: F en vértices un cubo,y Ca alternadamente en los centros

•Ejemplos: UO2, PuO2, ThO2

Estructura del CaF2 (fluorita):


•Estructura: iones O forman red hexagonal, 6 iones A colocadosentre O, con ocupación 2:3 de los lugares

•Ejemplos: Al2O3, Cr2O3

Estructura del A2X3:

Cerámicas tipo AnBmXp

Estructura perovskita, ABX3:

•Número de coordinación = 12 (A) y 6 (B)

•Estructura: A en vértices, B en el centro y Xen los centros de las caras de un cubo

•Ejemplos: BaTiO3, PbTiO3

A

BX

Estructura espinela, AB2X4:

•Número de coordinación = 4 (A) y 6 (B)

•Estructura: Los iones X forman red FCC, los iones Ase ubican en lo sitios teraédricos y los B en losoctaédricos

•Ejemplos: MgAl2O4, FeAl2O4, NiFe2O4, ≈ ferritas

oxígeno silicio

Silicatos

El tetraedro SiO4, enlace Si-O covalente

2MO + SiO2 2M2+ + SiO44-

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 SiO4

4-

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 T > 870ºC

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

El carbono: como diamante

El carbono: como grafito

El carbono: como fullereno C60

Cálculo de la densidad teórica

Ac

Ac

NVAAn )( ∑+∑

=ρ

n = número de unidades fórmula en la celda unidadΣAc = suma de pesos atómicos de todos los cationes en la fórmulaΣAA = suma de pesos atómicos de todos los aniones en la fórmula

Vc = volumen de la celda unidadNA = número de Avogadro, 6,023x1023 moléculas por mol

3. Soluciones s3. Soluciones sóólidaslidasDefectos cristalográficos

Defectos puntuales: Vacantes, Shottky y Frenkel

¿La estequiometría en la cerámica?

Soluciones sólidasSoluciones sustitucionales

Ejemplo: Rubí, Cr3+ sustituyen un 1% de Al3+ en el Al2O3

Ejemplo: PbZr1-XTiXO3 (PZT)

Defectos lineales: Dislocaciones

Deslizamiento puro a nivel atómico

Caracterización de Muestras Sólidas

Composiciónelemental de volumen

Propiedades estructurales Fenómenos de superficie

Etapas en disolución Análisis directo en sólido

Absorción atómica

Espectrometría ICP

Espectr. masas ICP

Microprueba electrónica

Micros. Electrón. Barrido

Electrómetro de carbón

Espectrom. Infrarrojos

Espectrometría UV-VIS

Difracción de rayos X

Mic. Elect. Transmisión

MET, emisión de campo

Dinámica SIMS

Estática SIMS

Mic. Electrón. Barrido

XPS / SAM

Área superficial y porosimetría

Micr. Fuerza Atómica

4. M4. Méétodos de caracterizacitodos de caracterizacióónn

Difracción de rayos X

n λ = 2d sen θ

Ley de Bragg

5. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LA CER5. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LA CERÁÁMICAMICA

Clasificación de los materiales cerámicos en base a su aplicación

Vidrios Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicas avanzadasProductos - arcilla

VidriosVitrocerámica

EstructurasPorcelanas

Artística

ArcillaSílice

Básicos (MgO) Especiales (alúmina,

circonia, mullita, BeO)

RefractariasElectrocerámica

Resistentes a desgaste

CementoYesoCaliza

¿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.

LLA CERA CERÁÁMICA AVANZADAMICA AVANZADA

Aplicaciones en:Electrónica

ÓpticaComunicación

MedicinaControl MedioambientalIndustria Aeroespacial

Aplicaciones Electromagnéticas

Bujías

Aisladores AV

Sensores

Transductores

Osciladores

SustratosCondensadores Termistores PTC, NTC, CTR

Varistores

Almacenamiento magnéticoActuadores

Micromotores

Celdas solares

Pilas de combustible

Aislantes Semiconductores

Superconductores

FerritasPiezoeléctricos

Conductores iónicos Botellas magnéticas

Levitación magnética

Cabezas magnéticas

Cerraduras

Aplicaciones Ópticas y en Comunicación

Cerámica Traslúcida

Fibra ópticaRedes de fibras óptica

Lámpara de vapor de sodio de alta presión

Moduladores de luzVálvulas ópticas

Memorias ópticas

Trasmisión y detección infrarroja

Tubos de iluminaciónLEDs

Aplicaciones Medioambientales y Químicas

Capturadores de desechos tóxicos

Catalizadores en automóviles

Membranas

Sensores de gas, humedad

Filtros

Contenedores

Protección nuclear

Procesos fotoquímicos Transportadores de enzima

Cerámica celular

Electrodos

Cerámica porosa

Aplicaciones Médicas

Biocerámica

Piezocerámica

Ecosonografia ultrasónica

Tomografía Computarizada de RX

Detectores de RX

Implantes: dientes, huesos,articulaciones

Aplicaciones Mecánicas y Térmicas

Partes resistentes al desgaste

Azulejo cerámico aeroespacial

Radiadores infrarrojos

Herramientas de corte

Recubrimientos cerámicos

Cerámica refractaria

Hojas de turbina

5a. Comparación de propiedades entre metales, polímeros y cerámicos

Metales Cerámicas Polímeros

0

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1Coef

. Poi

sson

νCoeficiente de Poisson

Pb

AgCuAl

Fe, acero, WVidrio mineral

Al2O3, WCMgO

Diamante

Si amorfo

Caucho nat.

PE

PMMAPS, PA 6-6

∆V = 0

∆V > 0

Límite de elasticidad / módulo elástico


10-5

1

10-1

10-2

10-3

10-4

Re / E

10-6

Fibras

Aleaciones TiAceros

Aleaciones AlAleaciones Cu

Metales puros

Metales ultrapuros

DiamanteSiC

Al2O3, Si3N4MgO

Concreto, cemento

PE, EP, PAPMMA

Límite de elasticidad


1

105

104

103

102

10

Re (M

Pa)

10-1

Fibras Fe

AceroAleaciones Ti

Aleaciones Al, Cu

Metales puros

Metales ultrapuros

DiamanteSiC

Si3N4Al2O3VidrioMgO

Cemento

PMMAPAEPPSPE

Polímeros expansivos

Comparación esfuerzo – deformación en tracción de varios materiales


0,5

200

50

20

5

1Tena

cidad

(MN-3

/2 )

Tenacidad

0,2

100

10

2

Metales purosAcero

Aleaciones Al

BeOAl2O3 + ZrO

Si3N4Al2O3

SiC, MgO

Vidrio

Cemento

PSPP-Nylon

PMMAPE

Epoxi

Metales Cerámicas Polímeros1011

σ(Ω

-1m

-1)

Conductividad eléctrica

108

105

102

10-1

10-4

10-7

10-10

10-13

10-16

Cond

ucto

res

Sem

icond

uc.

Aisla

ntes

Cu,Ag,AlFeHgSn TiC

GrafitoSiC

Ge puro,SiC puro

GaAs

Al2 O3Vidrio mineral

DiamanteSiO2

Poliacetileno(puro)

PMMAPE, PSPTFE


10-1

104

103

102

10

1

κ(W

m-1

K-1)

Conductividad térmica

Cu,AgAl,WZnFeCr

Pb,Ni,acero Al2O3TiCSiO2

ConcretoVerre

Diamante

Grafito

PE no orientadoPA

EpoxiPS

Caucho

Materiales RefractariosMateriales Refractarios-- Un refractario, material refractario o producto refractario Un refractario, material refractario o producto refractario

estestáá constituido de materias y productos no metconstituido de materias y productos no metáálicos licos (sin excluir alg(sin excluir algúún constituyente metn constituyente metáálico) donde la lico) donde la resistencia resistencia piroscpiroscóópicapica es equivalente a 1500es equivalente a 1500ººCC como como mmíínimonimo

-- DefiniciDefinicióón tecnoln tecnolóógicagica““Todo material capaz de soportar a temperaturas Todo material capaz de soportar a temperaturas elevadas, las condiciones del medio en que estelevadas, las condiciones del medio en que estááinmerso, durante un periodo econinmerso, durante un periodo econóómicamente rentable, micamente rentable, sin deterioro excesivo de sus propiedades fsin deterioro excesivo de sus propiedades fíísicosico--ququíímicasmicas””

Refractarios Refractarios -- IntroducciIntroduccióónn

-- Muchos productos utilizados en una sociedad Muchos productos utilizados en una sociedad avanzada dependen directa o indirectamente de avanzada dependen directa o indirectamente de procesos conducidos a altas temperaturas:procesos conducidos a altas temperaturas:-- Manufactura, conformado y tratamiento de metalesManufactura, conformado y tratamiento de metales-- ProducciProduccióón de cern de ceráámicos incluyendo vidrios y micos incluyendo vidrios y

cementoscementos-- Materiales electrMateriales electróónicosnicos-- CombustiblesCombustibles-- Productos quProductos quíímicos orgmicos orgáánicos e inorgnicos e inorgáánicos, etc.nicos, etc.

Los refractarios hacen posible nuestra productividad

Funcionalidad e IntegridadFuncionalidad e IntegridadFUNCIONALIDADFUNCIONALIDAD

-- PermeabilidadPermeabilidad-- Conductividad tConductividad téérmicarmica-- Capacidad tCapacidad téérmicarmica-- Conductividad elConductividad elééctricactrica-- CostoCosto

INTEGRIDADINTEGRIDAD-- FusiFusióón y Vaporizacin y Vaporizacióónn-- Estabilidad dimensional Estabilidad dimensional

y de fasesy de fases-- Propiedades de flujos y Propiedades de flujos y

de resistenciade resistencia-- Propiedades elPropiedades eláásticassticas-- ExpansiExpansióón tn téérmicarmica-- Resistencia a la Resistencia a la

corrosicorrosióónn-- Resistencia a la erosiResistencia a la erosióónn-- Resistencia a la Resistencia a la

abrasiabrasióónn

Las mejores soluciones se alcanzan considerando: materiales, tipos, formas

dimensiones y configuraciones

Refractarios como MaterialesRefractarios como Materiales

-- Constituyen una categorConstituyen una categoríía de cera de ceráámicos tmicos téécnicoscnicos-- Casi todos son complejas combinaciones de Casi todos son complejas combinaciones de óóxidos xidos

cristalinos, unos pocos carburos, carbono y grafitocristalinos, unos pocos carburos, carbono y grafito-- Los cerLos ceráámicos policristalinos tienen propiedades tales micos policristalinos tienen propiedades tales

como:como:-- FragilidadFragilidad-- Mucho menor resistencia en tensiMucho menor resistencia en tensióón que en compresin que en compresióónn-- Considerable variabilidad en resistenciaConsiderable variabilidad en resistencia-- Exhiben fluencia a altas temperaturasExhiben fluencia a altas temperaturas-- MMóódulos de elasticidad elevadosdulos de elasticidad elevados

Reto de CalidadReto de Calidad

-- Existe una variaciExiste una variacióón inevitable en:n inevitable en:-- ComposiciComposicióón de las materias primasn de las materias primas-- TamaTamañños y distribucios y distribucióón de taman de tamaññosos-- ComposiciComposicióón y n y microestructuramicroestructura de la fase de la fase

finalfinal-- Grado de compactaciGrado de compactacióón del material n del material

particuladoparticulado

Productos RefractariosProductos RefractariosCLASIFICACICLASIFICACIÓÓNN-- Existen unos 8000 productos refractarios con nombre de Existen unos 8000 productos refractarios con nombre de

marcamarca

-- Estos productos han sido organizados en unas pocas Estos productos han sido organizados en unas pocas docenas de clasificacionesdocenas de clasificaciones

-- En la actualidad la clasificaciEn la actualidad la clasificacióón tiene como ejes la n tiene como ejes la estandarizaciestandarizacióón y la aplicacin y la aplicacióónn

-- Muchos productos se desarrollan para aplicaciones Muchos productos se desarrollan para aplicaciones especespecííficas en conjunto con sus mficas en conjunto con sus méétodos de aplicacitodos de aplicacióónn

-- Se busca establecer una base de datos a nivel mundial Se busca establecer una base de datos a nivel mundial con una nomenclatura acordadacon una nomenclatura acordada

ClasificaciClasificacióónn

⎧⎨⎩

⎧⎪⎨⎪⎩

⎧ ⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎪ ⎩⎪

⎨ ⎧⎪ ⎪

⎪⎪ ⎨⎪ ⎪⎪ ⎪⎩⎩

DensosFinalidad

Aislantes

ConformadosPresentación Sinforma

Fibras

AcidosCarácter químico Neutros

BásicosNaturalezaQuímica Sílice

Sílice-AlúminaComposiciónquímica

MagnesiaEspeciales

Se involucran los siguientes Se involucran los siguientes sistemas de 3 componentes: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 (6 sistemas monocomponentemonocomponente, 15 , 15 binarios y 20 ternarios, no binarios y 20 ternarios, no considera algunas composiciones considera algunas composiciones especiales que involucran TiOespeciales que involucran TiO22, , betabeta--alalúúmina mina NaAlNaAl1111OO1717, , hafniahafniaHfOHfO22, urania UO, urania UO22))

Representación octaédrica de los sistemas ternarios de materiales refractarios

Refractarios Conformados (1)Refractarios Conformados (1)

Refractarios Conformados (2)Refractarios Conformados (2)

Refractarios No Formados (1)Refractarios No Formados (1)

Refractarios No Formados (2)Refractarios No Formados (2)

Algunas Propiedades a Tomar en Algunas Propiedades a Tomar en CuentaCuenta

-- RefractariedadRefractariedad-- Coeficiente de conductividad tCoeficiente de conductividad téérmicarmica-- Conductividad elConductividad elééctricactrica-- Estabilidad dimensionalEstabilidad dimensional-- Capacidad autoportanteCapacidad autoportante-- CorrosiCorrosióónn-- Resistencia a la Resistencia a la abrasiabrasióónn……

Temperaturas MTemperaturas Mááximas de Servicioximas de Servicio

Temperaturas MTemperaturas Mááximas de Servicio para Refractarios Comercialesximas de Servicio para Refractarios Comerciales

Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Téérmicos rmicos ––Refractarios MonofRefractarios Monofáásicos (1)sicos (1)

Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Téérmicos rmicos Refractarios MonofRefractarios Monofáásicos (2)sicos (2)

Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Téérmicos rmicos Refractarios Refractarios MultifMultifáásicossicos

Resistencia a Esfuerzos TResistencia a Esfuerzos TéérmicosrmicosRefractarios Varios (1)Refractarios Varios (1)

Resistencia a Esfuerzos TResistencia a Esfuerzos TéérmicosrmicosRefractarios Varios (2)Refractarios Varios (2)

Temperaturas LTemperaturas Líímite: Corrosimite: Corrosióón n AtmosfAtmosféérica/Alteracirica/Alteracióónn

Temperaturas LTemperaturas Líímite: Corrosimite: Corrosióón por n por LLííquidos Calientesquidos Calientes

Propiedades de DisePropiedades de Diseññoo

-- Coeficiente de ExpansiCoeficiente de Expansióón Linealn Lineal-- Capacidad Capacidad CalCalóóricarica-- Conductividad TConductividad Téérmicarmica-- Resistividad ElResistividad Elééctricactrica-- Propiedades MecPropiedades Mecáánicasnicas

Coeficiente de Coeficiente de ExpansiExpansióón Linealn Lineal

Coeficiente de ExpansiCoeficiente de Expansióón Linealn Lineal

Es usual reportar datos del CTE desde Es usual reportar datos del CTE desde temperatura ambiente hasta 1000temperatura ambiente hasta 1000ººCC

Capacidad CalorCapacidad Caloríífica fica MolalMolal de de OxidosOxidosSimplesSimples

Capacidad CalorCapacidad Caloríífica fica MolalMolal de de OxidosOxidosTernariosTernarios

Capacidad CalorCapacidad Caloríífica fica MolalMolal de Node No--OxidosOxidos

Conductividad Conductividad TTéérmica para rmica para

Sustancias DensasSustancias Densas

Conductividad Conductividad TTéérmica de rmica de

OxidosOxidos DensosDensos

Conductividad Conductividad TTéérmica de rmica de NoNo--OxidosOxidos

DensosDensos

Conductividad Conductividad TTéérmica de rmica de

Ladrillos Ladrillos BBáásicossicos

Conductividad Conductividad TTéérmica de rmica de Ladrillos con Ladrillos con

AlAlúúminamina

Resistividad Resistividad ElElééctrica de ctrica de Materiales Materiales AislantesAislantes

Propiedades MecPropiedades Mecáánicas de nicas de Refractarios Densos MonofRefractarios Densos Monofáásicossicos

Esfuerzo de FlexiEsfuerzo de Flexióón y Deformacin y Deformacióón n vs. Temperaturavs. Temperatura

MMóódulo a la Falla a dulo a la Falla a TambienteTambientevs. Porosidad para Ladrillosvs. Porosidad para Ladrillos

Resistencia a la CompresiResistencia a la Compresióón a n a TambienteTambiente

vs. Porosidad para Ladrillosvs. Porosidad para Ladrillos

MMóódulo a la dulo a la Falla vs. Falla vs.

Temperatura Temperatura para Ladrillospara Ladrillos

MMóódulo de dulo de YoungYoung vs. Temperatura vs. Temperatura (a) Ladrillos, (b) Monol(a) Ladrillos, (b) Monolííticosticos

Manufactura de RefractariosManufactura de Refractarios

Diagrama de Flujo (1)Diagrama de Flujo (1)

Diagrama de Flujo (2)Diagrama de Flujo (2)

Materias Primas (1)Materias Primas (1)

AlAlúúminasminasMagnesiaMagnesiaMullitaMullitaCarburo de SilicioCarburo de SilicioCementosCementosEspinelasEspinelas

CuarzoCuarzoSilicatosSilicatosBauxitasBauxitasMagnesitaMagnesitaDolomitaDolomitaCromitaCromitaZirconZirconTalcoTalco

SintSintééticasticasNaturalesNaturales

-- Materias Primas PlMaterias Primas Pláásticassticas-- Materias Primas Materias Primas RefractariasRefractarias

-- Materias Primas Materias Primas DesengrasantesDesengrasantes o Inerteso Inertes

-- Materias Primas FundentesMaterias Primas Fundentes

CerCeráámica Tradicionalmica Tradicional

Materias PrimasMaterias Primas

1. Minerales No Arcillosos1. Minerales No Arcillososa) No silicatosa) No silicatosb) Sb) Síílices anhidros y silicatoslices anhidros y silicatos

2. Arcillas y minerales similares2. Arcillas y minerales similares

SSíílicelice

CuarcitasCuarcitasGravaGravaArenaArenaGanisterGanister

CuarzoCuarzoCalcedoniaCalcedoniaAgataAgataPedernalPedernalCristobalitaCristobalita

OpalosOpalosDiatomeaDiatomeaVidrio de Vidrio de ssííliceliceSSíílice lice volvoláátiltil

RocasRocasMineralesMinerales

AmorfaAmorfaCristalinaCristalina

6565--878733--101011--3.53.5

0.50.5--1.51.50.50.5--3.53.5

9494--979711--33

0.10.1--0.50.50.10.1--0.20.20.10.1--0.30.3

>97>970.10.1--2.02.00.10.1--2.02.00.10.1--0.50.50.10.1--0.50.5

SiOSiO22

AlAl22OO33

FeFe22OO33

CaOCaOMgOMgO

DiatomeaDiatomeaArenaArenaCuarcitasCuarcitas

Minerales No ArcillososMinerales No Arcillosos

Minerales ArcillososMinerales Arcillosos

Arcillas y Caolines (1)Arcillas y Caolines (1)-- Caolines: Color Blanco y cocciCaolines: Color Blanco y coccióón blanca, taman blanca, tamañño pequeo pequeñño: 0.5 o: 0.5

–– 2 2 umum, mineral m, mineral máás puro: s puro: caolinitacaolinita-- Arcilla: Generalmente coloreadas y de cocciArcilla: Generalmente coloreadas y de coccióón no blanca. n no blanca.

TamaTamañño fino, acompao fino, acompaññadas de otros minerales y materia adas de otros minerales y materia orgorgáánicanica

De acuerdo al usoDe acuerdo al uso-- Porcelana: caolines, cocciPorcelana: caolines, coccióón blancan blanca-- Loza: caolines y caolines arcillososLoza: caolines y caolines arcillosos-- Refractarios: solo arcillas de cono > 1580Refractarios: solo arcillas de cono > 1580ººCC-- Gres: Se busca vidrio, casi fusiGres: Se busca vidrio, casi fusióón. Exceso de sn. Exceso de síílice. Se lice. Se

agregan feldespatosagregan feldespatos-- MayMayóólicas y terracotas: Arcillas magras. Muchos fundentes. licas y terracotas: Arcillas magras. Muchos fundentes.

Hasta 40% de Hasta 40% de CaCOCaCO33. Cocci. Coccióón 900 n 900 –– 10501050ººCC-- Ladrillos y baldosas: Mucho fundente, especialmente hierro. Ladrillos y baldosas: Mucho fundente, especialmente hierro.

CocciCoccióón: 900 n: 900 –– 10501050ººCC

Arcillas y Caolines (2)Arcillas y Caolines (2)

Alta pureza (Alta pureza (caolinitacaolinita), ), Blancas (bajo Fe), Blancas (bajo Fe), Plasticidad relativaPlasticidad relativa

CaolinesCaolines((KaolinKaolin))

PlPláásticas, Untuosas , sticas, Untuosas , Forman ligaForman liga

Arcillas PlArcillas Pláásticas y Semiplsticas y Semipláásticas sticas ((BallBall clayclay, , bondbond clayclay))

Duras no plDuras no pláásticas, sticas, Fractura concoide, Aptas Fractura concoide, Aptas para para chamotachamota

Arcillas DurasArcillas Duras((FlintFlint clayclay, , FireFire clayclay))

PropiedadesPropiedades

- 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)

Arcillas y Caolines (3)Arcillas y Caolines (3)

KK22O.O.MgOMgO4Al4Al220033..7SiO7SiO22.2H.2H2200

Mica arcillosaMica arcillosaAlcalinoAlcalino

AlAl220033..4SiO4SiO22.H.H2200((Mg,Ca)OMg,Ca)O. . AlAl220033..5SiO5SiO22.4H.4H2200

PirofilitaPirofilitaMontmorillonitaMontmorillonitaMontronitaMontronitaBeidelitaBeidelita

MontmorillonitaMontmorillonita

AlAl220033..2SiO2SiO22.2H.2H2200CaolinitaCaolinitaDiquitaDiquitaMacritaMacrita

CaolCaolíínn

FFóórmularmulaMineralMineralGrupoGrupo

Porcelanas duras, tiernas, china vidriadaCaolines1250- 1460ºC

Gres finos, comunes, clinkersArcillas vitrificables1100-1350ºC

Arcillas impermeables blancasArcillas impermeables coloreadas

Mayólicas finasSanitarias y productos refractariosArcillas refractarias1000- 1550ºC

Tejares y alfares en bruto, barnizadas, estanníferasArcillas fusibles850-1100ºC

Arcillas porosas blancasArcillas porosas coloreadas

Tipos de arcillas por color y porosidad

Propiedades de las ArcillasPropiedades de las Arcillas

La plasticidad estLa plasticidad estáá ligada a la estructura fligada a la estructura fíísicosico--ququíímica:mica:-- DistribuciDistribucióón de taman de tamañño de parto de partíículasculas-- Capacidad de cambio de ionesCapacidad de cambio de iones-- Naturaleza de los iones absorbidos inicialmenteNaturaleza de los iones absorbidos inicialmente-- Naturaleza de los iones en el agua de amasadoNaturaleza de los iones en el agua de amasado-- Contenido de materia orgContenido de materia orgáánicanica

El aumento de plasticidad conduce a:El aumento de plasticidad conduce a:-- Mayor ductilidad de los moldeadosMayor ductilidad de los moldeados-- Mayor retenciMayor retencióón de aguan de agua-- Las Las barbotinasbarbotinas son mson máás viscosass viscosas

Plasticidad: “Material intermedio entre un líquido viscoso y un sólido elástico”

Grano Premanufacturado: Materia Grano Premanufacturado: Materia Prima SecundariaPrima Secundaria

-- ChamotaChamota ((groggrog) es uno de estos productos) es uno de estos productos-- Es una fracciEs una fraccióón reciclada de ladrillos arcillososn reciclada de ladrillos arcillosos-- Se utiliza para:Se utiliza para:

-- Reducir el encogimientoReducir el encogimiento-- Mejorar la resistencia a la corrosiMejorar la resistencia a la corrosióónn-- Mejorar la estabilidad tMejorar la estabilidad téérmicarmica-- Alterar la distribuciAlterar la distribucióón de n de microfisurasmicrofisuras y la porosidad y la porosidad

del refractario finaldel refractario final-- Mejorar la respuesta a los ciclos tMejorar la respuesta a los ciclos téérmicos y al choque rmicos y al choque

ttéérmicormico

Aditivos SAditivos Sóólidoslidos

-- QuQuíímicos matrizmicos matriz-- Finamente subdivididos, Finamente subdivididos, reaccionan o interactreaccionan o interactúúen en con los constituyente con los constituyente principales por motivos principales por motivos de enlacede enlace

-- Alteran la reologAlteran la reologíía de la a de la mezclamezcla

Otros AditivosOtros Aditivos

ClasificaciClasificacióón de Aditivosn de Aditivos⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩

LignosulfonadosPolisacáridos

Alcohol polivinílico (PVA)Liga temporal PVA copolimerizado

Carboxi-metil celulosaMetil celulosaEtil silicatos

Polietileno (líquido)Acido est

Auxiliares de prensado

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

eáricoAceitesCeras

PolietilenglicolTensoactivos

O

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩

⎧⎨⎩

⎧⎪⎨⎪⎩

2

Silicatos de NaPoliacrilato de Na

Defloculantes Esteres orgánicos

Fosfatos

Na-Naftalen sulfonatosReducidores de H

Taninos

Acido cítrico y salesOtros Acido oxálico y sales

Glicerina

PreparaciPreparacióón de Sn de Sóólidoslidos

-- La naturaleza quLa naturaleza quíímica y la distribucimica y la distribucióón del n del tamatamañño de parto de partíícula de cada materia prima cula de cada materia prima constituyente debe estar de acuerdo con el constituyente debe estar de acuerdo con el proceso de manufacturaproceso de manufactura

-- Algunos casos tAlgunos casos tíípicos incluyen:picos incluyen:-- FusiFusióónn-- Granos con reacciGranos con reaccióón previa y sinterizadosn previa y sinterizados-- Morteros y Morteros y FireclaysFireclays

Morteros y Morteros y FireclaysFireclays-- Uno o mUno o máás constituyentes pueden ser calcinados a alta temperatura s constituyentes pueden ser calcinados a alta temperatura

en lugar de someterse a calcinacien lugar de someterse a calcinacióón activan activa

-- Varios constituyentes pueden ser molidos a un tamaVarios constituyentes pueden ser molidos a un tamañño mo máás gruesos grueso

-- Los constituyentes matriz se muelen a un tamaLos constituyentes matriz se muelen a un tamañño reducido y en un o reducido y en un estado questado quíímicamente activomicamente activo

-- Los morteros se formulan de acuerdo con los elementos que van a Los morteros se formulan de acuerdo con los elementos que van a unirunir

-- La calcinaciLa calcinacióón es necesaria no solo para remover el agua intercalada n es necesaria no solo para remover el agua intercalada y colapsar las estructuras cristalinas hidratadas sino tambiy colapsar las estructuras cristalinas hidratadas sino tambiéén para n para evitar la rehidratacievitar la rehidratacióónn

-- Para arcillas y bauxitas esto significa no solo descomponer los Para arcillas y bauxitas esto significa no solo descomponer los hidratos sino tambihidratos sino tambiéén inducir cambios de fase irreversibles n inducir cambios de fase irreversibles ttéérmicamente activadosrmicamente activados

FireclaysFireclaysCaolinitaCaolinita pura y seca:pura y seca:-- La deshidrataciLa deshidratacióón ocurre rn ocurre ráápidamente, pidamente,

ttíípicamente entre 550 y 650picamente entre 550 y 650ººCC

-- El encogimiento de la El encogimiento de la caolinitacaolinita se inicia se inicia conjuntamente con su descomposiciconjuntamente con su descomposicióónn

-- La La caolinitacaolinita luego se transforma en una luego se transforma en una estructura casi amorfa de estructura casi amorfa de ““metameta--caolcaolíínn””

-- Termina en un estado Termina en un estado vitreovitreo anhidro alrededor anhidro alrededor de 950de 950--10001000ººCC

-- Se detecta Se detecta mullitamullita alrededor de 1000alrededor de 1000ººCC, luego , luego aparece aparece cristobalitacristobalita

FireclaysFireclays (2)(2)-- Contienen Contienen AlAl22OO33 y y SiOSiO22 en diferentes relaciones, asen diferentes relaciones, asíí como otras como otras

impurezasimpurezas

-- Su descomposiciSu descomposicióón ocurre a temperaturas bajas y sobre rangos n ocurre a temperaturas bajas y sobre rangos ampliosamplios

-- Se revierten en vidrios a temperaturas bajas, pero eventualmenteSe revierten en vidrios a temperaturas bajas, pero eventualmentedan lugar a dan lugar a mullitamullita y y cristobalitacristobalita

-- La resistencia a rehidrataciLa resistencia a rehidratacióón debern deberíía obtenerse aproximadamente a a obtenerse aproximadamente a los 900los 900ººCC

-- Los vidrios formados a partir de los cristales originales son muLos vidrios formados a partir de los cristales originales son muy y rríígidosgidos

-- Casi imposible obtener todo el encogimiento hasta alcanzar las Casi imposible obtener todo el encogimiento hasta alcanzar las temperaturas de sinterizacitemperaturas de sinterizacióón en fase ln en fase lííquida: 1500 quida: 1500 –– 16001600ººCC

-- CalcinaciCalcinacióón elimina la lubricidad. Es necesario adicionar una arcilla n elimina la lubricidad. Es necesario adicionar una arcilla plpláásticastica

Refractarios No Formados o Refractarios No Formados o MonolMonolííticosticos

-- Refractarios Sin FormaRefractarios Sin Forma-- EspecialidadesEspecialidades-- Refractarios EspecialesRefractarios Especiales-- Refractarios MoldeablesRefractarios Moldeables-- Refractarios Refractarios ColablesColables-- Concretos RefractariosConcretos Refractarios-- Morteros RefractariosMorteros Refractarios

Se estima que el consumo de este tipo de materiales es Se estima que el consumo de este tipo de materiales es del orden del 50del orden del 50--60% del consumo total60% del consumo total

Ventajas ComparativasVentajas Comparativas-- Menor tiempo de manufactura, por formato y cocciMenor tiempo de manufactura, por formato y coccióón. n.

ReducciReduccióón del espacion del espacio

-- Menor costo energMenor costo energéético. Eliminacitico. Eliminacióón de la contaminacin de la contaminacióón n por gasespor gases

-- ConstrucciConstruccióón de formas complicadas y de gran taman de formas complicadas y de gran tamañño o utilizando soportes y anclajesutilizando soportes y anclajes

-- En general son tan durables como los ladrillos, aun en En general son tan durables como los ladrillos, aun en espesores menoresespesores menores

-- FFáácil instalacicil instalacióón. Permite la reparacin. Permite la reparacióón localn local

-- Los refractarios monolLos refractarios monolííticos tienen menor expansiticos tienen menor expansióón n ttéérmicarmica

-- Dado el mDado el méétodo de fabricacitodo de fabricacióón, permiten una mayor n, permiten una mayor flexibilidad de diseflexibilidad de diseñño sego segúún el requerimiento del servicion el requerimiento del servicio

MezcladoMezclado-- Se busca lograr la mayor homogeneidad posibleSe busca lograr la mayor homogeneidad posible

-- Los distintos tipos de mLos distintos tipos de mááquinas mezcladoras estquinas mezcladoras estáán n disediseññadas para usos adas para usos ““casi especcasi especííficosficos””: pl: pláásticos, sticos, ááridos ridos secos, pastas finas, etc.secos, pastas finas, etc.

-- El orden de mezclado debe minimizar las El orden de mezclado debe minimizar las heterogeneidadesheterogeneidades

-- Orden de agregadoOrden de agregado-- Agregar los cortes gruesos (hasta malla 30 aprox.)Agregar los cortes gruesos (hasta malla 30 aprox.)-- Seguir con los extrafinos o fSeguir con los extrafinos o fáácilmente cilmente aglomerablesaglomerables

-- Arcillas micronizadasArcillas micronizadas-- AlAlúúminas menores a 44 minas menores a 44 umum-- Productos orgProductos orgáánicosnicos-- Aditivos que van en poca proporciAditivos que van en poca proporcióónn

-- Agregar el resto (mallas menores que 30 y pulverizados)Agregar el resto (mallas menores que 30 y pulverizados)-- Si es necesario humectar hacerlo con chorro fino durante el Si es necesario humectar hacerlo con chorro fino durante el

mezcladomezclado

Objetivos Objetivos –– Proyecto PIC 209Proyecto PIC 209

Seleccionar materiales que puedan ser empleados en la construcción de incineradores reduciendo costos

-- Seleccionar materiales (propiedades, Seleccionar materiales (propiedades, disponibilidad)disponibilidad)

-- Ensayar los materiales purosEnsayar los materiales puros-- Elaborar y ensayar mezclasElaborar y ensayar mezclas

RecolecciRecoleccióón de Arcillasn de Arcillas

PruebasPruebas

-- SinterizaciSinterizacióónn-- ComposiciComposicióónn-- DensidadDensidad-- PorosidadPorosidad-- DilataciDilatacióón Tn Téérmicarmica-- ConductividadConductividad

CaracterCaracteríísticas Fsticas Fíísicas (1)sicas (1)

En estado puro presenta una coloración grisácea y retiene su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

AEng25. Arcilla Engabao 2

En estado puro presenta una coloración ocre, después de la cocción adquiere una coloración café cobrizo. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

AEng14. Arcilla Engabao 1

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.

ALim-Az3. Arcilla Limón-Azuay

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.

ATos22. Arcilla de la Formación Tosagua 554683, 9744610Fracción < 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.

ATos11. Arcilla de la Formación Tosagua 529897, 9790530Fracción < 0.053mm

Características físicasCodificaciónArcillas/Arenas

CaracterCaracteríísticas Fsticas Fíísicas (2)sicas (2)

En estado puro presenta una coloración negra-plomiza y retiene su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

ACol-Bal12. Arcilla Colimes del Balzar

En estado puro presenta una coloración grisácea y retiene su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

ALoj11. Arcilla Loja

En estado puro presenta una coloración café y después de la cocción adquiere una coloración terracota. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

ALoj-Paj10. Arcilla Loja-Paján

En estado puro presenta una coloración blanca absoluta y retiene su color durante la cocción. Se disgrega con facilidad.

Sil-N9. Sílice Nacional

En estado puro presenta una coloración blanca hueso y retiene su color durante la cocción. Se disgrega con facilidad.

Aren-Quil8. Arena Quilotoa

En estado puro presenta una coloración café, después de la cocción adquiere una coloración cobriza. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

ASoc7. Arcilla Socorro

En estado puro presenta una coloración amarilla intensa, después de la cocción adquiere una coloración café. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.

APaj6. Arcilla Paján

ElaboraciElaboracióón de Probetasn de Probetas

Troqueles rectangulares Troquel circular: Ø = 25 mm, h = 50 mm.

Probetas cilíndricas Probetas prismáticas.

SinterizaciSinterizacióón (1)n (1)

ComposiciComposicióónn

0.721.312.757.8621.2650.82Quilotoa

0.741.332.988.1021.9653.64Colimes de

Balsar

0.761.302.618.0822.0450.83Tosagua 2

0.701.302.617.6821.2550.69Tosagua 1

0.721.332.617.8421.2850.04Loja-Paján20.731.322.968.0221.6152.51Engabao 1

0.530.660.752.497.2015.58Sílice

0.440.630.792.647.0415.27Socorro

0.430.691.153.078.8318.15Paján

0.420.681.253.159.3819.13Engabao 2

0.790.580.782.7010.2623.92Limón-Azuay10.420.671.273.179.5219.36Loja

GRUPOTiO2(wt.%)

CaO(wt.%)

MgO(wt.%)

Fe2O3(wt.%)

Al2O3(wt.%)

SiO2(wt.%)ARCILLA

DensidadDensidad

2.32.32.3Arcilla Loja1.51.51.4Sílice Nacional2.12.12.1Arcilla Paján1.41.41.6Arcilla Engabao 22.11.91.9Arcilla Limón-Azuay

400030002000Presión (psi)Arcillas/Arenas

PorosidadPorosidad

15.80.33000 (psi)

Arcilla Paján

0.20.42000 (psi)

Arcilla Socorro

1.51.74000 (psi)

1.71.63000 (psi)

1.92.22000 (psi)

Sílice Nacional

1.21.63000 (psi)

Arcilla Limón-Azuay

0.30.94000 (psi)

0.20.53000 (psi)

Arcilla Engabao 2

Porosidad Real (%)Porosidad Aparente (%)Arcillas/ Arenas

MezclasMezclas

Constituido por sílice y alúmina. Su característica es ser poco fundente, resiste el calor a altas temperaturas y posee poca

vitrificación.

Ladrillo Refractario

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.

Oxido de Magnesio

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.

Alúmina

Características Físicas y QuímicasMaterial

Conductividad Conductividad –– Mezclas (1)Mezclas (1)

1.533000Limón-Azuay 25%Ladrillo Refractario 75%

2.563000Sílice 55%Alúmina 45%

2.013000Limón-Azuay55%Alúmina 45%

2.863000Loja 55%Alúmina 45%

3.163000Paján 55%Alúmina 45%

3.813000Engabao2 55%Alúmina 45%

4.883000Socorro 55%Alúmina 45%

Coeficiente de Conductividad térmica (W/m K)

Presión (psi)Mezcla

Conductividad Conductividad –– Mezclas (2)Mezclas (2)

4.143000Colimes de Balsar 50% - Ladrillo Refractario 50%

4.253000Colimes de Balsar 75% - Ladrillo Refractario 25%

8.133000Loja-Paján 75% - Ladrillo Refractario 25%

8.263000Loja-Paján 50% - Ladrillo Refractario 50%

4.993000Engabao 2 50% - Ladrillo Refractario 50%

4.043000Engabao 2 75% - Ladrillo Refractario 25%

3.263000Formación Tosagua 1 25%-Ladrillo Refractario 75%

3.013000Formación Tosagua 2 50% Ladrillo Refractario 50%




2.003000Limón-Azuay 75% Ladrillo Refractario 25%

1.863000Limón-Azuay 50% Ladrillo Refractario 50%

Ceramicos y refractarios (1)

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