Ceramicos y Refractarios

CERCERMICOS Y REFRACTARIOSMICOS Y REFRACTARIOS

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

Departamento de MaterialesDepartamento de MaterialesEscuela PolitEscuela Politcnica Nacionalcnica Nacional

Materials in Materials in DesignDesign Design = 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

MaterialsMaterials 40000 40000 toto 80000 80000 differentdifferent

onesones 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 ChoiceChoice TheThe numbernumber ofof materials materials toto be be consideredconsidered

dependsdepends 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 ChoiceChoice YouYou needneed toto

keepkeep anan openopenmindmind

ChoiceChoice cannotcannot be be made made independentlyindependently

$$$ $$$ isis importantimportant

Materials Materials ChoiceChoice ObjectiveObjective: : developdevelop a a

methodologymethodology thatthat, , ififproperlyproperly appliedapplied, , givesgivesguidanceguidance throughthrough thetheforestforest ofof complexcomplex choiceschoices

ConsiderConsider:: Materials (data) Materials (data) processes processes

(attributes)(attributes) Material Material shapeshape PerformancePerformance costcost AestheticsAesthetics ErgonomicsErgonomics

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

EvolutionEvolution ofof Engineering MaterialsEngineering Materials FromFrom::

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 Materials TheresTheres has has nevernever beenbeen anan era in era in whichwhich thethe

evolutionevolution ofof materials materials waswas fasterfaster andand thethe rangerange ofofpropertiesproperties more more variedvaried

ThisThis isis notnot thethe ageage ofof oneone material; material; itit isis thethe ageage ofofanan inmenseinmense rangerange ofof materialsmaterials

DesignersDesigners whowho leftleft collegecollege 20 20 yearsyears ago can be ago can be forgivenforgiven forfor notnot knowingknowing thatthat havehave ofof themthem existexist

NotNot knowingknowing = = riskrisk toto failurefailure ((disasterdisaster))

A escala atmica: Los tomos en los materiales se mantienen unidos medianteun enlace qumico: inico, covalente, metlico, molecular y

de hidrgeno.

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

1. 1. IntroducciIntroduccinn

Las estructuras cristalina y amorfa

Ejemplos: punto de fusin, mdulo elstico, coeficiente de expansin trmica,ferroelectricidad (BaTiO3), fragilidad.

Propiedades intrnsecas: qumicas, trmicas, elctricas, magnticas y pticas.

Estructura a escalaatmica

ABO3

Monocristales y policristales. Microestructura.

Monocristal: Material constitudo por una nica orientacin del cristal

Policristales: Materiales constitudos por un gran nmero de pequeos cristales o granos, separados entre s por fronteras de grano.

Propiedades del policristal Propiedades de sus cristalitos, moduladas por el estado de agrupacin de ellos

Por qu es ms comn el uso de cermicas y metales policristalinos?

La microestructura: Se refiere a la naturaleza, cantidad y distribucin de las diferentes fases que forman el material

La microestructura cermica: vtrea o cristalina, o cristalina y vtrea.

Ejemplos: la resistencia mecnica, la constante dielctrica y la conductividad elctrica.

Propiedades extrnsecas: mecnicas, reactividad, propiedades finales

Microestructura

2. La cer2. La cermicamica

xidos simples: Al2O3, ZrO2xidos complejos: BaTiO3, Bi4Ti3O12,YBa2Cu3O6+ (01)

No xidos: SiC, B4C; Si3N4, BN; TiB2; MoSi2; LiFxidos-nitruros: sialones : Si6-zAlzN8-zOz

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

Qumicamente, las cermicas son compuestos inorgnicos no metlicos, formados de elementos metlicos y no metlicos, cuyos enlaces son predominantemente

inicos

Estructuras cristalinas en las cermicas

Si el enlace es inico, la estructura est determinada por:

A

C

rr rArC

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

Estable Estable Inestable

Cermicas tipo AXA: metal, X: no metal

Estructura del NaCl

Nmero de coordinacin = 6

Estructura: dos redes FCC interpenetrantes

Ejemplos: NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO

Estructura del CsCl


Estructura: X en los vrtices de un cubo y A en el centro,o al revs.

Ejemplos: CsCl, CsI

Estructura del ZnS (blenda o esfalerita):


Estructura: A en vrtices y centros de caras de un cubo,y X en los sitios tetradricos.

Ejemplos: ZnS, ZnTe, SiC

Cermicas tipo AmXp


Estructura: F en vrtices 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 ocupacin 2:3 de los lugares

Ejemplos: Al2O3, Cr2O3

Estructura del A2X3:

Cermicas tipo AnBmXp

Estructura perovskita, ABX3:

Nmero de coordinacin = 12 (A) y 6 (B)

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

Ejemplos: BaTiO3, PbTiO3

A

BX

Estructura espinela, AB2X4:

Nmero de coordinacin = 4 (A) y 6 (B)

Estructura: Los iones X forman red FCC, los iones Ase ubican en lo sitios teradricos y los B en losoctadricos

Ejemplos: MgAl2O4, FeAl2O4, NiFe2O4, ferritas

oxgeno silicio

Silicatos

El tetraedro SiO4, enlace Si-O covalente

2MO + SiO2 2M2+ + SiO44-

Ejemplo: La arcilla:Mineralgicamente, engloba a un grupo de minerales, filosilicatos (cuarzo, feldespatos, etc.) en su mayor parte, cuyas propiedades fsico-qumicas dependen de su estructura y de su tamao 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 plstica.

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 (slice, cristalino: cuarzo, cristobalita);feldespato (KAlSiO3)

cristobalita

Modificaciones de SiO2

Sistema cristalino

Densidad en g/cm3 Condiciones de formacin

Cuarzo trigonal 2,65 T < 573C

Cuarzo hexagonal 2,53 T > 573C

Tridimita monoclnico 2,27

Tridimita hexagonal 2,26 T > 870C

Cristobalita tetragonal 2,32

Cristobalita cbico 2,20 T > 1470C

Coesita monoclnico 3,01 P > 20kbar

Stishovita tetragonal 4,35 P > 80kbar

Lechatelierita vidrio natural de slice

amorfo 2,20 relmpagos incidentesen arena de puro cuarzo, impactos de meteoritos

palo (SiO2 aq)

amorfo 2,1 - 2,2

El carbono: como diamante

El carbono: como grafito

El carbono: como fullereno C60

Clculo de la densidad terica

Ac

Ac

NVAAn )( +=

n = nmero de unidades frmula en la celda unidadAc = suma de pesos atmicos de todos los cationes en la frmulaAA = suma de pesos atmicos de todos los aniones en la frmula

Vc = volumen de la celda unidadNA = nmero de Avogadro, 6,023x1023 molculas por mol

3. Soluciones s3. Soluciones slidaslidasDefectos cristalogrficos

Defectos puntuales: Vacantes, Shottky y Frenkel

La estequiometra en la cermica?

Soluciones slidasSoluciones sustitucionales

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

Ejemplo: PbZr1-XTiXO3 (PZT)

Defectos lineales: Dislocaciones

Deslizamiento puro a nivel atmico

Caracterizacin de Muestras Slidas

Composicinelemental de volumen

Propiedades estructurales Fenmenos de superficie

Etapas en disolucin Anlisis directo en slido

Absorcin atmica

Espectrometra ICP

Espectr. masas ICP

Microprueba electrnica

Micros. Electrn. Barrido

Electrmetro de carbn

Espectrom. Infrarrojos

Espectrometra UV-VIS

Difraccin de rayos X

Mic. Elect. Transmisin

MET, emisin de campo

Dinmica SIMS

Esttica SIMS

Mic. Electrn. Barrido

XPS / SAM

rea superficial y porosimetra

Micr. Fuerza Atmica

4. M4. Mtodos de caracterizacitodos de caracterizacinn

Difraccin de rayos X

n = 2d sen

Ley de Bragg

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

Clasificacin de los materiales cermicos en base a su aplicacin

Vidrios Refractarios Abrasivos Cementos Cermicas avanzadasProductos - arcilla

VidriosVitrocermica

EstructurasPorcelanas

Artstica

ArcillaSlice

Bsicos (MgO) Especiales (almina,

circonia, mullita, BeO)

RefractariasElectrocermica

Resistentes a desgaste

CementoYesoCaliza

Qu propiedades generales caracterizan a la cermica?

La mayor parte de la cermica es:

Dura, resistente al desgaste, frgil, refractaria, aislante trmico, resistente a la oxidacin, propensa al choque trmico y qumicamente inerte.

Su comportamiento elctrico y magntico cubre un amplio rango:Existen cermicas aislantes, semiconductoras y superconductoras.

LLA CERA CERMICA AVANZADAMICA AVANZADA

Aplicaciones en:Electrnica

pticaComunicacin

MedicinaControl MedioambientalIndustria Aeroespacial

Aplicaciones Electromagnticas

Bujas

Aisladores AV

Sensores

Transductores

Osciladores

SustratosCondensadores Termistores PTC, NTC, CTR

Varistores

Almacenamiento magnticoActuadores

Micromotores

Celdas solares

Pilas de combustible

Aislantes Semiconductores

Superconductores

FerritasPiezoelctricos

Conductores inicos Botellas magnticas

Levitacin magntica

Cabezas magnticas

Cerraduras

Aplicaciones pticas y en Comunicacin

Cermica Traslcida

Fibra pticaRedes de fibras ptica

Lmpara de vapor de sodio de alta presin

Moduladores de luzVlvulas pticas

Memorias pticas

Trasmisin y deteccin infrarroja

Tubos de iluminacinLEDs

Aplicaciones Medioambientales y Qumicas

Capturadores de desechos txicos

Catalizadores en automviles

Membranas

Sensores de gas, humedad

Filtros

Contenedores

Proteccin nuclear

Procesos fotoqumicos Transportadores de enzima

Cermica celular

Electrodos

Cermica porosa

Aplicaciones Mdicas

Biocermica

Piezocermica

Ecosonografia ultrasnica

Tomografa Computarizada de RX

Detectores de RX

Implantes: dientes, huesos,articulaciones

Aplicaciones Mecnicas y Trmicas

Partes resistentes al desgaste

Azulejo cermico aeroespacial

Radiadores infrarrojos

Herramientas de corte

Recubrimientos cermicos

Cermica refractaria

Hojas de turbina

5a. Comparacin de propiedades entre metales, polmeros y cermicos

Metales Cermicas Polmeros

0

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1Co

e

f

.

P

o

i

s

s

o

n

Coeficiente de Poisson

Pb

AgCuAl

Fe, acero, WVidrio mineral

Al2O3, WCMgO

Diamante

Si amorfo

Caucho nat.

PE

PMMAPS, PA 6-6

V = 0

V > 0

Lmite de elasticidad / mdulo elstico


10-5

1

10-1

10-2

10-3

10-4

R

e

/

E

10-6

Fibras

Aleaciones TiAceros

Aleaciones AlAleaciones Cu

Metales puros

Metales ultrapuros

DiamanteSiC

Al2O3, Si3N4MgO

Concreto, cemento

PE, EP, PAPMMA

Lmite de elasticidad


1

105

104

103

102

10

R

e

(

M

P

a

)

10-1

Fibras Fe

AceroAleaciones Ti

Aleaciones Al, Cu

Metales puros

Metales ultrapuros

DiamanteSiC

Si3N4Al2O3VidrioMgO

Cemento

PMMAPAEPPSPE

Polmeros expansivos

Comparacin esfuerzo deformacin en traccin de varios materiales


0,5

200

50

20

5

1T en

a

c

i

d

a

d

(

M

N

-

3

/

2

)

Tenacidad

0,2

100

10

2

Metales purosAcero

Aleaciones Al

BeOAl2O3 + ZrO

Si3N4Al2O3

SiC, MgO

Vidrio

Cemento

PSPP-Nylon

PMMAPE

Epoxi

Metales Cermicas Polmeros1011

(

-

1

m

-

1

)

Conductividad elctrica

108

105

102

10-1

10-4

10-7

10-10

10-13

10-16

C

o

n

d

u

c

t

o

r

e

s

S

e

m

i

c

o

n

d

u

c

.

A

i

s

l

a

n

t

e

s

Cu,Ag,AlFeHgSn TiCGrafito

SiC

Ge puro,SiC puro

GaAs

Al2 O3Vidrio mineral

DiamanteSiO2

Poliacetileno(puro)

PMMAPE, PSPTFE


10-1

104

103

102

10

1

(

W

m

-

1

K

-

1

)

Conductividad trmica

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

estest constituido de materias y productos no metconstituido de materias y productos no metlicos licos (sin excluir alg(sin excluir algn constituyente metn constituyente metlico) donde la lico) donde la resistencia resistencia piroscpiroscpicapica es equivalente a 1500es equivalente a 1500CC como como mmnimonimo

-- DefiniciDefinicin tecnoln tecnolgicagicaTodo 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 estinmerso, durante un periodo econinmerso, durante un periodo econmicamente rentable, micamente rentable, sin deterioro excesivo de sus propiedades fsin deterioro excesivo de sus propiedades fsicosico--ququmicasmicas

Refractarios Refractarios -- IntroducciIntroduccinn

-- 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-- ProducciProduccin de cern de cermicos incluyendo vidrios y micos incluyendo vidrios y

cementoscementos-- Materiales electrMateriales electrnicosnicos-- CombustiblesCombustibles-- Productos quProductos qumicos orgmicos orgnicos e inorgnicos e inorgnicos, etc.nicos, etc.

Los refractarios hacen posible nuestra productividad

Funcionalidad e IntegridadFuncionalidad e IntegridadFUNCIONALIDADFUNCIONALIDAD

-- PermeabilidadPermeabilidad-- Conductividad tConductividad trmicarmica-- Capacidad tCapacidad trmicarmica-- Conductividad elConductividad elctricactrica-- CostoCosto

INTEGRIDADINTEGRIDAD-- FusiFusin y Vaporizacin y Vaporizacinn-- Estabilidad dimensional Estabilidad dimensional

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

de resistenciade resistencia-- Propiedades elPropiedades elsticassticas-- ExpansiExpansin tn trmicarmica-- Resistencia a la Resistencia a la

corrosicorrosinn-- Resistencia a la erosiResistencia a la erosinn-- Resistencia a la Resistencia a la

abrasiabrasinn

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

dimensiones y configuraciones

Refractarios como MaterialesRefractarios como Materiales

-- Constituyen una categorConstituyen una categora de cera de cermicos tmicos tcnicoscnicos-- Casi todos son complejas combinaciones de Casi todos son complejas combinaciones de xidos xidos

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

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

Reto de CalidadReto de Calidad

-- Existe una variaciExiste una variacin inevitable en:n inevitable en:-- ComposiciComposicin de las materias primasn de las materias primas-- TamaTamaos y distribucios y distribucin de taman de tamaosos-- ComposiciComposicin y n y microestructuramicroestructura de la fase de la fase

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

particuladoparticulado

Productos RefractariosProductos RefractariosCLASIFICACICLASIFICACINN-- 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 clasificacin tiene como ejes la n tiene como ejes la estandarizaciestandarizacin y la aplicacin y la aplicacinn

-- Muchos productos se desarrollan para aplicaciones Muchos productos se desarrollan para aplicaciones especespecficas en conjunto con sus mficas en conjunto con sus mtodos de aplicacitodos de aplicacinn

-- 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

ClasificaciClasificacinn

DensosFinalidad

AislantesConformados

Presentacin SinformaFibras

AcidosCarcter qumico Neutros

BsicosNaturalezaQumica Slice

Slice-AlminaComposicinqumica

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--alalmina mina NaAlNaAl1111OO1717, , hafniahafniaHfOHfO22, urania UO, urania UO22))

Representacin octadrica 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 trmicarmica-- Conductividad elConductividad elctricactrica-- Estabilidad dimensionalEstabilidad dimensional-- Capacidad autoportanteCapacidad autoportante-- CorrosiCorrosinn-- Resistencia a la Resistencia a la abrasiabrasinn

Temperaturas MTemperaturas Mximas de Servicioximas de Servicio

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

Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Trmicos rmicos Refractarios MonofRefractarios Monofsicos (1)sicos (1)

Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Trmicos rmicos Refractarios MonofRefractarios Monofsicos (2)sicos (2)

Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Trmicos rmicos Refractarios Refractarios MultifMultifsicossicos

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

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

Temperaturas LTemperaturas Lmite: Corrosimite: Corrosin n AtmosfAtmosfrica/Alteracirica/Alteracinn

Temperaturas LTemperaturas Lmite: Corrosimite: Corrosin por n por LLquidos Calientesquidos Calientes

Propiedades de DisePropiedades de Diseoo

-- Coeficiente de ExpansiCoeficiente de Expansin Linealn Lineal-- Capacidad Capacidad CalCalricarica-- Conductividad TConductividad Trmicarmica-- Resistividad ElResistividad Elctricactrica-- Propiedades MecPropiedades Mecnicasnicas

Coeficiente de Coeficiente de ExpansiExpansin Linealn Lineal

Coeficiente de ExpansiCoeficiente de Expansin Linealn Lineal

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

Capacidad CalorCapacidad Calorfica fica MolalMolal de de OxidosOxidosSimplesSimples

Capacidad CalorCapacidad Calorfica fica MolalMolal de de OxidosOxidosTernariosTernarios

Capacidad CalorCapacidad Calorfica fica MolalMolal de Node No--OxidosOxidos

Conductividad Conductividad TTrmica para rmica para

Sustancias DensasSustancias Densas

Conductividad Conductividad TTrmica de rmica de

OxidosOxidos DensosDensos

Conductividad Conductividad TTrmica de rmica de NoNo--OxidosOxidos

DensosDensos

Conductividad Conductividad TTrmica de rmica de

Ladrillos Ladrillos BBsicossicos

Conductividad Conductividad TTrmica de rmica de Ladrillos con Ladrillos con

AlAlminamina

Resistividad Resistividad ElElctrica de ctrica de Materiales Materiales AislantesAislantes

Propiedades MecPropiedades Mecnicas de nicas de Refractarios Densos MonofRefractarios Densos Monofsicossicos

Esfuerzo de FlexiEsfuerzo de Flexin y Deformacin y Deformacin n vs. Temperaturavs. Temperatura

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

Resistencia a la CompresiResistencia a la Compresin a n a TambienteTambiente

vs. Porosidad para Ladrillosvs. Porosidad para Ladrillos

MMdulo a la dulo a la Falla vs. Falla vs.

Temperatura Temperatura para Ladrillospara Ladrillos

MMdulo de dulo de YoungYoung vs. Temperatura vs. Temperatura (a) Ladrillos, (b) Monol(a) Ladrillos, (b) Monolticosticos

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)

AlAlminasminasMagnesiaMagnesiaMullitaMullitaCarburo de SilicioCarburo de SilicioCementosCementosEspinelasEspinelas

CuarzoCuarzoSilicatosSilicatosBauxitasBauxitasMagnesitaMagnesitaDolomitaDolomitaCromitaCromitaZirconZirconTalcoTalco

SintSintticasticasNaturalesNaturales

-- Materias Primas PlMaterias Primas Plsticassticas-- Materias Primas Materias Primas RefractariasRefractarias

-- Materias Primas Materias Primas DesengrasantesDesengrasantes o Inerteso Inertes

-- Materias Primas FundentesMaterias Primas Fundentes

CerCermica Tradicionalmica Tradicional

Materias PrimasMaterias Primas

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

2. Arcillas y minerales similares2. Arcillas y minerales similares

SSlicelice

CuarcitasCuarcitasGravaGravaArenaArenaGanisterGanister

CuarzoCuarzoCalcedoniaCalcedoniaAgataAgataPedernalPedernalCristobalitaCristobalita

OpalosOpalosDiatomeaDiatomeaVidrio de Vidrio de ssliceliceSSlice lice volvoltiltil

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

SiOSiO22AlAl22OO33FeFe22OO33CaOCaOMgOMgO

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 coccin blanca, taman blanca, tamao pequeo pequeo: 0.5 o: 0.5

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

TamaTamao fino, acompao fino, acompaadas de otros minerales y materia adas de otros minerales y materia orgorgnicanica

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

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

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

CocciCoccin: 900 n: 900 10501050CC

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

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

CaolinesCaolines((KaolinKaolin))

PlPlsticas, Untuosas , sticas, Untuosas , Forman ligaForman liga

Arcillas PlArcillas Plsticas y Semiplsticas y Semiplsticas sticas ((BallBall clayclay, , bondbond clayclay))

Duras no plDuras no plsticas, 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 (1743C)

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

CaolCaolnn

FFrmularmulaMineralMineralGrupoGrupo

Porcelanas duras, tiernas, china vidriadaCaolines1250- 1460C

Gres finos, comunes, clinkersArcillas vitrificables1100-1350C

Arcillas impermeables blancasArcillas impermeables coloreadas

Maylicas finasSanitarias y productos refractariosArcillas refractarias1000- 1550C

Tejares y alfares en bruto, barnizadas, estannferasArcillas fusibles850-1100C

Arcillas porosas blancasArcillas porosas coloreadas

Tipos de arcillas por color y porosidad

Propiedades de las ArcillasPropiedades de las Arcillas

La plasticidad estLa plasticidad est ligada a la estructura fligada a la estructura fsicosico--ququmica:mica:-- DistribuciDistribucin de taman de tamao de parto de partculasculas-- 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 orgnicanica

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

Plasticidad: Material intermedio entre un lquido viscoso y un slido elstico

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 fraccin 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 corrosinn-- Mejorar la estabilidad tMejorar la estabilidad trmicarmica-- Alterar la distribuciAlterar la distribucin 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 trmicos y al choque rmicos y al choque

ttrmicormico

Aditivos SAditivos Slidoslidos

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

-- Alteran la reologAlteran la reologa de la a de la mezclamezcla

Otros AditivosOtros Aditivos

ClasificaciClasificacin de Aditivosn de Aditivos

LignosulfonadosPolisacridos

Alcohol polivinlico (PVA)Liga temporal PVA copolimerizado

Carboxi-metil celulosaMetil celulosaEtil silicatos

Polietileno (lquido)Acido est

Auxiliares de prensado

ericoAceitesCeras

PolietilenglicolTensoactivos

O

2

Silicatos de NaPoliacrilato de Na

Defloculantes Esteres orgnicos

Fosfatos

Na-Naftalen sulfonatosReducidores de H

Taninos

Acido ctrico y salesOtros Acido oxlico y sales

Glicerina

PreparaciPreparacin de Sn de Slidoslidos

-- La naturaleza quLa naturaleza qumica y la distribucimica y la distribucin del n del tamatamao de parto de partcula 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 tpicos incluyen:picos incluyen:-- FusiFusinn-- Granos con reacciGranos con reaccin previa y sinterizadosn previa y sinterizados-- Morteros y Morteros y FireclaysFireclays

Morteros y Morteros y FireclaysFireclays-- Uno o mUno o ms 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 calcinacin activan activa

-- Varios constituyentes pueden ser molidos a un tamaVarios constituyentes pueden ser molidos a un tamao mo ms gruesos grueso

-- Los constituyentes matriz se muelen a un tamaLos constituyentes matriz se muelen a un tamao reducido y en un o reducido y en un estado questado qumicamente 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 calcinacin 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 tambin para n para evitar la rehidratacievitar la rehidratacinn

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

FireclaysFireclaysCaolinitaCaolinita pura y seca:pura y seca:-- La deshidrataciLa deshidratacin ocurre rn ocurre rpidamente, pidamente,

ttpicamente entre 550 y 650picamente entre 550 y 650CC

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

-- La La caolinitacaolinita luego se transforma en una luego se transforma en una estructura casi amorfa de estructura casi amorfa de metameta--caolcaolnn

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

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

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

impurezasimpurezas

-- Su descomposiciSu descomposicin 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 rehidratacin debern debera obtenerse aproximadamente a a obtenerse aproximadamente a los 900los 900CC

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

-- Casi imposible obtener todo el encogimiento hasta alcanzar las Casi imposible obtener todo el encogimiento hasta alcanzar las temperaturas de sinterizacitemperaturas de sinterizacin en fase ln en fase lquida: 1500 quida: 1500 16001600CC

-- CalcinaciCalcinacin elimina la lubricidad. Es necesario adicionar una arcilla n elimina la lubricidad. Es necesario adicionar una arcilla plplsticastica

Refractarios No Formados o Refractarios No Formados o MonolMonolticosticos

-- 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 coccin. n.

ReducciReduccin del espacion del espacio

-- Menor costo energMenor costo energtico. Eliminacitico. Eliminacin de la contaminacin de la contaminacin n por gasespor gases

-- ConstrucciConstruccin de formas complicadas y de gran taman de formas complicadas y de gran tamao 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

-- FFcil instalacicil instalacin. Permite la reparacin. Permite la reparacin localn local

-- Los refractarios monolLos refractarios monolticos tienen menor expansiticos tienen menor expansin n ttrmicarmica

-- Dado el mDado el mtodo de fabricacitodo de fabricacin, permiten una mayor n, permiten una mayor flexibilidad de diseflexibilidad de diseo sego segn 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 mquinas mezcladoras estquinas mezcladoras estn n disediseadas para usos adas para usos casi especcasi especficosficos: pl: plsticos, sticos, ridos 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 fcilmente cilmente aglomerablesaglomerables

-- Arcillas micronizadasArcillas micronizadas-- AlAlminas menores a 44 minas menores a 44 umum-- Productos orgProductos orgnicosnicos-- Aditivos que van en poca proporciAditivos que van en poca proporcinn

-- 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 construccin 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

RecolecciRecoleccin de Arcillasn de Arcillas

PruebasPruebas

-- SinterizaciSinterizacinn-- ComposiciComposicinn-- DensidadDensidad-- PorosidadPorosidad-- DilataciDilatacin Tn Trmicarmica-- ConductividadConductividad

CaracterCaractersticas Fsticas Fsicas (1)sicas (1)

En estado puro presenta una coloracin griscea y retiene su color durante la coccin. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

AEng25. Arcilla Engabao 2

En estado puro presenta una coloracin ocre, despus de la coccin adquiere una coloracin caf cobrizo. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

AEng14. Arcilla Engabao 1

En estado puro presenta una coloracin blanco hueso, despus de la coccin adquiere una coloracin amarilla de baja intensidad. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

ALim-Az3. Arcilla Limn-Azuay

En estado puro presenta una coloracin amarilla ms intensa que la anterior, despus de la coccin adquiere una coloracin caf oscura. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.

ATos22. Arcilla de la Formacin Tosagua 554683, 9744610Fraccin < 0.053mm

En estado puro presenta una coloracin amarilla terrosa, despus de la coccin adquiere una coloracin caf. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.

ATos11. Arcilla de la Formacin Tosagua 529897, 9790530Fraccin < 0.053mm

Caractersticas fsicasCodificacinArcillas/Arenas

CaracterCaractersticas Fsticas Fsicas (2)sicas (2)

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

ACol-Bal12. Arcilla Colimes del Balzar

En estado puro presenta una coloracin griscea y retiene su color durante la coccin. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

ALoj11. Arcilla Loja

En estado puro presenta una coloracin caf y despus de la coccin adquiere una coloracin terracota. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

ALoj-Paj10. Arcilla Loja-Pajn

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

Sil-N9. Slice Nacional

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

Aren-Quil8. Arena Quilotoa

En estado puro presenta una coloracin caf, despus de la coccin adquiere una coloracin cobriza. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

ASoc7. Arcilla Socorro

En estado puro presenta una coloracin amarilla intensa, despus de la coccin adquiere una coloracin caf. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.

APaj6. Arcilla Pajn

ElaboraciElaboracin de Probetasn de Probetas

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

Probetas cilndricas Probetas prismticas.

SinterizaciSinterizacin (1)n (1)

ComposiciComposicinn

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-Pajn20.731.322.968.0221.6152.51Engabao 1

0.530.660.752.497.2015.58Slice

0.440.630.792.647.0415.27Socorro

0.430.691.153.078.8318.15Pajn

0.420.681.253.159.3819.13Engabao 2

0.790.580.782.7010.2623.92Limn-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 Loja1.51.51.4Slice Nacional2.12.12.1Arcilla Pajn1.41.41.6Arcilla Engabao 22.11.91.9Arcilla Limn-Azuay

400030002000Presin (psi)Arcillas/Arenas

PorosidadPorosidad

15.80.33000 (psi)

Arcilla Pajn

0.20.42000 (psi)

Arcilla Socorro

1.51.74000 (psi)

1.71.63000 (psi)

1.92.22000 (psi)

Slice Nacional

1.21.63000 (psi)

Arcilla Limn-Azuay

0.30.94000 (psi)

0.20.53000 (psi)

Arcilla Engabao 2

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

MezclasMezclas

Constituido por slice y almina. Su caracterstica es ser poco fundente, resiste el calor a altas temperaturas y posee poca

vitrificacin.

Ladrillo Refractario

Tiene una temperatura de fusin alta, buena refractariedad y buena resistencia al ataque de los ambientes que a menudo se

encuentran en los procesos de fabricacin de acero..Se le considera como un refractario bsico.

Oxido de Magnesio

Material cermico muy verstil, sus propiedades la hacen especialmente apta para aplicaciones en donde la temperatura

es un factor critico, adems de su relativa facilidad para adaptarse a diversos trabajos y usos. Es un material con buenas propiedades de adsorcin de fluoruros del agua y constituyen

el material adsorbente mas usado.

Almina

Caractersticas Fsicas y QumicasMaterial

Conductividad Conductividad Mezclas (1)Mezclas (1)

1.533000Limn-Azuay 25%Ladrillo Refractario 75%

2.563000Slice 55%Almina 45%

2.013000Limn-Azuay55%Almina 45%

2.863000Loja 55%Almina 45%

3.163000Pajn 55%Almina 45%

3.813000Engabao2 55%Almina 45%

4.883000Socorro 55%Almina 45%

Coeficiente de Conductividad trmica (W/m K)

Presin (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-Pajn 75% - Ladrillo Refractario 25%

8.263000Loja-Pajn 50% - Ladrillo Refractario 50%

4.993000Engabao 2 50% - Ladrillo Refractario 50%

4.043000Engabao 2 75% - Ladrillo Refractario 25%

3.263000Formacin Tosagua 1 25%-Ladrillo Refractario 75%

3.013000Formacin Tosagua 2 50% Ladrillo Refractario 50%




2.003000Limn-Azuay 75% Ladrillo Refractario 25%

1.863000Limn-Azuay 50% Ladrillo Refractario 50%

Ceramicos y Refractarios

Documents

Transcript of Ceramicos y Refractarios