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Cerámicos Refractarios Procesado de Cerámicos Refractarios

Paul Paredes Mary Liendo Jhon Huanca Gabriel Gonzales

2. Índice

Contenido 2. Índice ............................................................................................................................................... 1 3. Introducción .................................................................................................................................... 2 4. Antecedentes .................................................................................................................................. 3 5. Marco Teórico ................................................................................................................................. 5 Bibliografía ........................................................................................................................................ 28

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3. Introducción El enorme conjunto de cerámicos de ingeniería se divide en tres categorías principales: las cerámicas, los vidrios y las cerámicas de vidrio. Las cerámicas que son cristalinas incluyen los silicatos tradicionales y los muchos compuestos de óxidos usados en la tecnología. Los vidrios son sólidos no cristalinos con composición comparable a las de las cerámicas cristalinas. Las cerámicas de vidrio, son otro tipo de cerámicas cristalinas que inicialmente se forman como vidrios y posteriormente se cristalizan de manera cuidadosa y controlada. Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden fases que contienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentes les confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. Son generalmente aislantes. No son tan simples como los metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras cristalinas Las propiedades de los materiales cerámicos también varían mucho debido a diferencias en los enlaces. En general, los materiales cerámicos son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cerámicos se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios más agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces. Debido a estas propiedades los materiales cerámicos son indispensables para muchos de los diseños en ingeniería. En general, los materiales cerámicos usados para aplicaciones en ingeniería pueden clasificarse en dos grupos: materiales cerámicos tradicionales y materiales cerámicos de uso específico en ingeniería. Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice(pedernal) y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica. Las cerámicas ingenieriles, por el contrario, están constituidas, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como oxido de aluminio ( Al2O3), carburo de silicio(SiC), y nitruro de silicio(Si3N4). Ejemplos de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología punta son el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas, y el oxido de aluminio en la base del soporte para los circuitos integrados de los chips en un modulo de conducción térmica. Universidad Católica San Pablo

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4. Antecedentes 30.000 a.c. barro cocido las culturas neolíticas, y que se considera una prueba para la ordenación cronológica, es la cerámica o arcilla modelada. Las pequeñas figuras de arcilla cocida ya se encontraban en el Paleolítico Superior 10.000 a.c. escayola mezcla de yeso con yeso espático, amasado con agua de cola. Desde el punto de vista tradicional la diferencia entre yeso y escayola es su pureza en aljez y diferente granulometría (la escayola es más fina). 3.000 a.c. vidrio

Se emplea la técnica del moldeado. Hacia el año 200 a.C., los egipcios

comenzaron a utilizar la caña de vidriero para soplar el vidrio, práctica que ha permanecido casi inalterable hasta la actualidad. Más adelante, los romanos perfeccionaron la técnica empleando óxidos metálicos como colorantes, e impulsaron su uso para la conservación y almacenaje de determinados productos. En la Edad Media, el vidrio estuvo en manos de unos pocos privilegiados; de hecho, el oficio de vidriero fue el único al que la nobleza podía dedicarse en Francia en aquella época. El vidrio se convirtió en objeto de lujo para la decoración y destacó su uso como envase. 0 loza (chinos) se fabrica a partir de:barro arcilloso (silicato de alúmina) que sirve de aglutinante plástico y sílice cristalina (arena cuarzosa), el desgrasante que dará a la pasta el grado de plasticidad conveniente. los elementos fundentes, que durante la cochura favorecen la formación de un 'cemento vítreo' que consigue la cohesión de los minerales de dicha pasta cerámica. El fundente primordial es el feldespato. 500 (porcelana) los primeros ladrillos de sílice, unidos entre sí con mortero de cal, se emplearon en Persia hacia el año 500 a. de C. en la construcción del palacio de Darío. Dichos ladrillos parece ser que estaban cosidos a unos 1200 ºC y se utilizaron solamente en la construcción. 1000 ojos de vidrio prótesis oculares en Egipto por embalsamadores enuclear los ojos y les ponían máscaras que llevaban ojos artificiales con incrustaciones en piedra de piedras preciosas. Estos ojos artificiales, muchas veces engarzados en metal y utilizados con fines artísticos, eran fabricados a partir de un fragmento de cuarzo opaco blanco (que representaba la (esclerótica) en cuyo centro se colocaba una pieza redonda de cristal de roca a modo de córnea. La pupila era excavada y pintada en el reverso .

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1700 porcelana en Europa El alquimista (químico) alemán Friedrich Böttger en la corte de Dresde, bajo el gobierno de Augusto II, elector de Sajonia y rey de Polonia, consiguió una fórmula cuyo resultado se aproximaba mucho a la cerámica china. Extrajo una tierra fina y grisácea de las minas de Kolditz, el caolín. Utilizó también alabastro calcinado y feldespato. Con esta fórmula consiguió la porcelana pero el secreto de la elaboración no terminó ahí, sino en la manera de llevar a cabo la cocción a una temperatura inusual de 1300 a 1400 grados y durante doce horas seguidas. Fue un éxito rotundo y en 1710 el propio Böttger fundó una fábrica en Meissen 1740 Benjamín Huntsmafl, un fabricante de relojes de Doncaster, no estando satisfecho con la calidad del acero que usaba en la fabricación de los muelles de sus relojes, concibió la idea de fundirlo en crisoles para mejorar su calidad. Lógicamente se encontró con que no había ningún material para hacer los crisoles que aguantase la temperatura necesaria para fundir el acero (1500 -1600 0C). Experimentó con muchos tipos de arcillas y otros materiales refractarios disponibles en la época y, finalmente, encontró que los materiales refractarios fabricados a partir de una mezcla de ciertas arcillas de Derbyshire y Stourbridge junto con cantidades adecuadas de arcilla china y polvo de coque, si aguantaban la temperatura requerida. Los crisoles refractarios que desarrolló tenían forma de barril. 1800 aisladores eléctricos 1842 ladrillos dinas en Inglaterra por W. W. Young fabricante de porcelana, utilizando una roca que se encontraba en el Valle de Neath, al Sur de Gales, y que recibía el nombre de Dinas, de ahí el nombre de ladrillos de Dinas dado durante muchos años a los ladrillos de sílice. 1856 el ingeniero Henry Bessemer descubrió los ladrillos de sílice poseen buena capacidad de carga a elevada temperatura. alta refractariedad y alta temperatura de fusión incipiente, razones por las cuales fueron usados ampliamente en el revestimiento de los convertidores. 1863 los hermanos Siemens descubren hornos de reverbero,al principio fueron revestidos con ladrillos Dinas, pero el revestimiento tenía una duración muy corta. El problema fue eventualmente subsanado reemplazando el revestimiento a base de ladrillos Dinas por ladrillos fabricados con ganister, los cuales resistían mejor las condiciones de alta temperatura del proceso (Siemens utilizaba el calor de los gases de salida para precalentar el aire y el gas de entrada).

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1877 Thomas y Gilchrist utilizaron ladrillos refractarios de dolomía sinterizada ligados con alquitrán para el revestimiento de los convertidores para luego extender la utilización de los refractarios básicos a los hornos de reverbero, instalando en 1884 una solera de dolomía ligada con alquitrán en lugar de la de sílice que era la que se empleaba desde su invención en 1863 por los hermanos Siemens. A este acontecimiento pronto le siguió, en el año 1886, el uso de la magnesita en gran escala en el revestimiento de los hornos de reverbero por la Otis Steel Company de Cleveland (E.E.UIrJ.), cambiando el fondo de su horno de reverbero de sílice a magnesita. 2000- La industria de los materiales refractarios ha experimentado una extraordinaria evolución en los últimos 20 años, como consecuencia de las nuevas y cada vez más exigentes especificaciones impuestas por la industria consumidora. Esto se ha traducido, no solo en un más estricto control de las materias primas y en una mejora en los procesos de fabricación, sino también en el aporte científico de técnicas que, utilizadas tanto en la metalografía como en la físico-química de materiales, han permitido el establecimiento de los diagramas de equilibrio de fases de óxidos potencialmente utilizables como refractarios por su elevado punto de fusión (A12O3, CaO, SiO2, MgO, etc.), lo que ha supuesto un mejor conocimiento de la influencia de las impurezas presentes, a la temperatura y condiciones reales de trabajo de cada tipo de material. Igualmente el avance en los estudios microestructurales han permitido prever, tanto el comportamiento ante el ataque químico o erosión de las escorias y gases presentes como una mejor evaluación de las propiedades termomecánicas requeridas a los revestimientos refractarios.

5. Marco Teórico Cerámica: proviene de origen griego keramiké, “hecho de arcilla”, "cerámico", que designaba al barrio de los alfareros de la antigua Atenas, es el arte de fabricar vasijas y otros objetos de arcilla u otro material cerámico por acción del calor, es decir cocida a una temperatura mayor a los 400 o 500 grados. Material cerámico: Es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen aislante, además una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Asimismo, su módulo de Young (ensayo de tracción) también elevado, además presentan un modo de rotura frágil. (Álvaro Zamora, María Isabel (1981). Léxico de la cerámica y alfarería aragonesas. Zaragoza: Libros Pórtico) Cerámicos porosos: Universidad Católica San Pablo

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No han sufrido vitrificación, es decir, no se llega a fundir el cuarzo como la arena. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo permeables a los gases, líquidos y grasas. ● Arcilla cocida. De color rojizo debido al óxido de hierro de las arcillas que la componen. 700 a 1000 °C. Si recubre con óxido de estaño se denomina loza estannífera. ● Loza italiana. Se fabrica con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. 1050 a 1070 °C. ● Loza inglesa. Fabricada de arcilla arenosa de la que se elimina mediante lavado el óxido de hierro y se le añade sílex La cocción se realiza en dos fases. 1200 y 1300 °C. ● Refractarios. Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior hay unas proporciones grandes de óxido de aluminio, torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1300 y los 1600 °C. El enfriamiento se debe realizar lenta y progresivamente para no producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta 3000 °C. Las aplicaciones más usuales son: 1. “Ladrillos refractarios”, que deben soportar altas temperaturas en el interior de hornos. 2. “Electrocerámicas”: Con las que en la actualidad se están llevando a cabo investigaciones en motores de automóviles, aviones, generadores eléctricos, etc., con vistas a sustituir elementos metálicos por refractarios, con los que se pueden obtener mayores temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicación no muy lejana fue su uso por parte de la NASA para proteger la parte delantera y lateral del Challenger en el aterrizaje.

Materiales cerámicos impermeables y semi-impermeables: Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la arena de cuarzo. De esta manera se obtienen productos impermeables y más duros. Los más destacados:

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● Gres cerámico común.- Se obtiene a partir de arcillas ordinarias, 1300 °C. ● Gres cerámico fino.- Obtenido a partir de arcillas refractarias. ● Porcelana. Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caolín, a la que se le añade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). ● Materiales refractarios.- La norma europea DIN 51060/ISO/R 836, considera resistente al calor aquel material que se reblandece a una temperatura inferior de 1500°C; y refractario, aquel material que se reblandece con un mínimo de temperatura de 1500°C y alta refractariedad para aquel material que se reblandece a una temperatura mínima de 1800°C. Y en general un material refractario es aquel que tiene una aplicación a temperatura por arriba de los 600 °C. Los materiales cerámicos son incandescentes si se le aplican 30W. (Bercero, J. R., Barroso Herrero, S., & Camacho Lopez, A. (2010). Introduccion al conocimiento de los materiales y a sus aplicaciones. UNED) 5.1 Conceptos Importantes: ● El choque térmico: El empleo de las cerámicas a alta temperatura, unido a su inherente fragilidad, da lugar al problema ingenieril conocido como choque térmico y que consiste en la aparición de una fractura (parcial o total) debido a un cambio brusco en la temperatura (calentamiento o enfriamiento). La necesidad de evitar este problema, ha llevado al diseño y fabricación de materiales con baja expansión térmica que como cambian mucho menos su volumen no dan (tan fácilmente) este problema. De hecho, combinando materiales de expansión térmica negativa y materiales poliméricos (expansión térmica positiva y generalmente grande) se han fabricado materiales compuestos con expansión térmica cercano a cero. No se dilata ni se contrae al cambiar la temperatura. Estos materiales estructurales tienen muchas aplicaciones, p. ej. en satélites donde en varias horas (una vuelta al planeta cambia la temperatura de ≈ 200 oC cuando está cara al sol a ≈ - 200 oC cuando está en la parte oscura. El coeficiente de expansión térmica (dilatación), αl , se define como: Δl/lo = αl ΔT. Se suele dar en unidades [(ºC)-1 x 10-6]. Los metales varían entre 4.5 del W y 22 del Al, el hierro tiene 11. Los polímeros tienen mucha mayor expansión térmica: 100-220 PE, 100 PP, 50-85 PS, 100 para el PA6.6. Algunas cerámicas, tienen valores de αl más bajas, incluso 0.5 para SiO2 vítrea. Estos valores son aproximados y pueden cambiar un poco con la temperatura. Un caso sobresaliente es el acero conocido como Invar® compuesto de Fe, 36 % de Ni y 0.2 % de C que tiene αl = 0.2. Universidad Católica San Pablo

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● La conductividad térmica (κ): Las unidades son vatios por unidad de longitud y temperatura, W/mK, y da idea de los aislante o lo conductor del calor que es un material. Hay aplicaciones en las que se requiere una conductividad térmica máxima (p. ej. cambiadores de calor) y otros en la que se requiere que sea mínima (ladrillos refractarios aislantes). La velocidad de transmisión de calor a través de un material viene dada por la expresión: κA(T1-T2)/t, donde κ es la conductividad térmica, A es la superficie del material, (T1-T2) es la diferencia de temperaturas y t es el espesor. Las conductividades pueden variar mucho alta para metales: 430 para Ag, 400 para Cu y 250 para Al, hasta 1.05 para el cemento, 0.35 para el PE, 0.63 para ladrillo de construcción, 0.1 para PS, o 0.12 para los asbestos (silicatos fibrosos buenos aislantes pero algunos son cancerígenos). Fig.1. Conductividad Térmica VS Temperatura

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Fuente: Francisco Armijo, Propiedades Térmicas 5.2 MATERIA PRIMA QUE SE UTILIZA EN CERAMICOS REFRACTARIOS En general las materias primas de que parte el proceso de fabricación de materiales refractarios son de origen natural y proceden directamente de mina. En la fabricación de refractarios especiales, y en el caso de la magnesia, cuyas reservas naturales son actualmente insuficientes, la

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materia prima procede en algunos países (USA entre ellos) de síntesis química (magnesia obtenida a partir del agua de mar y alúmina a partir de la bauxita). Cuando se utilizan, en todo o en parte, materias de origen primario (naturales), es necesario realizar una serie de operaciones previas con el objeto de obtener una materia de calidad adecuada, que nos permita obtener un producto refractario cocido con las propiedades deseadas. Por ello y una vez extraída la materia prima natural de la mina o cantera, se procede a su lavado, con objeto de eliminar materias solubles que puedan actuar como posibles fundentes y que por tanto disminuirán las propiedades refractarias del producto a fabricar. En algunos casos es necesario realizar un proceso de concentración y posterior o paralelamente, una calcinación del producto, con el objeto de eliminar el CO2 de los carbonatos o H2O de los hidratos presentes en la materia prima. Si no se realizará esta operación, dichas sustancias volátiles se evacuarían en el proceso de cocción de las piezas refractarias y provocarían la rotura de las mismas, con las consiguiera es pérdidas económicas. En ese sentido, se tiene la chamota que es el producto resultante de calcinar materiales arcillosos. La preparación abarca tres procesos individuales, a saber: A. Desmenuzamiento de la materia prima, por trituración o molienda B. Fraccionamiento por criba del material triturado o molido (Clasificación). C. Mezcla de fracciones para la formación de masa (Dosificación).

(Galan.E, Aparicio.P (2004).Materias Primas Para La Industria Cerámica. Sevilla, España: Universidad de Sevilla) Tabla 1. Puntos de Fusión De Óxidos De Refracción

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Nombre

Formua Quimica Punto Fusión ( C ) Punto Fusión metal ( C ) OXIDOS SIMPLES Magnesia Mg O 2800 650 Circonia Zr O2 2720 1850 Cal Ca O 2570 840 Alumina Al2 O3 2050 660 Oxido Titanio Ti O2 1840 1660 Silicie Si O2 1713 1410 OXIDOS COMPUESTOS Cromita Cr2 O3, Fe O 2180 Cr ( 1857 ), Fe ( 1550 ) Espinela Mg O, Al2 O3 2135 CromoMagnesia Cr2 O3, Mg O 2000 Forsterita 2MgO, Si O2 1900 Mullita 3Al2 O3, 2Si O2 1845 OTROS COMPUESTOS Grafito C 3525 Circon Zr Si 04 2500 Carburo Si C , Zr C 27,003,540 Boruros Cr B, Zr B Nitruros Si3 N4, B N

Fuente : Criado.E , Cardin. J, Caracterización de grafitos empleados en refractarios. 5.2.1 CHAMOTA ● La chamota es un material granular obtenido de la pulverización de los ladrillos, piedras refractarias, u otro producto cerámico cocido. Tiene un alto porcentaje de sílice y alúmina. También se puede hacer, en altas temperaturas, a partir de arcillas refractarias. Añadiendo chamota en la arcilla mejora la textura, reduce la contracción y evita la formación de grietas durante la cocción. ● Tiene un contenido mínimo de: 40 % de alúmina, un 30 % mínimo de sílice, un 4 % máximo de óxido de hierro (III), un 2 % máximo de óxido de calcio y de óxido de magnesio en total. 1 Su punto de fusión es de unos 1780 °C. Absorbe un máximo del 7 % de agua.

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● Se utiliza en la fabricación de alfarería o cerámica y en escultura, para obtener una textura rústica. Evita defectos como el agrietado y la laminación. Añade resistencia a la cerámica.

Fig.3. Ladrillos refractarios hechos con Chamota

5.2.2 SILICE ● Es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. ● Este compuesto ordenado espacialmente en una red tridimensional (cristalizado) forma el cuarzo y todas sus variedades. ● Es uno de los componentes de la arena.

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Fig.4. Sílice en forma natural

● Por sus características y versatilidad, la arena sílica suele tener las siguientes aplicaciones: - Fabricación de ladrillo refractario - Agregado inerte en pozos de geotermia de altas temperaturas - Fabricación de ferroaleaciones - Fabricación de piezas de fundición - Industria de resinas y vidrio - Morteros para construcción - Material filtrante en plantas de tratamiento y purificación

Fig.5. Ladrillos de Silice

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Fig.6. Propiedades 5.2.3 ALUMINA ● La alúmina es el óxido de aluminio (Al 2 O 3 ). Junto con la sílice , es el componente más importante en la constitución de las arcillas y los esmaltes , confiriéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración. ● La alúmina se utiliza por sus propias cualidades como material cerámico de altas prestacione s en aplicaciones donde se necesite emplear una aislante eléctrico, en condiciones de altas temperaturas o buenas propiedades tribológicas , como en: ● Aislante térmico y eléctrico para la parte superior de las cubas electrolíticas. ● Revestimiento de protección para evitar la oxidación de los ánodos de carbono . ● En el área sanitaria de las prótesis dentales, se utiliza como base de la estructura de coronas y puentes, proporcionando gran dureza y resistencia, con bajo peso y estéticamente da buenos resultados gracias a su color blanco. ● En molinos de bolas empleados para preparar esmaltes u otros materiales cerámicos, como bolas de molienda. ● Como aislante eléctrico en las bujías de los vehículos de gasolina. ● Como abrasivo en muchos procesos industriales de acabado, pulido, mecanizado por ultrasonidos

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Fig.7. Alúmina en estado natural

● Son más refractarios y más resistentes a la acción de fundentes que los ladrillos de arcilla y sus propiedades varían en proporción directa aproximada con el contenido de alúmina. ● Todos tienen una resistencia excepcional a la desintegración, principalmente la ocasionada por cambio brusco de temperatura, y poseen una gran resistencia mecánica y constancia de volumen a temperatura de trabajo. ● Los ladrillos con 60% o más de AL 2 O 3 son muy resistentes a determinadas acciones corrosivas, inclusive la causada por cenizas de carbón, petróleo, madera, bagazo y aún escorias básicas. Son materiales muy confiables en procesos exclusivamente térmicos, pero se requiere de un conocimiento específico para ser empleados en aplicaciones en las que, además se presentan agresiones químicas o mecánicas en la operación.

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Fuente: Johnny Roque

Fig.8. Usos y aplicaciones de refractarios de Alúmina

(Guzman. A. (2001). Sinterización de materiales refractarios base Aluminia – Circona – Cilice. Nuevo León , México : UANL)

5.2.4 MAGNESITA ● La magnesita es un mineral de composición química fundamentalmente carbonato de magnesio con impurezas de Fe , Mn , Ca , Co o Ni , que le dan sus variadas coloraciones.

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● La magnesita es un mineral que tiene una variedad de aplicaciones industriales, que abarcan desde campos tan distintos como la industria siderúrgica , la de la construcción o la fotográfica . ● El empleo de la magnesita como material refractario ha llevado su interés por la extracción en la fabricación de productos resistentes al fuego , como son las baldosas o placas para hornos y en particular ladrillos para revestir los hornos usados en la producción de acero, elementos todos ellos sometidos a temperaturas muy elevadas.

Fig.9. Magnesita en estado natural

● Los ladrillos refractarios básicos más usados en los hornos industriales son los que se fabrican con los minerales magnesita y cromita, o las mezclas de ambos. La clasificación los agrupa en refractarios de magnesita, de magnesita-cromo, de cromo-magnesita y de cromo. ● Se distinguen por su gran densidad, alto punto de fusión y resistencia al ataque de escorias y óxidos básicos; tienen además moderada conductividad, pero alta expansión térmica. Son formados bajo altas presiones y quemados a temperaturas muy elevadas, salvo los químicamente ligados, que son aglutinados con alquitrán, resinas o gomo - resinas y que no son quemados, sino ya instalados en el horno, cuando se les opera.

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Fig.10. Usos y aplicaciones de ladrillos de magnesita Clase Marca Magnesita Repsa Harcon

Tipo

Repsa Nuline Repsa Oxiline KLP Repsa Oxibak II Repsa Repmag B Repsa Magnel Magnesita Cromo Repsa Nucon 80(5) Repsa Magnex 4(5) Repsa Magnex (5) Repsa Nucon 60(5)60 Repsa Nucon 50(5)50 Cromo Magnesita Repsa Chromex BG Repsa CB-20 Repsa Chromex

Cromo

Repsa Chromex S

Usos y Aplicaciones 98 Paredes Superiores de hornos electricos Revestimiento de hornos convertidores, zonas 98 más agresivas de hornos electricos 98 Revestimiento de hornos covertidores L-D Protección de seguridad y hornos 98 comvertidores L-D Paredes inferiores sub-solera y linea de 95 escoria de hornos electricosde aceria Zona de clinquerización de hornos rotatorios 90 de cmento Puntos calientes de hornos electricos de arco, Zona de clinquerización de hornos rotativos de 80 cemento Uso general de hornos siderurgicos , paredes 70 usperiores de hornos electricos de arco 60 Bovedas de reverberos de cobre Paredes superiores y novedas de hornos 60 electricos de arco, convertidores de cobre Paredes y emparrillado de regeneradores de 50 hornos de vidrio Paredes de regeneradores de hornos de vidrio 40 y convetidores de cobre Uso general de ladrillos basicos, hornos 30 metalurgicos de cobre. Fundiciones metales no ferrosas, hornos de 30 recalentamiento Rgneradores de horno de vidrio, Fogon de calderos bagaceros y estructura de calderos recuperadores de calor

5.3 Procesado de los cerámicos refractarios: En los últimos años se han utilizado técnicas de trabajo de la cerámica fina para fabricar productos altamente refractarios, en los que las materias refractarias una vez molidas con la máxima finura y después de una preparación en húmedo, se moldean bien por medio de aglomerado químico,

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extrusión o también por prensado isostático. Los métodos más prácticos son los de la cerámica bruta. Preparación de materia prima: Una vez extraídas de la naturaleza, la materia prima debe de pasar un control de calidad con el objetivo de mantener una calidad adecuada para el producto final refractario. Luego se procede al lavado con el objetivo de eliminar fundentes que disminuyen las propiedades refractarias del producto final. También se le puede hacer calcinación para eliminar el CO2 de los carbonatos o el H20 de los hidratos presentes en la materia prima. La preparación abarca tres procesos individuales, a saber: 1.- Trituración 2.- Clasificación 3.- Dosificación

Fig.11. Trituradora de magnesia sinterizada

Una vez terminado estos procesos se mezclan los componentes junto con un aglomerante y se procede con la homogeneización. El tamaño de los granos varía y da diferentes propiedades al producto final, como ejemplo tomaremos el tamaño base (Gruesos) de las partículas influye sobre la resistencia térmica y mecánica de la pieza y debe ser objeto de estudio en cada caso. En general, Universidad Católica San Pablo

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al crecer el tamaño base es mayor la resistencia piroscópica, pero también lo es la porosidad y menor la resistencia mecánica. La mezcla y amasado de la pasta debe ser muy intensa al objeto de hacerla perfectamente homogénea, ya que de no ser así la contracción o dilatación de la pieza durante la cocción no será uniforme en toda la masa de la misma. En algunos casos, el ligante usado es simplemente agua, ya que esta permite poner en suspensión las partículas, lo que hace que estas se puedan distribuir de una forma homogénea en la masa. En los casos en que no sea posible utilizar agua o junto con ella se pueden adicionar aglomerantes, bien orgánicos o inorgánicos, procurando que los mismos no contaminen, ni afecten a la composición química del material. Los aglomerantes inorgánicos más usuales son: cal, silicato sódico, sulfato de magnesio, ácido fosfórico, fosfato de monoaluminio, cemento refractario, etc. Y entre los orgánicos: alquitrán, almidón, melazas, etc. Durante la cocción, los primeros reaccionan con las partículas cristalinas contribuyendo a formar vidrios de sinterización, mientras que los segundos (orgánicos) se eliminan total o parcialmente por combustión, una vez sinterizados entre sí los granos de la pasta. La cantidad de agua incorporada a la masa, en general, es inferior al 10 %, y tiende a hacerse mínima para conseguir la máxima economía en el secado. Sin embargo, cuando la materia prima son algunas arcillas, el porcentaje puede alcanzar el 30 %. Aditivos: Para facilitar la homogénea distribución de los granos finos en la mezcla, se le añaden aditivos como un ligante o aglomerante, que contribuyen también a dar más cohesión a la mezcla y le confieren una cierta plasticidad que ayuda de forma notable en su posterior conformado. En algunos casos, el ligante usado es simplemente agua, ya que esta permite poner en suspensión a las partículas, lo que conlleva a una mejor distribución y forma homogénea en la masa. En los casos en que no sea posible utilizar agua, se pueden adicionar aglomerantes, los cuales pueden ser orgánicos o inorgánicos, procurando que los mismos no contaminen, ni afecten a la composición química del material.

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Los aglomerantes inorgánicos más usuales son: cal, silicato sódico, sulfato de magnesio, ácido fosfórico, fosfato de monoaluminio, cemento refractario, etc. y entre los orgánicos: alquitrán, almidón, melazas, etc. Conformado: Prensado: Permite disminuir la porosidad, tiene como objetivo compactar la mezcla dentro de un molde rígido aplicando presión en una sola dirección. Las etapas generales en el prensado son: 1.- Llenado de molde 2.- Compactación y conformado de la pieza, 3.- Extracción de la pieza

Fig.12. Prensa hidráulica

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Extrusión: La parte más importante de este proceso es la eliminación del material orgánico antes de la cocción. En el caso de los sistemas arcilla – agua, durante el secado tiene lugar una contracción sustancial, que aumenta el riesgo de aparición de grietas

Fig.13. Método de conformado por extrusión

Fig.14. Distintos tipos de boquillas

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Secado: Solamente las piezas moldeadas completamente secas pueden cocerse sin peligro de agrietamientos. El secado tiene por objeto eliminar el agua libre, no combinada, contenida en la pasta cruda e incorporada durante la preparación de las materias primas. La necesidad e importancia de esta operación, previa a la cocción, está en consonancia con el porcentaje de humedad de la pasta. Es por tanto particularmente relevante en las masas plásticas de arcilla y, por el contrario, es innecesaria en la preparación de masas prensadas en seco o aglomeradas químicamente. El proceso de secado se efectúa normalmente a temperatura ligeramente superior a 100 ºC. Coccion: Los parámetros básicos de la cocción son la temperatura, el tiempo de tratamiento y la velocidad de calentamiento y enfriamiento. Los procesos que se desarrollan durante la cocción son complejos y dependen de cada material en particular. En general, se puede decir que la cocción da lugar a los siguientes efectos: 1.- Transformaciones cristolográficas o cambios de fase en estado sólido, con aparición de especies estables a elevada temperatura que deben mantenerse o hacerse reversibles en lo posible al enfriar el material, y recristalizaciones. 2.- Descomposición térmica de minerales hidratados (hidróxidos, agua de composición, etc), carbonatos, sulfuros, material orgánicas, etc. 3.- Sinterización de los granos cristalinos bien mediante formación de fases vítreas intercristalinas directas o procedentes de la matriz de aglomeración. Las temperaturas de cocción se clasifican en función de los grupos de materias más importantes en la escala siguiente: Ladrillos de chamota: 1250 - 1500 °C Ladrillos de sílice: 1450 - 1500 °C Ladrillos aluminosos: 1500 - 1800 °C Ladrillos de magnesia: 1500 - 1800 °C Universidad Católica San Pablo

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Para conseguir en lo posible un montaje de ladrillos sin que existan separaciones en las juntas, algunos de los productos refractarios se tienen que someter a un proceso de rectificado después de la cocción. Vienen al caso por ejemplo los ladrillos para crisoles de fusión de vidrio, ladrillos de magnesia para mezcladores y otros similares. El tiempo global de fabricación para ladrillos refractarios cocidos que en función del formato y tipo de cocción dura entre 10 días y 15 semanas, no es idéntico en lo relacionado al plazo de entrega, ya que esta circunstancia depende como se sobreentiende de la existencia de pedidos de la fábrica suministradora.

Fig.15. Proceso de fabricación de ladrillos refractarios

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Fabricación de ladrillos refractarios producto del reciclado de ladrillos, piedras refractarias u otro producto cerámico cocido: 1) Almacenado de materia prima

13) Ventilador

2) Triturador de arcilla

14) Pesaje

3) Molino de arcilla

15) Silo de carga

4) Torre de secado

16) Dosificador de liquidos

5) Silo

17) Mezclador

6) Disolución de líquidos

18) Prensa de friccion

7) Triturador Basto

19) Prensa hidraulica

8) Triturador fino

20) Apisonador

9) Transportador

21) Vagoneta de cocción

10) Criba

22) Secador de tunel

11) Silo de carga

23) Horno tunel

12) Molino de bolas

24) Almacén

(Galan.E, Aparicio.P (2004).Materias Primas Para La Industria Cerámica. Sevilla, España: Universidad de Sevilla) Universidad Católica San Pablo

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Fig.16. Proceso de fabricación de ladrillos refractarios

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Proceso de fabricación de ladrillos refractarios:

1) Materia prima

8) Hornos

2) Molienda

9) Temperizado

3) Mezcladores

10) Impregnacion

4) Aglomerantes

11) Clasificación

5) Morteros

12) Trabajos adicionales

6) Prensas

13) Etiquetado

7) Secaderos

14) Expedicion

(De Aza. A, Pena. P, Caballero. A & De Aza. S. (2011). Los diagramas de equilibrio de fases como una herramienta para el diseño y comprensión del comportamiento en servicio de los materiales refractarios. Madrid, España: ICV)

5.4 Definición y constitución de los materiales refractarios Según la Real Academia de la Lengua se define material refractario como aquel cuerpo que resiste la acción del fuego sin cambiar de estado ni descomponerse. Por tanto, se considera como material refractario a todo aquel compuesto o elemento que es capaz de conservar sus propiedades físicas, químicas y mecánicas a elevada temperatura. La norma española UNE (150 R836-68) define a los materiales refractarios como a aquellos productos naturales o artificiales cuya refractariedad (Resistencia piroscópica) es igual o superior a 1500 ºC. Es decir, resisten esas temperaturas sin fundir o reblandecer. La resistencia piroscópica se determina según la norma UNE 61042 La definición anterior solo hace referencia a las temperaturas mínimas que debe de ser capaz de resistir un refractario, sin tener en cuenta otro tipo de solicitaciones o condiciones. Es importante precisar que la resistencia piroscópica es una condición necesaria, pero no es suficiente para que una material sea considerado como refractario, ya que además debe conservar a dichas temperaturas elevadas una resistencia mecánica y/o una resistencia a la corrosión suficientes para el empleo a que se destine. Una definición “ampliada”, que hace mención al Universidad Católica San Pablo

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hecho de que no es solo la resistencia a la temperatura lo que se exige a un material refractario, es la siguiente: Materiales capaces de resistir temperaturas elevadas conservando al mismo tiempo buenas propiedades operativas frente a las solicitaciones presentes en hornos y reactores industriales. A partir de esta definición se puede dar una definición tecnológica como sigue: TODO MATERIAL CAPAZ DE SOPORTAR, A TEMPERATURAS ELEVADAS, LAS CONDICIONES DEL MEDIO EN QUE ESTÁ INMERSO, DURANTE UN PERIODO DE TIEMPO ECONÓMICAMENTE RENTABLE, SIN DETERIORO EXCESIVO DE SUS PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS.

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Bibliografía

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