para cuantificar potasio usando claro un filtro para litio. Debido a que no se detecto la existencia de este elemento al técnica de análisis para el mismo no se efectúo.
DETERMINACION DE FOSFORO Química del fósforo La química del fósforo es complicada. Sus estados de oxidación son (-III) como en la fosfina PH3 (-II) como en el disulfuro de hidrogeno; (I) como en el hipofosfito de sodio Na3PO2 (III) como en el trioxido fosforoso P4O6 (IV) como en el tetroxido de fosforo P2O4 y (V) como en el pentoxido de fosforo. (Los nombres trioxido y pentoxido se propusieron antes de que se conocieran las fórmulas correctas y la costumbre ha hecho que estos nombres persistan). La mayoría de los fosfatos con excepción de los de Na, K y amonio son insolubles en agua, tal como puede verse en la tabla:
Mg(NH4)PO4 Kps= 2.5E-13 Mn3(PO4)2 Kps= 1.0E-22 Ca3(PO4)2 Kps= 1.3E-32 FePO4 Kps= 1.5E-18
Cantidades elevadas de o-fosfato se determinan cuantitativamente por precipitación como o-fosfato amonico de magnesio Mg(NH4)PO4 y posterior calcinación a pirofosfato de magnesio Mg2P2O7. Cantidades pequeñas se determinan colorimétricamente por reducción de heteropoliacidos. Los poliacidos se forman por combinación de moléculas de anhídridos de ácidos como MoO3. La molécula proporciona al ion central para la formación del complejo. Si todas las moléculas son iguales el compuesto recibe el nombre de isopoliacido, pero si contiene anhídridos de diferentes metales se denomina heteropoliacido. Una de las técnicas mas sensitivas para determinar cuantitativamente el ion ofosfato en soluciones acuosas es el llamado método del azul de molibdeno. Este método consiste en tratar una solución ácida del ion, con molibdato de amonio para formar el ácido fosfomolibdico.
El ácido mencionado es un heterpoliacido que como tal es mas fácil de reducir que el propio acido molibdico. El agente reductor en este caso es el sulfato de hidrazina. El complejo obtenido es el azul de molibdeno, polímero colorido consistente en una mezcla de Mo(V) y MO(VI) pero cuya comisorio hasta estos momentos no ha sido bien definida. La cantidad de o-fosfato se determina por interpolación de su absorbancia en una gráfica correspondiente a una curva de calibración.
DETERMINACION COLORIMETRICA DE FOSFORO Procedimiento Preparar las siguientes soluciones: Solución 1.-Solucion acuosa de sulfato de hidrazina al 0.15% Solución 2.-Solucion ácida de molibdato de amonio. Disolver 5 g de la sal en 250 ml de H2SO4 10 N (70 ml de H2SO4 densidad 1.84 + 180 ml de agua destilada y conservar en casos de plástico).
De la solucion B se toman 5 ml y se pasan a un matraz aforado de 100 ml. Agregar sucesivamente 40 ml de agua destilada, 5 ml de la solución 2 y 2 ml de la solución 1 completando el aforo con agua destilada.
Se mezcla le contenido del matraz y se sumerge en baño María con agitación, de tal forma que quede sumergido totalmente en el agua por 15 minutos. Se enfría al chorro del agua y se lee su absorbancia utilizando un fotocolorimetro provisto de un filtro de transmitancia máxima a 600 nm. Construir una curva de calibración con las siguientes soluciones: Solucoin 3.-10 ml de HClO4 al 72% + 240 ml de agua destilada. Solución 4.-Pesar 0.383 g de KH2PO4 (200 mg de P2O5 secado previamente a 120 C por una hora y se disuelven en HClO4 aforado con este a un litro). Solución 5.-Medir 25 ml de al solución 4 (5 mg de P2O5 y aforado a 500 ml con agua destilada).
Matraz
Sol5 P2O5
Sol2 Sol1 Sol3
P2O5
(ml)
(ml)
(ml)
(ml)
(ml)
(ppm)
1
1
0
5
2
93
0
2
10
0.1
5
2
83
1
3
20
0.2
5
2
73
2
4
30
0.3
5
2
63
3
5
40
0.4
5
2
53
4
6
50
0.5
5
2
43
5
RESULTADOS
Matraz Concentración Absorbancia (ppm P2O5) 1
0
0
2
1
0.140
3
2
0.265
Realizando una regresión lineal sobre los datos anteriores se obtiene una línea recta con una ecuación: A = - 0.002 + 0.132 ppm P2O5
La gráfica correspondiente se muestra a continuación: Interpolando en esta gráfica las absorbancias de las tres muestras se obtienen los siguientes resultados:
Muestra Absorbancia Concentración (ppm P2O5) 1
0.018
0.116
2
0.014
0.086
3
0.016
0.101
mg P2O5 en alícuota = ppm P 2O5 (gráfica) * 100 1000 ml mg P2O5 en muestra = mg P 2O5 en alícuota * 250 ml muestra 5 ml alícuota % P2 O5 en muestra = mg P2O5 en muestra * 100 1250 mg muestra
Muestra % P2O5 1
0.046
2
0.034
3
0.040
DETERMINACION DE CLORURO
Química del cloruro Este ion es un reductor muy debil: 2Cl- Cl2 + 2 e- Eo= -1.36 V
Su oxidación a cloro solo se logra mediante oxidantes tan fuertes como F 2, MnO4-, BiO3-, S2O82-. El ion cloruro se detecta (previa eliminación de interferencias como Br -, I-, SCN-, y S2-), por reacción con le ion plata para formar un precipitado de AgCl soluble en NH4OH de acuerdo con las siguientes reacciones: Ag+ + Cl- AgCl Kps = 1.8E-10 Ag + + Cl- AgCl 2 NH4OH [Ag(NH3)2]Cl + 2 H2O El ion diamin plata formado precipita AgCL al ser tratado con HNO 3 de la siguiente manera:
[Ag(NH3)2]Cl + 2 HNO 3 AgCL + 2 NH 4 NO
Con excepción de los siguientes cloruros, estos son solubles en agua y se disuelven más en exceso de cloruros por la formación de iones complejos: PbCl 2, CuCl, Hg2Cl2, AgCl. Los cloruros se determinan cuantitativamente por titulación con solución valorada de AgNO3 utilizando como indicador K 2CrO4 con el cual la plata en exceso forma un compuesto colorido e insoluble indicando el final de la reacción.
DETERMINACION VOLUMETRICA DE CLORURO
Procedimiento
Este método conocido como método de Mohr consiste en precipitar todos los cloruros de una muestra líquida en forma de cloruro de plata y utilizando como indicador una solución de K 2CrO4 al 5% de acuerdo con las siguientes reacciones: Ag
+
+ Cl- AgCl Kps = 1.8E-10
2 AgNo3 + K2CrO4 2KNO3 + Ag2CrO4 Kps = 1.3E-12
La alicuota de 10 ml de la solución B se filtra y se coloca en un matraz erlenmeyer de 250 ml. Se adicionan 75 ml de agua destilada con cinco gotas de indicador. El pH de la solución debe ajustarse a un valor entre 7 y 8 pues a valores más bajos el cromato se transforma en dicromato con el que la plata forma un precipitado más soluble mientras que a valores superiores la plata precipita en forma de hidróxido.
Resultados Antes de proceder con el método de análisis mencionado se realizo una prueba cualitativa con el fin de determinar la existencia del ion cloruro en las muestras. En ninguna de las tres muestras se observo la formación de un precipitado o turbidez en la solución, por lo que se infiere que no hay cloruros presentes en ellas y por lo tanto el procedimiento descrito no se llevo a cabo.
DETERMINACION DE CARBONATO Química del carbonato El ion carbonato en solución acuosa es incoloro y muy poco estable ya que solo existe en solución a un pH mayor de 9; esto se debe a que si la solución se acidifica ocurre la siguiente reacción: CO3 2- + 2H+ H2CO3 H2CO3 H2O + CO 2 El ácido carbónico es un ácido diprótico inestable. La solubilidad del CO 2 en H2O es de 1.5 g/l a 20°C y 1 atm., así que la solución será 0.034 M. La mayoría de los carbonatos son insolubles en agua sinembargo, para los carbonatos solubles la disolución va acompañada de una hidrólisis. La solución resultante será alcalina:
CO3 2- + H2O HCO3 - + OH-
HCO3- + H2O H2CO3 + OHy por tanto, la precipitación mediante disoluciones de carbonatos solubles NA 2CO3 por ejemplo de metales de transición puede contaminarse con hidróxido. Con excepción de los carbonatos de metales alcalinos, los carbonatos se descomponen por la acción del calor:
CaCO3 CaO + CO 2 Los carbonatos y los bicarbonatos se identifican cualitativamente por descomposición ácida. El CO 2 desprendido se burbujea en agua de cal Ca(OH) 2 formándose un precipitado de carbonato insoluble: CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O Una manera de determinar la cantidad de carbonato presente en la muestra consiste en adicionar un exceso de ácido y posteriormente titular el exceso. La diferencia de ácido será la cantidad de este que reaccionó con el carbonato. Por una relación estequiométrica entonces se puede conocer cuanto carbonato existía. Este es, el principo en el cual se casa éste análisis.
DETERMINACION VOLUMETRICA DE CARBONATO Procedimiento: Se pesan 2 gramos de muestra pasándola a un matraz erlenmeyer de 250 ml agregándole con pipeta volumétrica 100 ml de una solución de HCl 0.1 N y agitando para mojar todas las partículas de la muestra. Se deja reposar en frío durante la noche y a la mañana siguiente se titula con una solución de KOH 0.3 N usando como indicador azul de bromofenol al 1% en H 2O destilada. La solución debe filtrarse antes de ser titulada. % de CO3 2- = (V - v) * N * 3 g de muestra donde: V = volumen en ml de KOH necesario para titular el HCl solo v = volumen en ml de KOH necesario para titular la muestra N = normalidad de la solución de KOH
RESULTADOS V = 45.5 ml N = 0.26 Eq/l g muestra = 2
Muestra
V
%CO3 2-
1
41.1
1.67
2
41.0
1.71
3
39.4
2.34 Tabla global de resultados
METODO DE ANALISIS
RESULTADO ESPERADO
RESULTADO OBTENIDO
Desconocido
las 3 muestras son plásticas, pero, la # 2 es la mas plástica
Contracción elevada en los 3 casos por ser muestras plásticas
las 3 muestras se contraen lo normal pero la muestra # 2 se contrae en mayor proporción
Desconocido
las 3 muestras se oscurecen siendo la más apreciable la # 3; a # 1 y # 2 se vitrifican parcialmente Probable cantidad elevada de óxidos de Fe
Porosidad
Baja porosidad de las piezas cocidas debido a su parcial vitrificación
la porosidad de las piezas es baja
Tamizado
Alta cantidad de material fino por ser muestras plásticas la # 2 debe tener mas de este material
en las muestras # 1 y # 2 hay una elevada cantidad de material fino
Observación al microscopio óptico
Cristales de SiO2 y óxidos de fierro abundantes
las 3 muestras son muy similares en composición. Predominan los cristales de SiO2 y óxidos de fierro
Espectroscopia de infrarrojo
el espectro debe ser parecido a alguno de la pag. 26 se esperan picos de absorción para SiO2 y H2O
las 3 muestras están compuestas por caolinita y/o nacrita. El espectro corresponde a una arcilla fina aparecen picos para SiO2 y H2O
se esperan picos característicos para sílice y alúmina de acuerdo con la espectroscopia
aparecen picos para silicoaluminatos de fierro, sodio, magnesio y potasio
Pequeña pérdida de peso por
las muestras pierden en
Plasticidad contracción en la cochura
color al quemado
difracción de rayos X
% de materia perdida por
calcificación
evaporación de H2O y descomposición de materia orgánica carbonatos y sulfatos
promedio aproximadamente el 11%
Determinación de pH
el pH de las muestras debe ser el pH de las soluciones al 1% próximo a 7 de arcilla en agua es próximo a 7
Humedad adherente
No deberá exceder del 10% pues este es el porcentaje de materia perdida por calcificación
H2O de combinación
No deberá exceder de la En los tres casos este valor es diferencia entre el % de materia inferior al del agua adherente. perdida por calcinación y la humedad adherente.
Determinación de SiO2
el porcentaje de SiO2 deberá ser alto para las muestras #1 y #2 pues se vitrifican apreciablemente
determinación de (SO 4)2- como Desconocido SO3
en los 3 casos este valor es inferior al agua adherente
las muestras #1 y #2 poseen un porcentaje de SiO 2 aproximado de 55% las tres muestras presentan un contenido similar de SO 3 alrededor de 3 %
determinación de Fe como Fe2O3
la muestra #3 deberá tener mayor porcentaje de fierro ya que al calcinarse es más oscura
la muestra #3 tiene aproximadamente un 2% más de Fe2O3
determinación de Al como Al2O3
ya que la muestra #3 tiene un porcentaje menor de SiO 2 que las otras dos muestras se espera que tenga una mayor cantidad de alúmina
la muestra #3 tienen aproximadamente un 10% más de Al2O3
determinación de Mg como MgO
De acuerdo con la difracción de las tres muestras tienen un rayos X debe haber magnesio porcentaje de MgO muy similar en las tres muestras alrededor del 3%
determinación de Mn como MnO2
Desconocido
determinación de Na como Na2O
De acuerdo con espectroscopia las tres muestras tienen un y difracción de rayos X debe porcentaje de Na 2O muy bajo haber sodio
el porcentaje de MnO 2 en los tres casos es muy bajo
determinación de K como K 2O De acuerdo con espectroscopia las tres muestras tienen un
y con la difracción de rayos X debe haber potasio determinación de P como P 2O5 Desconocido
porcentaje de K2O muy bajo las tres muestras tienen un porcentaje muy bajo de P 2O5
determinación de Cl -
Desconocido
no hay en ninguna de las tres muestras
determinación de (CO 3)2-
Desconocido
las tres muestras tienen un porcentaje de CO2 similar alrededor del 1.5%
como CO2
ANALISIS DE RESULTADOS Análisis Físico La plasticidad es desde el punto de vista refractario, la propiedad más importante de las arcillas y es por ello que se decidió estudiarla en primer término. De acuerdo con los resultados obtenidos se debe pensar que cualquiera de las tres muestras pueden utilizarse para fabricar piezas de cerámica puesto que el porcentaje de agua que requieren para alcanzar su máxima plasticidad resulta aceptable; sin embargo, es necesario hacer notar que la muestra #2 es de las tres la más plástica lo que la hace más fácilmente manejable. En cuanto a la contracción sufrida por las muestras al cocerse se puede afirmar que se encuentra dentro del intervalo normal. Tal como era de esperarse la muestra #2 por ser la más plástica se contrae en mayor proporción. En cuanto al punto correspondiente al calor al quemado se observa que la muestra debe contener una cantidad apreciable de oxido de fierro debido a que presentan coloraciones café obscuras. Es importante remarcar que las muestras #1 y #2 se vitrificaron parcialmente debido muy probablemente a que contienen un elevado porcentaje de sílice reticular y/o a que contengan sílice libre, es decir, sílice que no es del tipo reticular. Este hecho resulta ser importante pues las piezas fabricadas con este tipo de arcilla y calcinadas a temperaturas adecuadas requerirían de una pequeña cantidad de vidriado con el fin de hacerlas más bonitas. A pesar de esto, la prueba de porosidad realizada con las piezas arriba mencionadas, indica que la vitrificación no es total, lo que se infiere del hecho de que absorben agua. En otras palabras las piezas siguen siendo porosas y por tanto no pueden considerarse químicamente inertes. Si tomamos en cuenta que un vidriado es una capa fina de vidrio que se aplica sobre la superficie de una pieza cerámica para hacerla más agradable al tacto y a la vista y más inerte
químicamente hablando, entonces debe considerarse el uso al que se tiene destinada al pieza para vidriarla. Es decir que si su uso es ornamental, la pieza es suficientemente agradable al calcinarla a 1050°C; pero si su uso es doméstico, es conveniente aplicarle un vidriado.
III. Uso de las arcillas como materia prima en la elaboración de Ladrillos TIPOS DE MATERIALES. Se clasifican los materiales según su uso, en cuatro grupos: metales, cerámicos, polímeros y materiales compuestos.
Metales. Los metales y las aleaciones, que incluyen al acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre, níquel y muchos otros, tienen como características generales una adecuada conductividad tanto térmica como eléctrica, relativamente alta resistencia mecánica, alta rigidez, ductilidad o conformabilidad, y resistencia al impacto. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Aunque ocasionalmente se utilizan en forma pura, se prefiere normalmente el empleo de sus combinaciones, denominadas aleaciones, para mejorar ciertas propiedades deseadas o permitir una mejor combinación de las mismas.
Cerámicos: Los materiales de cerámica, como ladrillos, el vidrio, la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasa condustividad tanto eléctrica como térmica, y aunque puede tener buena resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior son menos usados que los metales en aplicaciones estructurales. No obstante, presentan en su mayoría una excelente resistencia a las altas temperaturas y a ciertas condiciones de corrosión. Muchas de ellas tienen propiedades ópticas, eléctricas y térmicas excepcionales. Polímeros: En éstos se incluye el caucho (o hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas, en un proceso conocido como polimerización. Los polímeros tienen baja condustividad eléctrica y térmica, escasa resistencia mecánica y no se recomienda para aplicaciones en temperaturas elevadas. Algunos polímeros (los termoplásticos) presentan excelente ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto, mientras otros (los termoestables) tienen las propiedades opuestas. Los polímeros son ligeros y con frecuencia cuentan con excelente resistencia a la corrosión.
Materiales compuestos: Los compuestos (o compósitos) están constituidos por dos o más materiales que generan propiedades no obtenibles mediante uno sólo; ejemplos típicos aunque burdos, son el concreto, la madera contrachapada (triplay) y la fibra de vidrio. Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con resistencia a altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo, o bien se elaboran herramientas de corte muy resistentes al impacto que de otra manera serían quebradizas.
Ejemplos representativos, aplicaciones y propiedades de cada categoría de materiales. Aplicaciones. Metales. Cobre Hierro fundido gris
Propiedades.
Alambre para conductores Alta conductividad eléctricos. eléctrica, conformabilidad aceptable. Bloque para motores de automóvil.
Moldeabilidad, maquinabilidad, absorción de vibraciones
Fe -30% Si
Motores y generadores
Excelentes propiedades ferromegtnéticas.
Aceros aleados.
Llaves para tuercas.
Tratables térmicamente para aumentar su resistencia mec.
Cerámicos
Vidrios planos para ventanes
Propiedades ópticas adecua-
SiO2 - Na2O - CaO Al2O3, MgO, SiO 2
das y aislante térmico. Refractarios para contener metal fundido
Aislantes térmicos, alto p.fus. relativamente inertes ante el metal fundido.
Titanato de bario
Transductores para reproductores de sonido.
Comportamiento piezoeléctrico que convierte las vibraciones en electricidad
Polímeros
Empacados de alimentos
Fácilmente confortables
en delgadas películas flexibles e impermeables.
Polietileno Epóxicos
Encapsulados de circuitos Buenos aislantes integrados. eléctricos y resistentes a la humedad.
Fenólicos
Adhesivos para madera con-
Resistencia a las cargas y a la humedad.
Trachapada de uso marítimo.
Compuestos.
Componentes aeronáuticos
Adecuada relación resistencia peso
Herramientas de corte para maquinado
Alta dureza y buena resistencia al impacto.
Grafito en matriz epóxica Carburo de tugsteno en matriz de cobalto
Acero revestido de titanio Alojamientos de reactores Bajo costo y alta resistencia
PROCESAMIENTO DE LAS CERÁMICAS. Los vidrios se usan para manufacturar diversos artículos produciendo primeramente un líquido, y luego enfriando y configurando el líquido a una temperatura donde es posible el flujo viscoso. Los materiales cerámicos cristalinos se manufacturan en artículos útiles preparando una forma, o compacto, compuesto por materias primas en forma de polvo fino. Los polvos se aglutinan después mediante diversos mecanismos, que incluyen la reacción química, la vitrificación (fusión), parcial o completa y el sintetizado. Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentadas a enormes temperaturas para anlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el procesado de cerámicas por aglomeración de partículas son:
Preparación del material.
Moldeado o fundido.
Tratamiento térmico. por secado (que normalmente no es requerido). y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperatura suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.
PREPARACIÓN DE MATERIALES. La mayoría de los productos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas para estos productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como cimentadores y lubricantes pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy criticas tales como los ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con cimentadores y otros aditivos. Algunas veces se combinan ambos procesos, húmedo y seco.
TÉCNICA DE CONFORMADO. Para productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria de la cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbotina y extrusión son métodos de modelado de cerámicas que se utilizan más comúnmente.
Prensado. La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un tronquel para formar productos elaborados. Prensado en seco. Este método se usa frecuentemente para productos refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y componenetes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial simultánea y la conformación de los polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas. Por ejemplo, alúminas, titanatos y ferritas pueden ser prensadas en seco en tamaños que van desde unos pocos milímetros hasta varias pulgadas en dimensiones lineales a una velocidad de 5000 por minuto.
Compactación isostática. En este proceso el polvo cerámico se carga en un recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (llamado carucho) que está dentro de una cámara de fluido hidráulico a la que se aplica presión. La fuerza de la presión aplicada compacta el polvo uniformemente en todas las direcciones, tomando el producto de la forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza isostáticamente en frío se ha de pasar por el fuego (sinterización) para obtener las propiedades microestructurales requeridas. Productos cerámicos de este tipo son refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, cúpulas, crisoles, herramientas de carbono y cojinetes.
Compresión en caliente. En este proceso se consiguen piezas de alta densidad con propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión y los tratamientos térmicos. Se utiliza tanto la presión unidireccional como la isostática. Moldeo en barbotina. Las figuras cerámicas se pueden reutilizar usando un proceso único llamado fundición de revestimientos, las etapas fundamentales de este proceso son: 1. 2.
Preparación de un material cerámico en polvo y de un líquido (generalmente arcilla y agua) en una mezcla estable llamada barbotina.
3. 1.
Colocación de la barbotina en un molde poroso (yeso) que permita la absorción de la porción líquida de la barbotina por el molde. A medida que se elimina el líquido de la barbotina, se forma una capa de material más o menos duro en la pared del molde.
2. 1.
Cuando se ha formado el grosor necesario de pared se interrumpe el proceso y el exceso de barbotina se desaloja de la cavidad. Esto se conoce como escurrido. Alternativamente, la forma de un sólido puede realizarse permitiendo continuar al fundido hasta que la cavidad del molde se rellene por completo. Este tipo de moldeo en barbotina se llama fundición compacta.
2. 1.
Tenemos que dejar el material dentro del molde hasta que alcance la resistencia, para su posterior retirada de la cavidad poroso.
2. 1.
Finalmente, hay que calentarlo para que se consiga las propiedades y la microestructura característica de estos materiales.
El moldeo por barbotina es útil cuando lo que se requiere son piezas de paredes delgadas, o piezas con paredes de espesor constante. Se trata de un proceso económico para desarrollar piezas y obtener presiones reducidas. Se han introducido variaciones de este método consistentes en someter la barbotina a presión a o vacío.
Extrucción. Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos se puede producir por extrucción de estos materiales en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este método es de aplicación común en la producción de, por ejemplo, ladrillos resistentes, tuberías de alcantarillado, tejas, cerámicas técnicas y aislantes eléctricos. Los recursos de utilización más general son la máquinas de extrucción tipo hélice-vacío que fuerzan al material cerámico plástico a pasar a través de un troque de acero o de otra aleación por una hélice accionada por motor. Las cerámicas especiales de aplicación técnica casi siempre se fabrican utilizando un pistón de extrusión bajo alta presión tal que puedan conseguirse tolerancias precisas.
TRATAMIENTO TÉRMICO. El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. En esta subdivisión consideramos los siguientes tratamientos térmicos: secado, sinterizado y vitrificación.
Secado y eliminación del aglutinante. ag lutinante. El propósito de secado de cerámicas es eliminar agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometidas a altas temperaturas. Generalmente la eliminación de aguas se lleva a cabo a menos de 100oC y puede tardar tanto como 24 horas para un trozo de cerámica grande. La mayoría de los enlaces orgánicos pueden ser eliminados de piezas cerámicas por calentamiento en el intervalo de 200 a 300 oC, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir un calentamiento a temperaturas más elevadas. Sinterización. El proceso por el cual se consigue que pequeñas partículas de un material se mantengan unidas por difusión al estado sólido se llama sinterización. En la fabricación de carámicas este tratamiento térmico se basa enla transformación de un producto poroso en otro compacto y coherente. La sinterización se utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de, por ejemplo, alúmina, berilia, ferritas y titanatos. En el proceso de sinterización las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas pero por debajo del punto de fusión del compuesto que se desea sintetizar. En sintterización, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten químicamenteunidas. A medida de que el proceso continúa, las partículas grandes se forman a expensas de las más pequeñas. En tanto las partículas consiguenaumentar de tamaño con el tiempo de sinterización, la porosidad de los
conglomerados decrece. Finalmente, al cabo del proceso, se obtiene un tamaño de grano en equilibrio. La fuerza determinada del proceso es la disminución de energía del sistema. El alto nivel de energía asociado con las partículas pequeñas individuales originales queda reemplazado por la energía promedio más baja de las superficies de los límites de grano de los produstos sinterizados.
Vitrificación. Algunos productos cerámicos tales como porcelana, productos arcillosos estructurales y algunos componenetes electrónicos contienen una fase cristalina. Esta fase cristalina sirve como medio de reacción p ara que la difusión pueda tener lugar a menor temperatura del resto de los materiales sólidos cerámicos. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de este tipo de materiales sólidos cerámicos, tiene lugar un proceso llamado vitrificación por medio del cual la fase cristalina se licua y rellena los poros del material. Esta fase cristalina puede también reaccionar con algunos de los restantes sólidos de material refractario. Bajo enfriamiento, la fase líquida solidifica para formar una matriz vitrea que une las partículas que no has fundido. CERÁMICOS TRADICIONALES Y DE INGENIERÍA. INGENIERÍA. Cerámicos tradicionales. Los cerámicos tradicionales están constituidos de tres componenetes básicos: arcillas, silice (silex), y feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de aluminio hidratados (Al 2O3.SiO2.H2O) con pequeñas catidades de otros óxidos como. TiO 2, Fe2O3, MgO, CaO, Na 2O y K2O. Se muestra la siguiente tabla la composición co mposición química de varias arcillas industriales. Composición química de algunas arcillas. Tipo de arcilla Al2O3 % en peso
SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO
MgO Na2O K2O
H2O
Caolín
37.4
45.5
1.68
1.30 0.004
0.03
0.011 0.005 13.9
Arcilla plástica
30.9
54.0
0.74
1.50
0.14
0.20
0.45
0.72
...
32.0
51.7
0.90
1.52
0.21
0.19
0.38
0.89
...
de Ten Arcilla plástica de Ky
Las arcillas en las cerámicas tradicionales se pueden trabajar antes de que el material se endurezca por el fuego y constituye el cuerpo principal del material. La sílice (SiO 2), también llama silex o cuarzo, funde a altas temperaturas y es el componente refractario de los cerámicos tradicionales. El feldespato potásico, que tiene composición básica K 2O.Al2O3. 6SiO2 funde a bajas temperaturas y se
transforma en vidrio cuando la mezcla cerámica se somete a altas temperaturas, y une los componentes refractarios. Productos estructurales de la arcilla tales como ladrillos para la construcción, tuberías de desagüe, tejas de drenaje, tejas de cubiertas y losetas para pisos están hechas de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos.
APLICACIONES Y PROPIEDADES DE LAS CERÁMICAS. Hay una gran variedad de materiales cerámicos y de aplicaciones para estos materiales.
productos de arcilla. Muchas cerámicas están basadas fundamentalmente en la arcilla, a la cual se añade un material más grueso como el cuarzo, y un material fundente como el feldespato. Los feldespatos son un grupo de minerales que comprende al (K,Na)2O.Al2O3.6SiO2. Estos materiales se mexclan con agua y se forma un producto, el cual es secado y horneado después. Los altos contenidos de arcilla mejoran las características de conformidad, permitiendo la producción de cuerpos cerámicos más complicados. Los altos contenidos de feldespato reducen la temperatura líquidus y en consecuencia la temperatura de horneado. En cierto grado, la sílice es un material de relleno. Los ladrillos y las losetas o mosaicos son comprimidos o extruidos para darles forma; después se secan y hornean para producir una aglutinación de cerámico. Las temperaturas de horneado más altas, o los tamaños originales de las partículas menores, producen una mayor vitrificación, una menor porosidad y una mayor densidad. La más alta densidad mejora las propiedades mecánicas pero reduce las cualidades aislantes del ladrillo o de la loseta. La loza de barro está conformada por cuerpos de arcilla porosas horneada a temperaturas relativamente bajas; tienen poca vitrificación, la porosidad es muy alta e interconectada, y la citada loza es permeable, tales productos deben recubrirse con un vidrio impermeable. A temperaturas elevadas de horneado, se producen materiales que tienen mayor vitrificación y menor porosidad, tales como la loza pétrea. Esta loza, que contiene sólo de 2% a 4% de porosidad, se utiliza para tuberías de albañal. La porcelana require de temperaturas de horneado aún mayores para lograr una vitrificación completa, y prácticamente ninguna porosidad.
Refractarios. Estos materiales deben soportar elevados esfuerzos a altas temperaturas. La mayoría de los materiales cerámicos puros de alto puntos de fusión se califican como materiales refractarios; sin embargo, l os refractarios de
óxido puro son caros y difíciles de conformar como productos útiles. En lugar de esto, Los refractarios típicos están compuestos de gruesas partículas de óxido, o grog, unidas por un material refractario más fino. Este material se funde durante el horneado proporcionando la aglutinación. Los ladrillos refractarios típicos contienen aproximadamente de 20-25% de porosidad, mejorando el aislamiento térmico. Los materiales refractarios a base de óxido pueden ser clasificados en tres tipos: ácidos, básicos y neutros.
Los refractarios ácidos. Los refractarios de sílice tienen alta refracatriedad , alta resistencia mecánica y rigideza temperaturas cercanas a sus puntos de fusión. Los refractarios comunes incluyen a la arcilla refractaria, a sean los cerámicos de sílice-alúmina. En algunas aplicaciones, la sílice puede ser aglutinada con pequeñas cantidades de óxido de boro, el cual se funde y produce el enlace cerámico. Cuando se añade de 3 a 8% de alúmina a la sílice, el material cerámicotiene una temperatura de fusión muy baja y no es útil para aplicaciones como material refractario. Al incrementar el contenido de alúmina, utilizando quizás arcilla de caolinita, se mejora la refractariedad de la arcilla de esta clase. Las arcillas refractarias son típicamente vítreas. Sin embargo, en las de alta alúminase forman catidades sustanciales de mulita, permitiendo que los refractarios tengan una combinación de resistencia a la alta temperatura a la vez que alta dureza y elevadas propiedades mecánicas.
Los refractarios básicos incluyen la periclasa (MgO puro), la magnesita (rica en MgO), la dolomita (MgO más CaO) y la olivina (Mg 2SiO4). Los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos. Sin embargo, En la manufactura de los aceros y algunas otras aplicaciones para alta temperatura, los revestimientos de refractarios básicos en hornos para altas temperaturas deben usarse para proporcionar compatibilidad con el metal. Los refractarios neutros incluyen la cromita y la cromita-magnesita. Estos materiales pueden ser usados para separar refractarios ácidos y básicos, puesto que estos últimos se atacan entre sí. Otros materiales refractarios son zirconia (ZrO 2), el zircón (ZrO2 . SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos, boruros y gráfito. La mayoría de los carburos, como el TiC y el ZrC, se oxidan y sus aplicaciones a elevadas temperaturas son más indicadas en condiciones reductoras. Sin embargo, el carburo de silicio es una excepción -cuando se oxida el SiC a altas temperaturas, se forma una fina capa de impermeable de SiO 2 en la superficie, protegiendo al SiC de mayor oxidación a unos 1500 oC. Los nitruros y los borurostienen también altas temperaturas de fusión y son menos susceptibles a la oxidación. Algunos óxidos y nitruros son materiales utilizados en la construcción de motores a reacción El
grafito es único en cuanto a que su resistencia aumenta cuando la temperatura se eleva.
Composiciones de refractarios típicos. Refractario cidos
SiO2
Al2O3 MgO
Fe2O3
Cr2O3
95-97
Ladrillos Sílice Ladrillo Ref.
51-53 43-44
alta resistencia Ladrillo Ref.
10-45 50-80
alta alúmina
Básicos
83-93 2-7
Magnesita Magnesita-cromo 2-7
6-13
50-82 18-20
18-24
Olivina
43
57
Neutros
3-13
12-30 10-20 12-25
30-50
2-8
20-24 30-39 9-12
30-50
Cromita Cromitamagnesita
APLICACIONES DE ALGUNOS REFRACTARIOS. Ladrillo refractario para altas temperaturas: revestimientos para hornos de fundición de aluminio, altos hornos, hornos rotativos y cucharones de transferencia de metal caliente. Ladrillo refractario de alta resistencia: Revestimientos para hornos de cal. y de cemento, altos hornos e incineradores. Ladrillos de alta alúmina: Hornos de ebullición, regeneración de hornos dañados por ácidos, hornos de fosfátos, auros refinadores de tanque de vidrio, hornos de carbón negro, revestimientos de reactores de gasificación de carbón y hornos de coque de petróleo.
Ladrillo de sílice: Revestimiento de reactores químicos, partes de tanque de vidrio, hornos cerámicos y hornos de coque. Ladrillo de magnesita: Revestimientos de hornos de procesos de oxígenobásico, para aceros. Ladrillo de circón: Pavimentos para suelos de tanques de vidrio y toberas de vertido continuo.
Control de los procesos Por su origen geológico no existen dos arcillas idénticas y que un mismo depósito carece frecuentemente de uniformidad. El usuario, no obstante, requiere un producto de confianza, uniforme, de propiedades químicas y físicas fijas, con forma y acabados definidos. Se producen todavía de vez en cuando pérdidas inmensas en la industria cerámica debidas a desviaciones respecto a las calidades normalizadas, tales como porosidad incorrecta, resistencia inadecuada, características eléctricas incorrectas, etc. Muchas pérdidas pueden evitarse con un adecuado control de los procesos, que se inicia con las materias primas. La industria cerámica se enfrenta con un problema muy difícil de resolver. Todo control de las materias primas mediante la realización de cualesquiera ensayos implica la separación de cada carga, la toma de muestras correctas de la misma, y la imposibilidad de utilizarlas hasta tanto que se hayan evaluado los resultados de los ensayos. Por lo tanto, no es sorprendente que en el pasado haya sido práctica normal intentar la estabilización de las materias primas por otros métodos y realizar trabajos en el laboratorio solo cuando algo marcha indebidamente. El método principal de obtención de una materia prima de composición razonablemente constante, consisten en mezclar un cierto número de arcillas similares de distintas procedencias, o mezclar diferentes cargas de la misma procedencia. En los casos en que el espacio lo permite y el valor del producto lo exige, actualmente se efectúa de hecho un más adecuado análisis de las materias primas. Naturalmente, este debe venir precedido por técnicas correctas de muestras si quieren obtenerse datos útiles.
Control de operaciones en la industria cerámica fina Control de rutina e investigaciones de laboratorio que han de repetirse a intervalos regulares en las industrias de cerámica fina: Materias Primas
Arcilla grasas y caolines 1. 2. 3. 4. a. b. c. d. 1. 2. a. b. c. d. e. f. g. h. i. j. 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Contenido de agua en el estado de suministro. Tamaño de la partícula por análisis de tamizado; por sedimentación. Probetas de ensayo para contracción contenido de agua; contracción en el secado; contracción y deformación en la cocción; b) + c) = contracción total; color tras la cocción porosidad Medida del pH Análisis racional con inclusión de la determinación del contenido de mica Determinación del contenido de flúor
Hornos para cochura de piezas cerámicas La cochura de los materiales debe hacerse siempre en estructuras cerradas con aplicación de calor, habiéndose construido hornos de algún tipo desde comienzos de la alfarería, los cuales se reconocen en excavaciones de lugares prehistóricos. El método más sencillo de cochura es el horno de hormiguero, el cual, a pesar de ser tan antiguo, se emplea todavía en ocasiones para la fabricación de los ladrillos hechos a mano. Se apilan alternados con el combustible, formando un montón, o con frecuencia aprovechando un talud y se cubren después con tierra, etc. A continuación se enciende por el fondo y se deja que el fuego avance a través del hormiguero, aspirando tras sí el aire encargado del enfriamiento. Una vez frío, se derriba el conjunto.
El horno periódico o intermitente con estructura permanente, posee un revestimiento interior de un refractario adecuado y otro exterior de ladrillo de construcción protector. Los hornos periódicos pueden hacerse trabajar según los principios de tiro ascendente, tiro horizontal o tiro descendente, siendo mucho más satisfactorios los últimos. Se colocan las piezas en el horno y a continuación se calienta este gradualmente, se mantiene a la temperatura máxima durante un cierto periodo y se deja enfriar. Seguidamente puede extraerse la carga e introducirse una carga nueva. Aparte de su ineficiencia por pérdidas de calor a través de las paredes y hacia la chimenea, etc., un horno periódico debe consumir una gran cantidad de combustible para calentar la estructura con cada carga de material, cantidad de calor que se pierde totalmente durante el enfriamiento. El calentamiento y enfriamiento continuado de la estructura la debilita mucho más rápidamente que lo haría una temperatura elevada constante. Los hornos continuos aprovechan el calor residual desprendido durante el enfriamiento. Consiste en esencia en una serie de hornos intermitentes conectados en circuito. Se regula la circulación de aire de forma que pase primero a través de las piezas que se han cocido ya y se están enfriando, y a continuación, una vez caliente, pasa al horno que se encuentra en fase de cochura. Los gases residuales calientes pasan sobre las piezas que se encuentran próximas a la cochura, precalentandolas, de tal forma que éstas precisan una menor cantidad de combustible en la cochura propiamente dicha. El principio fundamental es que el fuego se mantiene siempre encendido y en movimiento alrededor del circuito de hornos. Se aprovecha el calor residual, pero todavía ha de calentarse la estructura del horno y dejarse enfriar para cada carga. En el horno de túnel ocurre el proceso inverso. Una estructura en el túnel tiene zonas a temperaturas constantes diferentes que se corresponden con un programa de cochura, y las piezas avanzan a su través obre carretillas o planchas refractarias. En teoría este es el método ideal de cochuras, con el que puede conseguirse la máxima eficiencia en combustible. El horno de túnel está siendo reconocido como el método óptimo de cochura para la producción en serie. La colocación o disposición de las piezas en los hornos está también sujeta a cierto número de consideraciones y varía considerablemente. Los factores que deben tenerse en consideración son, en primer lugar, si las piezas pueden, o no, someterse al contacto directo con las llamas y los gases de combustión producidos al quemarse el combustible. El segundo factor de importancia consiste en si las piezas pueden o no apilarse unas sobre otras hasta alcanzar la altura total del horno. Los ladrillos, etc., pueden por lo general apilarse de dicho modo. Muchas otras piezas pueden apilarse solo en pequeña altura, por lo que requieren ciertos soportes intermedios. Las piezas vidriadas que están recibiendo la cochura de vidriado no pueden tocarse en absoluto, o de lo contrario se pegarían unas con otras.
Materiales y métodos de construcción de hornos La elección de materiales para construcción de hornos es difícil dado que no existe producto alguno que sea el mejor en todos los casos. Deben valorarse cuidadosamente las condiciones de servicio, tales como: temperatura máxima de trabajo; velocidad de variación de la temperatura; carga máxima; abrasión debida a las cenizas, etc.; ataque por humos, vapores, escorias, atmósfera oxidante o reductora. Los materiales básicos utilizados son cerámicos en sí mismos, consistiendo en ladrillos, bloque y perfiles refractarios, aislantes y comunes. A estos deben añadirse morteros, mezclas apisonadas y hormigón. Las exigencias de construcción de hornos cerámicos implican generalmente el conocimiento de las siguientes propiedades: Refractarios en servicio , esto es, la temperatura máxima que el material puede
soportar durante periodos de tiempo prolongados, en ocasiones repetidas y bajo la carga de la estructura que descansa sobre él más un factor de seguridad. Debe conocerse también el coeficiente de expansión térmica a fin de establecer juntas de dilatación suficientes para asegurar estabilidad a la estructura. La resistencia térmica al resquebrajamiento o resistencia al choque térmico
es un factor importante, puesto que un material que soporte bien temperaturas elevadas pero se agriete si se enfría rápidamente carece de utilidad en un horno periódico de ciclo corto. Resistencia a la abrasión y al impacto ; diferentes partes de un horno sufren un
tratamiento muy variado y durante el servicio, debido a la acción de la carga de combustible sólido, cenizas y polvos transportados por el aire, etc. Resistencia a escorias, humos, etc .; los refractarios se clasifican con criterio
amplio en ácidos, neutros o básicos de acuerdo a su resistencia a las escorias ácidas y básicas. Para hornos cerámicos debe conocerse además la resistencia que ofrecen los materiales a los gases de combustión, en particular a los gases sulfurosos en presencia de vapor de agua, vapores desprendidos de los vidriados, en particular de los de plomo, vapor de cloruro de sodio, etc. Propiedades de la construcción ; debe conocerse todo lo relativo a las
propiedades de soporte de cargas tanto en frío como en caliente, junto con la densidad aparente, posibilidad de contracción, expansión reversible, conductividad térmica y calor específico, a fin de tomar decisiones sobre espesores de pared y métodos de construcción.
Selección de refractarios Un horno acabado es una estructura complicada constituida por diversos materiales elegidos fundamentalmente por sus cualidades positivas y en segundo lugar teniendo en cuenta la economía máxima para las distintas partes del horno. Así, solo se emplean ladrillos altamente refractarios allí donde se esperan temperaturas muy elevadas y ladrillos densos resistentes a la abrasión solamente en los casos realmente precisos, etc. Las paredes exteriores del horno son con frecuencia de ladrillos de construcción corrientes. Deben de tenerse en cuenta las interacciones fisicoquímicas. Ciertas parejas de refractarios reaccionan entre sí a las temperaturas del horno, con deterioro de uno o ambos. Los puntos sugeridos a tener en cuenta son los siguientes: 1. 2. 3. 4.
5. 6.
7. 8.
Correcta división de zonas, que es el empleo de materiales de alta calidad allí donde las condiciones son severas. La abrasión puede contrarrestarse mediante el uso de ladrillos cocidos más intensamente de una naturaleza ligeramente menos refractaria, o puedan emplearse carburo de silicio o alúmina fundida. Escorificación; los ataques moderados pueden combatirse al usar ladrillos más compactos, en los casos severos se requiere de ladrillos de composición química diferente. La fusión se produce raras veces y significa que debe usarse un ladrillo que sea más refractario bajo carga
9. 10. El resquebrajamiento mecánico. La causa se encuentra en el método de
construcción más que en el propio refractario. 11. 12. El resquebrajamiento estructural. 13. 14. El resquebrajamiento térmico. 15. 16. Rigidez. Cuando un refractario se somete a grandes cargas, y al enfriarse
tiende a reblandecese.
17. 18. Desintegración por acción química. 19. 20. Las propiedades térmicas.
Métodos de construcción de hornos
Las paredes de los hornos se construyen en mampostería con juntas de dilatación. Usualmente se construyen con diferentes materiales en capas o revestimientos. En ocasiones la pared es totalmente macisa, sean uno o varios los materiales que la componen. Otras veces el revestimiento refractario y la estructura exterior son independientes y pueden estar separados por un espacio relleno con un material aislante suelto. La construcción debe proyectarse de tal forma que sobre los refractarios más calientes se aplique la mínima carga posible. En el tipo más reciente de construcción suspendida los refractarios propiamente dichos soportan poca o ninguna carga, puesto que están suspendidos individualmente o en pequeños grupos de una estructura de acero. El método es particularmente útil para techos, los cuales pueden ser planos, con lo que se consigue un espacio de carga más conveniente y mayor, junto con una mejor distribución del calor; los techos planos de hornos u hogares se denominan bóvedas. Una modificación más reciente consiste en disponer los ladrillos con sus superficies encajadas de tal forma que no puedan caerse aquellos que se rompan. Pueden construirse hornos de cualquier anchura deseada con ladrillos suspendidos sin que las paredes deban soportar carga alguna, por lo que estas pueden construirse más económicamente. Las bóvedas suspendidas pueden ser de cualquier forma, e incluso no ser abovedadas. La desventaja principal de los techos suspendidos estriba en que si se coloca el aislamiento encima de los refractarios y por lo tanto alrededor de los soportes metálicos se sobrecalentarán estos, y si los soportes se refrigeran con agua, el aislamiento es menos efectivo. Los techos suspendidos son adecuados para la utilización con ladrillos aislantes de superficie caliente.
Elección del combustible Pueden emplearse las siguientes fuentes de calor para la cochura cerámica: 1. 2. Madera y carbón 3. 4. Turba 5. 6. Lignito 7. 8. Hulla 9. 10. Cok 11. 12. Antracita 13. 14. Gas natural 15.
vegetal
16. Gas de ciudad 17. 18. Propano 19. 20. Gas de generador 21. 22. Fuel-oil 23. 24. Electricidad
La elección de la fuente de calor está seguida por: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Disponibilidad y precio por unidad de calor Costes de inversión y de mantenimiento del equipo necesario para quemarla o utilizarla Necesidades de mano de obra Naturaleza de los gases introducido en el horno
Se considera que en hornos poco eficientes el único combustible que puede utilizarse es el más barato, en cambio, en hornos eficientes con buena recuperación y aislamiento el coste extra de un combustible limpio está compensado por el mayor porcentaje de piezas satisfactorias y por la posibilidad de eliminación de cajas. El gas de ciudad está encontrando cada vez un mayor empleo para la cocción en hornos de túnel, es limpio, generalmente constante en abastecimiento y poder calorífico, no requiere almacenamiento y su utilización no presenta problemas. El gas de generador, resulta más económico que el gas de ciudad pero requiere el capital, espacio y mano de obra necesario para el equipo generador. Para un fabricante en gran escala es conveniente el poseer un generador de gas. El fuel-oil reúne muchas de las ventajas de seguridad que ofrece el gas de ciudad, con la excepción de que casi siempre contiene azufre; requiere almacenamiento, con el consiguiente riesgo de incendio. La electricidad constituye la fuente de calor más limpia y más fácilmente controlable. La eficiencia térmica de un horno calentado eléctricamente es aproximadamente el doble que la de cualquier otro tipo, pero éste solo hecho no compensa su elevado coste por unidad. En cambio, se compensa éste por su conveniencia en los casos de materiales de alta calidad.
Instrumentos para la observación, registro y control del horno y de otras condiciones de los procesos
La propiedad más importante del interior del horno que debe mantenerse constantemente en observación es la temperatura. Se efectúan otras mediciones sobre el tiro, el contenido en humedad y en CO 2 de los gases de combustión, el caudal de aire y de gas que llega a los mecheros, etc.
Medida de la temperatura y del calor trabajo (heat-work) La mayor parte de las transformaciones que se producen en los materiales cerámicos durante la cochura son lentas y frecuentemente no llegan a completarse. Estas transformaciones dependen tanto del tiempo como de la temperatura, y toman un curso diferente conforme a la velocidad de aumento de la temperatura y al tiempo que se mantienen a una temperatura determinada. La sola medida de la temperatura no dará por consiguiente una indicación cierta de la cantidad de calor-trabajo comunicada a los materiales y de su grado de madurez. Con frecuencia es muy útil seguir los progresos dentro del horno por algún método que responda al tiempo y a la temperatura de un modo semejante a como lo hacen las piezas. Estos registradores calor-trabajo también se llaman o termoscópios.
Cajas y accesorios de los hornos Numerosos tipos de ladrillos requieren distintas formas de soportes y protecciones. Estos están representados por las cajas y los accesorios del horno. Las cajas son receptáculos cilíndricos, ovalados o rectangulares. Las piezas se introducen en ellas fuera del horno y seguidamente se apilan unas sobre otras en el horno o en el carro del horno, quedando al propio tiempo protegidas contra las llamas, cenizas, gases sulfurosos, etc. Dentro de las cajas algunas piezas se soportan posteriormente mediante soportes o anillos para evitar deformaciones y los materiales vidriados se protegen contra todo contacto mediante puntos de apoyo. En otros casos, en que la existencia de una mufla o la cochura limpia hacen posible prescindir de la protección de las cajas, se dispone de un sistema de estantes para la colocación de las piezas. Las cajas y la mayoría de los accesorios de hornos son en sí mismos productos cerámicos. Una caja satisfactoria debe tener una vida útil no inferior a 100 cochuras. Las cajas adecuadas para loza cocida a las temperaturas de los conos 4 a 5 tienen una vida de 200-300 ciclos, y las satisfactorias para porcelana cocidas a la temperatura correspondiente a los conos 14 a 15 resisten 200 operaciones.
La cochura de las piezas en cajas o en bandejas, etc., significa que se consume una parte de la capacidad del ahorro y del combustible. En el horno intermitente, el calor requerido para calentar las cajas, etc., hasta la temperatura de cochura de las piezas se pierde totalmente. En un buen horno de tunel se recupera una gran parte del mismo, pero se pierde aún capacidad del horno. Por consiguiente presenta incentivos la reducción del peso y el volumen de los accesorios de cochura. El factor más importante es la consecución de una cochura más limpia y sin llama que haga innecesaria la función protectora de las cajas permitiendo la adopción de métodos abiertos de soporte de los materiales. Puede lograrse una reducción haciendo las bandejas y soportes más resistentes a fin de que puedan utilizarse secciones más finas o soportarse mayores cargas. Una cochura más intensa de los accesorios de horno conducirá a mayores resistencias en caliente.
La colocación de las piezas en los hornos El método de la colocación de las piezas en el hornos depende de cierto número de factores relacionados tanto con las propias piezas como con el horno en sí. Piezas: a) Bizcocho o vidriado; b) Resistentes a la carga en caliente o más o menos propensas a la deformación y, c) Indiferentes a las llamas y la atmósfera del horno que requieren más o menos protección contra las mismas. Horno: a) De llama directa o de mufla o eléctrico; b) Combustibles relativamente sucios o limpios y, c) Tipos intermitentes, continuos o de túnel. En general los materiales sin vidriar pueden apilarse en contacto, mientras que cada pieza de material vidriado debe separarse cuidadosamente de todas las demás o de lo contrario se pegarán unas a otras. Las calidades inferiores de materiales, ladrillos, tejas, etc., pueden cocerse en contacto directo con los gases del horno, en tanto que los materiales de calidad, en particular si su color ha de ser blanco, deben protegerse contra el contacto directo de las llamas, humo, cenizas, etc., colocándolos en cajas o utilizando hornos de mufla. La colocación de las piezas individuales o las cajas en los hornos ha de hacerse de tal forma que permita la circulación óptima de los g ases del horno para lograr una máxima regularidad de la temperatura y del intercambio de calor. Una colocación demasiado separada permite que los gases pasen a su través con facilidad y antieconómicamente. Por el contrario, un método de colocación demasiado compacto impide que los gases alcancen uniformemente a la totalidad de las piezas. Los espacios libres entre grandes piezas de forma irregular (como material sanitario) deberán rellenase con piezas de menor tamaño para impedir que las piezas mayores sufran una cochura excesiva.
Hornos intermitentes modernos La tendencia principal en los hornos intermitentes modernos está orientada hacia la construcción de hornos pequeños para materiales cerámicos finos. Por lo general estos se calientan eléctricamente o por gas. Se ha demostrado que su coste de operación es ligeramente inferior a los hornos de botella debido a: a) Eliminación de cajas; b) Ahorro de la mano de obra empleada en la manipulación de las mismas; c) Una cochura más uniforme, con mayor proporción de piezas de primera calidad en la producción; d) Cochura automática programada; e) La ausencia frecuentemente de necesidad de trabajos a turnos; f) Condiciones de trabajo más agradables en general. Los hornos de mayor tamaño, en especial los calentados a gas, son de estructura de mampostería, es decir, fijos. Tales hornos no solo se utilizan en la industria, sino también en laboratorios, talleres de arte, universidades y escuelas. Algunas de las economías de calor y tiempo propias del horno de túnel se consiguen en dos nuevos tipos de hornos intermitentes, el horno de vagoneta y el horno de campana. En estos, la base de la carga es independiente de la temperatura de las paredes del horno.
Hornos de túnel En el estudio de los hornos periódicos se llegó a la conclusión de que para la producción en gran escala resultaría más económico un sistema más continuo de cochura que reutilizase el calor desprendido por los materiales por su enfriamiento. En el horno de túnel se aplica el método opuesto de la cochura continua, es decir, se desplazan los materiales a lo largo de un túnel calentado. La temperatura encontrada por los materiales conforme avanzan a lo largo del túnel aumenta al principio y disminuye después gradualmente como en un horno intermitente, pero la estructura del horno en un punto dado se mantiene siempre a la misma temperatura. Así se consigue la mayor aproximación al método de cochura ideal en el cual la energía calorífica se consume solamente en las transformaciones químicas irreversibles. El calor invertido exclusivamente en modificar la temperatura de los materiales se recupera lo más completamente posible durante el enfriamiento. Consiste esencialmente en un largo túnel recto o circular, de superficie interior relativamente pequeña. Las dimensiones extremas de los hornos construidos hasta ahora parecen ser las siguientes: longitud de 2.2m a 210m, ancho de 2cm a 300cm y alturas de 8cm a 200cm. A lo largo de este túnel se desplaza un sistema de transporte de los materiales, usualmente de raíles, con vagonetas o carros. La parte superior de la vagoneta se protege del calor mediante una loza refractaria, y un muro de arena a cada lado impide que el calor llegue a las ruedas y raíles. Los
materiales avanzan contra una corriente de aire que roba calor de los que se encuentran en un periodo de enfriamiento y lo transmite a aquellos que se hallan en periodo de calentamiento. En el centro del horno se aplica calefacción directa. Los materiales se colocan en vagonetas fuera del horno formando una estructura que se corresponda con la sección transversal del inferior de este. El programa de cochura real puede aproximarse más al ideal que en cualquier otro horno de fabricación. Dicho programa puede ajustarse y controlarse muy exactamente, por lo que en un horno de túnel se construye ex profeso para un ritmo de producción y un programa de cochura dados. Reduce la dificultosa y frecuentemente ardua tarea de cargar y descargar los materiales de los hornos de mayor longitud, y en las factorías dispuestas alrededor del horno se reducen al mínimo el movimiento y la manipulación de los materiales. La principal limitación de su empleo radica en que una vez que se ha puesto en servicio y ajustado solo podrá cocer piezas de la misma pasta y de dimensiones similares. Puede proyectarse un horno de túnel para satisfacer las siguientes necesidades de la industria cerámica:
1. 2.
3. 4.
5. 6. 7. 8.
Puede construirse para cocer todo tipo de materiales y para cualquier proceso en particular, por ejemplo, cochura de bizcocho, ídem de vidriado, cochura total en un solo paso, vidriado salinado, decoración y esmaltado. Los resultados serán tan buenos o mejores que los alcanzados en hornos periódicos, con un mayor porcentaje de piezas uniformes de primera calidad. El programa de la cochura puede ajustarse finamente adaptándolo a cualquier peculiaridad de los materiales, sin dejar por ello de ser lo más rápido posible. Se logra una mayor aproximación al programa ideal de cochura que en cualquier otro horno industrial. Puede construirse un horno adecuado para cualquier capacidad de producción, con tal que esta sea aproximadamente regular. El consumo de combustible es menor que en otros hornos y la cochura requiere de mayor especialización, pudiendo ser de hecho completamente automática.
9. 10. Generalmente se utilizan combustibles limpios, lo cual puede eliminar la
necesidad de emplear cajas.
11. 12. El
calor perdido puede aprovecharse en los secaderos, etc.
13. 14. La mano de obra necesaria para la manipulación de los materiales y el
mantenimiento del horno a punto es más reducida que en cualquier otro tipo de horno.
15. 16. La necesidad de reparación es menos frecuente. Solo una pequeña parte
del horno se encuentra a temperaturas elevadas y puede por tanto, construirse a base de los refractarios más adecuados, y puesto que cada parte se encuentra a temperatura constante no se producen las expansiones y contracciones repetidas encontradas en otros hornos
La principal desventaja del horno de túnel es el considerable desembolso de capital, no pudiendo hacerse por partes, al contrario que en varios tipos de hornos intermitentes.
Especificaciones Normalizadas Especificaciones normalizadas británicas relativas a la cerámica B.S.45:1952
Bujías de encendido
B.S.13:1941
Aisladores de porcelana y vidrio endurecidos para conducciones eléctricas aéreas
B.S.223:1956 B.S.657:1950
Rendimiento eléctrico de aisladores pasantes de alto voltaje Dimensiones de ladrillos de construcción comunes
B.S.914:1952 B.S.1181:1944
Calidad de la porcelana de laboratorio Revestimientos de humos y tubos de chimenea de arcilla adecuados para fuegos directos (dimensiones y ejecución exclusivamente) Bloques de construcción de arcilla hueca
B.S.1190:1951 B.S.123335:1945 B.S.1257:1945 B.S.1301:1946
Coronamientos de material arcilloso, hormigón vaciado y piedra natural
B.S.1598:1949 B.S.1614:1949
Materiales cerámicos para telecomunicación y propósitos relacionados Basamentos de mampostería para calderas cilíndricas
B.S.1758:1951
Refractarios de arcilla refractaria (ladrillos y otras piezas) para uso en la industria del petróleo
Métodos de ensayo para ladrillos de construcción de arcilla Ladrillos técnicos de arcilla
B.S.1902:1952 B.S.2067:1953 B.S.600:1935 B.S.600R:1942
Métodos de ensayo para materiales refractarios Determinación del factor de potencia y la constante dieléctrica de los materiales aislantes Aplicación de métodos estadísticos a la normalización y al control de calidad en la industria Cartas de control de calidad Lista de las normas francesas relacionadas con la cerámica (NF)
B. 40-001 B. 49-101 B. 49-401
B. 49-431 D. 10-101 D. 11-105
Definición - clasificación Medidas de las variaciones permanentes de dimensiones Productos a base de arcilla (silico-aluminosos, aluminosos, extra aluminosos), productos de bauxita, cianita, de corindón, productos silíceos y sus materias primas (con exclusión de los productos de sílice) Productos de sílice y sus materias primas
D. 25-101 P. 13-301 P. 13-404
Fregaderos de cocina; características generales Taza de W.C. en cerámica de lavado directo y sifón oculto con salida posterior y salida central Platos de porcelana Ladrillos (calidades) Ladrillos (dimensiones)
P. 14-402 P. 14-403
Aglomerados para construcción (dimensiones) Ladrillos silico-calcareos (dimensiones)
P. 18-301
Agregados para cementos de construcción
Sociedad americana para ensayos de materiales (ASTM) C 62-58 C 279-54 C 67-57 C 4-59T C 315-56
Ladrillo para construcción (unidades compactas de mampostería fabricadas a partir de arcilla o pizarra) Unidades de mampostería resistentes a productos químicos Toma de muestras y ensayos de ladrillos Baldosa de arcilla para canales de desagüe (provisional) Revestimientos de arcilla para conductos de humos
C 200-57T C 301-54 C 27-58 C 155-57 C 136-55 C 64-51
Tubería de arcilla, resistencia extra (provisional) Tubería de arcilla Ladrillo refractario de arcilla refractaria Ladrillo refractario aislante Materiales refractarios molidos, con tamizado sencillo y doble Refractario para servicio de calderas fijas y sometidas a trabajo duro
C 153-51 C 106-51
Refractarios para servicio de calderas fijas y sometidas a trabajo moderado Refractarios para incineradore
C 18-52 C 16-49 C 113-46 C 20-46 C 71-55
Análisis química de materiales refractaris Ladrillo refractario, ensayos bajo carga a emperaturas elevadas Variaciones de ladrillo refractario en el reclentamiento Porosidad aparente, absorción de agua, densidad relativa aparente y densidad a granel de los ladrillos refractarios cocidos Refractarios
C 323-56 C 322-56
Análisis químico de las arcillaspara cerámica fina Toma de muestras de arcilla para cerámica fina
F 7-58T D 116-44
Polvo de óxido de aluminio (provisional para aislamiento eléctrico) Porcelana eléctrica
C 200-57T C 301-54 C 27-58 C 155-57 C 136-55 C 64-51
Tubería de arcilla, resistencia extra (provisional) Tubería de arcilla Ladrillo refractario de arcilla refractaria Ladrillo refractario aislante Materiales refractarios molidos, con tamizado sencillo y doble Refractario para servicio de calderas fijas y sometidas a trabajo duro
C 153-51 C 106-51
Refractarios para servicio de calderas fijas y sometidas a trabajo moderado Refractarios para incineradore
C 18-52 C 16-49 C 113-46 C 20-46 C 71-55
Análisis química de materiales refractaris Ladrillo refractario, ensayos bajo carga a emperaturas elevadas Variaciones de ladrillo refractario en el reclentamiento Porosidad aparente, absorción de agua, densidad relativa aparente y densidad a granel de los ladrillos refractarios cocidos Refractarios
C 323-56 C 322-56
Análisis químico de las arcillaspara cerámica fina Toma de muestras de arcilla para cerámica fina
F 7-58T D 116-44
Polvo de óxido de aluminio (provisional para aislamiento eléctrico) Porcelana eléctrica
