Facultad de Ingeniería de Minas Escuela Profesional de Ingeniería Química
TEMA:
Producción de ácido nítrico a partir de amoniaco
DOCENTE: ING°. Dante Castro Ca stro Coronado Cor onado
CURSO:
Economía de los Procesos Quimicos ALUMNO:
TERRY VARGAS MARVIN ALEXIS
MATERIALES CERAMICOS MODERNOS
MATERIALES CERAMICOS MODERNOS
MATERIALES CERAMICOS MODERNOS Los materiales industriales pueden clasificarse en tres grupos principales, como puede verse en el cuadro 1.1, que son los siguientes: materiales inorgánicos, orgánicos y compuestos. A su vez cada grupo principal puede subdividirse en otros grupos, por ejemplo, el grupo de los materiales inorgánicos se divide en materiales metálicos y materiales no metálicos o cerámicos, los cuales a su vez pueden subdividirse en otros grupos . Nosotros vamos a poner nuestra atención en los materiales cerámicos, los cuales se pueden clasificar en tradicionales y avanzados (o finos, o modernos, o especiales, o nuevos, etc.). Se tratara de dar una visión de los principios científicos y de la tecnología que tienen relación con el procesado de materiales cerámicos a partir de materias primas pulverulentas con el fin de obtener un producto final que cumpla determinadas propiedades. Entre los nuevos descubrimientos de la ciencia y de la tecnología en las últimas décadas (últimos 60 años), quecubren un gran número de nuevos materiales y aplicaciones, las cerámicas avanzadas tienen y van a tener, debido a sus propiedades únicas y su competitivo coste, un papel muy importante como opción sustitutiva de otros materiales en aplicaciones tradicionales y como nuevos materiales para tecnologías innovativas. La tecnología del procesado cerámico se usa para producir productos comerciales que son muy diversos en cuanto a: TAMAÑO, FORMA, DETALLE, COMPLEJIDAD, COMPOSICION, ESTRUCTURA Y COSTE. Cuentan las crónicas sagradas que la arcilla fue el primer material de la humanidad que, por un "procesamiento" adecuado en las manos Divinas, dio lugar a la máquina más perfecta desarrollada: el hombre. Lo que si es cierto es que las culturas, a través de las cuales ha transcurrido la historia del hombre, son conocidas por los materiales que iban surgiendo o que eran preponderantes. Así se habla de la edad de piedra, de la edad del bronce y de la edad del hierro. Algunos analistas auguran para un futuro cercano la edad de la cerámica avanzada. Existe actualmente un gran acuerdo entre los diferentes analistas, tanto financieros como técnicos, en subrayar la enorme importancia que están adquiriendo los nuevos materiales cerámicos o las cerámicas avanzadas en los nuevos procesos y nuevas tecnologías que conformarán el panorama industrial de los próximos años. Ahora bien, ¿qué se entiende por materiales cerámicos?
Según la British Ceramic Society (1979) una cerámica es un material sintético, sólido, que no es ni metálico ni orgánico, y en cuya elaboración es necesario utilizar tratamientos térmicos a altas temperaturas. Un intento reciente de definir el término "cerámicas" ha sido hecho por autores rusos, los cuales lo definen como materiales policristalinos consolidados basados en los compuestos de los grupos III-VI de los metaloides uno con otro y/o con metales, en cuya tecnología de fabricación se incluyen fenómenos de transporte de masa de los cuales resulta la unión. Incluyen óxidos, nitruros y carburos de Si, Al, Ti y Zr. Cuadro 1.1.- Clasificación de los materiales industriales
Aun que la
La definición anterior es notable por su punto de vista científico, sin embargo parece perder algo cuando se la compara con definiciones más antiguas y generales, entre las que se encuentra, por ejemplo, la de Kingery, que aún hoy en día es de las más unificadoras. Dicho autor define la cerámica como el arte y la ciencia de fabricar y usar materiales sólidos, que están compuestos en su mayor parte (Componente esencial) por materiales no metálicos. La definición más ampliamente aceptada es que son aquellos productos (piezas, componentes, dispositivos, etc.) constituidos por compuestos inorgánicos, no metálicos, cuya característica fundamental es que son consolidados mediante tratamientos térmicos a altas temperaturas. Algunos científicos introducen el concepto de materiales inorgánicos cristalinos, no incluyendo, por tanto, al vidrio dentro de los materiales cerámicos, máxime cuando actualmente se le considera inmerso, por algunos sectores científicos, dentro del campo de lo que recientemente se denomina como sólidos no cristalinos. Tratando de restringir aun más su amplia definición, para ser más precisos y realistas, hay que señalar que esencialmente un material cerámico es un material policristalino. Finalmente, otra definición puede ser:
Por otro lado, dentro de los materiales cerámicos, ¿cuales son los que se denominan actualmente materiales cerámicos avanzados o nuevos materiales cerámicos?. Las figuras 1.1 y 1.2 muestras las diferencias entre los materiales cerámicos tradicionales y los avanzados en términos de materias primas, proceso de conformado, proceso de cocción, productos finales y estructura. Con excepciones, y éstas referidas a los materiales cerámicos no oxídicos, hay que tener presente que los nuevos materiales cerámicos avanzados está
constituidos por los mismos elementos que los materiales cerámicos tradicionales, luego desde ese punto de vista no son nuevos materiales, sino que son nuevos productos que teniendo una constitución mineralógica análoga a los cerámicos tradicionales, presentan, sin embargo, unas propiedades muy superiores a las de estos últimos. Entonces, cabe preguntarse a que se debe esa diferencia tan acusada en cuanto a sus propiedades.
Figura 1.1.- Diferencias entre cerámicas tradicionales y avanzadas.
Figura 1.2.- Diferencias entre cerámicas tradicionales y avanzadas. En la figura 1.3 puede verse una comparación entre las microestructuras de una alúmina densa convencional con una densidad igual al 98 % de la teórica y una alúmina transparente opticamente con densidad igual al 99.9 % de la teórica. En contraste con aquellas propiedades que dependen de los enlaces interatómicos y, por tanto, son intrínsecas al material, tales como por ejemplo el punto de fusión, la dureza y la expansión térmica, tenemos que la resistencia mecánica, así como las propiedades eléctricas o magnéticas, varían notablemente con su microestructura (textura) entendiendo por tal la naturaleza físico - química, tamaño y distribución de las fases que lo constituyen. La textura representa, pues, una característica importante en la ciencia y tecnología de los materiales cerámicos, que une el proceso de fabricación y las propiedades. Las materias primas, el modo en que ellas son conformadas y proceso seguido en su tratamiento térmico, afectan a la textura del material final y, por tanto, a sus propiedades. Además en las propiedades también influyen factores externos, tales como la temperatura, el ambiente de trabajo, etc. El técnico cerámico no solo ha de intentar explicar las propiedades de interés en términos de la textura del material, sino que también ha de ajustar las condiciones de fabricación con el fin de optimizar las propiedades más importantes.
Los materiales cerámicos tradicionales están fabricados con materias primas de yacimientos naturales, con o sin proceso de beneficiación para eliminar impurezas al objeto de aumentar su pureza, tales como los materiales arcillosos. El conformado puede ser manual y el proceso de cocción se realiza en hornos tradicionales (horno túnel, hornos ascendentes, etc). En cuanto a la microestructura la mayoría de los materiales cerámicos tradicionales presentan un tamaño de grano grueso y una alta porosidad, visible al microscopio óptico de no muchos aumentos (La microestructura se puede estudiar u observar a niveles de microscopía óptica). La densidad llega únicamente a alcanzar valores del orden del 10 al 20 % menor que la densidad teórica del material. Las cerámicas tradicionales pueden definirse como aquellas que comprenden las industrias que tienen como base a los silicatos, principalmente los materiales arcillosos, los cementos y los vidrios de silicatos. Entre las cerámicas tradicionales pueden citarse: las vasijas de barro cocido, la porcelana, los ladrillos, las tejas, los vidrios, etc. Figura 1.3.- Comparación entre las microestructuras de una alúmina densa convencional con una densidad igual al 98 % de la teórica y una alúmina transparente opticamente con densidad igual al 99.9 % de la teórica.
El arte de fabricar vasijas y piezas conformando y cociendo materiales arcillosos, ha sido practicado desde las más antiguas civilizaciones. Los restos o fragmentos de las piezas encontradas ha sido uno de los útiles objeto de estudio de los arqueólogos. Piezas de arcilla cocida han sido datadas en el año 6500 a. de C. y fueron desarrolladas como un producto comercial desde el año 4000 a. de C. Similarmente, la manufactura de vidrios de silicato es un arte también antigua y fue una industria estable en Egipto hacia el año 1500 a. de C. En contraste, la manufactura del cemento portland lleva practicándose solamente desde hace unos 170 años. El sector más importante de la industria cerámica basada en los silicatos es la manufactura de los distintos productos de vidrio (vidrios de silicato de sodio y calcio). A este sector le sigue el de los cementos, entre los que deben destacarse los cementos hidráulicos, como los que se usan en la construcción. Un sector mucho más diverso incluye a la porcelana, sanitarios, alfarería, etc. Otro grupo distinto son los productos estructurales a base de materiales arcillosos como son, principalmente, los ladrillos y las tejas, pero que también incluye otros productos como son las tuberías. Un grupo particularmente importante de la industria cerámica tradicional es el sector de los refractarios. Aproximadamente el 40 % de la industria refractaria consiste el productos basados en la arcilla cocida. Las cerámicas tradicionales, o cerámicas a base de silicatos se producen en gran tonelaje y constituyen un mercado importante. Por su parte, los materiales cerámicos avanzados están fabricados con materias primas artificiales que han sufrido un importante procesado químico para conseguir una pureza alta y una mejora de sus características físicas. El proceso de conformado se realiza con equipos sofisticados, que incluyen la utilización de alta temperatura y presión, por ejemplo, prensado isostático en caliente. La microestructura es de grano fino y se tiene que resolver o estudiar por medio de la microscopía electrónica. La densidad llega a alcanzar valores del orden del 99 o 100 % de la densidad teórica del material. Todo ello se traduce en que el nivel de los defectos en un material cerámico tradicional es del orden de los milímetros, mientras que un material cerámico avanzado son del orden de las micras (Figura 1.4).
Figura 1.4.- Diferencias entre cerámicas tradicionales y avanzadas. Si se tienen en cuenta los argumentos clásicos, expuestos ya por Griffith en 1920, todo material fallará por fractura frágil según la expresión:
donde Y es una constante adimensional que depende de la geometría de la carga y de la configuración geométrica de la grieta, a es el tamaño de defecto a partir del cual la fractura se origina, E es el módulo de Young del material y _ es la energía superficial por unidad de área (Trabajo reversible que se realiza para crear nueva superficie por adición de nuevos átomos).
Así pues la resistencia de un material depende de dos parámetros: uno del nivel o tamaño de los defectos y otro de la tenacidad intrínseca del mismo, 0 E_ . Por tanto, cualquier variabilidad en el tamaño de los defectos en un material se traduce en una variabilidad de su resistencia. Esto explica que, para el nivel de defectos existente en las cerámicas tradicionales, su resistencia oscile entre 15 y 120 MPa como máximo, mientras que en un material cerámico avanzado se puedan alcanzar valores que oscilan entre 200 y 1100 MPa. Así, los materiales cerámicos avanzados o los nuevos materiales cerámicos son aquellos productos de los cuales se espera que, dependiendo de las materias primas y composiciones utilizadas, posean: excelentes propiedades mecánicas bajo condiciones extremas de tensión, altas resistencias al desgaste o excelentes propiedades eléctricas, magnéticas u ópticas o bien excepcional resistencia altas temperaturas y ambientes corrosivos (altas resistencias al ataque químico). Todas esas propiedades acompañadas de una densidad muy inferior a muchos de los productos a los que sustituyen como por ejemplo aceros aleados, hacen que sus campos de aplicación sean innumerables. En la tabla 1.1 se dan los valores de diversas propiedades para materiales cerámicos usuales. Tabla 1.1.- Valores de diversas propiedades para materiales cerámicos usuales.
Los materiales cerámicos avanzados se han desarrollado en los últimos 60 años y son de gran interés debido a las propiedades únicas que poseen. Así, han sido desarrolladas cerámicas para aplicaciones donde se requiere una gran resistencia a la temperatura (Refractariedad elevada Tuso > 1000 ºC), propiedades mecánicas más elevadas, especiales propiedades eléctricas, mayor resistencia química (Gran estabilidad química), etc. Otras han sido descubiertas más o menos accidentalmente y posteriormente han llegado a tener un importante papel en alguna rama industrial. El hecho es que las cerámicas avanzadas han tenido y tiene un notable desarrollo, mano a mano con otras industrias, y han encontrado un amplio campo de aplicaciones como materiales industriales, debido a la gran variedad y únicas propiedades que pueden tener. Estas propiedades únicas explican el interés actual por las cerámicas avanzadas o finas. Propiedades que interesan son las termomecánicas (HORNOS, etc.) que incluyen: refractariedad importante (Tuso > 1000 ºC), buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas, resistencia a la abrasión, resistencia al choque térmico y gran estabilidad química (resistencia al ataque químico). En la figura 1.5 puede verse la resistencia a la rotura para varios materiales y su evolución en función de la temperatura. Puede observarse que los materiales cerámicos y los materiales compuestos de matriz cerámica (CMCs) son los únicos que se pueden utilizar a temperaturas superiores a los 1400 °C.
Figura 1.5.- Resistencia a la rotura para varios materiales y su evolución en función de la temperatura.
En resumen, los materiales cerámicos avanzados pueden definirse por las tres características siguientes: 1.- Para su fabricación se usan materia primas de alta pureza (99.99 %), con composición química y propiedades morfológicas controladas. Granulometría submicrónica (< 1μm)
2.-El procesado esta sujeto a un control preciso, tanto en el conformado como en la cocción. 3.-Los productos tienen una microestructura bien controlada, que asegura su alta fiabilidad o respuesta a la utilización para la cual ha sido diseñada. Los materiales cerámicos por sus aplicaciones se pueden dividir en dos grandes grupos: 1.- Cerámicas técnicas o estructurales 2.- Cerámicas eléctricas o electrocerámicas. A su vez en las cerámicas técnicas o estructurales se puede efectuar una división en función de las materias primas utilizadas: i.- Cerámicas oxídicas (Blancas). ii.- Cerámicas no oxídicas (Negras) cuyas principales materias primas pueden verse en la tabla 1.2. Tabla 1.2.- Principales materias primas para la fabricación de cerámicas avanzadas.
Las propiedades enumeradas anteriormente hacen que las cerámicas avanzadas sean útiles como componentes de motores, quemadores, intercambiadores de calor, etc. Por sus propiedades eléctricas son útiles como capacitadores piezoeléctricos, termistores, substratos de circuitos integrados, aisladores, soportes de semiconductores, condensadores de alta tensión, etc. Por sus propiedades ópticas se utilizan como ventanas de infrarrojos, construcción de láseres y de lámparas de sodio de alta presión. Por su dureza y resistencia a la abrasión encuentran utilidad como herramientas de corte. Por otro lado, muchos de ellos son biocompatibles y pueden ser utilizados en el campo de la medicina como implantes óseos (Huesos y rótulas). Las aplicaciones de los materiales cerámicos se indican en la tabla 1.3 y en la figura 1.6. En esta ultima se ilustra el "el árbol genealógico" de la familia cerámica. Asimismo en la tabla 1.4 se da una clasificación de los materiales cerámicos tomando como criterio su función. Tabla 1.3.- Productos obtenidos por procesamiento cerámico de polvos.
Figura 1.6.- Árbol genealógico de la familia cerámica.
Tabla 1.4.- Clasificación de los materiales cerámicos tomando como criterio su función.
Finalmente, en el cuadro 1.2 se da una clasificación de los materiales cerámicos tomando como base su función y dentro de esta a su vez se clasifican en materiales cerámicos clásicos (tradicionales) y especiales (avanzados). Como se puede apreciar, el campo de aplicación de los nuevos materiales cerámicos es muy amplio y cubre, prácticamente, todos los campos de la actividad industrial. Cuadro 1.2.- Clasificación de los materiales cerámicos tomando como base su función
Cuadro 1.2.- Clasificación de los materiales cerámicos tomando como base su función (Continuación).
Las características de los materiales cerámicos pueden comprenderse mejor, por comparación con los metales. Así por ejemplo, en la tabla 1.5 alúmina se relaciona con el aluminio. Este tiene una temperatura de fusión baja, una conductividad térmica elevada y es blando, mientras que la alúmina tiene una temperatura de fusión muy alta, una conductividad térmica baja y es dura. En general, los materiales cerámicos tienen mejores características en dureza, resistencia a alta temperatura y resistencia a la corrosión, pero tienen desventajas como por ejemplo., que son frágiles y que aun presenta dificultades el fabricarlos con alta reproductibilidad. Sin embargo, estas desventajas pueden ser superadas, en alguna medida, mediante una adecuada elección de las materias primas y modificando convenientemente el proceso de fabricación.
En la tabla 1.6 se enumeran las propiedades de las cerámicas técnicas estructurales que sustentan su uso en motores y en la tabla 1.7 algunas de las aplicaciones en dicho campo.
Tabla 1.6.- Propiedades de las cerámicas técnicas que sustentan su uso en motores.
Tabla 1.7.- Aplicaciones de las cerámicas estructurales en el campo de los motores.
Tres razones fundamentales pueden ser esgrimidas para justificar la creciente importancia de los materiales cerámicos. En primer lugar, razones puramente estratégicas. Es bien conocido el hecho de que un posible corte en el suministro de algunos metales, tales como el niobio, manganeso, cromo, cobalto, níquel, etc., en los países del área occidental produciría unas consecuencias irreparables en sus respectivas economías. En la figura 1.7 se refleja la dependencia del mundo occidental de una serie de metales o minerales metálicos sumamente estratégicos.
Veamos como ejemplo el caso del cromo. Es el aditivo más ampliamente utilizado para endurecer, incrementar la resistencia al desgaste y a la corrosión de una gran variedad de aleaciones metálicas. También es utilizado como aditivo que incrementa la resistencia mecánica a la deformación y a la oxidación de muchas aleaciones metálicas a altas temperaturas. Se usa en los aceros inoxidables, en las aleaciones para herramientas y en las superaleaciones. Sin embargo la práctica totalidad de los depósitos mundiales de este mineral se encuentran concentrados en sólo siete países: Cuba, Filipinas, Transvaal, Turquía, USSR, Rodesia e India. Se intuye claramente la necesidad de buscar materiales alternativos que no requieran la presencia de estos minerales para su fabricación. En este punto los materiales cerámicos pueden desempeñar un papel importante de sustitución, contribuyendo significativamente a reducir la vulnerabilidad del mundo occidental.
Figura 1.7.- Dependencia del mundo occidental en metales considerados estratégicos. La segunda razón es de naturaleza puramente económica. El consumo energético para producir un material cerámico es, en general, aproximadamente el 50 % del consumo requerido para producir un metal o un componente metálico. Por otro lado, la mayoría de los materiales cerámicos están constituidos por elementos ampliamente existentes en la corteza terrestre y, generalmente, bastante bien distribuidos. Así, en la tabla 1.8 se puede observar que el silicio y el aluminio, dos los componentes más representativos de los materiales cerámicos,
son los elementos más abundantes de la corteza terrestre e incluso el circonio, constituyente fundamental de gran parte de los materiales cerámicos avanzados, abunda más que metales tan comunes como el cobre, el plomo o el cinc. Tabla 1.8.- Distribución de los elementos (Excluido el oxígeno) en la corteza terrestre.
En tercer y último lugar las ventajas que los materiales cerámicos presentan, intrínsecas a su naturaleza, en cuanto a sus propiedades: mayor dureza, mayor resistencia a la oxidación, más baja densidad, menor conductividad térmica, mayor resistencia al ataque químico y por supuesto una mayor resistencia a temperaturas elevadas. Todo lo expuesto justifica el que en los países más avanzados tecnológicamente, se haya apoyado y estimulado desde hace años una política tendente a la obtención de materiales cerámicos con altas prestaciones en sus características y con fines muy diversos. Frente a las ventajas mencionadas los materiales cerámicos presentan lógicamente algunos inconvenientes.
Estos son fundamentalmente: su reproducibilidad y su fragilidad, condición inherente a su naturaleza La reproducibilidad se puede mejorar mediante un procesado adecuado, con objeto de lograr microestructuras controladas con tamaños de defectos lo más pequeños posibles y la fragilidad, tratando de incrementar, con mecanismos de reforzamiento adecuados, la energía requerida para que una grieta se propague en el material. En la tabla 1.9 se ha expuesto esquemáticamente la correlación entre fabricación o proceso tecnológico y lo que se entiende por procesamiento cerámico. Las sucesivas etapas del proceso (Figura 1.8) , iniciándose en los materiales de partida, formación de sistemas particulados, conformado, secado y cocción, configuran la fabricación y tienen que ver con aspectos de ingeniería tales como equipos, máquinas, moldes, etc. Las etapas paralelas donde se enmarca el comportamiento o respuesta del material al ser expuesto a las diferentes etapas de la fabricación es lo que constituye los fundamentos del procesado cerámico desde el punto de vista del material. Tabla 1.9.- Correlación entre fabricación o proceso tecnológico y procesamiento cerámico.
Figura 1.8.- Diagrama de flujo del proceso de fabricación de materiales cerámicos.
Esta correlación puede ayudar a eliminar la confusión existente entre el procesado cerámico contemplado desde el punto de vista de la tecnología o ingeniería o desde el punto de vista de la ciencia de los materiales. En resumen, la fabricación cerámica enfatiza los aspectos ingenieriles del proceso y el "procesado" enfatiza los aspectos científicos del comportamiento de los materiales al ser sometidos a las diferentes etapas del proceso de fabricación. Se debe de hacer resaltar que el proceso cerámico es, a diferencia de otros procesos de materiales, un sistema ligado en donde cada modificación introducida en la secuencia persiste y ejerce su influencia en cada etapa subsiguiente y en consecuencia en las propiedades del producto final (Figura 1.9). Si se representa cada operación del procesamiento por un operador iP y el conjunto de las características de los materiales de partida por S, en la primera etapa los materiales de partida se transformarán, a través del operador 1 P , en el primer compuesto ¿intermedio,. Este producto intermedio se transforma mediante el operador P 2 en el segundo compuesto intermedio, De esta forma, el producto final será el resultado de n operaciones:
El procesamiento cerámico difiere del procesamiento de otros materiales en que las características estructurales y constitucionales de los materiales de partida se desarrollan y modifican en cada etapa sucesiva. Teniendo en cuenta la representación del procesamiento mediante operadores, el producto final contendrá términos que representarán todas las operaciones del proceso, así como las características de los materiales de partida. Como consecuencia, cualquier cambio en las características de los materiales de partida o en cualquier operación i P producirá un cambio en las características del producto final. Cada operación del procesamiento está relacionada con aquellas que la preceden y le siguen; la complejidad del sistema de procesamiento se refleja en la complejidad de estas relaciones.
Figura 1.9.- Efecto domino en el procesamiento cerámico
Para llegar a un conocimiento profundo del procesamiento es necesario determinar las relaciones adecuadas entre las variables del procesamiento y las propiedades de los productos. La figura 1.10 muestra las posibles relaciones entre estos parámetros. Estas relaciones se pueden establecer en cualquier etapa del procesamiento, así como entre una variable de procesamiento en una etapa y las propiedades del producto en cualquier etapa posterior. De la figura 1.10 se deduce que se pueden establecer relaciones entre las variables del procesamiento y las propiedades de comportamiento directa o indirectamente relacionando las variables de procesamiento con las propiedades características y, posteriormente, relacionando éstas con las propiedades de comportamiento. Sin embargo, para entender las relaciones entre el procesamiento y el comportamiento de un material, es necesario entender cómo afecta el proceso a las propiedades características y cómo éstas afectan a las propiedades de comportamiento. La relación directa es, en sí misma, inadecuada. Ambos tipos de relaciones indirectas son muy complejas. El primer tipo requiere que las características de los materiales de partida y todas las variables de procesamiento, a excepción de una, sean consideradas como parámetros. En las segundas debe ser posible encontrar una expresión analítica que relacione una propiedad de comportamiento con la característica que la afecta. Si es posible establecer este análisis, se podrán sentar las bases para una aproximación sistemática del procesamiento cerámico. Así pues controlando el proceso cerámico, con una metodología científica, se pueden conseguir mejoras increíbles en las propiedades del producto final, lo que permite incluso transformar un producto tradicional en un producto cerámico avanzado.
Figura 1.10.- Relaciones que se pueden establecer entre las variables de procesamiento y las propiedades de los productos.
