Ceramicos y Refractarios
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CERCERMICOS Y REFRACTARIOSMICOS Y REFRACTARIOS
VVctor H. Guerrero, ctor H. Guerrero, Ph.DPh.D..
Departamento de MaterialesDepartamento de MaterialesEscuela PolitEscuela Politcnica Nacionalcnica Nacional
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Materials in Materials in DesignDesign Design = Process of Design = Process of
translating a new idea or translating a new idea or a market need into the a market need into the detailed information from detailed information from which a product can be which a product can be manufacturedmanufactured
Materials have limited Materials have limited design since the design since the beginningbeginning
Need to decide about: Need to decide about: materials, processesmaterials, processes
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MaterialsMaterials 40000 40000 toto 80000 80000 differentdifferent
onesones are are availableavailable
ClassicalClassical: : TheThe choicechoice ofofmaterial material isis dictateddictated by by designdesign
CurrentlyCurrently: : NewNew productsproductsare are developeddeveloped becausebecausewewe havehave newnew materials materials availableavailable
How do How do wewe choosechoose? ? ExperienceExperience, , catalogscatalogs, , systematicsystematic procedureprocedure
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ProcessesProcesses
ProductProduct formingforming technologicaltechnological processesprocesses dependingdepending onon itsits shapeshape complexitycomplexity levellevel andand weightweight [2][2]
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Materials Materials ChoiceChoice TheThe numbernumber ofof materials materials toto be be consideredconsidered
dependsdepends onon thethe stagestage duringduring thethe designdesignprocessprocess
Options are wide
List is shortened, more data is needed
precise data required for reduced
numberof materials
Beginning
Design becomes more focused
Finally
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Materials Materials ChoiceChoice YouYou needneed toto
keepkeep anan openopenmindmind
ChoiceChoice cannotcannot be be made made independentlyindependently
$$$ $$$ isis importantimportant
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Materials Materials ChoiceChoice ObjectiveObjective: : developdevelop a a
methodologymethodology thatthat, , ififproperlyproperly appliedapplied, , givesgivesguidanceguidance throughthrough thetheforestforest ofof complexcomplex choiceschoices
ConsiderConsider:: Materials (data) Materials (data) processes processes
(attributes)(attributes) Material Material shapeshape PerformancePerformance costcost AestheticsAesthetics ErgonomicsErgonomics
Relationships among some factorsconnected with materials, processes & functions of a product [2]
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EvolutionEvolution ofof Engineering MaterialsEngineering Materials FromFrom::
ToTo::
Titanium watch Metal matrix compositemountain bike
Carbon fiber reinforcedtennis racquet
Stone toolsBronze swords
Gold masks
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EvolutionEvolution ofof Engineering MaterialsEngineering Materials
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EvolutionEvolution ofof Engineering MaterialsEngineering Materials TheresTheres has has nevernever beenbeen anan era in era in whichwhich thethe
evolutionevolution ofof materials materials waswas fasterfaster andand thethe rangerange ofofpropertiesproperties more more variedvaried
ThisThis isis notnot thethe ageage ofof oneone material; material; itit isis thethe ageage ofofanan inmenseinmense rangerange ofof materialsmaterials
DesignersDesigners whowho leftleft collegecollege 20 20 yearsyears ago can be ago can be forgivenforgiven forfor notnot knowingknowing thatthat havehave ofof themthem existexist
NotNot knowingknowing = = riskrisk toto failurefailure ((disasterdisaster))
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A escala atmica: Los tomos en los materiales se mantienen unidos medianteun enlace qumico: inico, covalente, metlico, molecular y
de hidrgeno.
Un material puede ser cristalino (p.e. cermica policristalina) o amorfo (p.e. vidrio).
1. 1. IntroducciIntroduccinn
Las estructuras cristalina y amorfa
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Ejemplos: punto de fusin, mdulo elstico, coeficiente de expansin trmica,ferroelectricidad (BaTiO3), fragilidad.
Propiedades intrnsecas: qumicas, trmicas, elctricas, magnticas y pticas.
Estructura a escalaatmica
ABO3
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Monocristales y policristales. Microestructura.
Monocristal: Material constitudo por una nica orientacin del cristal
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Policristales: Materiales constitudos por un gran nmero de pequeos cristales o granos, separados entre s por fronteras de grano.
Propiedades del policristal Propiedades de sus cristalitos, moduladas por el estado de agrupacin de ellos
Por qu es ms comn el uso de cermicas y metales policristalinos?
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La microestructura: Se refiere a la naturaleza, cantidad y distribucin de las diferentes fases que forman el material
La microestructura cermica: vtrea o cristalina, o cristalina y vtrea.
Ejemplos: la resistencia mecnica, la constante dielctrica y la conductividad elctrica.
Propiedades extrnsecas: mecnicas, reactividad, propiedades finales
Microestructura
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2. La cer2. La cermicamica
xidos simples: Al2O3, ZrO2xidos complejos: BaTiO3, Bi4Ti3O12,YBa2Cu3O6+ (01)
No xidos: SiC, B4C; Si3N4, BN; TiB2; MoSi2; LiFxidos-nitruros: sialones : Si6-zAlzN8-zOz
Silicatos: caolinita (Al2Si2O5(OH)4), mullita (Al6Si2O13)
Qumicamente, las cermicas son compuestos inorgnicos no metlicos, formados de elementos metlicos y no metlicos, cuyos enlaces son predominantemente
inicos
-
Estructuras cristalinas en las cermicas
Si el enlace es inico, la estructura est determinada por:
A
C
rr rArC
Cargas de los cationes, An+, y de los aniones Xm-,tales que el cristal es elctricamente neutro
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Estable Estable Inestable
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Cermicas tipo AXA: metal, X: no metal
Estructura del NaCl
Nmero de coordinacin = 6
Estructura: dos redes FCC interpenetrantes
Ejemplos: NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO
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Estructura del CsCl
Nmero de coordinacin = 8
Estructura: X en los vrtices de un cubo y A en el centro,o al revs.
Ejemplos: CsCl, CsI
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Estructura del ZnS (blenda o esfalerita):
Nmero de coordinacin = 4
Estructura: A en vrtices y centros de caras de un cubo,y X en los sitios tetradricos.
Ejemplos: ZnS, ZnTe, SiC
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Cermicas tipo AmXp
Nmero de coordinacin = 8
Estructura: F en vrtices un cubo,y Ca alternadamente en los centros
Ejemplos: UO2, PuO2, ThO2
Estructura del CaF2 (fluorita):
-
Nmero de coordinacin = 8
Estructura: iones O forman red hexagonal, 6 iones A colocadosentre O, con ocupacin 2:3 de los lugares
Ejemplos: Al2O3, Cr2O3
Estructura del A2X3:
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Cermicas tipo AnBmXp
Estructura perovskita, ABX3:
Nmero de coordinacin = 12 (A) y 6 (B)
Estructura: A en vrtices, B en el centro y Xen los centros de las caras de un cubo
Ejemplos: BaTiO3, PbTiO3
A
BX
-
Estructura espinela, AB2X4:
Nmero de coordinacin = 4 (A) y 6 (B)
Estructura: Los iones X forman red FCC, los iones Ase ubican en lo sitios teradricos y los B en losoctadricos
Ejemplos: MgAl2O4, FeAl2O4, NiFe2O4, ferritas
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oxgeno silicio
Silicatos
El tetraedro SiO4, enlace Si-O covalente
2MO + SiO2 2M2+ + SiO44-
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Ejemplo: La arcilla:Mineralgicamente, engloba a un grupo de minerales, filosilicatos (cuarzo, feldespatos, etc.) en su mayor parte, cuyas propiedades fsico-qumicas dependen de su estructura y de su tamao de grano, muy fino (inferior a 2 mm).
Para un ceramista, una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta plstica.
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Diversas formas de ordenamiento de los tetraedros SiO4
Los cationes, tales como Ca2+, Mg2+, Al3+ aseguran la neutralidad de la carga y enlazan los tetraedros SiO44-
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Silicatos y silicones
Cadenas lineales de silicatos y silicones
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Silicatos laminares:
Caolinita, Al2Si2O5(OH)4
Talco, Mg3(Si2O5)2(OH)2
Mica, p.e: KAl3Si3O10(OH)2
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Silicatos de malla: SiO2 puro (slice, cristalino: cuarzo, cristobalita);feldespato (KAlSiO3)
cristobalita
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Modificaciones de SiO2
Sistema cristalino
Densidad en g/cm3 Condiciones de formacin
Cuarzo trigonal 2,65 T < 573C
Cuarzo hexagonal 2,53 T > 573C
Tridimita monoclnico 2,27
Tridimita hexagonal 2,26 T > 870C
Cristobalita tetragonal 2,32
Cristobalita cbico 2,20 T > 1470C
Coesita monoclnico 3,01 P > 20kbar
Stishovita tetragonal 4,35 P > 80kbar
Lechatelierita vidrio natural de slice
amorfo 2,20 relmpagos incidentesen arena de puro cuarzo, impactos de meteoritos
palo (SiO2 aq)
amorfo 2,1 - 2,2
-
El carbono: como diamante
-
El carbono: como grafito
-
El carbono: como fullereno C60
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Clculo de la densidad terica
Ac
Ac
NVAAn )( +=
n = nmero de unidades frmula en la celda unidadAc = suma de pesos atmicos de todos los cationes en la frmulaAA = suma de pesos atmicos de todos los aniones en la frmula
Vc = volumen de la celda unidadNA = nmero de Avogadro, 6,023x1023 molculas por mol
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3. Soluciones s3. Soluciones slidaslidasDefectos cristalogrficos
Defectos puntuales: Vacantes, Shottky y Frenkel
La estequiometra en la cermica?
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Soluciones slidasSoluciones sustitucionales
Ejemplo: Rub, Cr3+ sustituyen un 1% de Al3+ en el Al2O3
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Ejemplo: PbZr1-XTiXO3 (PZT)
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Defectos lineales: Dislocaciones
Deslizamiento puro a nivel atmico
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Caracterizacin de Muestras Slidas
Composicinelemental de volumen
Propiedades estructurales Fenmenos de superficie
Etapas en disolucin Anlisis directo en slido
Absorcin atmica
Espectrometra ICP
Espectr. masas ICP
Microprueba electrnica
Micros. Electrn. Barrido
Electrmetro de carbn
Espectrom. Infrarrojos
Espectrometra UV-VIS
Difraccin de rayos X
Mic. Elect. Transmisin
MET, emisin de campo
Dinmica SIMS
Esttica SIMS
Mic. Electrn. Barrido
XPS / SAM
rea superficial y porosimetra
Micr. Fuerza Atmica
4. M4. Mtodos de caracterizacitodos de caracterizacinn
-
Difraccin de rayos X
-
n = 2d sen
Ley de Bragg
-
5. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LA CER5. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LA CERMICAMICA
Clasificacin de los materiales cermicos en base a su aplicacin
Vidrios Refractarios Abrasivos Cementos Cermicas avanzadasProductos - arcilla
VidriosVitrocermica
EstructurasPorcelanas
Artstica
ArcillaSlice
Bsicos (MgO) Especiales (almina,
circonia, mullita, BeO)
RefractariasElectrocermica
Resistentes a desgaste
CementoYesoCaliza
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Qu propiedades generales caracterizan a la cermica?
La mayor parte de la cermica es:
Dura, resistente al desgaste, frgil, refractaria, aislante trmico, resistente a la oxidacin, propensa al choque trmico y qumicamente inerte.
Su comportamiento elctrico y magntico cubre un amplio rango:Existen cermicas aislantes, semiconductoras y superconductoras.
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LLA CERA CERMICA AVANZADAMICA AVANZADA
Aplicaciones en:Electrnica
pticaComunicacin
MedicinaControl MedioambientalIndustria Aeroespacial
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Aplicaciones Electromagnticas
Bujas
Aisladores AV
Sensores
Transductores
Osciladores
SustratosCondensadores Termistores PTC, NTC, CTR
Varistores
Almacenamiento magnticoActuadores
Micromotores
Celdas solares
Pilas de combustible
Aislantes Semiconductores
Superconductores
FerritasPiezoelctricos
Conductores inicos Botellas magnticas
Levitacin magntica
Cabezas magnticas
Cerraduras
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Aplicaciones pticas y en Comunicacin
Cermica Traslcida
Fibra pticaRedes de fibras ptica
Lmpara de vapor de sodio de alta presin
Moduladores de luzVlvulas pticas
Memorias pticas
Trasmisin y deteccin infrarroja
Tubos de iluminacinLEDs
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Aplicaciones Medioambientales y Qumicas
Capturadores de desechos txicos
Catalizadores en automviles
Membranas
Sensores de gas, humedad
Filtros
Contenedores
Proteccin nuclear
Procesos fotoqumicos Transportadores de enzima
Cermica celular
Electrodos
Cermica porosa
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Aplicaciones Mdicas
Biocermica
Piezocermica
Ecosonografia ultrasnica
Tomografa Computarizada de RX
Detectores de RX
Implantes: dientes, huesos,articulaciones
-
Aplicaciones Mecnicas y Trmicas
Partes resistentes al desgaste
Azulejo cermico aeroespacial
Radiadores infrarrojos
Herramientas de corte
Recubrimientos cermicos
Cermica refractaria
Hojas de turbina
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5a. Comparacin de propiedades entre metales, polmeros y cermicos
Metales Cermicas Polmeros
0
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1Co
e
f
.
P
o
i
s
s
o
n
Coeficiente de Poisson
Pb
AgCuAl
Fe, acero, WVidrio mineral
Al2O3, WCMgO
Diamante
Si amorfo
Caucho nat.
PE
PMMAPS, PA 6-6
V = 0
V > 0
-
Lmite de elasticidad / mdulo elstico
Metales Cermicas Polmeros
10-5
1
10-1
10-2
10-3
10-4
R
e
/
E
10-6
Fibras
Aleaciones TiAceros
Aleaciones AlAleaciones Cu
Metales puros
Metales ultrapuros
DiamanteSiC
Al2O3, Si3N4MgO
Concreto, cemento
PE, EP, PAPMMA
-
Lmite de elasticidad
Metales Cermicas Polmeros
1
105
104
103
102
10
R
e
(
M
P
a
)
10-1
Fibras Fe
AceroAleaciones Ti
Aleaciones Al, Cu
Metales puros
Metales ultrapuros
DiamanteSiC
Si3N4Al2O3VidrioMgO
Cemento
PMMAPAEPPSPE
Polmeros expansivos
-
Comparacin esfuerzo deformacin en traccin de varios materiales
-
Metales Cermicas Polmeros
0,5
200
50
20
5
1T en
a
c
i
d
a
d
(
M
N
-
3
/
2
)
Tenacidad
0,2
100
10
2
Metales purosAcero
Aleaciones Al
BeOAl2O3 + ZrO
Si3N4Al2O3
SiC, MgO
Vidrio
Cemento
PSPP-Nylon
PMMAPE
Epoxi
-
Metales Cermicas Polmeros1011
(
-
1
m
-
1
)
Conductividad elctrica
108
105
102
10-1
10-4
10-7
10-10
10-13
10-16
C
o
n
d
u
c
t
o
r
e
s
S
e
m
i
c
o
n
d
u
c
.
A
i
s
l
a
n
t
e
s
Cu,Ag,AlFeHgSn TiCGrafito
SiC
Ge puro,SiC puro
GaAs
Al2 O3Vidrio mineral
DiamanteSiO2
Poliacetileno(puro)
PMMAPE, PSPTFE
-
Metales Cermicas Polmeros
10-1
104
103
102
10
1
(
W
m
-
1
K
-
1
)
Conductividad trmica
Cu,AgAl,WZnFeCr
Pb,Ni,acero Al2O3TiCSiO2
ConcretoVerre
Diamante
Grafito
PE no orientadoPA
EpoxiPS
Caucho
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Materiales RefractariosMateriales Refractarios-- Un refractario, material refractario o producto refractario Un refractario, material refractario o producto refractario
estest constituido de materias y productos no metconstituido de materias y productos no metlicos licos (sin excluir alg(sin excluir algn constituyente metn constituyente metlico) donde la lico) donde la resistencia resistencia piroscpiroscpicapica es equivalente a 1500es equivalente a 1500CC como como mmnimonimo
-- DefiniciDefinicin tecnoln tecnolgicagicaTodo material capaz de soportar a temperaturas Todo material capaz de soportar a temperaturas elevadas, las condiciones del medio en que estelevadas, las condiciones del medio en que estinmerso, durante un periodo econinmerso, durante un periodo econmicamente rentable, micamente rentable, sin deterioro excesivo de sus propiedades fsin deterioro excesivo de sus propiedades fsicosico--ququmicasmicas
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Refractarios Refractarios -- IntroducciIntroduccinn
-- Muchos productos utilizados en una sociedad Muchos productos utilizados en una sociedad avanzada dependen directa o indirectamente de avanzada dependen directa o indirectamente de procesos conducidos a altas temperaturas:procesos conducidos a altas temperaturas:-- Manufactura, conformado y tratamiento de metalesManufactura, conformado y tratamiento de metales-- ProducciProduccin de cern de cermicos incluyendo vidrios y micos incluyendo vidrios y
cementoscementos-- Materiales electrMateriales electrnicosnicos-- CombustiblesCombustibles-- Productos quProductos qumicos orgmicos orgnicos e inorgnicos e inorgnicos, etc.nicos, etc.
Los refractarios hacen posible nuestra productividad
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Funcionalidad e IntegridadFuncionalidad e IntegridadFUNCIONALIDADFUNCIONALIDAD
-- PermeabilidadPermeabilidad-- Conductividad tConductividad trmicarmica-- Capacidad tCapacidad trmicarmica-- Conductividad elConductividad elctricactrica-- CostoCosto
INTEGRIDADINTEGRIDAD-- FusiFusin y Vaporizacin y Vaporizacinn-- Estabilidad dimensional Estabilidad dimensional
y de fasesy de fases-- Propiedades de flujos y Propiedades de flujos y
de resistenciade resistencia-- Propiedades elPropiedades elsticassticas-- ExpansiExpansin tn trmicarmica-- Resistencia a la Resistencia a la
corrosicorrosinn-- Resistencia a la erosiResistencia a la erosinn-- Resistencia a la Resistencia a la
abrasiabrasinn
Las mejores soluciones se alcanzan considerando: materiales, tipos, formas
dimensiones y configuraciones
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Refractarios como MaterialesRefractarios como Materiales
-- Constituyen una categorConstituyen una categora de cera de cermicos tmicos tcnicoscnicos-- Casi todos son complejas combinaciones de Casi todos son complejas combinaciones de xidos xidos
cristalinos, unos pocos carburos, carbono y grafitocristalinos, unos pocos carburos, carbono y grafito-- Los cerLos cermicos policristalinos tienen propiedades tales micos policristalinos tienen propiedades tales
como:como:-- FragilidadFragilidad-- Mucho menor resistencia en tensiMucho menor resistencia en tensin que en compresin que en compresinn-- Considerable variabilidad en resistenciaConsiderable variabilidad en resistencia-- Exhiben fluencia a altas temperaturasExhiben fluencia a altas temperaturas-- MMdulos de elasticidad elevadosdulos de elasticidad elevados
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Reto de CalidadReto de Calidad
-- Existe una variaciExiste una variacin inevitable en:n inevitable en:-- ComposiciComposicin de las materias primasn de las materias primas-- TamaTamaos y distribucios y distribucin de taman de tamaosos-- ComposiciComposicin y n y microestructuramicroestructura de la fase de la fase
finalfinal-- Grado de compactaciGrado de compactacin del material n del material
particuladoparticulado
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Productos RefractariosProductos RefractariosCLASIFICACICLASIFICACINN-- Existen unos 8000 productos refractarios con nombre de Existen unos 8000 productos refractarios con nombre de
marcamarca
-- Estos productos han sido organizados en unas pocas Estos productos han sido organizados en unas pocas docenas de clasificacionesdocenas de clasificaciones
-- En la actualidad la clasificaciEn la actualidad la clasificacin tiene como ejes la n tiene como ejes la estandarizaciestandarizacin y la aplicacin y la aplicacinn
-- Muchos productos se desarrollan para aplicaciones Muchos productos se desarrollan para aplicaciones especespecficas en conjunto con sus mficas en conjunto con sus mtodos de aplicacitodos de aplicacinn
-- Se busca establecer una base de datos a nivel mundial Se busca establecer una base de datos a nivel mundial con una nomenclatura acordadacon una nomenclatura acordada
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ClasificaciClasificacinn
DensosFinalidad
AislantesConformados
Presentacin SinformaFibras
AcidosCarcter qumico Neutros
BsicosNaturalezaQumica Slice
Slice-AlminaComposicinqumica
MagnesiaEspeciales
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Se involucran los siguientes Se involucran los siguientes sistemas de 3 componentes:sistemas de 3 componentes:
- MgO-Cr203-Si02- CaO-Al203-Zr02- CaO-MgO-Al203- CaO-MgO-SiO2- CaO-SiO2-ZrO2- Cr203 -Si02-ZrO2- Al203- Cr203 -Zr02- MgO-Al203- Cr203
(6 sistemas (6 sistemas monocomponentemonocomponente, 15 , 15 binarios y 20 ternarios, no binarios y 20 ternarios, no considera algunas composiciones considera algunas composiciones especiales que involucran TiOespeciales que involucran TiO22, , betabeta--alalmina mina NaAlNaAl1111OO1717, , hafniahafniaHfOHfO22, urania UO, urania UO22))
Representacin octadrica de los sistemas ternarios de materiales refractarios
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Refractarios Conformados (1)Refractarios Conformados (1)
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Refractarios Conformados (2)Refractarios Conformados (2)
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Refractarios No Formados (1)Refractarios No Formados (1)
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Refractarios No Formados (2)Refractarios No Formados (2)
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Algunas Propiedades a Tomar en Algunas Propiedades a Tomar en CuentaCuenta
-- RefractariedadRefractariedad-- Coeficiente de conductividad tCoeficiente de conductividad trmicarmica-- Conductividad elConductividad elctricactrica-- Estabilidad dimensionalEstabilidad dimensional-- Capacidad autoportanteCapacidad autoportante-- CorrosiCorrosinn-- Resistencia a la Resistencia a la abrasiabrasinn
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Temperaturas MTemperaturas Mximas de Servicioximas de Servicio
Temperaturas MTemperaturas Mximas de Servicio para Refractarios Comercialesximas de Servicio para Refractarios Comerciales
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Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Trmicos rmicos Refractarios MonofRefractarios Monofsicos (1)sicos (1)
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Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Trmicos rmicos Refractarios MonofRefractarios Monofsicos (2)sicos (2)
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Sensibilidad a Esfuerzos TSensibilidad a Esfuerzos Trmicos rmicos Refractarios Refractarios MultifMultifsicossicos
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Resistencia a Esfuerzos TResistencia a Esfuerzos TrmicosrmicosRefractarios Varios (1)Refractarios Varios (1)
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Resistencia a Esfuerzos TResistencia a Esfuerzos TrmicosrmicosRefractarios Varios (2)Refractarios Varios (2)
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Temperaturas LTemperaturas Lmite: Corrosimite: Corrosin n AtmosfAtmosfrica/Alteracirica/Alteracinn
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Temperaturas LTemperaturas Lmite: Corrosimite: Corrosin por n por LLquidos Calientesquidos Calientes
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Propiedades de DisePropiedades de Diseoo
-- Coeficiente de ExpansiCoeficiente de Expansin Linealn Lineal-- Capacidad Capacidad CalCalricarica-- Conductividad TConductividad Trmicarmica-- Resistividad ElResistividad Elctricactrica-- Propiedades MecPropiedades Mecnicasnicas
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Coeficiente de Coeficiente de ExpansiExpansin Linealn Lineal
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Coeficiente de ExpansiCoeficiente de Expansin Linealn Lineal
Es usual reportar datos del CTE desde Es usual reportar datos del CTE desde temperatura ambiente hasta 1000temperatura ambiente hasta 1000CC
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Capacidad CalorCapacidad Calorfica fica MolalMolal de de OxidosOxidosSimplesSimples
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Capacidad CalorCapacidad Calorfica fica MolalMolal de de OxidosOxidosTernariosTernarios
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Capacidad CalorCapacidad Calorfica fica MolalMolal de Node No--OxidosOxidos
-
Conductividad Conductividad TTrmica para rmica para
Sustancias DensasSustancias Densas
-
Conductividad Conductividad TTrmica de rmica de
OxidosOxidos DensosDensos
-
Conductividad Conductividad TTrmica de rmica de NoNo--OxidosOxidos
DensosDensos
-
Conductividad Conductividad TTrmica de rmica de
Ladrillos Ladrillos BBsicossicos
-
Conductividad Conductividad TTrmica de rmica de Ladrillos con Ladrillos con
AlAlminamina
-
Resistividad Resistividad ElElctrica de ctrica de Materiales Materiales AislantesAislantes
-
Propiedades MecPropiedades Mecnicas de nicas de Refractarios Densos MonofRefractarios Densos Monofsicossicos
-
Esfuerzo de FlexiEsfuerzo de Flexin y Deformacin y Deformacin n vs. Temperaturavs. Temperatura
-
MMdulo a la Falla a dulo a la Falla a TambienteTambientevs. Porosidad para Ladrillosvs. Porosidad para Ladrillos
-
Resistencia a la CompresiResistencia a la Compresin a n a TambienteTambiente
vs. Porosidad para Ladrillosvs. Porosidad para Ladrillos
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MMdulo a la dulo a la Falla vs. Falla vs.
Temperatura Temperatura para Ladrillospara Ladrillos
-
MMdulo de dulo de YoungYoung vs. Temperatura vs. Temperatura (a) Ladrillos, (b) Monol(a) Ladrillos, (b) Monolticosticos
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Manufactura de RefractariosManufactura de Refractarios
-
Diagrama de Flujo (1)Diagrama de Flujo (1)
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Diagrama de Flujo (2)Diagrama de Flujo (2)
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Materias Primas (1)Materias Primas (1)
AlAlminasminasMagnesiaMagnesiaMullitaMullitaCarburo de SilicioCarburo de SilicioCementosCementosEspinelasEspinelas
CuarzoCuarzoSilicatosSilicatosBauxitasBauxitasMagnesitaMagnesitaDolomitaDolomitaCromitaCromitaZirconZirconTalcoTalco
SintSintticasticasNaturalesNaturales
-- Materias Primas PlMaterias Primas Plsticassticas-- Materias Primas Materias Primas RefractariasRefractarias
-- Materias Primas Materias Primas DesengrasantesDesengrasantes o Inerteso Inertes
-- Materias Primas FundentesMaterias Primas Fundentes
CerCermica Tradicionalmica Tradicional
-
Materias PrimasMaterias Primas
1. Minerales No Arcillosos1. Minerales No Arcillososa) No silicatosa) No silicatosb) Sb) Slices anhidros y silicatoslices anhidros y silicatos
2. Arcillas y minerales similares2. Arcillas y minerales similares
-
SSlicelice
CuarcitasCuarcitasGravaGravaArenaArenaGanisterGanister
CuarzoCuarzoCalcedoniaCalcedoniaAgataAgataPedernalPedernalCristobalitaCristobalita
OpalosOpalosDiatomeaDiatomeaVidrio de Vidrio de ssliceliceSSlice lice volvoltiltil
RocasRocasMineralesMinerales
AmorfaAmorfaCristalinaCristalina
6565--878733--101011--3.53.5
0.50.5--1.51.50.50.5--3.53.5
9494--979711--33
0.10.1--0.50.50.10.1--0.20.20.10.1--0.30.3
>97>970.10.1--2.02.00.10.1--2.02.00.10.1--0.50.50.10.1--0.50.5
SiOSiO22AlAl22OO33FeFe22OO33CaOCaOMgOMgO
DiatomeaDiatomeaArenaArenaCuarcitasCuarcitas
-
Minerales No ArcillososMinerales No Arcillosos
-
Minerales ArcillososMinerales Arcillosos
-
Arcillas y Caolines (1)Arcillas y Caolines (1)-- Caolines: Color Blanco y cocciCaolines: Color Blanco y coccin blanca, taman blanca, tamao pequeo pequeo: 0.5 o: 0.5
2 2 umum, mineral m, mineral ms puro: s puro: caolinitacaolinita-- Arcilla: Generalmente coloreadas y de cocciArcilla: Generalmente coloreadas y de coccin no blanca. n no blanca.
TamaTamao fino, acompao fino, acompaadas de otros minerales y materia adas de otros minerales y materia orgorgnicanica
De acuerdo al usoDe acuerdo al uso-- Porcelana: caolines, cocciPorcelana: caolines, coccin blancan blanca-- Loza: caolines y caolines arcillososLoza: caolines y caolines arcillosos-- Refractarios: solo arcillas de cono > 1580Refractarios: solo arcillas de cono > 1580CC-- Gres: Se busca vidrio, casi fusiGres: Se busca vidrio, casi fusin. Exceso de sn. Exceso de slice. Se lice. Se
agregan feldespatosagregan feldespatos-- MayMaylicas y terracotas: Arcillas magras. Muchos fundentes. licas y terracotas: Arcillas magras. Muchos fundentes.
Hasta 40% de Hasta 40% de CaCOCaCO33. Cocci. Coccin 900 n 900 10501050CC-- Ladrillos y baldosas: Mucho fundente, especialmente hierro. Ladrillos y baldosas: Mucho fundente, especialmente hierro.
CocciCoccin: 900 n: 900 10501050CC
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Arcillas y Caolines (2)Arcillas y Caolines (2)
Alta pureza (Alta pureza (caolinitacaolinita), ), Blancas (bajo Fe), Blancas (bajo Fe), Plasticidad relativaPlasticidad relativa
CaolinesCaolines((KaolinKaolin))
PlPlsticas, Untuosas , sticas, Untuosas , Forman ligaForman liga
Arcillas PlArcillas Plsticas y Semiplsticas y Semiplsticas sticas ((BallBall clayclay, , bondbond clayclay))
Duras no plDuras no plsticas, sticas, Fractura concoide, Aptas Fractura concoide, Aptas para para chamotachamota
Arcillas DurasArcillas Duras((FlintFlint clayclay, , FireFire clayclay))
PropiedadesPropiedades
- Minerales muy difundidos, estructura en capas, constituyen la mayor parte de la corteza terrestre junto con los suelos
- Se consideran refractarias si tienen un cono superior al 33 (1743C)
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Arcillas y Caolines (3)Arcillas y Caolines (3)
KK22O.O.MgOMgO4Al4Al220033..7SiO7SiO22.2H.2H2200
Mica arcillosaMica arcillosaAlcalinoAlcalino
AlAl220033..4SiO4SiO22.H.H2200((Mg,Ca)OMg,Ca)O. . AlAl220033..5SiO5SiO22.4H.4H2200
PirofilitaPirofilitaMontmorillonitaMontmorillonitaMontronitaMontronitaBeidelitaBeidelita
MontmorillonitaMontmorillonita
AlAl220033..2SiO2SiO22.2H.2H2200CaolinitaCaolinitaDiquitaDiquitaMacritaMacrita
CaolCaolnn
FFrmularmulaMineralMineralGrupoGrupo
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Porcelanas duras, tiernas, china vidriadaCaolines1250- 1460C
Gres finos, comunes, clinkersArcillas vitrificables1100-1350C
Arcillas impermeables blancasArcillas impermeables coloreadas
Maylicas finasSanitarias y productos refractariosArcillas refractarias1000- 1550C
Tejares y alfares en bruto, barnizadas, estannferasArcillas fusibles850-1100C
Arcillas porosas blancasArcillas porosas coloreadas
Tipos de arcillas por color y porosidad
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Propiedades de las ArcillasPropiedades de las Arcillas
La plasticidad estLa plasticidad est ligada a la estructura fligada a la estructura fsicosico--ququmica:mica:-- DistribuciDistribucin de taman de tamao de parto de partculasculas-- Capacidad de cambio de ionesCapacidad de cambio de iones-- Naturaleza de los iones absorbidos inicialmenteNaturaleza de los iones absorbidos inicialmente-- Naturaleza de los iones en el agua de amasadoNaturaleza de los iones en el agua de amasado-- Contenido de materia orgContenido de materia orgnicanica
El aumento de plasticidad conduce a:El aumento de plasticidad conduce a:-- Mayor ductilidad de los moldeadosMayor ductilidad de los moldeados-- Mayor retenciMayor retencin de aguan de agua-- Las Las barbotinasbarbotinas son mson ms viscosass viscosas
Plasticidad: Material intermedio entre un lquido viscoso y un slido elstico
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Grano Premanufacturado: Materia Grano Premanufacturado: Materia Prima SecundariaPrima Secundaria
-- ChamotaChamota ((groggrog) es uno de estos productos) es uno de estos productos-- Es una fracciEs una fraccin reciclada de ladrillos arcillososn reciclada de ladrillos arcillosos-- Se utiliza para:Se utiliza para:
-- Reducir el encogimientoReducir el encogimiento-- Mejorar la resistencia a la corrosiMejorar la resistencia a la corrosinn-- Mejorar la estabilidad tMejorar la estabilidad trmicarmica-- Alterar la distribuciAlterar la distribucin de n de microfisurasmicrofisuras y la porosidad y la porosidad
del refractario finaldel refractario final-- Mejorar la respuesta a los ciclos tMejorar la respuesta a los ciclos trmicos y al choque rmicos y al choque
ttrmicormico
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Aditivos SAditivos Slidoslidos
-- QuQumicos matrizmicos matriz-- Finamente subdivididos, Finamente subdivididos, reaccionan o interactreaccionan o interacten en con los constituyente con los constituyente principales por motivos principales por motivos de enlacede enlace
-- Alteran la reologAlteran la reologa de la a de la mezclamezcla
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Otros AditivosOtros Aditivos
-
ClasificaciClasificacin de Aditivosn de Aditivos
LignosulfonadosPolisacridos
Alcohol polivinlico (PVA)Liga temporal PVA copolimerizado
Carboxi-metil celulosaMetil celulosaEtil silicatos
Polietileno (lquido)Acido est
Auxiliares de prensado
ericoAceitesCeras
PolietilenglicolTensoactivos
O
2
Silicatos de NaPoliacrilato de Na
Defloculantes Esteres orgnicos
Fosfatos
Na-Naftalen sulfonatosReducidores de H
Taninos
Acido ctrico y salesOtros Acido oxlico y sales
Glicerina
-
PreparaciPreparacin de Sn de Slidoslidos
-- La naturaleza quLa naturaleza qumica y la distribucimica y la distribucin del n del tamatamao de parto de partcula de cada materia prima cula de cada materia prima constituyente debe estar de acuerdo con el constituyente debe estar de acuerdo con el proceso de manufacturaproceso de manufactura
-- Algunos casos tAlgunos casos tpicos incluyen:picos incluyen:-- FusiFusinn-- Granos con reacciGranos con reaccin previa y sinterizadosn previa y sinterizados-- Morteros y Morteros y FireclaysFireclays
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Morteros y Morteros y FireclaysFireclays-- Uno o mUno o ms constituyentes pueden ser calcinados a alta temperatura s constituyentes pueden ser calcinados a alta temperatura
en lugar de someterse a calcinacien lugar de someterse a calcinacin activan activa
-- Varios constituyentes pueden ser molidos a un tamaVarios constituyentes pueden ser molidos a un tamao mo ms gruesos grueso
-- Los constituyentes matriz se muelen a un tamaLos constituyentes matriz se muelen a un tamao reducido y en un o reducido y en un estado questado qumicamente activomicamente activo
-- Los morteros se formulan de acuerdo con los elementos que van a Los morteros se formulan de acuerdo con los elementos que van a unirunir
-- La calcinaciLa calcinacin es necesaria no solo para remover el agua intercalada n es necesaria no solo para remover el agua intercalada y colapsar las estructuras cristalinas hidratadas sino tambiy colapsar las estructuras cristalinas hidratadas sino tambin para n para evitar la rehidratacievitar la rehidratacinn
-- Para arcillas y bauxitas esto significa no solo descomponer los Para arcillas y bauxitas esto significa no solo descomponer los hidratos sino tambihidratos sino tambin inducir cambios de fase irreversibles n inducir cambios de fase irreversibles ttrmicamente activadosrmicamente activados
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FireclaysFireclaysCaolinitaCaolinita pura y seca:pura y seca:-- La deshidrataciLa deshidratacin ocurre rn ocurre rpidamente, pidamente,
ttpicamente entre 550 y 650picamente entre 550 y 650CC
-- El encogimiento de la El encogimiento de la caolinitacaolinita se inicia se inicia conjuntamente con su descomposiciconjuntamente con su descomposicinn
-- La La caolinitacaolinita luego se transforma en una luego se transforma en una estructura casi amorfa de estructura casi amorfa de metameta--caolcaolnn
-- Termina en un estado Termina en un estado vitreovitreo anhidro alrededor anhidro alrededor de 950de 950--10001000CC
-- Se detecta Se detecta mullitamullita alrededor de 1000alrededor de 1000CC, luego , luego aparece aparece cristobalitacristobalita
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FireclaysFireclays (2)(2)-- Contienen Contienen AlAl22OO33 y y SiOSiO22 en diferentes relaciones, asen diferentes relaciones, as como otras como otras
impurezasimpurezas
-- Su descomposiciSu descomposicin ocurre a temperaturas bajas y sobre rangos n ocurre a temperaturas bajas y sobre rangos ampliosamplios
-- Se revierten en vidrios a temperaturas bajas, pero eventualmenteSe revierten en vidrios a temperaturas bajas, pero eventualmentedan lugar a dan lugar a mullitamullita y y cristobalitacristobalita
-- La resistencia a rehidrataciLa resistencia a rehidratacin debern debera obtenerse aproximadamente a a obtenerse aproximadamente a los 900los 900CC
-- Los vidrios formados a partir de los cristales originales son muLos vidrios formados a partir de los cristales originales son muy y rrgidosgidos
-- Casi imposible obtener todo el encogimiento hasta alcanzar las Casi imposible obtener todo el encogimiento hasta alcanzar las temperaturas de sinterizacitemperaturas de sinterizacin en fase ln en fase lquida: 1500 quida: 1500 16001600CC
-- CalcinaciCalcinacin elimina la lubricidad. Es necesario adicionar una arcilla n elimina la lubricidad. Es necesario adicionar una arcilla plplsticastica
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Refractarios No Formados o Refractarios No Formados o MonolMonolticosticos
-- Refractarios Sin FormaRefractarios Sin Forma-- EspecialidadesEspecialidades-- Refractarios EspecialesRefractarios Especiales-- Refractarios MoldeablesRefractarios Moldeables-- Refractarios Refractarios ColablesColables-- Concretos RefractariosConcretos Refractarios-- Morteros RefractariosMorteros Refractarios
Se estima que el consumo de este tipo de materiales es Se estima que el consumo de este tipo de materiales es del orden del 50del orden del 50--60% del consumo total60% del consumo total
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Ventajas ComparativasVentajas Comparativas-- Menor tiempo de manufactura, por formato y cocciMenor tiempo de manufactura, por formato y coccin. n.
ReducciReduccin del espacion del espacio
-- Menor costo energMenor costo energtico. Eliminacitico. Eliminacin de la contaminacin de la contaminacin n por gasespor gases
-- ConstrucciConstruccin de formas complicadas y de gran taman de formas complicadas y de gran tamao o utilizando soportes y anclajesutilizando soportes y anclajes
-- En general son tan durables como los ladrillos, aun en En general son tan durables como los ladrillos, aun en espesores menoresespesores menores
-- FFcil instalacicil instalacin. Permite la reparacin. Permite la reparacin localn local
-- Los refractarios monolLos refractarios monolticos tienen menor expansiticos tienen menor expansin n ttrmicarmica
-- Dado el mDado el mtodo de fabricacitodo de fabricacin, permiten una mayor n, permiten una mayor flexibilidad de diseflexibilidad de diseo sego segn el requerimiento del servicion el requerimiento del servicio
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MezcladoMezclado-- Se busca lograr la mayor homogeneidad posibleSe busca lograr la mayor homogeneidad posible
-- Los distintos tipos de mLos distintos tipos de mquinas mezcladoras estquinas mezcladoras estn n disediseadas para usos adas para usos casi especcasi especficosficos: pl: plsticos, sticos, ridos ridos secos, pastas finas, etc.secos, pastas finas, etc.
-- El orden de mezclado debe minimizar las El orden de mezclado debe minimizar las heterogeneidadesheterogeneidades
-- Orden de agregadoOrden de agregado-- Agregar los cortes gruesos (hasta malla 30 aprox.)Agregar los cortes gruesos (hasta malla 30 aprox.)-- Seguir con los extrafinos o fSeguir con los extrafinos o fcilmente cilmente aglomerablesaglomerables
-- Arcillas micronizadasArcillas micronizadas-- AlAlminas menores a 44 minas menores a 44 umum-- Productos orgProductos orgnicosnicos-- Aditivos que van en poca proporciAditivos que van en poca proporcinn
-- Agregar el resto (mallas menores que 30 y pulverizados)Agregar el resto (mallas menores que 30 y pulverizados)-- Si es necesario humectar hacerlo con chorro fino durante el Si es necesario humectar hacerlo con chorro fino durante el
mezcladomezclado
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Objetivos Objetivos Proyecto PIC 209Proyecto PIC 209
Seleccionar materiales que puedan ser empleados en la construccin de incineradores reduciendo costos
-- Seleccionar materiales (propiedades, Seleccionar materiales (propiedades, disponibilidad)disponibilidad)
-- Ensayar los materiales purosEnsayar los materiales puros-- Elaborar y ensayar mezclasElaborar y ensayar mezclas
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RecolecciRecoleccin de Arcillasn de Arcillas
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PruebasPruebas
-- SinterizaciSinterizacinn-- ComposiciComposicinn-- DensidadDensidad-- PorosidadPorosidad-- DilataciDilatacin Tn Trmicarmica-- ConductividadConductividad
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CaracterCaractersticas Fsticas Fsicas (1)sicas (1)
En estado puro presenta una coloracin griscea y retiene su color durante la coccin. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.
AEng25. Arcilla Engabao 2
En estado puro presenta una coloracin ocre, despus de la coccin adquiere una coloracin caf cobrizo. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.
AEng14. Arcilla Engabao 1
En estado puro presenta una coloracin blanco hueso, despus de la coccin adquiere una coloracin amarilla de baja intensidad. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.
ALim-Az3. Arcilla Limn-Azuay
En estado puro presenta una coloracin amarilla ms intensa que la anterior, despus de la coccin adquiere una coloracin caf oscura. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.
ATos22. Arcilla de la Formacin Tosagua 554683, 9744610Fraccin < 0.053mm
En estado puro presenta una coloracin amarilla terrosa, despus de la coccin adquiere una coloracin caf. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.
ATos11. Arcilla de la Formacin Tosagua 529897, 9790530Fraccin < 0.053mm
Caractersticas fsicasCodificacinArcillas/Arenas
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CaracterCaractersticas Fsticas Fsicas (2)sicas (2)
En estado puro presenta una coloracin negra-plomiza y retiene su color durante la coccin. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.
ACol-Bal12. Arcilla Colimes del Balzar
En estado puro presenta una coloracin griscea y retiene su color durante la coccin. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.
ALoj11. Arcilla Loja
En estado puro presenta una coloracin caf y despus de la coccin adquiere una coloracin terracota. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.
ALoj-Paj10. Arcilla Loja-Pajn
En estado puro presenta una coloracin blanca absoluta y retiene su color durante la coccin. Se disgrega con facilidad.
Sil-N9. Slice Nacional
En estado puro presenta una coloracin blanca hueso y retiene su color durante la coccin. Se disgrega con facilidad.
Aren-Quil8. Arena Quilotoa
En estado puro presenta una coloracin caf, despus de la coccin adquiere una coloracin cobriza. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.
ASoc7. Arcilla Socorro
En estado puro presenta una coloracin amarilla intensa, despus de la coccin adquiere una coloracin caf. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.
APaj6. Arcilla Pajn
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ElaboraciElaboracin de Probetasn de Probetas
Troqueles rectangulares Troquel circular: = 25 mm, h = 50 mm.
Probetas cilndricas Probetas prismticas.
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SinterizaciSinterizacin (1)n (1)
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SinterizaciSinterizacin (2)n (2)
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SinterizaciSinterizacin (3)n (3)
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ComposiciComposicinn
0.721.312.757.8621.2650.82Quilotoa
0.741.332.988.1021.9653.64Colimes de
Balsar
0.761.302.618.0822.0450.83Tosagua 2
0.701.302.617.6821.2550.69Tosagua 1
0.721.332.617.8421.2850.04Loja-Pajn20.731.322.968.0221.6152.51Engabao 1
0.530.660.752.497.2015.58Slice
0.440.630.792.647.0415.27Socorro
0.430.691.153.078.8318.15Pajn
0.420.681.253.159.3819.13Engabao 2
0.790.580.782.7010.2623.92Limn-Azuay10.420.671.273.179.5219.36Loja
GRUPOTiO2(wt.%)
CaO(wt.%)
MgO(wt.%)
Fe2O3(wt.%)
Al2O3(wt.%)
SiO2(wt.%)ARCILLA
-
DensidadDensidad
2.32.32.3Arcilla Loja1.51.51.4Slice Nacional2.12.12.1Arcilla Pajn1.41.41.6Arcilla Engabao 22.11.91.9Arcilla Limn-Azuay
400030002000Presin (psi)Arcillas/Arenas
-
PorosidadPorosidad
15.80.33000 (psi)
Arcilla Pajn
0.20.42000 (psi)
Arcilla Socorro
1.51.74000 (psi)
1.71.63000 (psi)
1.92.22000 (psi)
Slice Nacional
1.21.63000 (psi)
Arcilla Limn-Azuay
0.30.94000 (psi)
0.20.53000 (psi)
Arcilla Engabao 2
Porosidad Real (%)Porosidad Aparente (%)Arcillas/ Arenas
-
MezclasMezclas
Constituido por slice y almina. Su caracterstica es ser poco fundente, resiste el calor a altas temperaturas y posee poca
vitrificacin.
Ladrillo Refractario
Tiene una temperatura de fusin alta, buena refractariedad y buena resistencia al ataque de los ambientes que a menudo se
encuentran en los procesos de fabricacin de acero..Se le considera como un refractario bsico.
Oxido de Magnesio
Material cermico muy verstil, sus propiedades la hacen especialmente apta para aplicaciones en donde la temperatura
es un factor critico, adems de su relativa facilidad para adaptarse a diversos trabajos y usos. Es un material con buenas propiedades de adsorcin de fluoruros del agua y constituyen
el material adsorbente mas usado.
Almina
Caractersticas Fsicas y QumicasMaterial
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Conductividad Conductividad Mezclas (1)Mezclas (1)
1.533000Limn-Azuay 25%Ladrillo Refractario 75%
2.563000Slice 55%Almina 45%
2.013000Limn-Azuay55%Almina 45%
2.863000Loja 55%Almina 45%
3.163000Pajn 55%Almina 45%
3.813000Engabao2 55%Almina 45%
4.883000Socorro 55%Almina 45%
Coeficiente de Conductividad trmica (W/m K)
Presin (psi)Mezcla
-
Conductividad Conductividad Mezclas (2)Mezclas (2)
4.143000Colimes de Balsar 50% - Ladrillo Refractario 50%
4.253000Colimes de Balsar 75% - Ladrillo Refractario 25%
8.133000Loja-Pajn 75% - Ladrillo Refractario 25%
8.263000Loja-Pajn 50% - Ladrillo Refractario 50%
4.993000Engabao 2 50% - Ladrillo Refractario 50%
4.043000Engabao 2 75% - Ladrillo Refractario 25%
3.263000Formacin Tosagua 1 25%-Ladrillo Refractario 75%
3.013000Formacin Tosagua 2 50% Ladrillo Refractario 50%
29.983000Formacin Tosagua 2 75% Ladrillo Refractario 25%
48.633000Formacin Tosagua 1 50% Ladrillo Refractario 50%
59.393000Formacin Tosagua 1 25% Ladrillo Refractario 75%
2.003000Limn-Azuay 75% Ladrillo Refractario 25%
1.863000Limn-Azuay 50% Ladrillo Refractario 50%