Refractarios.Leccion3.FabricacionProductosREFRACTARIOS
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Leccion 3.- Fabricación de materiales refractarios conformados.<br />
3.1.- Introducción.<br />
Se han estudiado anteriormante, de forma general, las distintas funciones que están llamados a desempeñar los<br />
materiales refractarios, y las propiedades que deben reunir para cumplir eficientemente dichas funciones.<br />
La variedad y complejidad de funciones y propiedades, en algunos casos contradictorias, nos lleva a establecer<br />
dos conclusiones:<br />
La primera de ellas es la práctica imposibilidad de utilizar directamente como refractarios materias primas en<br />
estado natural, por lo que es necesario elaborarlos de acuerdo con técnicas de fabricación orientadas a obtener<br />
o mejorar las propiedades deseadas.<br />
La segunda conclusión radica en el hecho de que, aún contando con materiales refractarios elaborados, sólo es<br />
posible compatibilizar entre sí las diversas funciones prácticas mediante una multiplicidad de materiales,<br />
debidamente organizados, constituyendo lo que en la tecnología metalúrgica se denomina el revestimiento<br />
refractario del horno o instalación térmica<br />
En base a lo anterior se van a estudiar los fundamentos de los procesos de fabricación y conformación de los<br />
materiales refractarios. Al estudiar las diversas clases de refractarios industriales, y sus aplicaciones específicas<br />
a los diversos procesos y hornos metalúrgicos, se analizarán, de modo particular, los conceptos generales que<br />
se describirán a continuación.<br />
3.2.- Fabricación de ladrillos refractarios.<br />
En la industria de los materiales refractarios se utilizan diversos métodos para su fabricación. El sistema más<br />
sencillo es el de cortar piezas, de la forma deseada, a partir de las materias primas naturales o producidas<br />
artificialmente, como son por ejemplo los esquistos de cuarzo o el silicio fundido (Figura 3.2.1).<br />
Figura 3.2.1.- Procedimiento de corte para dar forma a los bloques de material de cuarzo<br />
1
Otro método diferente es el de fundir una composición determinada en moldes para obtener ladrillos o<br />
bloques. Los materiales fabricados por este principio se denominan productos electrofundidos.<br />
En los últimos años se han implantado principios y técnicas de trabajo de la cerámica fina para fabricar<br />
productos altamente refractarios, en los que las materias refractarias una vez molidas con la máxima finura y<br />
después de una preparación en húmedo, se moldean bien por medio de aglomerado químico, extrusión o<br />
también por prensado isostático.<br />
Para la fabricación de ladrillos refractarios se sigue utilizando no obstante, todavía hoy en día preferentemente<br />
el denominado método de cerámica bruta (Figuras 3.2.2, 3.2.3, 3.2.4 y 3.2.5).<br />
Figura 3.2.2.- Proceso de fabricación de ladrillos refractarios de chamota moldeados en seco.<br />
1.- Almacén de materia prima, 2.- triturador de arcilla, 3.- molino de arcilla, 4.- torre de secado, 5.- silo,<br />
6.- dispositivo para disolución de componentes líquidos, 7.- triturador basto, 8.- triturador fino,<br />
9.- transportador, 10.- criba, 11.- silo de carga, 12.- molino de bolas, 13.- aireador, 14.- pesaje,<br />
15.- silo de carga, 16.- dosificador de componentes líquidos, 17.- mezclador, 18.- prensas de fricción,<br />
19.- prensas hidráulicas, 20.- moldeador a mano/apisonador, 21.- vagoneta de cocción, 22.- secador de túnel,<br />
23.- horno túnel, 24.- almacén/cargue de ladrillos.<br />
2
Figura 3.2.3.- Diagrama de flujo del proceso de fabricación de ladrillos refractarios.<br />
3
Figura 3.2.4.- Diagrama de bloques del proceso de fabricación de materiales refractarios.<br />
4
Figura 3.2.5.- Diagrama de flujo del proceso de fabricación de ladrillos refractarios.<br />
Como puede observarse el esquema de fabricación abarca los siguientes pasos fundamentales:<br />
Molienda<br />
Clasificación Preparación<br />
Mezcla<br />
Moldeo o conformado<br />
Secado<br />
Cocción<br />
5
3.3.- Preparación de las materias primas.<br />
En general las materias primas de que parte el proceso de fabricación de materiales refractarios<br />
son de origen natural y proceden directamente de mina.<br />
En la fabricación de refractarios especiales, y en el caso de la magnesia, cuyas reservas naturales<br />
son actualmente insuficientes, la materia prima procede en algunos países (USA entre ellos) de<br />
síntesis química (magnesia obtenida a partir del agua de mar y alúmina a partir de la bauxita).<br />
Cuando se utilizan, en todo o en parte, materias de origen primario (naturales), es necesario realizar una serie<br />
de operaciones previas con el objeto de obtener una materia de calidad adecuada, que nos permita obtener un<br />
producto refractario cocido con las propiedades deseadas. Por ello y una vez extraída la materia prima natural<br />
de la mina o cantera, se procede a su lavado, con objeto de eliminar materias solubles que puedan actuar como<br />
posibles fundentes y que por tanto disminuirán las propiedades refractarias del producto a fabricar.<br />
En algunos casos es necesario realizar un proceso de concentración y posterior o paralelamente, una<br />
calcinación del producto, con el objeto de eliminar el CO2 de los carbonatos o H2O de los hidratos presentes<br />
en la materia prima. Si no se realizara esta operación, dichas sustancias volátiles se evacuarían en el proceso<br />
de cocción de las piezas refractarias y provocarían la rotura de las mismas, con las consiguiera es pérdidas<br />
económicas. En ese sentido, se tiene la chamota que es el producto resultante de calcinar materiales<br />
arcillosos.<br />
La preparación abarca tres procesos individuales, a saber:<br />
1.- Desmenuzamiento de la materia prima, por trituración o molienda (Figura 3.3.1).<br />
2.- Fraccionamiento por criba del material triturado o molido (Clasificación).<br />
3.- Mezcla de fracciones para la formación de masa (Dosificación).<br />
Por regla general y debido a circunstancias de tipo económico, el proceso de trituración se realiza<br />
escalonadamente:<br />
Trituración basta - trituración fina - molienda.<br />
Para ejecutar este tipo de trituración existen un gran número de máquinas de diferentes tipos, de las que<br />
sólo se citarán las más importantes:<br />
- Trituración basta: triturador de mandíbulas, triturador de impacto, triturador de cono, triturador de rodillos.<br />
- Trituración fina: triturador de impacto, triturador de cono, triturador de rodillos.<br />
- Equipos de molinos: Molino de rodillos anulares, molino de bolas, molino oscilante.<br />
Los aspectos fundamentales para la elección apropiada del equipo de trituración son la dureza y la<br />
maleabilidad del material a moler, el grado de fragmentación prevista, la forma de grano y otros de carácter<br />
similar. El grado de rendimiento técnico para la trituración en todas estas máquinas es extraordinariamente<br />
bajo y está situado por debajo del 1 %. siendo todavía inferior para los equipos de molienda fina.<br />
La mayor parte de la energía utilizada se transforma durante el proceso de trituración en calor. Un factor<br />
importante de costos en la trituración es el desgaste de los elementos moledores. En líneas generales, se ha<br />
valorado el principio de que para materiales duros deberán utilizarse herramientas resistentes y para el<br />
material blando la herramienta dura.<br />
6
Figura 3.3.1.- Instalación trituradora de magnesia sinterizada.<br />
La intensidad de la molienda y la forma de llevarla a efecto dependen de la forma y tamaño de grano deseados.<br />
En general interesan granos angulosos e irregulares con preferencia a formas redondeadas o planas a fin de<br />
conseguir una buena compacidad y cohesión de las piezas. Los granos irregulares, en cuanto a forma,<br />
presentan una mayor superficie por unidad de peso y dan lugar a una mayor isotropía de características<br />
térmicas y mecánicas. Por esta causa deben utilizarse procedimientos de molienda con molinos de impactos o<br />
de percusión.<br />
Los tamaños de molienda dependen de la textura cristalina de la materia prima y de su homogeneidad<br />
cristalográfica.<br />
Debe destacarse que para evitar contaminaciones no deseadas en las etapas de molienda, en las fabricas<br />
de refractarios, se dispone de circuitos de molienda separados para las distintas materias primas<br />
refractarias.<br />
El cribado de la materia prima triturada se hace en la mayoría de los casos con cribas oscilantes, con una sola<br />
criba o con un paquete de cribas, según el número de fracciones que se quieran obtener. La condición<br />
imprescindible para conseguir el fraccionamiento correcto es que se conserve el material a cribar libre de toda<br />
humedad, teniendo especial incidencia para el cribado fino. Para evitar la obstrucción de la criba,<br />
frecuentemente se procede a calentarla. Se suelen utilizar tambien con la misma finalidad cribas de tejidos<br />
especiales, como cribas de mallas paralelas, cribas de agujero alargado o similares.<br />
7
Para la preparación de la masa a moldear, se mezclan los componentes en un mezclador según la materia<br />
prima indicada y la fórmula de la granulometría, se añade un aglomerante y después se procede a la<br />
homogeneización que suele ser normalmente en mezcladores discontinuos. En la industria del refractario han<br />
ido tomando base los mezcladores de contracorriente, mezcladores de rotor muy pesado (aproximadamente 3<br />
toneladas) y mezcladores de eje doble. Son las características físicas del ladrillo las que determinan si es más<br />
conveniente la instalación de un mezclador de rulos. El mezclador de rulos suministra normalmente masas para<br />
fabricar ladrillos de textura más densa.<br />
Para poder conseguir la máxima uniformidad y exactitud, se han automatizado al máximo las distintas etapas<br />
de preparación en las instalaciones modernas por medio de elementos electrónicos.<br />
Los aspectos físicos de un material refractario se determinan en gran medida por la estructura granular. Siendo<br />
especialmente válida esta circunstancia para los productos que se fabrican sin o con escaso contenido de<br />
aglomerante, como es el caso de los ladrillos de magnesia, ladrillos de chamota dura y similares.<br />
En general se necesita un mínimo de dos fracciones granulométricas: una base, y otra u otras destinadas a<br />
rellenar los huecos dejados por aquella. En las mezclas granulométricas binarias, que son las más frecuentes,<br />
la relación de diámetros medios de partículas debe ser elevada (superior a 20). En circunstancias normales<br />
se mezclan hoy en día cuatro fracciones de granulado: grueso, medio, fino e impalpable, con los que se<br />
consiguen las propiedades deseadas para el ladrillo.<br />
El tamaño base (Gruesos) de las partículas influye sobre la resistencia térmica y mecánica de la pieza y debe<br />
ser objeto de estudio en cada caso. En general, al crecer el tamaño base es mayor la resistencia piroscópica,<br />
pero también lo es la porosidad y menor la resistencia mecánica. En la práctica el tamaño base suele estar<br />
comprendido entre 1 y 5 mm., según los casos.<br />
La mezcla de las fracciones granulométricas y su dosificación tienen como objetido la obtención de una<br />
distribución granulométrica y porcentaje de tamaños tal, que den lugar al menor número posible de huecos<br />
entre ellos, después de la compactación mediante prensado. Con ello se consigue una mayor compacidad y, por<br />
tanto, la máxima densidad en verde. En estas condiciones, tras el prensado y cocción será posible obtener la<br />
adecuada porosidad de la pieza.<br />
La compacidad de conjunto del polvo cerámico es la relación entre el volumen del mismo y su volumen de<br />
conjunto, que es el volumen interior del recipiente que lo contiene. A mayor compacidad menor<br />
volumen de huecos y, por tanto, menor porosidad, que será más fácil de eliminar en el posterior proceso de<br />
cocción, el cual determina la porosidad final del producto.<br />
Las granulometrías obtenidas por análisis indican la distribución por tamaños de las partículas que componen<br />
el polvo cerámico y permiten determinar en que proporciones se han de mezclar para obtener una<br />
granulometría resultante que se parezca lo más posible a una curva granulométrica ideal de compacidad máxima.<br />
El estudio del empaquetamiento debe ser optimizado de modo que se obtenga la m í n i m a porosidad y<br />
máximas propiedades del material cerámico.<br />
Por sencillas consideraciones geométricas se puede mostrar que el porcentaje en volumen de huecos que se<br />
produce al empaquetar esferas del mismo diámetro es independiente de dicho diámetro y sólo depende del<br />
tipo de empaquetamiento. La figura 3.3.2 muestra distintos empaquetamientos con esferas y la densidad de<br />
empaquetamiento (tanto por ciento del volumen global ocupado por las esferas), cuya diferencia a 100 da el<br />
volumen de huecos correspondiente. Se observa que dicho volumen es mínimo para formas tetraédricas, que<br />
son las más estables en la naturaleza.<br />
8
Figura 3.3.2.- Diferentes empaquetamientos ordenados de esferas de diámetro uniforme<br />
La dimensión de los poros existentes entre las esferas es función tanto del tipo de empaquetamiento como del<br />
tamaño de las esferas. En el empaquetamiento tetraédrico el área de la sección transversal, A, de los<br />
2<br />
2<br />
intersticios vale 0.04a y en el cúbico 0.21a , como indica la tabla 3.3.1. Para los empaquetamientos densos<br />
el área de la sección transversal de los intersticios es una fracción del área de la sección transversal de la<br />
esfera y disminuye cuando lo hace el diámetro de la esfera.<br />
9
Tabla 3.3.1.- Dimensión de los poros en los empaquetamientos tetraédrico y cúbico de esfera uniformes.<br />
Introduciendo y distribuyendo partículas pequeñas en los intersticios que existen entre las partículas grandes,<br />
traera consigo una disminución de la porosidad y del tamaño de poro. La clave para mejorar la densidad de<br />
empaquetamiento es la relación entre los tamaños de las partículas, así las pequeñas deben de elegirse de<br />
modo que se dispongan en los intersticios sin forzar la separación de las partículas grandes. Además, se<br />
puede seguir eligiendo partículas aún más pequeñas, de modo que ocupen el siguiente nivel de poros, con la<br />
consiguiente mejora de la densidad de empaquetamiento.<br />
La figura 3.3.3 ilustra los conceptos anteriores. En la figura 3.3.3.a se muestra el empaquetamiento ordenado<br />
de esferas del mismo tamaño, con los poros que dejan entre ellas. En el empaquetamiento binario de la figura<br />
3.3.3.b, el tamaño de las esferas pequeñas se ha elegido de modo que ocupe los huecos existentes entre las<br />
mayores, sin que se distorsione el empaquetamiento original. Análogamente, un empaquetamiento ternario, tal<br />
y como se muestra en la figura 3.3.3.c, puede obtenerse usando esferas más pequeñas de modo que ocupen los<br />
nuevos huecos creados en el empaquetamiento binarios.<br />
Finalmente, en la figura 3.3.3.d se muestra como la elección de esferas demasiado grandes no mejora la<br />
densidad de empaquetamiento, ya que su adición fuerza la separación de las esferas correspondientes al<br />
empaquetamiento original.<br />
La figura 3.3.4 muestra que cualquier mezcla tiende a reducir el volumen de conjunto, con respecto al de una<br />
sola fracción. Partiendo de una fracción, si se reduce de tamaño algunas de las partículas, estas podran<br />
utilizarse para ocupar huecos, con lo que la misma masa ocupara un volumen más pequeño, aumentando por<br />
tanto la densidad de empaquetamiento. Análogamente, si parte de las partículas de sustituyen por una de<br />
mayor tamaño de la misma masa, la misma masa ocupara un volumen más pequeño pues se habrán eliminado<br />
una serie de poros.<br />
10
Figura 3.3.4.- Representación bidimensional de los efectos en el empaquetamiento de la combinación de<br />
esferas de diferentes tamaños. (a).- Mismo tamaño (b).- Bimodal (c).- Trimodal y (d).-<br />
Bimodal con tamaños poco diferentes.<br />
Figura 3.3.4.- Variación del volumen de conjunto en mezclas binarias.<br />
11
Para una mezcla de partículas gruesas y finas, la máxima densidad de empaquetamiento viene determinada<br />
por la cantidad de partículas gruesas, con respecto a las finas. En la figura 3.3.5 se muestra el caso de la<br />
composición óptima (máxima densidad de empaquetamiento), de una composición con un exceso de finos y<br />
de otra con un exceso de gruesos.<br />
Figura 3.3.5.- Empaquetamiento de partículas gruesas y finas. (A).- Exceso de partículas finas<br />
(B).- Composición óptima, A).- Exceso de partículas gruesas<br />
Para un empaquetamiento ordenado, el diámetro de la esfera que ocupa los poros intersticiales disminuye<br />
cuando el número de coordinación aumenta. La tabla 3.3.2 resume el efecto de añadir pequeñas esferas<br />
seleccionadas a tres empaquetamientos ordenados . En el caso del número de coordinación doce, existen dos<br />
poros intersticiales diferentes (octaédrico y tetraédrico, figura 3.3.6), con lo que son necesarios dos tamaños y<br />
contenidos de esferas para obtener la porosidad mínima.<br />
Tabla 3.3.2.- Efecto de la adición pequeñas esferas a tres empaquetamientos ordenados<br />
12
Figura 3.3.7.- Huecos tetraédricos y octaédricos en la estructura cúbica centrada en las caras.<br />
El comportamiento básico de un empaquetamiento denso aleatorio bimodal se muestra en la figura 3.3.8. Este<br />
modelo de empaquetamiento se conoce como el modelo de Furnas. El volumen de empaquetamiento,<br />
denominado volumen específico de empaquetamiento, es una función de la composición de la mezcla de<br />
esferas grandes y pequeñas. Hay una composición de máxima densidad de empaquetamiento.<br />
Según Furnas en la composición que nos da el máximo empaquetamiento hay un mayor volumen de<br />
partículas grandes que pequeñas. La mejora relativa en la densidad de empaquetamiento depende de la<br />
relación entre el tamaño de las partículas grandes y pequeñas.<br />
Dentro de un rango limitado, cuanto mayor sea la relación entre el tamaño de las partículas grandes y de las<br />
pequeñas, mayor es el máximo de la densidad de empaquetamiento . Esto es verdadero hasta una relación de<br />
tamaños de aproximadamente 20:1, pero requiere al menos una diferencia del 20 % entre los tamaños de las<br />
partículas.<br />
La figura 3.3.8 puede usarse para determinar la composición óptima. Asumiendo partículas densas, el<br />
volumen específico de un polvo, V, se define como el inverso de la densidad aparente<br />
1<br />
V = (3.3.1)<br />
f ρ<br />
donde ρ es la densidad teórica del polvo y f su densidad fraccional (factor de empaquetamiento)<br />
13
Figura 3.3.8.- Reducción del volumen específico de una mezcla de esferas grandes y pequeñas, mostrando a<br />
la condición de empaquetamiento óptimo donde las esferas pequeñas rellenan todos los huecos<br />
existentes en el empaquetamiento de las grandes.<br />
Comenzando con las partículas grandes, el volumen específico disminuye cuando se añaden partículas<br />
pequeñas, ya que estas rellenan los huecos existentes entre las partículas grandes. Este comportamiento puede<br />
verse en la figura 3.3.4.b y esta representado por el segmento BO de la figura 3.3.8. Más allá de la<br />
composición óptima, , la cantidad de partículas pequeñas se hace demasiado grande, ya que todos los vacíos<br />
están llenos y, en consecuencia, nuevas adiciones fuerzan el que las partículas grandes se separen y no se<br />
mejora la densidad de empaquetamiento.<br />
Al contrario comenzando con un recipiente lleno de partículas pequeñas, al sustituir conjuntos de ellas con<br />
sus vacíos asociados por partículas grandes, que son totalmente densas, se obtiene un aumento de la densidad<br />
debido a la eliminación simultánea de los huecos que existían entre las partículas pequeñas (una región porosa<br />
es substituida por una región totalmente densa). La mejora se produce hasta que se llega a una concentración<br />
donde las partículas grandes se ponen en contacto entre ellas. Este comportamiento esta representado por el<br />
segmento AO de la figura 3.3.8. El punto de volumen específico mínimo para la mezcla, se corresponde con<br />
la intersección de los segmentos AO y BO.<br />
La máxima densidad de empaquetamiento para una mezcla bimodal de esferas corresponde al volumen<br />
mínimo específico. Esto se denomina punto de saturación y tal situación las partículas grandes están en<br />
contacto entre ellas y todos los huecos intersticiales están llenos de partículas pequeñas. El cálculo de la<br />
composición de saturación, en términos de la fracción de peso de las partículas grandes es el objetivo de los<br />
tratamientos matemáticos.<br />
14
La fracción en peso, G X , de las partículas grandes viene dada por:<br />
donde W indica la masa.<br />
La masa de las partículas grandes es:<br />
donde:<br />
W f ρ V<br />
G G G T<br />
ρ G = Densidad teórica de las partículas grandes.<br />
f = Factor de empaquetamiento de las partículas grandes.<br />
G<br />
V = Volumen total<br />
T<br />
X<br />
G<br />
WG<br />
=<br />
W + W<br />
G P<br />
(3.3.2)<br />
= (3.3.3)<br />
Para la máxima densidad de empaquetamiento hay que añadir una cantidad de partículas pequeñas tal que se<br />
rellene justamente el espacio vacío entre las partículas grandes sin forzar que estas se separen. La cantidad de<br />
espacio vacío es igual a:<br />
y la masa de la partículas pequeñas será:<br />
donde:<br />
1 G f −<br />
( 1 )<br />
W = − f f ρ V<br />
(3.3.4)<br />
P G P P T<br />
ρ P = Densidad teórica de las partículas pequeñas.<br />
f = Factor de empaquetamiento de las partículas pequeñas.<br />
P<br />
Así, en el punto se saturación, la fracción en peso,<br />
X<br />
*<br />
G<br />
*<br />
X G , de las partículas grandes será:<br />
fGρG<br />
=<br />
f ρ + − f f ρ<br />
( 1 )<br />
G G G P P<br />
El empaquetamiento teórico máximo para una mezcla de partículas grandes y pequeñas es:<br />
( 1 )<br />
MAX G G P<br />
(3.3.5)<br />
f = f + − f f<br />
(3.3.6)<br />
En el caso de que los dos tipos de partículas que componen la mezcla bimodal son de la misma composición,<br />
la densidad teórica de las partículas pequeñas y grandes será la misma,<br />
con lo que la fracción en peso,<br />
*<br />
X G , vendra dada por:<br />
X<br />
*<br />
G<br />
( 1 )<br />
ρG = ρP<br />
fG<br />
=<br />
f + − f f<br />
G G P<br />
(3.3.7)<br />
La ecuación anterior puede simplificarse suponiendo que el factor de empaquetamiento para los dos tipos de<br />
partículas es el mismo, con lo que:<br />
15
X<br />
*<br />
G<br />
=<br />
1<br />
( 2 − f )<br />
G<br />
(3.3.8)<br />
Analogamente, en el caso de una mezcla de tres fracciones granulométricas: gruesos, medios y finos el<br />
empaquetamiento teórico máximo vendrá dado por:<br />
donde:<br />
( 1 ) ( 1 )( 1 )<br />
f = f + − f f + − f − f f<br />
(3.3.9)<br />
MAX G G M G M F<br />
G f = Factor de empaquetamiento de los gruesos.<br />
f = Factor de empaquetamiento de los medios.<br />
M<br />
f = Factor de empaquetamiento de los finos<br />
F<br />
y las masas respectivas de cada una de las fracciones es:<br />
WG = fGρ G<br />
(3.3.10)<br />
( 1 )<br />
( 1 )( 1 )<br />
W = − f f ρ<br />
(3.3.11)<br />
M G M M<br />
W = − f − f f ρ<br />
(3.3.12)<br />
F G M F F<br />
Para este modelo, la fracción de volumen de partículas requeridas disminuye con el tamaño de partícula. En la<br />
práctica, el máximo empaquetamiento se alcanza cuando la relación entre los tamaños más cercanos es mayor<br />
que ,aproximadamente, 7 y las partículas más finas están dispersados uniformemente. Las partículas más<br />
finas deben ser lo bastante pequeñas para poder entra en todas las regiones de los intersticios, como se indica<br />
en la figura 3.3.9. Siguiendo este modelo de empaquetamiento McGeary logro una densidad de<br />
empaquetamiento del 95 %, mediante vibración de un sistema quaternario de esferas de acero con los tamaños<br />
indicados en la tabla 3.3.3.<br />
Figura 3.3.9.- Empaquetamiento de esferas pequeñas en un intersticio plano entre esferas grandes.<br />
16
Tabla 3.3.3.- Densidad de empaquetamiento de una mezcla de esferas de diferentes dimensiones.<br />
En la práctica, el estudio granulométrico óptimo para cada una de nuestras materias primas, deberá ser<br />
objeto de ensayos de empaquetamiento realizados en los laboratorios.<br />
Una vez obtenidas las cantidades necesarias de los distintos intervalos granulométricos y con el objeto de<br />
conseguir el máximo empaquetamiento de los granos, es necesario someterlos a un intenso amasado,<br />
operación que se realiza en un mezclador. Además para facilitar la homogénea distribución de los granos<br />
finos en la mezcla, se le añade un ligante o aglomerante, que contribuye también a dar más cohesión a la<br />
mezcla y le confiere una cierta plasticidad que ayuda de forma notable en su posterior conformación.<br />
La mezcla y amasado de la pasta debe ser muy intensa al objeto de hacerla perfectamente homogénea, ya<br />
que de no ser así la contracción o dilatación de la pieza durante la cocción no será uniforme en toda la<br />
masa de la misma.<br />
En algunos casos, el ligante usado es simplemente agua, ya que esta permite poner en suspensión las<br />
partículas, lo que hace que estas se puedan distribuir de una forma homogénea en la masa. En los casos en<br />
que no sea posible utilizar agua o junto con ella se pueden adicionar aglomerantes, bien orgánicos o<br />
inorgánicos, procurando que los mismos no contaminen, ni afecten a la composición química del material.<br />
Los aglomerantes inorgánicos más usuales son: cal, silicato sódico, sulfato de magnesio, ácido fosfórico,<br />
fosfato de monoaluminio, cemento refractario, etc. Y entre los orgánicos: alquitrán, almidón, melazas,<br />
etc.<br />
Durante la cocción, los primeros reaccionan con las partículas cristalinas contribuyendo a formar vidrios<br />
de sinterización, mientras que los segundos (orgánicos) se eliminan total o parcialmente por combustión,<br />
una vez sinterizados entre sí los granos de la pasta.<br />
La cantidad de agua incorporada a la masa, en general, es inferior al 10 %, y tiende a hacerse mínima para<br />
conseguir la máxima economía en el secado. Sin embargo, cuando la materia prima son algunas arcillas,<br />
el porcentaje puede alcanzar el 30 %.<br />
3.4.- Conformado.<br />
Prensado.<br />
En el conformado de las piezas, en el caso de masas s e c a s (humedad < 10%), es posible<br />
realizarlo en prensas, cosa que no se puede hacer con las masas plásticas (humedad >10 %),<br />
ya que lo impediría la incomprensibilidad del agua. Estas masas plásticas s e suelen<br />
extrusionar. El prensado además de permitir la conformación de las piezas, disminuye<br />
considerablemente la porosidad, quedando esta, en algunos casos, por debajo del 20 %.<br />
17
El prensado uniaxial tiene por objeto la compactación de la mezcla dentro de un molde rígido aplicando la<br />
presión en una sola dirección por medio de un embolo, o un pistón o un punzón rígido. Es un procedimiento<br />
de elevada capacidad de producción y fácil de automatizar.<br />
Las etapas generales en el prensado son:<br />
1.- Llenado de molde<br />
2.- Compactación y conformado de la pieza,<br />
3.- Extracción de la pieza<br />
En la figura 3.4.1 se muestra de forma esquemática la secuencia automatizada de prensado de una prensa<br />
típica uniaxial de doble acción.<br />
La alimentación, consistente en material granular de fluidez elevada, se introduce en la cavidad formada por<br />
el molde se realiza mediante un mecanismo deslizamiento y se dosifica volumétricamente. Los movimientos<br />
del molde y del punzón se coordinan de modo que se induzca un cierto vacío que ayuda a la deposición del<br />
polvo en la cavidad del molde. Los punzones inferiores se mueven hacia abajo. Los materiales de baja<br />
fluidez, usualmente, se pesan previamente y se alimentan manualmente o mediante flujo inducido<br />
mecanicamente.<br />
Los punzones inferiores se posicionan en el cuerpo del molde para formar la cavidad predeterminada (basada<br />
en la relación de compactación del polvo) para que contenga el volumen correcto para conseguir las<br />
dimensiones requeridas del producto en verde después de la compactación A continuación, el mecanismo de<br />
alimentación se pone en posición y llena la cavidad de material (Etapa 1).<br />
Una vez realizado el llenado del molde, con el polvo cerámico de elevada fluidez y conteniendo los aditivos<br />
adecuados, el mecanismo de alimentación se retira y en su movimiento de retirada alisa la superficie (Etapa<br />
2).<br />
A continuación, los punzones superiores se mueven hacia abajo entrando en la cavidad y se precomprime el<br />
polvo, comenzando el trabajo de compactación, produciéndose al mismo tiempo una eliminación del aire<br />
(Etapa 3).<br />
Después, a medida que prosigue el prensado, tanto los punzones superiores como inferiores comprimen<br />
simultáneamente el polvo cuando se mueven uno hacia el otro de forma independiente y sincronizada a sus<br />
posiciones predeterminadas (Etapa 4).<br />
Cuando se ha completado la compactación, la pieza posee unas tensiones residuales de compresión que la<br />
sujetan en la cavidad del molde (Etapa 5).<br />
Después el punzón superior se retira y los inferiores sacan la pieza del molde mediante su empuje que supera<br />
las tensiones residuales de compresión (Etapa 6).<br />
Durante la extracción de la pieza esta incrementa sus dimensiones liberando las tensiones residuales (Etapas 7<br />
y 8). El juego entre el molde y los punzones es de 10 – 25 µ m cuando se prensan polvos de tamaño de micras<br />
y de 100 µ m cuando se prensan partículas granulares. La pared del molde, algunas veces, se puede fabricar<br />
con cierta divergencia ( < 10 µ m / cm), con el fin de facilitar la extracción de la pieza. Por otra parte, las<br />
piezas pueden ser extraídas manteniendo o no contacto con el punzón superior.<br />
En ese momento el mecanismo de alimentación se mueve a la posición de llenado empujando a la pieza fuera<br />
de su posición encima de los punzones, y comienza de nuevo el ciclo de prensado (Etapa 9).<br />
18
Figura 3.4.1.- Esquema de trabajo del prensado uniaxial automatizado.<br />
19
Las velocidades de prensado varian desde una fracción de segundo para pequeñas piezas a varios minutos<br />
para grandes piezas usando una prensa de acción simple. Velocidades que exceden 5000 ppm (piezas por<br />
minuto) se alcanzan usando prensas rotativas multiestación. Las capacidades de prensado alcanzan hasta<br />
varios cientos de toneladas. La presión máxima de prensado usada en el prensado en seco esta, comúnmente,<br />
en la gama de 20-100 MPa. Las presiónes más altas se usan en la fabricación de las cerámicas técnicas y<br />
menores en la fabricación de materiales a base de arcilla.<br />
La vida útil del molde puede alcanzar la fabricación de varios cientos de miles de piezas para un molde<br />
simple y trabajando a una presión baja. Las tolerancias alcanzadas en el prensado industrial son menores del<br />
+1 % en la masa y ± 0.02 mm en el espesor. Las tolerancias dimensionales y la uniformidad de la<br />
microestructura son mucho más difíciles de controlar cuando la pieza tiene varios niveles superficiales.<br />
El tipo de prensa y los útiles seleccionados dependen de la dimensión y forma de las piezas a prensar. Así, los<br />
modos de prensado, clasificados según el movimiento de los punzones y del molde, pueden verse en la tabla<br />
3.4.1. A su vez, en la tabla 3.4.2 se dan los tipos de prensas uniaxiales.<br />
TIPO<br />
ACCION SIMPLE<br />
ACCION DOBLE<br />
MOLDE FLOTANTE<br />
Tabla 3.4.1.- Modos de prensado en seco,<br />
MOLDE<br />
(a) Simple o compuesto<br />
PUNZON SUPERIOR (a)<br />
FIJO MOVIL FIJO<br />
FIJO MOVIL MOVIL<br />
MOVIL MOVIL FIJO<br />
Tabla 3.4.2.- Clases de prensas uniaxiales.<br />
PUNZON INFERIOR (a)<br />
20
La clasificación de la dificultad en el prensado en seco se resume en la tabla 3.4.3.<br />
Tabla 3.4.3.- Clasificación de la dificultad en el prensado en seco.<br />
Piezas con un espesor constante y de pequeño valor pueden prensarse adecuadamente con una prensa de<br />
acción simple, en las que el molde y el punzón inferior permanecen estacionarios y solamente se mueve el<br />
punzón superior.<br />
Si el espesor de las piezas aumenta con el método de la acción simple (Prensado solamente por un lado de la<br />
pieza) no se logra una compactación uniforme de la pieza. Para solucionar el problema anterior se utilizan<br />
prensas de doble acción en las que se mueven tanto el superior como el inferior.<br />
Si las piezas presentan una sección transversal con espesor variable, entonces es necesario usar prensas con un<br />
punzón independiente para cada nivel de espesor, que se denominan de doble acción y movimiento múltiple,<br />
Esto es necesario para lograr una compactación uniforme en todo el conjunto de la pieza. Esto se ilustra en la<br />
figura 3.4.2 para el caso de un polvo con una relación de compactación de 2:1. El punzón que debe compactar<br />
la parte de menor espesor debe recorrer una distancia, mientras que el debe compactar la parte de mayor<br />
espesor debe recorrer una distancia A + B, esto no se puede conseguir con un solo punzón y, por tanto, son<br />
necesarios dos.<br />
Figura 3.4.2.- Esquema ilustrando las diferentes distancias que debe moverse el punzón para conseguir una<br />
compactación uniforme del polvo cerámico.<br />
21
Sin embargo, el equipo más comúnmente utilizado, partícularmente en las cerámicas técnicas, es la prensa con<br />
molde flotante (Figura 3.4.3). En este tipo de prensa el movimiento, en función del tiempo, de los punzones y<br />
del molde esta sincronizado como se muestra en la figura 3.4.4. La parada del punzón se realiza a una presión<br />
determinada cuando se usa un control hidraulico y a un determinado desplazamiento cuando se usa control<br />
mecánico.<br />
Figura 3.4.3.- Ciclo de prensado para una prensa de molde flotante (a) Un solo nivel (b) Dos niveles<br />
Las líneas de rayas indican el movimiento de los componentes de la prensa.<br />
22
Figura 3.4.3.- Ciclo de prensado para una prensa de molde flotante.<br />
23
Figura 3.4.4.- Movimiento sincronizado de los punzones y del molde durante un ciclo de prensado<br />
usando una prensa de molde flotante.<br />
La mayoría de las prensas uniaxiales son de dos tipos:<br />
1.- Mecánicas<br />
2.- Hidráulicas (Figura 3.4.5).<br />
Las prensas de tipo mecánico carrera simple tienen una alta capacidad de producción y son fáciles de<br />
automatizar. El ciclo de prensado se repite de 6 a 100 veces por minuto, dependiendo del tipo de prensa y de<br />
la forma de la pieza a fabricar. La capacidad de producción oscila entre 1 y 20 toneladas, pudiendo alcanzarse<br />
las 100 toneladas.<br />
Otro tipo de prensa mecánica es la rotativa. En ella numerosos moldes se colocan sobre una mesa rotatoria. El<br />
punzón pasa sobre levas cuando la mesa gira, causando un ciclo de llenado, compresión y expulsión similar<br />
al de una prensa de carrera simple. Las velocidades de producción que pueden alcanzarse con una prensa<br />
rotativa estan en el rango de 2000 piezas por minuto. La capacidad de presión está en intervalo de 1 a 100<br />
toneladas.<br />
Aún otro tipo de prensa mecánica es la prensa de palanca, que, comunmente, se usa para el prensado de<br />
ladrillos refractarios y es capaz de ejercer la presión de hasta, aproximadamente, 800 toneladas. Las prensas<br />
de palanca cierran un volumen determinado de tal modo que la densidad final esta controlada, en gran parte,<br />
por las características de la alimentación.<br />
Por su parte, las prensas hidráulicas transmiten la presión a través de un fluido que actua sobre un pistón.<br />
Ellas, por lo general, operan a una presión determinada, de modo que el tamaño y las características del<br />
componente prensado estan determinadas por la naturaleza de la alimentación , la cantidad de llenado del<br />
molde y la presión aplicada. La prensas hidraulicas pueden ser muy grandes, pero tienen un ciclo de trabajo<br />
mucho más largo que las mecánicas.<br />
Las presiones alcanzadas por las prensas van desde los 400 a los 2000 Kgf/cm 2 ; los valores<br />
más altos se logran con las prensas de las últimas generaciones. Hoy día es ya posible la<br />
utilización de prensas semiautomaticas, que dosifican y sacan la pieza refractaria sin la<br />
intervención del operario de la misma.<br />
24
Figura 3.4.5.- Prensa hidráulica<br />
Para que la acción del prensado sea uniforme en toda la masa de la pieza y a su vez no introduzca<br />
heterogeneidad en la orientación de los granos, que redundaría en una menor resistencia mecánica en sentido<br />
transversal a la presión, debe procurarse limitar el espesor de la pieza, lubricar las paredes laterales del<br />
troquel y a ser posible realizar un prensado isostático. Este puede lograrse intercalando un fluido o cuerpo<br />
elástico entre la matriz y la pieza, que transmita la presión en todas las direcciones y caras. Con presiones<br />
elevadas es conveniente así mismo que el troquel o cámara de prensado esté bajo vacío, a fin de facilitar la<br />
expulsión del aire ocluido en la masa evitando la retención de vacuolas gaseosas.<br />
Para productos refractarios especiales de alta calidad se ha impuesto el método de prensado isostático.<br />
Por este método se rellenan moldes elásticos de goma con masa cerámica de polvo fino. Una vez<br />
cerrado el molde de goma, se somete la masa a presión en una autoclave. La presión empleada actúa en<br />
forma líquida por todas las direcciones sobre el cuerpo a prensar, consiguiendo de ésta manera una<br />
densidad uniforme en el ladrillo. En la industria del refractario se aplican presiones que llegan a alcanzar<br />
los 300 N/mm 2 utilizando prensas isostáticas. Este tipo de prensas encuentran su aplicación para la<br />
fabricación de bloques de formatos grandes, piezas de formas especiales como son buzas, tubos, etc.<br />
25
Extrusión.<br />
El conformado plástico incluye los procedimientos de producción de productos a partir de una mezcla de<br />
polvo cerámico y aditivos que es deformable bajo presión. La mezcla puede obtenerse en sistemas<br />
conteniendo arcillas por la adición de agua y pequeñas cantidades de floculante, un agente de mojado y un<br />
lubricante.<br />
En sistemas que no contienen arcilla, tales como óxidos puros, carburos y nitruros, es necesario añadir, en<br />
lugar de la arcilla, un material orgánico, mezclado con agua o con otro fluido, para proporcionar la<br />
plasticidad. Se requiere entre el 20 y el 50 % de aditivo orgánico para lograr la plasticidad adecuada para el<br />
conformado. La plasticidad es la capacidad de deformarse ante un esfuerzo mecánico conservando la<br />
deformación al retirarse la carga.<br />
La mayor dificultad del proceso de conformado plástico es la eliminación del material orgánico antes de la<br />
cocción. En el caso de los sistemas arcilla – agua, durante el secado tiene lugar una contracción sustancial,<br />
que aumenta el riesgo de aparición de grietas. En el caso de sistemas con aditivos orgánicos, el problema<br />
mayor es la obtención de pieza en verde libre de defectos y la extracción del material orgánico. Una<br />
extracción demasiado rápida da lugar a agrietamientos, hinchamiento o distorsión. Por otra parte, una<br />
eliminación inadecuada resulta en agrietamientos, hinchamiento o contaminación en el proceso posterior de<br />
densificación a alta temperatura.<br />
El conformado plástico se usa de forma extensiva en la fabricación de cerámicas tradicionales y modernas o<br />
avanzadas.<br />
Materiales de construcción tradicionales tales como: ladrillos y tejas se obtienen por extrusión. Además se<br />
pueden producir por extrusión: tubos de protección de los termopares, tubos para hornos, tubos de carburo de<br />
silicio para intercambiadores de calor, aislantes eléctricos de porcelana, sustratos para aplicaciones<br />
electrónicas, soportes de catalizadores tipo “colmena de abeja”, tubos transparentes para lámparas, etc. Los<br />
sustratos pueden extruirse a un espesor menor de 1 mm.<br />
Se pueden obtener productos de gran tamaño de más de una tonelada, hasta de pequeño tamaño de solamente<br />
unos gramos de masa.<br />
La extrusión se usa en el conformado de materiales compuestos y la extrusión en caliente puede usarse para la<br />
obtención de electrodos de grafito.<br />
Las presiones que se alcanzan en la industria varían desde los 4 MPa para productos de porcelana hasta los 15<br />
MPa para algunos materiales plastificados con productos orgánicos. La capacidad de producción varía en<br />
función del tamaño de la pieza a fabricar, aproximándose a las 100 t/h para piezas de gran tamaño.<br />
La velocidad de extrusión medida en términos de la velocidad de salida del material de la máquina, también<br />
varía ampliamente y esta controlada por la velocidad de corte y del sistema de transporte. Una velocidad de 1<br />
m/minuto es común en la extrusión de piezas de gran tamaño.<br />
En la figura 3.4.6 se muestran diferentes tipos de piezas que pueden obtenerse por extrusión.<br />
26
Figura 3.4.6.- Ejemplos de piezas que se obtienen por extrusión.<br />
Esta técnica de conformado se emplea en la fabricación de productos cerámicos de sección constante.<br />
Básicamente el proceso de extrusión consiste en forzar el paso, mediante la aplicación de una presión, de la<br />
pasta con una consistencia plástica (Elevada viscosidad) a través de una matriz (Figura 3.4.7).<br />
Se obtiene un producto lineal con una sección transversal controlada, que luego se corta a la longitud requerida<br />
por el producto a obtener. Es un método de conformado continuo muy efectivo y eficiente, que usa un<br />
equipamiento simple.<br />
Se han desarrollado varios métodos para forzar el paso de la pasta a través del dado: giro de unos rodillos,<br />
empuje de un pistón o rotación de una hélice (tornillo de Arquímedes) como se aprecia en la figura 3.4.8.<br />
Las maquinas extrusoras de tornillo pueden ser simples o de tornillos gemelos.<br />
27
Por su parte, las maquinas extrusoras de pistón pueden alcanzar presiones muy elevadas, que, usualmente, se<br />
consiguen mediante bombas hidráulicas. Su mantenimiento es mínimo y, generalmente, tienen una menor<br />
contaminación por desgaste, que se limita a las paredes del cilindro.<br />
Una desventaja de las máquinas extrusoras de pistón es que es una máquina que trabaja con lotes de material<br />
trabajando con una cantidad limitada de material. Esto puede causar problemas si un bajo coste de producción<br />
es un factor significativo y si la extrusión representa un porcentaje grande del coste total.<br />
Otra desventaja es que el incremento de carga que se produce en el cilindro, puede causar la estratificación<br />
de la mezcla, que da lugar interrupciones en el modelo de flujo en el Cilindro<br />
, así como a la existencia de aire<br />
Dado<br />
atrapado, que puede causar cambios en el comportamiento de la extrusión y defectos en las piezas en verde<br />
Las máquinas que realizan esta función constan de tres partes principales:<br />
- El sistema propulsor, que tiene por objeto el empujar la pasta a través de la matriz.<br />
- La matriz, que depende del tipo de pieza a realizar<br />
- La cortadora, que tiene la misión de cortar la columna que sale de la matriz en piezas de longitud<br />
determinada.<br />
El sistema de hélice está especialmente indicado para masas plásticas, el sistema de cilindros, que se<br />
compone de dos o tres cilindros laminadores, se utiliza para pastas consistentes y el sistema de pistón, que<br />
empuja la pasta a través de la matriz por medio de un émbolo, se utiliza para pastas muy desgrasantes.<br />
Las pastas deben tener sobre el 14 – 20 % de humedad para su moldeo. Se obtienen piezas de adecuada<br />
compacidad.<br />
Figura 3.4.7.- Método de conformado por extrusión.<br />
28
Figura 3.4.8.- Métodos de extruir una pasta cerámica.<br />
El material extrusionado puede ser ya un producto final o puede ser usado como alimentación para una<br />
segunda operación de conformado.<br />
En la figura 3.4.9 se puede ver una maquina extrusora de tornillo simple usada habitualmente en la industria<br />
cerámica. Consiste de varias secciones y es capaz de trabajar de forma continua. La primera sección es un<br />
molino amasador o mezclador, que contiene dos filas de palas montadas sobre dos ejes que giran en sentidos<br />
opuestos, lo que proporciona una elevada acción cortante que mezcla de forma eficaz el material, que pasa<br />
estrujado entre las palas. También puede ser un tornillo de Arquímedes con los hilos de la hélice rotos.<br />
La alimentación al molino mezclador es la premezcla formada por: polvo cerámico, mas liquido y mas<br />
aditivos tales como: ligantes, plastificantes, dispersantes, floculantes, lubricantes y surfactantes). El molino<br />
mezclador amasa la premezcla proporcionando homogeneidad, maximizando la plasticidad y eliminando aire<br />
por el efecto de apriete de la pasta.<br />
A continuación, mediante un tornillo de Arquímedes para el transporte del material, la mezcla es forzada a<br />
entrar, a través de una placa perforada, en la cámara de desaireado. El material en forma de tiras con una<br />
sección transversal menor es desaireado de una manera más uniforme mediante la aplicación de vacío para<br />
eliminar tanto aire como sea posible.<br />
Finalmente, la mezcla pasa a la cámara de compactación donde otro tornillo de Arquímedes transporta el<br />
material y lo precompacta para eliminar tanta porosidad como sea posible, antes de que pase, debido a la alta<br />
presión, por la matriz o dado rígido.<br />
Los productos cerámicos compactos resultantes de sección transversal constante y de gran longitud son<br />
soportados por bandejas y mediante un sistema de corte se les da la longitud deseada.<br />
Las extrusoras o galleteras de hélice son máquinas cilíndricas o troncocónicas con eje de paletas helicoidales<br />
que empuja la pasta hasta una boquilla que la conforma continuamente. El vacío para evitar la presencia de<br />
burbujas de aire en la masa, pues éstas producen la rotura de las piezas al calentarse en la cocción (Incremento<br />
de volumen del aire al aumentar la temperatura, que al estar restringida causa un aumento de presión).<br />
La ventaja de este tipo de máquina extrusora es que en ella tiene lugar, de forma continua, el mezclado, el<br />
desaireado, la consolidación y la forma final de la pieza a fabricar.<br />
Las etapas en el tornillo de la maquina de extrusión son:<br />
1.- Alimentación del material.<br />
2.- Consolidación y flujo del material en la camisa.<br />
3.- Flujo a través del dado convergente<br />
4.- Flujo a través de dado de sección transversal constante o casi constante.<br />
5.- Eyección.<br />
29
Figura 3.4.9.- Máquina de extrusión industrial con cámara de desaireación y tornillo de Arquímedes.<br />
30
La sección longitudinal de las maquinas de extrusión de pistón o de tornillo se muestran en la figura 3.4.10.<br />
En la extrusión con pistón el material de alimentación es, comúnmente, pequeños trozos cilíndricos<br />
desaireados procedentes de la cámara del molino mezclador, pero puede ser un material segmentado. Después<br />
de la inserción del pistón y del desaireado, el material alimentado es comprimido y forzado a ir a lo largo de la<br />
camisa hacia el dado por el movimiento del pistón. Una ventaja de las maquinas con pistón es que se pueden<br />
alcanzar presiones altas, sin embargo, es un proceso intermitente y de capacidad de producción más baja, que<br />
requiere un incremento de costes.<br />
Figura 3.4.11.- Esquema de las secciones transversales de las maquinas de extrusión con pistón y con tornillo<br />
de Arquímedes, indicando sus zonas y parámetros de diseño.<br />
Para las máquinas que usan un tornillo, en la figura 3.4.12 se muestran las distintas zonas existentes en la<br />
región del tornillo, indicando la variación de la presión que existe en cada de ellas. La alimentación del<br />
material segmentado es transportado por el tornillo y al mismo tiempo va densificando al ir compactándose y<br />
llega a ser continuo en la zona de dosificación. Los gradientes de velocidad y de presión se redistribuyen a la<br />
salida del tornillo y a la entrada de la zona 4 de la camisa.<br />
En la alimentación usando un tornillo simple, el material no debe deslizar sobre la pared de la camisa. En<br />
Area.. de.. la.. pared<br />
consecuencia, la adhesión del material sobre la pared y la relación<br />
debe ser<br />
Area.. del.. tornillo<br />
suficientemente alta. Los tornillos deben estar suficientemente pulidos para facilitar el deslizamiento. Para<br />
alcanzar presiones más altas pueden usarse tornillos de mayor tamaño o convergentes. El número de hilos del<br />
tornillo controla el número de columnas de alimentación desplazadas.<br />
31
Figura 3.4.12.- Variación de la presión en las distintas zonas del tornillo de la maquina de extrusión.<br />
Un ángulo de la hélice de mayor valor aumenta la velocidad de transporte, pero reduce la presión de empuje<br />
de compresión sobre el material. Los ángulos de hélice, comúnmente, usados están dentro del intervalo de 20-<br />
25 º.<br />
La relación requerida entre el diámetro del tornillo y del producto aumenta cuando lo hace la tensión de<br />
fluencia del material y cuando aumenta el área de fricción del dado de sección constante. Calentando o<br />
enfriando el material puede modificarse su adhesión sobre la superficie metálica y, por tanto, su resistencia al<br />
flujo.<br />
Las boquillas son diferentes y intercambiables (Figura 3.4.13) con el objeto de obtener distintos tipos de<br />
piezas.<br />
Figura 3.4.13.- Distintos tipos de boquillas.<br />
32
3.5.- Secado.<br />
Las piezas conformadas, en general, deberán someterse a un proceso de secado una vez conseguida su<br />
configuración al objeto de desprenderse del agua aportada para este menester o de otras materias<br />
líquidas dependientes del proceso de fabricación. Solamente las piezas moldeadas completamente secas<br />
pueden cocerse sin peligro de agrietamientos.<br />
El secado tiene por objeto eliminar el agua libre, no combinada, contenida en la pasta cruda e incorporada<br />
durante la preparación de las materias primas. La necesidad e importancia de esta operación, previa a la<br />
cocción, esta en consonancia con el porcentaje de humedad de la pasta. Es por tanto particularmente relevante<br />
en las masas plásticas de arcilla y, por el contrario, es innecesaria en la preparación de masas prensadas en<br />
seco o aglomeradas químicamente.<br />
El agua libre de la pasta puede diferenciarse, en agua de poro y agua intergranular. La primera rellena los<br />
espacios huecos entre las partículas del agregado, sin contribuir al volumen total aparente de la masa. La<br />
segunda recubre las partículas granulométricas base, y añade su volumen al total. La eliminación por secado del<br />
agua intergranular afecta pues al volumen de la pieza verde, en tanta mayor cuantía cuanto más próxima sea la<br />
humedad inicial al punto de saturación. Este fenómeno explica la contracción de las pastas húmedas o verdes,<br />
en particular de las arcillosas, durante la operación de secado y la nula contracción de las pastas secas.<br />
El agua de poro debe eliminarse a temperaturas próximas a la de ebullición. Si su extracción se efectúa durante<br />
la cocción, la elevada temperatura superficial de la pieza y su pequeña conductividad térmica dará lugar a que<br />
la porción final de humedad sea eliminada a través de una capa sinterizada del material, lo que originará un<br />
mayor porcentaje de porosidad abierta en la pieza cocida. La operación de secado, como fase previa de la<br />
cocción, se justifica pues, al objeto de que el material absorba la fuerte contracción térmica inicial, de forma<br />
lenta y homogénea, evitando la aparición de fisuras, y en razón de obtener la mínima porosidad abierta.<br />
En el curso del secado la resistencia mecánica de la pieza crece moderadamente debido a la fijación sobre la<br />
superficie de los granos, coloides e iones en suspensión o disolución, respectivamente, lo que contribuye a<br />
cohesionarlos. En las masas fraguadas o aglomeradas químicamente una parte del agua de amasado se<br />
incorpora coso agua de composición a la matriz intergranular y en tal caso su secado y cohesionado tiene<br />
lugar a temperatura ambiente.<br />
El proceso de secado se efectúa normalmente a temperatura ligeramente superior a. 100 ºC, en secadores tipo<br />
túnel de producción continúa, por lo que la operación de secado se concatena dentro del proceso general de<br />
tratamiento térmico en régimen de recuperación de calor sensible. Los conductos del gas caliente se disponen<br />
bajo la solera del secadero y por tanto separados de la carga. Por la cámara de secado se hace circular aire<br />
seco, en contracorriente del material e impulsado mediante ventiladores a fin de evitar que se sature con el<br />
vapor del agua. La temperatura y humedad del aire se controlan a lo largo del secadero con objeto de regular<br />
la velocidad de secado de acuerdo con las características del proceso de eliminación del agua de la masa.<br />
El mecanismo de secado es consecuencia de la forma de presentación del agua en la pasta: (agua intergranular<br />
y de poro), hecho que gobierna su extracción y que permite distinguir dos subetapas de secado. En tanto exista<br />
agua intergranular, es decir, entre el punto de saturación y el punto crítico de humedad, el agua superficial de<br />
la pieza estará en comunicación con el agua interna. Por debajo del punto crítico no ocurre así y la humedad<br />
interna estará desconectada de la superficie.<br />
Al comienzo del secado la película de agua intergranular va progresivamente adelgazándose y la contracción de<br />
la pasta es homogénea. La pérdida de humedad es uniforme en toda la masa y la velocidad de secado puede ser<br />
elevada (mayor temperatura y menor grado de humedad en el aire). Al alcanzarse el punto crítico, el transporte<br />
del agua hacia la superficie se hace más difícil, ya que opera por capilaridad o por difusión gaseosa, y por<br />
tanto la velocidad intrínseca de secado es más lenta. Para que la pérdida de humedad sea homogénea interesa<br />
que la pieza alcance una temperatura uniforme y que por tanto no exista apenas gradiente térmico en la masa,<br />
33
lo cual se favorece con una atmósfera próxima a la saturación de vapor. En esta segunda subetapa la<br />
contracción del material es pequeña o nula.<br />
En la figura 3.5.1 se muestra la curva de velocidad intrínseca de secado y la contracción del material.<br />
Figura 3.5.1.- Curva de velocidad intrínseca de secado y la contracción del materia<br />
Los ladrillos de tamaños grandes como son, por ejemplo, los utilizados para los crisoles de fusión de<br />
vidrio, placas de asiento y otros similares, se secan por el método de humedad controlada. Los ladrillos<br />
prensados se someten en cámaras o túneles de secado a la influencia del calor procedente de los hornos<br />
de cocción, utilizando este calor de una manera racional. En las modernas instalaciones de fábricas, los<br />
ladrillos prensados en verde se colocan delante de la prensa directamente sobre la vagoneta del horno<br />
túnel para que una vez secos en el canal de secado sean introducidos en el horno túnel. Este<br />
procedimiento no solo contribuye a un ahorrote costes, sino que se evitan además los deterioros por<br />
manipulación.<br />
3.6.- Cocción.<br />
3.6.1.- Introducción.<br />
La cocción es sin duda la etapa más delicada del proceso de fabricación ya que condiciona las propiedades<br />
más importantes y específicas del producto final. Los parámetros básicos de la cocción son la temperatura, el<br />
tiempo de tratamiento y la velocidad de calentamiento y enfriamiento.<br />
La temperatura de cocción debe ser como mínimo igual a la de utilización del material, ya que de no ser así<br />
ciertos fenómenos que se operan durante su trascurso tendrán lugar en el horno de forma incontrolad e<br />
indeseada. Tal es el caso, fundamentalmente, de la variación permanente de dimensiones de la pieza.<br />
34
Los procesos que se desarrollan durante la cocción son complejos y dependen de cada material en particular.<br />
En general, se puede decir que la cocción da lugar a los siguientes efectos:<br />
1.- Transformaciones cristolográficas o cambios de fase en estado sólido, con aparición de especies estables<br />
a elevada temperatura que deben mantenerse o hacerse reversibles en lo posible al enfriar el material, y<br />
recristalizaciones.<br />
2.- Descomposición térmica de minerales hidratados (hidróxidos, agua de composición, etc), carbonatos,<br />
sulfuros, material orgánicas, etc.<br />
3.- Sinterización de los granos cristalinos bien mediante formación de fases vítreas intercristalinas directas o<br />
procedentes de la matriz de aglomeración.<br />
La descomposición térmica de los minerales y las transformaciones cristalográficas tienen lugar en su<br />
mayor parte durante el proceso de calentamiento. Como estos fenómenos llevan aparejados, o bien una<br />
pérdida de masa, o bien una variación de densidad en las fases cristalinas involucradas, dan lugar a<br />
contracciones o en su caso dilataciones permanentes que deben ser absorbidas lo más homogeneamente por<br />
el material, ello obliga, en la generalidad de los casos, a que el calentamiento sea progresivo y adecuado al<br />
comportamiento físico-químico de la materia.<br />
Algunas transformaciones cristalinas y recristalizaciones operan lentamente o bien tienen lugar con<br />
retraso a temperaturas superiores a su punto de transformación, lo que obliga a mantener el material a la<br />
temperatura de cocción al tiempo suficiente para que se alcance un grado práctico de estabilización, o<br />
bien incorporarle ciertos compuestos mineralizadores.<br />
La sinterización y vitrificación de los granos cristalinos y de la matriz intercristalina tiene lugar<br />
principalmente a las máximas temperaturas y es función así mismo del tiempo de permanencia en ellas. La<br />
vitrificación depende así mismo de las impurezas que acompañen a las fases cristalinas. Un aumento<br />
excesivo de la temperatura de cocción o del tiempo de cocción por encima de sus valores óptimos, pueden<br />
ser por este motivo perniciosos, ya que la vitrificación del material, debe ser la mínima compatible con<br />
una adecuada textura y compacidad del material.<br />
La velocidad de enfriamiento debe ser en principio la que permita el comportamiento físico-químico d e l<br />
material ya que interesa retener las fases de alta temperatura en estado metaestable. En el caso de especies<br />
fácilmente reversibles y que presentan una variación relativamente importante de densidad, el<br />
enfriamient o debe ser controlado cuidadosamente para evitar la rotura o desconchado de la pieza en la<br />
proximidad de los puntos de transformación.<br />
Los hornos modernos de cocción de refractarios son tipo túnel y marcha continua (Figura 3.6.1.1). Los<br />
rasgos básicos del horno consisten en una cámara alargada a lo largo de la cuál circula la carga a cocer,<br />
dispuesta sobre una mesa móvil o sobre vagonetas. E l calentamiento del horno se efectúa mediante<br />
mecheros de gas laterales y la temperatura se gradúa por zonas, mediante recirculación de los gases.<br />
35
Figura 3.6.1.1.- Vista y sección de un horno túnel.<br />
A zona de precalentamiento, B zona de cocción, C zona de enfriamiento.<br />
1.- anclaje del horno, 2.- conducto de aire para los quemadores, 3.- bóveda del horno,<br />
4.- junta de laberinto, 5.- canal de arena, 6.- vía del horno, 7.- canal de visita,<br />
8.- quemadores, 9.- vagoneta del horno, 10.- recuperador cerámico, 11.- recuperador metálico<br />
36
L a cocción es la operación más costosa del proceso de fabricación de refractarios y por ello es importante<br />
una alta eficiencia térmica del horno a utilizar. El horno túnel permite un alto grado de regeneración de<br />
calor y por ello se ha ido generalizando su uso en las modernas instalaciones de producción.<br />
Las temperaturas de cocción se clasifican en función de los grupos de materias más importantes en la escala<br />
siguiente:<br />
Ladrillos de chamota: 1250 - 1500 °C<br />
Ladrillos de sílice: 1450 - 1500 °C<br />
Ladrillos aluminosos: 1500 - 1800 °C<br />
Ladrillos de magnesia: 1500 - 1800 °C<br />
El tiempo total de cocción, incluyendo el precalentamiento y el enfriamiento comprende entre los 3 días en<br />
horno túnel y unas 3 semanas en los hornos anulares e individuales. No obstante, no se puede deducir al<br />
respecto que los hornos individuales estén ya superados técnicamente; para la cocción de determinados tipos y<br />
formatos de ladrillos se hacen imprescindibles los mencionados hornos.<br />
El consumo de calor por kg de ladrillo para la cocción en hornos túnel es de:<br />
- Aproximadamente 3500/kJ/kg para ladrillos de chamota<br />
- Aproximadamente 6000/kJ/kg para ladrillos de magnesia<br />
- Aproximadamente 12000/kJ/kg para ladrillos de magnesia o corindón de alta cocción<br />
El consumo de calor en hornos individuales y anulares se dispara a la misma temperatura entre un uno y<br />
medio y el triple según la clase de ladrillo sometido a proceso. Se pueden utilizar como fuentes de calor casi<br />
toda clase de combustibles: carbón, fuel-oil, gas de ciudad, gas natural, gas líquido. El carbón como<br />
combustible tiene poca demanda hoy en día para los equipos de cocción de cerámica. Las fuentes más<br />
importantes para el calentamiento son los combustibles líquidos y gaseosos.<br />
Durante la cocción la llama deberá rodear en lo posible a todo el ladrillo, con el fín de que se produzca<br />
uniformemente la sinterización prevista. Es necesario que el encañe de la vagoneta del horno túnel se efectúe<br />
con todo el cuidado.<br />
La duración de la cocción no depende exclusivamente del tipo de horno, sino que influye también la clase de<br />
ladrillo en cuestión, debiendo tener presente esta circunstancia al manejar el horno. Deberá tenerse en cuenta<br />
además si la cocción ha de efectuarse en atmósfera oxidante o reductora.<br />
En este sentido, la cocción de los ladrillos de carburo de silicio por ejemplo deberá efectuarse en proceso<br />
oxidante hasta alcanzar una temperatura determinada, ya que de lo contrario, tendría como consecuencia la<br />
formación de núcleos de carbono, lo que representa una reducción en la calidad<br />
.<br />
En los últimos tiempos, se someten a cocción los ladrillos de alta calidad a temperaturas que alcanzan hasta<br />
los 1800 °C. Las materias primas básicas utilizadas para fabricar dichos ladrillos básicos como es la magnesia y<br />
el mineral de cromo o las aluminosas como son el corindón o la mullita, tienen un punto de fusión muy<br />
elevado con un contenido bajo en impurezas.<br />
Por la alta cocción se produce el aglomerado de las materias primas de alta calidad, denominado también como<br />
aglomerado directo, ya que los cristales de los óxidos de elevado punto de fusión se sinterizan mutuamente en<br />
la mayoría de los casos sin interposición de silicatos. En la construcción, revestimiento y servicio de los<br />
hornos de alta cocción se plantean exigencias de consideración.<br />
37
Para conseguir en lo posible un montaje de ladrillos sin que existan separaciones en las juntas, algunos de los<br />
productos refractarios se tienen que someter a un proceso de rectificado después de la cocción. Vienen al caso<br />
por ejemplo los ladrillos para crisoles de fusión de vidrio, ladrillos de magnesia para mezcladores y otros<br />
similares.<br />
El tiempo global de fabricación para ladrillos refractarios cocidos que en función del formato y tipo de cocción<br />
dura entre 10 días y 15 semanas, no es idéntico en lo relacionado al plazo de entrega, ya que esta circunstancia<br />
depende como se sobreentiende de la existencia de pedidos de la fábrica suministradora.<br />
3.6.2.- Sinterización.<br />
Debido a su alto punto de fusión, dureza y fragilidad, los componentes cerámicos no pueden ser fabricados<br />
por los procesos que se usan para los metales y polímeros.<br />
La sinterización es el proceso de tratamiento térmico (Cocción), con o sin aplicación de presión externa, de un<br />
sistema de partículas individuales (metálicas, cerámicas, poliméricas) en forma de un aglomerado poroso<br />
compacto (previamente conformado), con el objeto de transformarlo en un producto denso (Reducción de la<br />
porosidad intra e interparticular, tendiendo a que sea nula) y resistente, como resultado de la unión entre<br />
las partículas adyacentes del material, sin que se llegue a la fusión total. El proceso conduce a una<br />
reducción de la superficie específica del sólido.<br />
La unión de las partículas se produce a una temperatura suficiente (T < TF) para estimular los mecanismos de<br />
transporte de masa.<br />
La sinterización puede ocurrir con la presencia o ausencia de una fase líquida. En el primer caso, se denomina<br />
sinterización en presencia de fase líquida, donde las composiciones y temperaturas de calentamiento son<br />
elegidas de tal forma que se origine un líquido durante el procesamiento. En ausencia de una fase líquida, el<br />
proceso se denomina sinterización en estado sólido.<br />
Tal definición del proceso de sinterización engloba los siguientes hechos o fenómenos, de forma explicita o<br />
implícita:<br />
(a).- Necesidad de energía térmica (temperatura) para que el sistema evolucione (activación térmica).<br />
(b).- Se produce un aumento de cohesión por formación de puentes o cuellos entre las partículas, que llegan a<br />
"soldarse" en estado sólido unas a otras (solid-state sintering o diffusion bonding), como puede apreciarse en la<br />
figura 3.6.2.1..<br />
Figura 3.6.2.1.- Formación de cuellos debido a la sinterización.<br />
38
(c).- Se opera un proceso de densificación que elimina progresivamente la porosidad inicial.<br />
(d).- Las partículas individuales que integran, inicialmente el sistema, pueden ser de la misma ó diferente<br />
naturaleza.<br />
(e).- La sinterización, para llevarse a cabo, no necesita del concurso de una presión externa aplicada, pero,<br />
eventualmente, con objeto de acelerar el proceso, pudiera hacerse use de ella (pressure sintering).<br />
(f).- Aunque el vocablo sinterización implica que, al menos, exista una fase sólida, durante el tratamiento<br />
térmico, es posible (y muchas veces deseable ó necesario) la presencia de una fase liquida, de modo<br />
transitorio (liquido reactivo) ó permanente (liquido de equilibrio) durante el proceso.<br />
(g).- Al final de la sinterización, el sistema no tiene porque haber alcanzado el estado de energía libre mínima<br />
pero, indefectiblemente, se encuentra mas cerca de el que al principio.<br />
Los cambios que tienen lugar durante el proceso de sinterización son:<br />
(1).- Reducción de la energía interna del sistema de partículas inicial. Este tiende hacia un estado de equilibrio<br />
que le confiere una estabilidad de forma y dimensiones.<br />
(2).- Disminución de un modo importante de la porosidad inicial (cambios en la forma, tamaño y distribución de<br />
los poros) (Figura 3.6.2.2). Formación de fronteras de grano y nexos de unión entre las partículas<br />
individuales.<br />
(3).- Crecimiento de grano (cristal), con posibles recristalizaciones (cambios en el tamaño y la forma de los<br />
granos (cristales)).<br />
(4).- Cristalización o vitrificación parcial.<br />
(5).- Difusión en estado sólido, líquido o gaseoso.<br />
(6).- Cambios de fase.<br />
(7).- Variación de las propiedades físicas (resistencia mecánica, conductividad térmica, traslucencia, etc)<br />
Figura 3.6.2.2.- Cambios en la forma y tamaño de los poros durante el proceso de sinterización<br />
39
En la cocción de los productos refractarios, paralelamente a las reacciones químico-físicas que en ella se<br />
desarrollan, que dan lugar a la formación de nuevas fases cristalinas y vítreas, tiene lugar una serie de<br />
cambios microestructurales de la pieza. El cambio en la forma y tamaño de los poros es uno de los más<br />
importantes, ya que gran parte de las propiedades físicas del producto cocido son dependientes de este<br />
parámetro (resistencia mecánica, resistencia al choque térmico, resistencia a las heladas, expansión por<br />
humedad, etc.).<br />
Para aumentar el valor de algunas de las propiedades, es deseable eliminar tanta porosidad como sea posible,<br />
lo que se consigue durante el tratamiento térmico, mediante la transferencia de materia de unas partes a otras<br />
del compacto poroso y mediante la disminución de volumen.<br />
Energías motrices de la sinterización.<br />
Para que cualquier sistema, homogéneo o heterogéneo, evolucione (por ejemplo, un material pulverulento y poroso<br />
de lugar a un producto sinterizado), deberá existir una energía motriz (driving force) que lo impulse hacia otro<br />
estado de energía mas pequeña (veáse mínima) y, por tanto, de máxima estabilidad termodinámica.<br />
Como ocurre con otros procesos irreversibles, la sinterización esta acompañada por una disminución de la<br />
energía libre del sistema. Las fuentes que dan lugar a dicha disminución se denominan las fuerzas motrices<br />
para la sinterización. Son posibles tres fuerzas motrices (Figura 3.6.2.3):<br />
1.- La curvatura de la superficie de las partículas<br />
2.- La aplicación de una presión externa,<br />
3.- Una reacción química.<br />
La energía (fuerza) motriz, puede variar a lo largo del proceso. Parece lógico pensar que la fuerza impulsora<br />
para la formación de puentes entre las partículas, que opera durante las primeras etapas de la sinterización, será<br />
de diferente naturaleza a la que opera con objeto de eliminar la porosidad residual en el interior de los granos o<br />
partículas ya "soldadas", o a la que hace posible una transformación alotrópica en el calentamiento (por ejemplo, del<br />
cuarzo en tridimita y en cristobalita respectivamente) o una transformación por cizallamiento en un<br />
enfriamiento de no equilibrio (por ejemplo, de la cristobalita α en cristobalita β ). De modo que varios tipos de<br />
fuerzas impulsoras pueden intervenir sucesiva o simultáneamente durante el proceso de sinterización.<br />
La fuerza conductora global para la sinterización tiene su origen en la reducción de la energía libre total<br />
∆ G del sistema,<br />
T<br />
∆ GT = ∆ GV + ∆ GB + ∆ GS<br />
(3.6.2.1)<br />
donde V G ∆ , B G ∆ , y S G ∆ representan el cambio en la energía libre asociado con el volumen, bordes y<br />
superficies de los granos, respectivamente. La fuerza conductora principal en la sinterización convencional es<br />
∆ GS = γ∆<br />
S (reducción de la energía libre del sólido a través de la eliminación de energía de<br />
exceso de superficie.), pero los otros términos pueden ser significativos en ciertos estados para algunos<br />
sistemas materiales.<br />
Si se considera el proceso inverso de incremento de la superficie específica de un sólido, por<br />
ejemplo mediante fractura y subdivisión de las partículas constituyentes, resulta evidente que para<br />
esta operación se necesita un aporte energético, que se invierte en romper enlaces entre las entidades<br />
iónicas, atómicas o moleculares constituyentes del sólido. Esta es, precisamente, la energía que se<br />
libera en el proceso de reducción de superficie específica.<br />
40
Figura 3.6.2.3.- Diagrama esquemático que ilustra las tres fuerzas motrices principales en la sinterización:<br />
energía superficial, la presión aplicada, y la reacción química.<br />
Los distintos mecanismos de transferencia de materia propuestos para explicar el proceso de sinterización<br />
(Formación de cuellos de unión o soldadura interparticular), según la forma en que se transfiere la materia, se<br />
clasifican en:<br />
Tipo sinterización Mecanismo de transporte de materia Fuerza motriz.<br />
Fase vapor Evaporación – condensación Exceso de presión<br />
(Diferencias en la presión<br />
vapor)<br />
Fase sólida Difusión Exceso de vacantes<br />
Fase líquida Difusión y flujo viscoso Exceso de energía<br />
Superficial.<br />
Fase líquida reactiva Flujo viscoso y solución – precipitación Exceso de energía<br />
Superficial<br />
Todos son procesos térmicamente activados y la relevancia particular de cada uno de ellos depende de la<br />
naturaleza química del sólido y de la temperatura a la que se realice el proceso. El flujo viscoso (o plástico)<br />
se facilita mediante la aplicación simultánea de presión y temperatura.<br />
41
Así mismo, en la tabla 3.6.2.1 y en la figura 3.6.2.4 pueden verse, más detalladamente, los mecanismos de<br />
transporte de materia en estado sólido por difusión, alternativos al mecanismo de evaporación –<br />
condensación.<br />
Tabla 3.6.2.1.- Mecanismos de transporte de materia en estado sólido p or difusión, alternativo al de<br />
evaporación-condensación.<br />
N °<br />
Mecanismo<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
Mecanismo<br />
de transporte<br />
Difusion superficial<br />
Difusión a través de<br />
la red cristalina<br />
(VOLUMEN)<br />
Difusión a través de<br />
las juntas de grano<br />
(INTERGRANULAR)<br />
Difusion a través de<br />
la red cristalina<br />
(VOLUMEN)<br />
Diffusion a través de<br />
la red cristalina<br />
(VOLUMEN)<br />
Origen de<br />
Materia<br />
Superficie<br />
Superficie<br />
Junta de<br />
grano<br />
Junta de<br />
grano<br />
Dislocaciones<br />
Destino de la<br />
Materia<br />
Puente de union<br />
Puente de union<br />
Puente de union<br />
Puente de unión<br />
Puente de unión<br />
Contraccion<br />
(Eliminacion<br />
de Porosidad)<br />
Es importante apreciar, en principio, que cualquier mecanismo en que la fuente de materia sea la superficie de<br />
las partículas y el sumidero el área del cuello no puede conducir a densificación, porque tal mecanismo no<br />
permite que los centros de las partículas se acerquen. Consecuentemente, los mecanismos de evaporacióncondensación,<br />
difusión superficial, y difusión en red de la superficie al área del cuello no puede conducir a<br />
densificación. Estos, sin embargo, resultan en un cambio en la forma de los poros, un crecimiento en el<br />
tamaño del cuello, y un incremento simultaneo en la resistencia del compacto.<br />
Por otra parte, los granos más pequeños, con sus radios de curvatura más pequeños, tenderán a “evaporarse” y<br />
recubrir a las partículas más grandes, resultando en un engrosamiento de la microestructura.<br />
Teórica y experimentalmente se ha podido comprobar que la difusión superficial es el mecanismo mas<br />
importante durante los primeros estados de la sinterización (recordemos que mediante este mecanismo solo<br />
crece el área del cuello entre las partículas sin afectar a la contracción y a la porosidad. Por su parte, la difusión<br />
en volumen y la difusión intergranular se van hacienda más efectivas conforme avanza la sinterización.<br />
NO<br />
NO<br />
S I<br />
S I<br />
SI<br />
42
Figura 3.6.2.4.- Mecanismos de transporte de materia durante las etapas de la sinterización.<br />
Seis mecanismos distintos pueden contribuir a la sinterización de una masa consolidada de partículas<br />
cristalinas: (1).- la difusión superficial, (2).- la difusión de red desde la superficie, (3).- el transporte de<br />
vapor, (4).- la difusión por el límite de grano, (5).- la difusión de red por el límite de grano, (6).- el flujo<br />
plástico. Solamente los mecanismos 4 a 6 producen densificación, pero todos causan el crecimiento de los<br />
cuellos y tienen influencia sobre la velocidad de densificación.<br />
43
En la figura 3.6.2.5 puede verse en detalle el mecanismo de difusión a través de las juntas de grano del<br />
puente formado hacia el hueco (Poro), que van rellenado. Las juntas de grano, desde el punto de vista<br />
atómico, son partes “debiles” y la difusión tiene lugar con más facilidad, por lo que este mecanismo es el<br />
más efectivo. Debido a que se elimina materia de las juntas de grano las partículas de aproximan y, por<br />
tanto, tiene lugar una densificación.<br />
Figura 3.6.2.5.- Mecanismo de transporte de materia junta de grano – hueco.<br />
Cada mecanismo puede operar solo o en combinación con otros, al objeto de acelerar y aumentar la<br />
densificación del sistema aglomerado poroso. El que uno o varios de estos mecanismos contribuyan en forma<br />
apreciable al proceso de sinterización depende de las velocidades relativas de cada uno de estos.<br />
Una de las diferencias mas significativas entre los distintos mecanismos es que la transferencia de materia de la<br />
superficie de la partícula por difusión superficial, difusión en volumen y evaporación - condensación, no reduce la<br />
distancia entre los centros de las partículas; por lo que las dimensiones y la porosidad de la muestra no cambian a<br />
lo largo de todo el proceso, es decir, solo varía la forma de los poros. A diferencia de estos mecanismos la<br />
sinterización por los mecanismos de flujo viscoso, deformación plástica, difusión intergranular y difusión en volumen<br />
del interior del grano, además de cambiar la forma de los poros, varían la porosidad y las dimensiones de la<br />
pieza que sinteriza.<br />
El estudio de los mecanismos de sinterización nos permitirá obtener las ecuaciones cinéticas del proceso y la influencia<br />
de las distintas variables que lo afectan. Para ello necesitaremos recurrir a modelos más o menos simplificados<br />
que nos permitan disminuir las dificultades de carácter geométrico que entrañaría el tratamiento de sistemas<br />
reales.<br />
La cinética de la sinterización es más compleja que determinar sólo el mecanismo de transporte más rápido,<br />
debido a que depende además de muchas variables, que incluyen el tamaño y empaquetamiento de las<br />
partículas, la atmósfera de sinterización, el grado de aglomeración, la temperatura, y la presencia de<br />
impurezas.<br />
Por simplicidad, el análisis se limita a un modelo de dos esferas de gran radio inicialmente tangentes y que<br />
progresivamente, al avanzar la sinterización y crecer el cuello, se vuelven secantes. Este modelo se utiliza en las<br />
etapas iniciales e intermedias de la sinterización. En la etapa final (formación de porosidad cerrada) el sistema se<br />
representa por un conjunto de poros esféricos y de igual tamaño incluidos en el interior del material.<br />
44
Sinterización en fase vapor. Mecanismo de evaporación - condensación.<br />
La sinterización en fase vapor solo es importante en procesos efectuados a elevada temperatura, próxima a la de<br />
fusión de las partículas que constituyen el aglomerado poroso.<br />
La fuerza motriz de este mecanismo de sinterización, es decir la tendencia a la transferencia de materia en<br />
fase vapor, reside en las diferentes curvaturas de las superficies y, por tanto, en las diferencias de presión de<br />
vapor en las distintas partes del sistema de polvos (superficies curvas cóncavas y convexas).<br />
Conforme se indica en la figura 3.6.2.6, existe un transporte de materia, en fase vapor, desde la superficie de<br />
las partículas con curvatura convexa (Superficie de la esfera) donde:<br />
2γ<br />
( ∆ P ) = ( > 0)<br />
e r<br />
hacia las zonas de contacto de las mismas (zona de formación de puentes) con curvatura cóncava donde:<br />
γ<br />
∆ = − (< 0)<br />
ρ<br />
( P ) c<br />
Cuanto mas pequeñas son las partículas, mayor es la fuerza motriz para la sinterización en fase vapor. En la<br />
tabla 3.6.2.2. se recoge, en función del tamaño de las partículas que constituyen el aglomerado, el incremento<br />
de la presión de vapor en sistemas de alumina y magnesia respectivamente.<br />
Tabla 3.6..2.2.- Incremento de la presión de vapor en sistemas de alúmina y magnesia<br />
( ∆ P )e = γ 2<br />
γ Al2O = 900 erg/cm 3<br />
r<br />
2 , γ MgO = 1100 erg/cm 2<br />
r (µm) 0.1 1 10 100<br />
( ∆ P ) Al2O3 180 atmósferas 18 atmósferas 1.8 atmósferas 0.18 atmósferas<br />
( ∆ P )MgO 240 atmósferas 24 atmósferas 2.4 atmósferas 0.24 atmósferas<br />
Es importante hacer notar que la sinterización en fase vapor cambia la forma de los poros pero no su volumen.<br />
Enlaza "químicamente" las partículas, aumentando la resistencia del aglomerado, pero no produce su<br />
densificación por contracción de la masa porosa. Por lo tanto, deberán existir mecanismos complementarios de<br />
transporte de materia o de poros hacia la superficie externa del aglomerado, que hagan posibles su<br />
densificación.<br />
La ecuación cinética del proceso se obtendrá igualan do la velocidad de condensación en el cuello con el<br />
aumento de volumen de este. La transferencia de materia en fase vapor (evaporación - condensación) es<br />
importante solo para unos pocos sistemas. Sin embargo, es el mecanismo más simple de tratar<br />
cuantitativamente.<br />
45
Figura 3.6.2.6.- Mecanismo de sinterización en fase vapor por evaporación – condensación.<br />
La velocidad de condensación en la superficie del cuello es proporcional a la diferencia de presión entre la<br />
superficie del cuello y la superficie de la partícula, y viene dada por la ecuación de Langmuir:<br />
donde:<br />
⎛ M ⎞<br />
m = α∆P<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 2π<br />
RT ⎠<br />
m = Flujo de materia por unidad de superficie<br />
g<br />
2<br />
cm . s<br />
1 2<br />
g<br />
2<br />
cm . s<br />
(3.6.2.1)<br />
α = Coeficiente de acomodación, que, aproximadamente vale 1.<br />
∆ P = diferencia de presión de vapor entre la superficie del cuello y la superficie de la partícula que puede<br />
considerarse plana<br />
P γV<br />
RT ρ<br />
V<br />
o m ∆ P = y como m<br />
M<br />
Poγ M<br />
= (M = Peso molecular del vapor) , ∆ P = (3.6.2.2)<br />
d<br />
RTdρ<br />
Por otra parte, la velocidad de condensación sobre la superficie S del cuello es igual a la acumulación de<br />
materia en el cuello, dV<br />
esto es:<br />
dt<br />
3<br />
mdA dV cm<br />
=<br />
(3.6.2.3)<br />
d dt s<br />
De la geomet.ría de las dos esferas en contacto (Figura 3.6.2.7) , se obtienen para el radio (p), el area (A) y<br />
volumen del cuello, V (Volumen de material transportado al cuello), las siguientes expresiones:<br />
46
2<br />
x<br />
ρ ≈ ,<br />
2r<br />
2 3<br />
π x<br />
A ≈ ,<br />
r<br />
V<br />
π x<br />
2r<br />
4<br />
≈ (4.2.4)<br />
Se asume que el cuello formado entre las partículas es circular con un radio x y con una superficie que tiene<br />
una sección transversal circular con una r de radio. Una sección transversal circular para la superficie de<br />
cuello es equivalente a la suposición de que la energía de límite de grano es nula.<br />
Figura 3.6.2.7.- Modelo geométrico inicial de la sinterización de dos esferas en contacto (tangentes)<br />
No existe densificación.<br />
x<br />
siempre que 0.3<br />
r ≤<br />
donde :<br />
2 x<br />
π = Longitud de la circunferencia que describe el arco de semicircunferencia<br />
πρ = Longitud de la semicircunferencia<br />
47
Sustituyendo en la ecuación (3.6.2.3) las ecuaciones (3.6.2.1) , (3.6.2.2) y (3.6.2.4), se obtiene:<br />
⎛ M ⎞<br />
∆P ⎜ ⎟<br />
⎝ 2πRT<br />
⎠<br />
operando se llega a:<br />
(3.6.2.5)<br />
1 2<br />
π x<br />
dr<br />
2 3<br />
4<br />
d ⎡π x ⎤<br />
=<br />
dt<br />
⎢<br />
2r<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
Poγ M ⎛ M ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
2<br />
⎛ x ⎞ ⎝ 2π<br />
RT ⎠<br />
RT ⎜ ⎟d<br />
⎝ 2r<br />
⎠<br />
2<br />
x dx =<br />
Poγ M ⎛ M ⎞<br />
, ⎜ ⎟<br />
RTdρ<br />
⎝ 2π<br />
RT ⎠<br />
1 2<br />
1 2<br />
π x<br />
dr<br />
2 3<br />
⎛ M ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
πrγ PoM ⎝ 2π<br />
RT ⎠<br />
dt 2<br />
RTd<br />
integrando (3.6.2.5), se llega a la ecuación cinética:<br />
de donde:<br />
3<br />
x<br />
=<br />
3<br />
∫<br />
1 2<br />
x<br />
2<br />
x dx<br />
0<br />
=<br />
⎛ M ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
πrγ PoM ⎝ 2π<br />
RT ⎠<br />
t , 2<br />
RTd<br />
1 2<br />
⎛ M ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
πrγ PoM ⎝ 2π<br />
RT ⎠ 2<br />
RTd<br />
x<br />
r<br />
⎡ ⎤<br />
x 3<br />
= ⎢ ⎥<br />
r ⎢ ⎥<br />
⎢⎣ 2R<br />
T d ⎥⎦<br />
3<br />
3<br />
1 2<br />
4<br />
d ⎡π x ⎤<br />
=<br />
dt<br />
⎢<br />
2r<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
∫<br />
3<br />
πγ M 2P 2 1<br />
0<br />
−<br />
r 3t 3<br />
3 3<br />
2 2 2<br />
t<br />
o dt<br />
1 2<br />
π x<br />
dr<br />
2 3<br />
⎛ M ⎞<br />
= 3 ⎜ ⎟<br />
πγ PoM ⎝ 2π<br />
RT ⎠<br />
t 2 2<br />
RTd r<br />
4<br />
d ⎡π x ⎤<br />
=<br />
dt<br />
⎢<br />
2r<br />
⎥<br />
⎣ ⎦<br />
(3.6.2.6)<br />
La expresión (3.6.2.6) nos relaciona el diametro (x) de la superficie de contacto entre las partículas (cuello) con las<br />
variables que le afectan. Predice que la velocidad de la región del cuello:<br />
(1).- es inicialmente bastante rápida pero luego disminuye,<br />
(2).- es fuertemente dependiente del tamaño de partícula inicial, y<br />
(3).- es dependiente de la presión parcial P0 = PS<br />
. PLANA del compuesto, que a su vez depende exponencialmente<br />
de la temperatura.<br />
Así, las principales variables, además del tiempo, que afectan a la sinterización por este mecanismo son: el<br />
1<br />
radio inicial de la partícula (velocidad proporcional 2 ) y la presión de vapor (velocidad proporcional<br />
r 3<br />
1<br />
P 3<br />
o ).<br />
La importancia de la determinación de x radica en que la resistencia mecánica, conductividad térmica y eléctrica y<br />
otras propiedades del sistema, están relacionadas con el valor del parametro x<br />
r .<br />
48
En la figura 4.2.3 se ha representado x<br />
r<br />
en función del tiempo de sinterización, en escala lineal y logaritmica para<br />
el ClNa a 725°C. Se observa una disminución de la velocidad de crecimiento de cuellos<br />
sinterización como predice la ecuación cinética.<br />
⎛ x ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ r ⎠<br />
con el tiempo de<br />
Figura 4.2.3.- Representación lineal (a) y doble logaritmica (b) del crecimiento del cuello entre partículas<br />
esféricas de cloruro sódico a 275°C.<br />
La sinterización en función el tiempo sigue un curso decelerado, donde tratamientos térmicos muy<br />
prolongados suponen un pequeño efecto adicional. De hecho, al cabo de un cierto tiempo se llega a una<br />
situación, prácticamente, de equilibrio donde se mejora muy poco la compacidad del material.<br />
Si se observan los cambios en la estructura que tienen lugar en la sinterización por este mecanismo, aparece<br />
claramente que la distancia entre los centros de las partículas (Figura 3.6.2.6) no cambia, y por tanto no tiene lugar<br />
una contracción de la pieza ni una reducción de la porosidad total de la misma, solo cambia la forma de los<br />
poros. Este cambio de forma de los poros puede tener una apreciable influencia sobre las propiedades, pero<br />
no afecta a la densidad.<br />
Debido a que la presión de vapor aumenta exponencialmente con la temperatura, la sinterización par este<br />
mecanismo es altamente dependiente de la temperatura.<br />
Son, por tanto, el tamaño de partícula inicial y la temperatura de cocción (que fija la presión de vapor) para un<br />
material determinado, las variables que fundamentalmente controlan el proceso. Actuando sobre estos<br />
factores se puede controlar la marcha del proceso. La sinterización puede acelerarse disminuyendo<br />
el tamaño de las partículas iniciales (r0) o aumentando la temperatura. En el primer caso se aumenta la<br />
energía libre molar de superficie, que depende directamente del área específica de la interfase<br />
sólido-gas un aumento de temperatura provoca una elevación exponencial de la presión de vapor<br />
(P0), y, por consiguiente, un aumento de la velocidad de sinterización.<br />
La transferencia de materia en fase vapor, requiere que los materiales se calienten a una temperatura<br />
suficientemente alta para que la presión de vapor sea apreciable.<br />
Para tamaños de partícula del orden de 1 m<br />
µ las presiones de vapor requeridas son de 10 -4 a 10 -4 atmósferas.<br />
Presiones más altas que éstas se encuentran usualmente durante la sinterización de óxidos y otros sistemas cerámicos.<br />
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Cuando operan otros mecanismos de transporte de materia, la expresión cinética de la<br />
velocidad de sinterización viene afectada de distintos coeficientes, pero las consecuencias finales son<br />
todavía válidas: mayor temperatura y mayor grado de subdivisión favorecen el proceso. E l<br />
tiempo de tratamiento térmico, importante al principio, pierde luego relevancia.<br />
En la figura 3.6.2.6 puede observarse que a medida que crece el nexo de unión<br />
interparticular disminuye la superficie total del sistema. La distancia en re los centros de las<br />
esferas, sin embargo, permanece constante en un mecanismo de evaporación-condensación,<br />
es decir, no hay contracción del material. Esto último deja de ser cierto cuando entran en<br />
función otros mecanismos de transporte de materia, que pueden conducir a una contracción<br />
de la masa sólida con alteración de la porosidad interparticular.<br />
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