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Caracterización de Arcillas
y su aplicación Industrial.
Objetivo
Caracterización de arcillas a través de diversos métodos.
Principales métodos analíticos para la caracterización de arcillas.
Ejemplificar la caracterización de arcillas.
Estudiar el uso de arcillas para la fabricación de ladrillos.
Resumen
En es documento el lector encontrará un completo estudio analítico de las arcillas, una base teórica y experimental acerca de la caracterización de estas, así como también se describen sus principales propiedades.
Así como también un uso especifico de las arcillas en la fabricación de Ladrillos en sus diversas utilidades, ya que juegan un papel importante en la industria de la Cerámica y en particular de la Construcción.
Lo que se designa técnicamente como arcilla es una mezcla de minerales casi siempre en forma de laminillas entre los que se encuentran silicatos de aluminio e
hidratados de micas. Las arcillas constituyen los sedimentos geológicos más difundidos y su composición mineralogía es aproximadamente Al2 O 3 . (o.3 -8) Si O2 . ( 0.5 -19) H2O, en México la distribución de esta materia prima es abundante por lo que el uso de esta es importante para la industria de la Cerámica y de la industria de la construcción, como lo es en particular en la de Elaboración de Ladrillos.
Para ejemplificar la caracterización de las arcillas tomamos los resultados y metodología de los estudios realizados en el Oyamel estado de México, pues es aquí donde existe una de los principales yacimientos de esta materia prima.
En la industria de la construcción esta materia prima juega un papel importante , ya que con esta se elaboran los distintos tipos de ladrillos y estos a su vez cumplen con especificaciones de acuerdo a su uso. Como ejemplo tenemos ladrillos de alta resistencia, tanto mecánica como térmica, Ladrillos Refractarios (ácidos, básicos y neutros).
Indice Temático
I.
II. Arcillas
a.
b. Definición de Arcillas. c.
d. Las Arcillas
e.
f. MATERIAS PRIMAS PLASTICAS (arcillas y su clasificación).
Clasificación de Ries.
Arcillas residuales
Arcillas coluviales
Arcillas transportadas.
CAOLIN
ARCILLAS GRASAS (BALL ClAYS).
ARCILLA DE GRES.
ARCILLAS REFRACTARIAS (FIRECLAYS).
ARCILLAS RICAS EN ALUMINA
BENTONITA.
ARCILLAS DE LADRILLOS.
LOESS.
a.
b. Obtención de Arcillas
EXTRACCIÓN Y PURIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS
Arcillas Sedimentarias.
Arcillas refractarias.
a.
b. EL LABORATORIO DE CERÁMICA
REGISTRO DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO.
ENSAYOS DE APLICACIÓN DE EXTENSA.
ANÁLISIS COLORIMÉTRICO.
ANÁLISIS ESPECTROFOTOMÉTRICO.
EL FOTÓMTRO DE LLAMA.
ANÁLISIS ELECTROLÍTICO ON EL POLARÓGRAFO.
CROMATOGRAFÍA
a.
b. ENSAYOS DE APLICACIÓN EXTENSA.
ENSAYOS FÍSICOS
ANALISIS QUIMICO
I. Ejemplo de caracterización de Arcillas
a. Justificación. b. ANÁLISIS FÍSICO
c. c) ANALISIS FISICOQUIMICO d. COLORIMETRIA
e. VOLUMETRIA
f. Fotometría de llama o flamometría
g. EJEMPLO DE LA DETERMINACION DE ELEMENTOS: h. DETERMINACION DEL FIERRO TOTAL. i. DETERMINACION DE ALUMINIO. j. DETERMINACION DE MAGNESIO. k. DETERMINACION DE MANGANESO. l. DETERMINACION DE SODIO
m. DETERMINACION FLAMOMETRICA DE SODIO
n. DETERMINACION DE POTASIO
o. DETERMINACION FLAMOMETRICA DE POTASIO
p. DETERMINACION DE FOSFORO
q. DETERMINACION COLORIMETRICA DE FOSFORO r. DETERMINACION DE CLORURO
s. DETERMINACION VOLUMETRICA DE CLORURO
t. DETERMINACION DE CARBONATO u. DETERMINACION VOLUMETRICA DE CARBONATO
v. ANALISIS DE RESULTADOS
I. Uso de Arcillas para la elaboración de Ladrillos refractarios
a. TIPOS DE MATERIALES. b. PROCESAMIENTO DE LAS CERÁMICAS. c. CERÁMICOS TRADICIONALES Y DE INGENIERÍA. d. APLICACIONES Y PROPIEDADES DE LAS CERÁMICAS. e. APLICACIONES DE ALGUNOS REFRACTARIOS. f. Control de los procesos g. Control de operaciones en la industria cerámica fina h. Hornos para cochura de piezas cerámicas
i. Materiales y métodos de construcción de hornos
j. Selección de refractarios
k. Métodos de construcción de hornos
l. Instrumentos para la observación, registro y control del horno y de otras condiciones de los procesos
m. La colocación de las piezas en los hornos
n. Hornos intermitentes modernos
o. Hornos de túnel
IV. Normalización
Especificaciones Normalizadas
I. Conclusiones II. Anexos
III. Bibliografía
IV. Definición de Arcillas.
Roca sedimentaria clásica poco consolidada, constituida por una mayoría de
partículas de tamaño inferior a 1/256 mm (4micras). Mineralógicamente todas las arcillas están constituidas en su mayor parte por los denominados minerales de la arcilla: filosilicatos de aluminio, magnesio y hierro, entre los que merecen
mencionarse la caolinita, montmorillonita, illita, vermiculita, hallysita, etc. Dichos minerales se originan por meteorización y en procesos de pedogenéticos de feldespatos y feldespatoides.
Otros componentes mineralógicos de la arcilla son la silice, generalmente en forma coloidal; carbonato de calcio; compuestos de hierro; y materia orgánica.
Las Arcillas
En cerámica las arcillas se subdividen sencillamente en caolines y arcillas. Los caolines son blancos y de cocción y también blanca mientras que las arcillas casi
siempre son coloridas pero su cocción no es blanca.
Las arcillas se presentan en todos los estratos sedimentarios y son de un grano
más fino que el caolín. Debido al proceso de la sedimentación natural , se hallan impurificadas por sustancias orgánicas que tiñen las arcillas. También se hayan impurificadas por pirita FeS2 o por rutiloTiO2 lo que también puede conferirles
coloración
Estas partículas pueden separarse mediante procedimientos como el tamizado.
Una vez separados estos minerales de la sustancia arcillosa siempre que da una pequeña porción de óxidos extraños, que ya no pueden eliminarse por procedimientos mecánicos. Se trata del sílice libre , de los metales alcalinos Ca Mg
en formas de sales absorbidas y minerales de grano finísimo, así como algunos compuestos de titanio e impurezas de origen orgánico.
De acuerdo con las posibilidades del empleo las arcillas pueden clasificarse en 5 grandes grupos :
1. Para la fabricación de porcelana sólo pueden tomarse en cuenta los caolines pues sólo es6tos proporcionan el deseado color blanco de cocción
1. Para loza además de caolín se emplean arcillas plásticas de cocción clara
1. Para productos refractarios sólo se emplean arcillas que funden por encima de los 1580 C y que contienen hasta un 6% de óxidos como K2 O, Na2 O , Mg O Fe 2O 3
1. Para productos de gres deben utilizarse arcillas a temperaturas entre 1100 y 1300 C formen un producto cocido impermeable.
1. Las arcillas para la fabricación de ladrillos deben presentar una gran proporción de fúndente fierro.
Las arcillas son coloides solvatados (Liófilos) cuyos fenómenos ocurridos al interaccionar con agua pueden explicarse de la siguiente manera :
a. La carga eléctrica negativa de las partículas de arcilla que les permite adsorber agua.
b. La forma laminar de las partículas lo cual permite el deslizamiento de unas partículas con otras.
c. La adsorción de un manto de agua por partícula.
Los líquidos polares forman mantos de solvatación de mayor espesor que ellos no polares por lo que la arcilla sólo puede adquirir plasticidad en los primeros.
d. La elevada Tensión superficial del agua.
MATERIAS PRIMAS PLASTICAS (arcillas y su clasificación).
Las rocas ígneas primarias que dieron lugar a las arcillas por envejecimiento fueron los granitos, gneiss, feldespatos, pegmatitas, etc. El envejecimiento de estas rocas primarias fue debido a la acción mecánica del agua, viento, glaciares y
movimientos terrestres, colaborando con la acción química del agua, dióxido de carbono, ácidos húmicos y, más raramente de gases de azufre y de flúor, ayudada por temperaturas elevadas
Las rocas básicas a partir de las cuales se han formado las arcillas son
aluminosilicatos complejos. Durante el envejecimiento, éstos se hidrolizan, los iones alcalinos y alcalinotérreos formas sales solubles y son lixiviados, y el resto se compone de aluminio-silicatos hidratados de composición y estructura variable, y
de silice libre.
El grupo de minerales de arcilla más sencillo es el grupo de la caolinita. Este
incluye: caolinita, dickita, nacrita, anauxita, halloysita, formas de alta y baja temperatura, livesita. Su estructura básica se compone de átomos de oxígeno dispuestos de forma que dan lugar a capas alternadas de huecos tetraédricos y
octaédricos. Cuando estas capas se llenan con silicio en los huecos tetraédricos y aluminio en dos tercios de los octaédricos, tenemos el mineral abundante caolinita, y los minerales más perfectos y raros dickita y nacrita. Cuando los átomos de silicio
reemplazan a los de aluminio en los espacios octaédricos, se obtiene una serie continua con la anauxita, Al2O3.3SiO2, como último miembro. Como otro dato, tenemos que los cristales de halloysita son alargados. Existe una serie continua
desde la caolinita a la halloysita, cuyos miembros intermedios se denominan livesita.
El grupo de la montmorillonita de los minerales de arcilla presenta un cuadro my diferente: Beidellita y Saponita.
La clasificación de las arcillas es una difícil tarea y conduce a distintos resultados según cual sea el punto de vista considerado, bien geológico, mineralógico,
referido a las propiedades o de acuerdo con el uso. Una clasificación geológica, tal como la confeccionada por Ries, da alguna idea acerca de la posición así como de la naturaleza de las arcillas, y es una útil guía preliminar para la industria de la
cerámica.
Clasificación de Ries.
A) Arcillas residuales. Formadas in situ por alteración de la roca debida a diversoso agentes, bien de la superficie o de origen profundo.
I.
II. Las formadas por envejecimiento en la superficie, implicando los procesos disolución, desintegración, o descomposición de silicatos.
a) Caolines, de color blanco y generalmente blancos tras la calcinación.
Roca original Forma
Granito, pegmatita, riolita, caliza, Capas; masas tabulares muy inclinadas;
pizarra, cuarcita feldespática, gneiss, bolsas o lentes.
esquisito, etc
b) Arcillas ferruginosas, derivadas de diferentes clases de rocas.
II.
III. Arcillas residuales blancas formadas por la acción de aguas ascendentes,
posiblemente de origen ígneo.
a.
b. formadas por aguas carbonatadas ascendentes; c.
d. formadas por soluciones de sulfatos.
III.
IV. Arcillas residuales formadas por la acción de soluciones de sulfatos que se
filtran en dirección descendente.
IV) Arcillas residuales blancas formadas por reemplazamientos, debidas a la acción
de aguas, a las que se supone de origen meteórico (indianita).
B.
C. Arcillas coluviales, que representan depósitos formados por lavado de las anteriores y de carácter refractario o no refractario.
C.
D. Arcillas transportadas.
I.
II. Depositadas en agua.
a.
b. Arcillas o pizarras marinas, en depósitos que frecuentemente tienen gran extensión; arcillas grasas, arcillas de calcinación blanca, arcillas refractarias o pizarras de calcinación de beige, arcillas o pizarras impuras { calcáreas y
no calcáreas}. c.
d. Arcillas lacustres (depositadas en lagos o pantanos); arcillas refractarias o pizarras,
arcillas o pizarras impuras de calcinación roja, arcillas calcáreas
usualmente de
carácter de superficie.
c.
d. Arcillas de zona de inundación, usualmente impuras y arenosas. e.
a. Arcillas estuarinas ( depositadas en estuarios), casi siempre impuras y finamente laminadas.
b.
c. Arcillas de delta.
II.
III. Arcillas glaciales, halladas en las morrenas, y frecuentemente pedregosas.
Pueden ser de calcinación roja o beige.
III.
IV. Depósitos formados por el viento (algunos loess).
IV) Depósitos químicos (algunas arcillas de pedernal).
De mayor empleo industrial es una clasificación con arreglo a las propiedades y, por lo tanto, a los usos de las arcillas.
A.
B. Arcillas blancas de calcinación (empleadas en objetos blancos)
1.- Caolines:
a.
b. residuales, c.
d. sedimentarios.
2.- Arcillas grasas
B.
C. Arcillas refractarias (con punto de fusión superior a 1600°C pero no
necesariamente de calcinación blanca).
1.- Caolines (sedimentarios).
2.- Arcillas refractarias:
a.
b. de pedernal, c.
d. plásticas.
3.- Arcillas de alto contenido de alúmina.
a.
b. gibbsita. c.
d. diásporo.
C.
D. Arcillas de productos arcillosos pesados ( de baja plasticidad pero conteniendo fundentes).
1.- Arcillas y pizarras para ladrillos de pavimentación.
2.- Arcillas y pizarras para tubos de desagüe.
3.- Arcillas y pizarras para ladrillos y tejas huecas.
D.
E. Arcillas para gres (plásticas, con fundentes).
E.
F. Arcillas para ladrillos (plásticos, con óxidos de hierro).
1.- Arcillas de terracota.
2.- Ladrillos de fachada y comunes.
F) Arcillas fácilmente fusibles (con más óxido de hierro).
Consideraremos ahora las diversas arcillas importantes.
CAOLIN.
El nombre es una corrección del chino "kao-liang", que significa "cima alta", designación local del área donde se encontró una tierra de porcelana blanca. Son
arcillas de calcinación blanca, generalmente de baja plasticidad y alta refractariedad.
Los depósitos europeos más famosos son los de Cornwall, en Inglaterra, seguidos por los de Zettlitz cerca de Karlsbad en Checoslovaquia, y los de Kemmlitz, Börtewitz y Amberg en Alemania. En los Estados Unidos los depósitos principales
de caolín residual están situados en una banda que va desde Vermont a Georgia y hasta el valle del Missisipi, con unos cuantos depósitos diversos en el Oeste, estando los principales de ellos próximos a Spruce Pine en Carolina del Norte.
Caolines sedimentarios existen en los Estados Unidos en Carolina del Sur, Georgia y Florida.
Menos de la mitad del caolín producido se emplea para cerámica, utilizándose el resto como carga en las industrias del papel, caucho, textiles y otras. Del utilizado en cerámica una parte se destina a alfarería de calcinación blanca y otra a
refractarios.
ARCILLAS GRASAS (BALL ClAYS).
Son éstas arcillas refractarias plásticas sedimentarias de color oscuro en estado no
calcinado debido a impurezas orgánicas, pero blancas o de tono crema tras la calcinación con tal que no se vitrifiquen por completo.
Su nombre se deriva del método de minería inglés consistente en cortar la arcilla en cubos o bolas.
Se conocen tres tipos importantes de depósitos ingleses de arcillas grasas en Dorset, Devon del Norte y Devon del Sur. Yacimientos europeos notables son los de Sezanne en Francia, los cercanos a Meissen en Alemania y los próximos a
Wildstein en Checoslovaquia. En los Estados Unidos existen en Florida, Tennesse, Kentucky, Alabama y Nueva Jersey.
Las arcillas grasas se utilizan en materiales blancos ( loza, porcelana, etc.), para hacer la pasta más plástica y moldeable.
ARCILLA DE GRES.
Las arcillas de gres son refractarias o semirefractarias pero contienen suficiente
fundente para cocerse hasta una pasta densa a temperaturas relativamente bajas ( aprox. 1100°C).
Las arcillas de gres comprenden aquellas arcillas que se asemejan a las arcillas
grasas en todos los aspectos excepto que no dan un producto blanco por calcinación.
ARCILLAS REFRACTARIAS (FIRECLAYS).
Desgraciadamente el empleo de este término se ha hecho cada vez más amplio y
por ello impreciso en su aplicación. Estrictamente se debería aplicar solo a las arcillas y pizarras refractarias que aparecen en masas duras que en su edo,. natural no absorben agua hasta hacerse plásticas, pero adquieren esta propiedad
una vez molidas finamente. Arcillas refractarias verdaderas existen en Gran Bretaña, Checoslovaquia y en los Estados Unidos.
Desafortunadamente el término "arcilla refractaria" se ha utilizado para abarcar todos los tipos de arcilla depositados en pantanos o cuencas de carbón, es decir, asociados con formaciones hulleras, sin prestar atención a su fusibilidad o
comportamiento en la cochura.
Esto ha obligado a una clasificación de las arcillas refractarias. La clasificación
primaria, conforme a carácter físico es como sigue:
1.- Arcillas refractarias plásticas.
2.- Arcillas refractarias semipedernal: estas arcillas son análogas a las anteriores,
pero desarrollan plasticidad solamente después de trabajadas y son algo más refractarias.
3.- Arcillas refractarias de pedernal, ( las auténticas FIRECLAYS refractarias): estas arcillas duras se rompen con fractura concoidal y son auténticamente refractarias. Encuentran amplio uso en la industria de refractarios.
4.- Arcillas refractarias de pedernal nodulares: Los yacimientos de estas arcillas son escasos. Son las más refractarias.
Es también importante la clasificación de acuerdo con la fusibilidad, utilizándose usualmente el sistema de Ries:
a.
b. Arcillas altamente refractarias. c.
d. Arcillas refractarias. e.
f. Arcillas semirrefractarias. g.
h. Arcillas de baja refractariedad.
ARCILLAS RICAS EN ALUMINA.
Los minerales de alúmina hidratada: diásporo y gibbsita, aparecen frecuentemente junto con la caolinita.
Tienen usualmente más de un 60% de alúmina.
BENTONITA.
Esta arcilla se deriva de cenizas volcánicas.
El principal mineral de arcilla de la bentonita es la montmorillonita. Esta hace que
la arcilla absorba agua con facilidad y se hinche hasta cuatro veces o cinco veces su volumen en seco. Es extremadamente plástica, tiene un bajo punto de fusión y
da un producto coloreado.
El empleo principal de la bentonita es como plastificante.
ARCILLAS DE LADRILLOS.
Grandes depósitos de arcilla se han convertido en una mezcla tal de varios minerales que pueden cocerse para dar pastas coloreadas a una temperatura relativamente baja. No es posible su completa vitrificación para obtener un gres,
obteniéndose un producto poroso.
Las muy importantes arcillas británicas de ladrillos de FLETTON, presentan la gran
ventaja de contener aproximadamente un 5% de materia carbonosa, lo cual reduce las necesidades de combustible para la cochura de la arcilla aproximadamente en 5/6.
LOESS.
Esta arcilla denominada también tierra de ladrillos, tierra de cuevas, adobe, gumbo o morena, al contrario que otras arcillas, es un roca sedimentaria acarreada por el viento. Se presenta como una roca amarillenta suelta o fragmentaria que se
desmorona fácilmente cuando está seca. Las partículas son uniformemente pequeñas, y pueden contener cuarzo, feldespato inalterado, minerales de hierro y
carbonato cálcico; éste último mantiene unida la masa porosa.
Composición química de los minerales de arcilla.
Compuesto. Caolinita Halloysita Montmorillonita
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
CaO
K2O
Na2O
TiO2
H2O
6.
7. - 54.7
1.
2. - 40.2
3.
4. - 2.0
0 - 1.0
0.03 - 1.5
0 - 1.5
0 - 1.2
0 - 1.4
11.0 - 14.3
1.
2. -
45.8
8.
9. - 39.2
0 - 0.4
3.
4. - ?
0.1 - 0.8
0.3 - ?
0.1 - -0.2
-
13.4 - 23.7
9.
10. - 51.2
1.
2. - 27.1
2.
3. - 1.4
1.
2. - 6.6
1.
2. - 3.7
2.
3. - 0.6 4.
3. - 0.8
-
17.1 - 23.7
Beidellita Nontronita Illita
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
CaO
K2O
3.
4. - 47.3
2.
3. - 27.8
8.
9. - 18.5
0.2 - 3.0
0.5 - 2.8
1.
2. -
47.6
4.
5. - 22.7
2.
3. -
40.8
1.
2. - 51.7
7.
8. - 32.8
0 - 6.2
1.
2. - 4.5
0 - 0.6
Na2O
TiO2
H20
0.1 - ?
0.1 - 1.0
0.8 - ?
17.3 - 22.6
0.1 - 4.0
6.
7. - 4.5
0.1 - 0.4
0 - 0.2
0 - 0.1
5.1 - 13.0
1.
2. - 6.9
1.
2. - 0.5
0.5 - ?
4.
5. - 7.0
Obtención de Arcillas
INVESTIGACIÓN DE ARCILLAS, Datos básicos.
ENSAYOS PRELIMINARES SOBRE DEPÓSITOS DE ARCILLA NATURAL.
Cuando se encuentra un depósito de material arcilloso, deben realizarse ensayos pevios para determinar sus posibles usos.
I) Inspección visual y de textura.
Desgraciadamente el color de la arcilla cruda no siempre da una indicación clara
del de la arcilla conocida. Así la mayoría pero no todas las arcillas que son blancas o de color crema en crudo, conservan este color en la cochura. También una arcilla muy oscura puede volverse blanca en la cochura. La mayor parte de las arcillas
amarillas se mantienen así tras la cochura, y otras arcillas coloreadas pueden cambiar su color en este tratamiento.
El color no define directamente el uso de una arcilla, pues aunque los objetos finos son predominantemente blancos, muchos bellos artículas de arte tienen un color
intenso; de modo semejante, aunque los productos de arcilla pesados se fabrican generalmente a partir de arcillas rojas o amarillas tras la cochura, los refractarios son a menudo de color muy claro.
La textura de la arcilla cruda será útil solamente si es blanda con lo cual la finura relativa puede apreciarse al tacto. Sin embargo, muchos materiales de grano fino
se presentan en masa duras que han de moldearse antes de que se puedan determinar sus propiedades.
II) Tamizado.
Es útil tritural la arcilla sin moler las partículas individuales y tamizarla. Si la mayor parte de ella queda sobre el tamiz de 18 mallas por pulgada, es improbable que el
material contenga mucha sustancia de arcilla y es útil solamente para fines especializados en cerámica. Si queda un pequeño residuo sobre el tamiz de 18 mallas y residuos apreciables sobre los tamices de 60, 100 y 200 mallas, el
material será probablemente adecuado para productos cerámicos bastos y una vez molido puede ser bueno para productos finos.
III) Plasticidad.
esta puede comprobarse por un ensayo de plasticidad en crudo, por ejemplo
mezclando agua gradualmente por amasado a mano con la arcilla pulverizada y haciendo una estimación de la plasticidad, esto es, nula, pobre, mediana, buena, excepcional.
IV) Ensayos químicos.
1.
2. Para carbonatos. Si se produce efervescencia con Hcl frío y diluido (1:1)
existe calcita; por calentamiento efervescerá también la dolomita. La presencia de carbonatos es un inconveniente para las arcillas cerámicas y tales arcillas deben evitarse si es posible.
3.
1. Hierro. El tratamiento de la arcilla con Hcl concentrado caliente y un agente oxidante (KMnO4, K2Cr2O7) disolverá generalmente al menos una parte del hierro. Este se precipita seguidamente con NH4OH y el volumen y el color
del precipitado dan una estimación del contenido en hierro. 2.
1. Alúmina libre. Esta es soluble en solución de sosa caústica caliente y puede reprecipitarse y estimarse. Un contenido muy elevado de alúmina indica la presencia de una arcilla refractaria .
EXTRACCIÓN Y PURIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS
Extracción de la arcilla
La diversidad de depósitos de arcilla obliga a un cierto número de métodos diferentes para su extracción. Los caolines primarios de Cornwall, que todavía están íntimamente con la roca madre , se separan con un potente chorro de agua.
Otras arcillas se extraen de la cantera o de la mina en estado sólido. Las arcillas arcillas grasas y otro tipo de arcillas blandas pueden cortarse con picos y azadones, palas neumáticas y excavadoras mecánicas. Las arcillas refractarias duras han de hacerse saltar con barrenos. Muchas arcillas se encuentran suficientemente próximas a la superficie para hacer posible su beneficio mediante pozos de explotación al aire libre, otras se extraen mediante pozos subterráneos.
La proporción en que puede mecanizarse el trabajo de los depósitos de arcilla depende en gran parte de la regularidad y profundidad del depósito.
En aquellos casos en que un cierto número de materiales diferentes en capas estrechas yacen unos sobre otros es esencial la excavación manual, ayudada por palas neumáticas, y la separación de las piezas procedentes de capas diferentes. Cuando la superficie descubierta de la arcilla se uniforme se utiliza una máquina excavadora de cuchara de arrastre, retroexcavadora, rozadora, etc., o bien un excavador de cucharas múltiples en cadena sin fin, o, para arcillas duras una cepilladora de sequisito.
Tierra de porcelana de Cornwall
Los depósitos de tierra de porcelana de Cornwall son únicos en lo que respecta a su extensión, profundidad y pureza. El caolín se encuentra todavía en la posición en la que se formó y, por consiguiente, en contacto íntimo con granito inalterado, cuarzo, feldespato y mica. La gran profundidad de estos depósitos se encuentra en explotación un pozo a 360 pies (110m) bajo la superficie- constituye una razón para suponer que los agentes desintegrantes fueron gases procedentes de mayores profundidades, más bien que aguas superficiales descendentes.
Las dimensiones medias de la mayoría de los pozos son 8-10 acres (3-4 hectáreas) de superficie y 150-200 pies (45-60 m) de profundidad. La cubierta, que tiene una profundidad media de 12-20 pies (4-6m), se elimina mecánicamente. Si es superficial, se utilizan bulldozers y rascadores , y si esta más profundo, se precisan excavadoras y volquetes. Se compone de tierra superficial y arcilla impura. Bajo esta, el material tiene un aspecto polvoriento blanco grisáceo. En las paredes laterales del pozo pueden verse vetas de granito no descompuesto o cuarzo desde unas cuantas pulgadas a varios pies de espesor.
Puede ser preciso un desprendimiento inicial de la arcilla mediante voladura, pero una vez que se ha formado un pozo muy empinado la mayor parte del trabajo se realiza por medio de chorros de agua poderosos. El agua se suministra bajo presión a través de tubos de acero hasta una boquilla montada a rótula, conocida como monitor, y se dirige contra los costados del pozo. El lodo producido se envía a pozos de arena situados cerca del fondo del pozo de arcilla. En estos se sedimentan las impurezas más gruesas y la arena. Los pozos de arena se revisan intermitentemente, y la arena acumulada se elimina y transporta en camión a la parte superior de las escombreras cónicas. Se producen de 5-8 t de residuo por cada tonelada de arcilla. El lodo de arcilla fluye entonces a través de canales poco
profundos, llamados dragas, donde se deposita una nueva cantidad de los granos gruesos de arena.
El lodo de arcilla se bombea a la superficie para su ulterior refino . La vieja bomba de Cornwall, antiguamente utilizada en todos los pozos y que restringía su expansión, ha sido sustituida (1948) en todos los pozos salvo en dos por la bomba centrífuga, mucho más movible. El lodo se envía a un pozo semicircular de aproximadamente 30 pulg (76 cm) de diámetro y 2-3 pies (0.6-0.9 m) de profundidad, en el cual puede producirse una cierta sedimentación, después de la cual fluye hasta las micas. En estos colectores de hormigón, largos y poco profundos, e unos 150 pies (45m) de longitud y 30 pies (9m) de anchura, subdivididos en canales de 20 pulg (50 cm) de ancho con tabiques transversales cada 25 pies (7,5m), la velocidad de flujo se reduce de tal modo que virtualmente se sedimenta toda la arena fin ay los copos de mica. El producto sedimentado puede enviarse a los residuos, o venderse como mica-arcilla o mica. El lodo de arcilla purificado, que contiene ahora aproximadamente 2% de sólidos, pasa seguidamente a todos los pozos de sedimentación. Estos son tanques circulares de 20-40 pies (6-12m) de diámetro, 15-29 pies (4.5-6m) de profundidad y forma cónica unos 4-5 pies(1.2-1.5m) a partir del fondo.
A medida que es produce la sedimentación se extrae agua por la parte superior hasta que el lodo tiene aproximadamente 10-12% de sólidos. Entonces se transporta por tubería a un punto conveniente de embarque por mar o ferrocarril antes de su secado final. Esto lleva consigo un transporte por gravedad de hasta 10 millas (16 km.).
El antiguo método de tratamiento de este lodo que todavía se sigue en algunas factorías consiste en dejarle sedimentar ulteriormente en grandes tanques durante ocho semanas. La masa de consistencia mantecosa resultante (55-65% de humedad) se palea entonces al horno de secado. Es este un edificio largo de unos 200-350 pies )60-110m) de longitud y 15-50 pies (4-15m) de ancho provisto de solera de arcilla refractaria porosa. Se calienta por conductos de gases que corren bajo el suelo. La arcilla precisa alrededor de veinticuatro horas para secarse en el extremo caliente y de tres a cuatro días en el más frío. A medida que se seca va siendo cortada en trozos de sección cuadrada mediante cuchillas. Este proceso lleva consigo un trabajo muy pesado y sucio y un consumo muy grande de combustible. Esta siendo sustituido en gran parte por filtros-prensa que trabajan aproximadamente a 100 lb/in2. La arcilla procedente del tanque de sedimentación se deshidrata eficientemente a 30-35% de humedad y entonces requiere menos tiempo y combustible para completar su secado en el horno.
A continuación la arcilla seca se palea ,manual o mecánicamente, al almacén o cobertizo que generalmente esta situado al costado y un poco debajo del suelo del horno. La arcilla destinada a la exportación generalmente se pulveriza o muele y se ensaca.
Estas etapas fundamentales en la purificación de la tierra de porcelana son fundamentales en su modernización.
Caolín (Extracción).
La extracción del caolín crudo de todos los restantes depósitos mundiales se hace por métodos más convencionales de eliminación del material sólido. Se extrae tanto en pozos abiertos como en pozos subterráneos.
El caolín extraído de los pozos contiene cuarzo, feldespato y mica, cuyas partículas son en su mayoría suficientemente grandes para ser eliminadas mediante tamices. El resto se separa en tanques de sedimentación. Después de este lavado el caolín contiene solamente alrededor de un 4% de arena fina. A continuación se pasa por filtros prensa (h115). Las calidades mejores de producto extraído de los pozos contienen 40-69% de caolín útil. El promedio esta próximo a 30%.
Los métodos de extracción dependen por supuesto de la naturaleza del depósito. En los diques de pegmatita la situación es diferente. Esta pegmatita caolinizada aparece como inclusiones de forma irregular en el gneiss compacto de las montañas. Por lo tanto, cada depósito debe prospectarse y explotarse individualmente. Se utilizan tanto la explotación abierta como la extracción por pozos de mina, siendo frecuentemente el método más económico una combinación de los dos, empleando métodos de explotación abierta para los primeros 20 a 39 pies (6 a 9 m) y pozos para mayores profundidades.
Aunque los diques buzan en un ángulo de 70 a 80°. la mayor facilidad de excavación de pozos verticales ha hecho de esta la práctica seguida. El pozo se inicia usualmente en el muro de cubierta adyacente al dique de tal modo que corte a este último a una profundidad de 2 a 3 pies (0.6-0.9 m) bajo la superficie y alcance el muro de base a 50-75 pies (15-23 m) bajo la superficie. Los pozos son circulares, con un diámetro de 14 a 20 pies y una profundidad de 40 a 110 pies (12-33 m). Tanto el material del dique como el gneiss desintegrado que forma las paredes son quebradizos, por lo que debe colocarse entibación al mismo ritmo con que se perfora el pozo.
Una vez que es ha perforado el pozo, se inicia la extracción del mineral desde el fondo hacia arriba. Se excavan cortos túneles desde le fondo del pozo de la longitud máxima que ofrezca seguridad sin entibación, seguidamente se retiran con cuidado los pilares comprendidos entre ellos y el nivel agotado se rellena con material de desecho. Un aparte del entibado del pozo se retira entonces para dejar accesible otro nivel.
Purificación.
La mayoría de setos caolines crudos se tratan poniéndolos al principio en suspensión mediante operaciones adecuadas de mezclado ,lavado, pulverización
y dispersión. Después la purificación puede proseguir en líneas semejantes a las utilizadas en Cornwall, con sedimentación progresiva de las impurezas reforzada por una rueda de arena (W25) seguida por decantación o por filtración en filtros.prensa y secado.
La consideración de los antiguos métodos de separación de las impurezas de la pasta de arcilla en diversos canales y pozos demuestra que todos ellos, además de consumir excesivo tiempo, espacio y mano de obra, desperdician bastante arcilla adherida a las impurezas eliminadas. Métodos más recientes intentan vencer estos defectos.
Clasificador de Campana Dorr. Este clasificador se compone de dos partes principales, la campana y el compartimento de lavado. La pasta de arcilla se introduce en la campana por su mismo centro; en ésta tiene lugar la precipitación de la arena y la pasta purificada rebosa lentamente en forma de película fina sobre una banda que es extiende completamente alrededor de la circunferencia de la campana. El tamaño de la campana requerida depende del volumen de pasta a tratar y d la necesaria disminución de su caudal para que se deposite la arena más fina. Puede hacerse trabajar de modo exacto.
La arena depositada en el fondo de la campana se lleva hacia el centro mediante cuchillas de arado fijas a una serie de brazos que giran lentamente. Pasa entonces al compartimento de lavado en contracorriente con agua limpia, la cual elimina la racilla adherida. El proceso se completa en el compartimento de lavado, donde la arena se dirige a través de una cortina de agua pulverizada.
Así pues, el clasificador de campana Dorr no sólo produce arcilla exenta de arena sino también arena libre de arcilla, y no desperdicia arcilla en absoluto. Posteriormente la pasta de arcilla se pasa por filtros-prensa y se seca.
Centrífuga continua. Pueden economizarse tiempo, espacio y mano de obra mediante la sedimentación acelerada por centrifugación, en particular si se utiliza una centrífuga continua.
La centrífuga continua Bird consta esencialmente de un vaso rotatorio cónico provisto en su interior de un tornillo transportador que gira a una velocidad ligeramente diferente. El lodo a separar en secciones de grano grueso y fino, o e sólido y líquido claro, se introduce por el centro. Las partículas más gruesas son proyectadas contra las paredes del vaso y llevadas hasta el cuello por el tornillo transportador, siendo lavadas en su camino por el líquido que escurre. El líquido o la suspensión fina se descarga por el extremo más ancho.
Las máquinas son limpias y compactas y tratan en breve tiempo grandes cantidades de lodo.
Electroósmosis. Un método para la purificación del caolín fino que es introdujo y aplicó con bastante frecuencia en Europa en la segunda y tercera décadas de sete siglo es el de la electroósmosis. Dicho método resulto ser muy costoso.
La arcilla extraída de la mina se pone en suspensión en agua y se pasa a través de canales donde se eliminan la arena y la mica gruesa, enviándose la pasta de arcilla a canales de precipitación a unos 525 pies de longitud, 1 pie 7 pulg de profundidad y 4 pies 3 pulg de anchura. En estos se deja en reposo 70 minutos para sedimentar la pasta espesa completamente dispersada que contiene alrededor de 31% de sólidos.
La arcilla sedimentada se considera como de segundo grado, se seca y se utiliza principalmente como carga para papel.
La corriente que rebosa del canal de sedimentación, que lleva la arcilla de primera calidad, pasa a las máquinas de electroósmosis. Estas se componen de un canal semicircular que contiene una rejilla catódica semicilíndrica y un ánodo giratorio central de 4 pies 8-5 pulg de longitud por 2 pies de diámetro. Se alimentan con corriente continua a 170 A y 100 V. Como electrolito se emplea silicato sódico. Las impurezas electro positivas tales como hierro libre y óxidos y sulfuros de titanio se recogerán en la rejilla catódica, en tanto que la arcilla electronegativa se adhiere a la superficie del tambor, de la cual se arranca una lámina de 1/8 de pulg de espesor. Se trata en esencia de un proceso de deshidratación. Se encontró que solamente se recupera de este modo un 9% del material de arcilla suspendido. El líquido que rebosa se devuelve parcialmente a los mezcladores para ser tratado nuevamente, enviándose el resto a los filtros-prensa. Tanto el producto de electroósmosis como el de los filtros-prensa se amasan, secan y ensacan posteriormente.
Filtro de vacío rotativo. Un proceso de deshidratación de arcillas económico es el que utiliza filtros de vacío rotativo. El contenido de agua se reduce del 70% al 25 o 30% durante el paso alrededor de un tambor sometido a vacío que se sumerge en la pasta. La velocidad de filtración esta próxima a 8 libras de sólidos secos por pie cuadrado de área filtrante por hora.
Sales solubles. Una cuestión que debe atenderse con cuidado en relación con todos los métodos de purificación de arcilla suspendida en agua es la de si es deseable o no el alterar el contenido en sales solubles de al arcilla durante la purificación. Todos los procesos descritos implican dos etapas, primeramente la sedimentación preferente de las impurezas que dejan la arcilla en suspensión, y a continuación la separación de la arcilla del agua.
La primera se ve favorecida en gran manera por una completa desfloculación de la arcilla de tal forma que las partículas que han de mantenerse en suspensión sean lo más pequeñas posible y la pasta sea fluida. En esta condición , sin embargo, la arcilla purificada no se sedimentará fácilmente. La floculación subsiguiente acelerará la sedimentación. Tanto la desfloculación como la floculación implican la
adición de productos químicos a la arcilla. Mediante una selección cuidadosa puede utilizarse esto para beneficiar la arcilla, pero una elección errónea puede ser perjudicial.
El desfloculante más común es el silicato sódico. Algunas veces este se refuerza con un ácido. Los floculantes incluyen ácidos, sales de calcio, de aluminio y férricas y coloides hidrofílicos orgánicos.
Con frecuencia las fábricas tienen razones para requerir su arcilla en condiciones de pureza pero sin la adición de productos químicos. La arcilla en terrón procedente de la mina se mezcla con agua purificada sintéticamente, de la cual se han eliminado las sales productoras de dureza. Se toman precauciones a fin de mezclar hasta que todas las partículas de arcilla se han precipitado, separándose completamente de las impurezas. Seguidamente se tamiza el lodo y se pasa por separadores magnéticos.
Se deshidrata por evaporación, dado que la sedimentación o el paso por filtros-prensa elimina las sales solubles con agua. La pasta purificada se pulveriza en una cámara de secado en contracorriente con un flujo de aire seco caliente y se recogen las partículas de arcilla secas.
Cuando es indeseable añadir floculantes pero carece de importancia la pérdida de sales en el agua que es elimina, puede acelerarse la sedimentación mediante el uso de agua caliente (hasta 80°C); esto mejora también la plasticidad del producto. No obstante, si están presentes piritas, el agua caliente puede convertirlas en sulfatos de hierro que alteran el color de la pasta.
Flotación con espuma. Un método de purificación del caolín basado en un principio totalmente diferente es el que utiliza la flotación con espuma. Depende de las diferentes actividades superficiales de los minerales frente a determinados reactivos. Estos, conocidos como colectores, son generalmente reactivos orgánicos con un grupo polar que es adhiere al mineral, mientras que el resto de la molécula es repelente al agua. Una partícula revestida de sete modo tenderá a establecerse en una interfase aire-agua. La adición de un agente espumante seguida por el paso de aire concentrará por tanto el mineral más afectado por el colector.
Un ejemplo del uso de la flotación con espuma es el correspondiente a la separación del caolín del cuarzo, al ser este tan fino que no puede separarse eficazmente por sedimentación. En sete caso la pasta de arcilla de 10% de sólidos se lleva a pH 3 y se añade un dispersante, sulfonato de lignina y sodio, agitándose; a continuación se añade el colector, clorhidratado de lauril amina, y después de agitarse se separa la espuma portadora con caolín(k13).
El método puede utilizarse también para facilitar la separación de arcilla y micas finas de las impurezas más gruesas (k5), o para separar la mica en forma pura. Sin embargo, se emplea más frecuentemente para minerales no arcillosos.
La flotación con espuma está desarrollándose rápidamente e implica un gran número de productos químicos, la mayoría de los cuales tienen nombres registrados. Los suministradores de éstos pueden proporcionar una mejor información acerca de su empleo que un trabajo de esta naturaleza general.
Métodos secos. Se conocen además cierto número de procesos que no precisan el mojado de la arcilla para su purificación. Emplean algún medio mecánico para la pulverización de la arcilla cruda combinado con el secado y la separación con aire.
Arcillas crudas que contienen de un 20 a 25% de humedad pueden secarse hasta 1 o 2% en un horno rotatorio antes de ser pulverizadas. Si se prefiere, puede secarse la arcilla durante el proceso de pulverización por introducción de aire caliente en el molino. Esto se conoce como secado flash. La turbulencia del aire y del polvo, y el hecho de que las superficies secas se eliminan inmediatamente por molido, dejando expuestas las partes húmedas subyacentes, hacen de éste un sistema de intercambio de calor muy eficiente y le secado es prácticamente instantáneo.
Puede favorecerse la pulverización de una arcilla muy pegajosa por introducción de arcilla seca fina en el molino. La arcilla seca o parcialmente seca se pulveriza en molinos de bolas, molinos de rodillo, molinos de impacto, etc.
El material pulverizado pasa entonces a un separador de aire, que en esencia es un sistema para separación por sedimentación en aire en lugar de agua, separándose el producto fino. La descripción de su funcionamiento aclarará fácilmente por qué tal separación en medio aéreo es más rápida que la sedimentación a partir de agua en movimiento lento. El material a separar, introducido a través del eje hueco, es extendido por el disco giratorio. Aquí se encuentra con una corriente de aire rotatoria ascendente, impulsada por medio de un ventilador y de las aspas de un extractor las cuales dirigen el aire hacia abajo por medio del cono interior, desde donde vuelve a entrar en el cono por entre las aletas del deflector. Las partículas mayores caen por gravedad, las restantes partículas no suficientemente finas son dirigidas contra las paredes del cono por la acción centrífuga y caen hacia la boca de descarga de residuos. Los finos son transportados hacia arriba y luego hacia abajo entre los conos hasta su tubo de descarga. Se consigue la finura de producto deseada variando el número de aspas del ventilador y/o el de extractores, y también la velocidad del separador.
La desventaja de la molienda es seco seguida por separación con aire, cuando se compara con la desintegración de una arcilla cruda por mezclado con agua, reside en que si bien el molino debe moler el material arcilloso blando con preferencia a las impurezas duras, las últimas serán parcialmente afectadas y pueden contaminar la arcilla. Existe también el peligro de introducción de material metálico extraño, producido por desgaste del molino.
En la práctica se construyen muchas máquinas con molinos y separadores de aire en circuito cerrado de tal modo que del producto molido se separan las partículas
de finura correcta y las de tamaño excesivo se devuelven sl molino para ser molidas nuevamente. Por consiguiente, el proceso deja de ser de purificación y se convierte simplemente en un método de obtención de un producto bien mezclado de tamaño de partícula uniforme. No obstante, en aquellos casos en que las impurezas son de mayor tamaño y más duras que el producto deseado, por ejemplo, arena y cuarzo en caolín o arcillas, puede dotarse el circuito de un dispositivo de inversión. Este artificio recoge el material de tamaño excesivo devuelto por el separador al molino y elimina las partículas mayores. Con elle se aumenta notablemente la utilidad de la molienda en seco.
Arcillas Sedimentarias.
Todas las arcillas distintas de los caolines primarios o residuales son secundarias o sedimentarias. Por esta razón aparecen en capas. El espesor de las capas y la variación de composición de unas a otras depende de las condiciones que prevalecían cuando se depositaron las capas y son diferentes en cada pozo.
En algunos casos es preferible mantener separada la arcilla de cada capa y utilizarla para propósitos diferentes. Por lo tanto, se necesita mayor supervisión y cuidado en la excavación y con frecuencia es preciso hacerla a mano. En otros casos se necesita un mezclado uniforme de las capas.
Arcilla grasa británica.
Las arcillas han de ser manipuladas y seleccionadas cuidadosamente con el fin de obtener el beneficio óptimo de las capas de arcilla puras. Se utiliza tanto en la explotación en canteras abiertas como en minas cerradas.
En los trabajos al aire libre se elimina la roca que cubre la capa y se deja ésta al descubierto. En los casos en que se utiliza todavía la excavación a mano, se corta la capa en cuadros de 9 pulg con un azadón y se extraen los bloques o bolas de unas 8 pulg de profundidad con ayuda de una herramienta conocida como tubill. Seguidamente se elevan a la superficie sobre aperos claveteados, poges, o transportados en cubos.
En los pozos más modernos la capa que cubre la arcilla se rompe mediante un escarificadora y se retira con una rascadora arrastrada por tractores. Las bolsas de grava se eliminan con una excavadora. La arcilla se perfora con azadones neumáticos y, seguidamente, se transporta a montones de almacenamiento mediante volquetes. Pueden explotarse independientemente diferentes capas superpuestas si el frente del pozo se divide en gradas. Los pozos deben drenarse, y aún así no siempre es posible la explotación en invierno.
La explotación mediante pozos de mina para arcillas de cochura blanca se realiza de modo diferente en Devon del Norte y Dorset que en Devon del Sur. En Devon del Sur se perfora un pozo vertical rectangular hasta la profundidad deseada, siendo el promedio de 120 pies. Las dimensiones del pozo dependen del sistema de elevación empleado. En los pozos antiguos son de 4 x 6 pies y están subdivididas en una porción cuadrada de 4 x 4 pies para elevación de los cubos y otra de 4 x 2 pies para escalera de los mineros. En los casos en que un moderno equipo de jaula eleva el vagón de arcilla en una sola operación, las dimensiones del pozo deben ajustarse convenientemente. Las paredes laterales se entiban firmemente.
Una vez alcanzada la capa de arcilla se practican, a lo largo de ella, galerías horizontales o, preferiblemente, si es posible, ligeramente ascendentes para facilitar el drenaje. Se retira la arcilla para dejar un paso de 6 pies de altura y 7 pies de anchura, el cual se entiba o se soporta mediante flejes de acero. En las explotaciones más antiguas las galerías rara vez se prolongan a más de 90 pies del pozo, en tanto que en las más modernas puede alcanzar hasta 300 pies de longitud. En estas últimas el transporte se realiza mediante vagones que corren por vía estrecha.
La arcilla se arranca mediante la ayuda de azadones y picos de amno o mecánicos, y seguidamente se carga con ayuda de skips o vagonetas para su envío al pozo. Sólo algunos pozos requieren de bombeo de agua. La ventilación puede lograrse con un soplante intermitente o dejando que una parte del agua bombeada descienda de nuevo al pozo.
En Devon del Norte y Dorset el pozo comienza prácticamente en el afloramiento y sigue la inclinación de la capa de arcilla, siendo esta, aproximadamente, de 75° en la superficie pero decreciente a medida que la profundidad se hace mayor. Las galerías de trabajo avanzan horizontalmente en la capa de arcilla y ésta se lleva a la superficie sobre un tranvía que circula por el pozo.
La explotación por pozos de mina requiere un trabajo experimentado, y además es generalmente imposible extraer toda la arcilla de un galería tal y como puede hacerse con los métodos de explotación abierta.
La arcilla producida por el método que se trate se clasifica a mano por grados al llegar a la superficie. A continuación se somete a la intemperie un cierta cantidad de ella. Una gran cantidad de arcilla grasa se suministra en el estado de bolas tal como se han extraído, y se trata por mezclado y tamizado en los talleres de alfarería. En cambio en las minería y las factorías de tratamiento mecanizadas, la arcilla es además secada, triturada y finalmente pulverizada. Las partículas finas se separan por flotación con aire y se ensacan a presión sin permitir que escape polvo a la atmósfera. Por último, ya dispuestas a su expedición se pesan automáticamente.
Arcillas refractarias.
Los métodos de explotación son diversos, empleándose sistemas tanto al aire libre como subterráneos. Las arcillas refractarias son generalmente duras para poder excavarlas y han de ser barrenadas, o arrancadas con un acepilladora de esquisito.
En la minería abierta se retira la roca que cubre la arcilla por medio de palas mecánicas, bulldozers, rascadoras, etc., y se barrena el frente de arcilla. En aquellos casos en que áreas suficientemente grandes producen un mismo tipo de arcilla ésta puede cargarse mecánicamente, pero cuando las capas diferentes son más estrechas, la selección y carga manual asegura un producto más uniforme.
Ambos sistemas implican entradas principales, galerías y pilares. En el método de avance el material se recoge a medida que progresa la obra , construyéndose salas laterales a medida que se corta la entrada principal. Esto hace que pueda disponerse inmediatamente de la arcilla, pero obliga a dejar atrás pilares mayores y a poner más entibación para mantener el trabajo en condiciones de seguridad.
En el sistema de retroceso se perfora y entiba una entrada principal desde el afloramiento o el pozo hasta el límite del depósito. Entonces se extrae la arcilla de salas o cámaras, comenzando por el extremo más lejano. Se dejan los pilares hasta que se agotan las cámaras, pero con frecuencia pueden quitarse después. Por consiguiente puede extraerse una porción mayor de arcilla contenida en el depósito, si bien lleva más tiempo el poner en producción un nuevo punto de trabajo.
EL LABORATORIO DE CERÁMICA.
Los métodos científicos de ensayo e investigación están encontrando aplicación continuamente creciente en la industria de la cerámica en cierto número de formas diferentes. Existen tres campos de aplicación principales, los cuales, sin embargo, se superponen considerablemente.
1.
2. Investigación pura. La investigación de la naturaleza de los materiales
cerámicos y sus reacciones y de la naturaleza y causa de sus propiedades. 3.
1. Desarrollo. El avance sistemático de los productos cerámicos hacia un fin
deseado. 2.
1. Control, La composición de las propiedades de los materiales, procesos y
productos para lograr resultados uniformes de la clase indicada por los proyectos de desarrollo, y el descubrimiento de las causas de perturbación.
Los métodos empleados pueden ser aplicables a uno o más de estos campos. Algunos son sencillos y pueden describirse aquí en detalle; otros requieren aparatos costosos y/o técnicos especializados, y para éstos solamente se describirá el fundamento.
A lo largo del trabajo en los laboratorios cerámicos frecuentemente es necesario preparar muestras de líneas similares a las seguidas en las factorías. Por esta razón se requiere equipo en pequeña escala para dichas preparaciones, por ejemplo, rodillos, trituradores rotatorios, trituradoras de mandíbulas, molinos de muelas verticales, molinos vibradores, mezcladoras, agitadores, tamices, imanes, filtros-prensa, molinos amasadores, barrenas de extrución prensas de mano, estufas de secado, pequeños hornos, sierras y esmeriladoras de mampostería para la preparación de las muestras para los ensayos.
REGISTRO DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO.
La necesidad de un registro adecuado de métodos, muestras y resultados que nunca se recalcará demasiado. Mientras que los ensayos de investigación pueden adaptarse a la muestra, los ensayos de control, que con gran frecuencia son meramente comparativos deben realizarse por métodos normalizados que se convierten en un número.
Es también esencial que se lleve un registro exacto de todas y cada una de las muestras que entran en el laboratorio con su fecha, su origen, cualquier tratamiento que haya podido sufrir en la factoría con indicación de tipo de maquina, seguido todo ello por los resultados del ensayo. Solamente de este modo podrá detectarse cualquier error sistemático.
ENSAYOS DE APLICACIÓN DE EXTENSA.
ANÁLISIS QUÍMICO.
ANÁLISIS QUÍMICO.
El análisis químico de arcillas conocidas sirve como una comprobación de la
uniformidad. Tratándose de nuevos depósitos de arcilla, puede dar ideas cualitativas acerca de lo que puede esperarse.
Por ejemplo la suma de los contenidos de Fe2O3y TiO2 afecta al color tras la cochura; si es menor de 2% la arcilla conocida será usualmente blanca o de color claro. Este color puede haber estado enmascarado en la arcilla cruda por la
materia orgánica oscura que se elimina por la combustión. La consideración del
contenido de silice y alúmina es también interesante.
El análisis químico completo se precisa también para deducir los análisis racionales
calculados.
ANALISIS RACIONAL.
El más antigua análisis racional, introducido por primera vez como un gran adelanto por Seger en 1876 y posteriormente alterado y mejorado gran número de
veces, se sabe actualmente que resulta por completo inadecuado para un verdadero análisis mineralógico de las arcillas. Constituye no obstante, un método empírico para la comparación de materiales similares, y como tal es muy empleado
todavía en muchas de sus diferentes formas.
El análisis completo de las arcillas indica las cantidades exactas de los elementos
presentes, pero no proporcionan datos acerca del modo en que se combinan éstos. Se verá claramente, partiendo de la descripción de las arcillas, de su estructura y sus propiedades, que estas características dependen de la composición mineral
más que de la composición química global.
Senger, llevando a la práctica esto en 1876, desarrolló el análisis racional, que se dividía una arcilla en partes de acuerdo con su solubilidad en ácido sulfúrico concentrado, denominándose la parte soluble ¨sustancia de arcilla¨ y
subdividiendose posteriormente en la parte insoluble en cuarzo y fedespato por la reacción con ácido fluorhídrico.
El procedimiento fué mejorado por cierto número de ocasiones, por lo que la presentación de los resultados de este método, así como también los modificados de ¨análisis racional¨, depende de varias hipótesis. En primer lugar una arcilla se
compone de los minerales (sustancias de las arcillas), mica, feldespato y cuarzo, cada uno de los cuales tiene una fórmula química definida; y en segundo lugar el tratamiento selectivo actúa sobre la totalidad de un mineral dejando otro
completamente inalterado. Actualmente se sabe que los tres primeros componentes que hemos denominado minerales son en realidad grupos de minerales con composición química variable, y que la reactividad química es
afectada por el tamaño de partícula de tal forma que las partículas muy finas de los minerales menos reactivos pueden ser atacadas antes que los granos mayores de los minerales más reactivos se hayan disuelto. Por consiguiente el análisis
racional debe considerarse con cuidado y generalmente se puede aplicar sólo a las arcillas más puras.
Métodos de determinación del contenido de mineral.
Hemos mencionado los principales minerales que existen en las arcillas, y hemos
dicho también que sus características individuales llegan a ser parte de las propiedades de la arcilla propiamente dicha. El estudio de los minerales presentes de una arcilla, junto con el conocimiento de su tamaño de grano, proporcionará
por lo tanto una información valiosa. Desgraciadamente tales datos son difíciles de obtener. Algunos investigadores dan resúmenes de los métodos que han utilizado para producir un cuadro de lo más completo posible de la constitución de una
arcilla. Si bien estos métodos son, en general, complementarios entre sí, algunos de ellos pueden encontrarse muy útiles individualmente por si mismo.
Investigación del origen de la arcilla.
No debe despreciarse esta fuente de información tan evidente. El examen visual de
la arcilla en masa, si es posible en in situ, puede revelar estratificación y la presencia de mica a lo largo de los planos de la misma. Pueden ser visible otros fragmentos minerales mayores. ( Tal examen no sólo es capaz de identificar
algunos de los constituyentes de la arcilla sino que es evidente que el producto mixto será irregular.) La presencia de materia orgánica puede deducirse del color,
de los restos de raíces y plantas y algunas veces de la presencia de partículas de pizarra o carbón.
El conocimiento de la edad geológica y de la naturaleza de un depósito de arcilla puede proporcionar información acerca de la velocidad de sedimentación y, por lo tanto, de los tamaños de partícula. El ambiente geológico de una arcilla influye en
las impurezas, por ejemplo, las arcillas situadas en áreas de arenisca pueden contener cuarzo, las de áreas de caliza, carbonato de calcio.
Separación de los minerales.
En ésta una difícil tarea, que debe realizarse en muchos casos por medios físicos. la separación por tamaños de grano más grueso o más fino.
Varios de los método utilizados para determinar los tamaños de grano de las
arcillas son válidos también para separar la mezcla en fracciones clasificadas por tamaños. En primer lugar se dispersa completamente la arcilla, y seguidamente se pasa por tamices, procediéndose después a la elutriación y/o sedimentación y
centrifugación Las dos últimas operaciones normalmente no producen fracciones limpias y han de repetirse varias veces. Las ventajas de la clasificación por tamaños de grano respecto a la separación de los minerales presentes se indican
mediante estas dos tablas.
Tabla 1.
Distribución de tamaños de grano y contenido mineral de la arcilla
diluvial de Papendorf.
2 2-11
11-24
24-60
60
Distribución de tamaños de grano 34.8 56.3 5.7 2.3 0.9
Cuarzo 30-50 18.7 23.4 25.6 28.7
Feldespato - 7.3 11.2 16.1 17.7
Calcita - 13.5 12.9 15.0 13.6
Hornblenda - 6.6 7.5 6.7 7.0
Biotita - 2.7 5.4 5.8 7.0
Moscovita 30-50 26.6 18.6 15.4 11.5
Clorita y serpentina - 5.1 5.5 3.6 5.7
Montomorillonita 10-30 - - - -
Minerales de alto índice de
refracción
- 5.6 4.7 3.7 2.4
Minerales no transparentes - 3.3 3.1 1.6 1.1
Minerales no determinados - 10.6 7.7 6.5 5.4
Tabla 2.
Gruesa
(%)
Intermedia
(%)
Fina
(%)
H2O 0.53 0.66 0.58
Pérdida por 6.54 8.86 12.35
calcinación
SiO2 63.92 54.42 47.40
TiO2 1.33 1.29 1.01
Fe2O3 0.98 0.89 0.49
Al2O3 22.79 30.44 36.50
Alcalinos 3.60 3.34 1.62
Total. 99.69 99.90 99.65
La tabla 1 indica claramente como todo el mineral de arcilla, que en este caso es la montmorillonita de grano finísimo, se concentra en la fracción de tamaño mínimo.
En la tabla 2 sigue un caolín primario se dividió en tres porciones por centrifugación. En esta caso se analizaron químicamente.
Separación ulterior de los minerales por métodos especiales.
Cuando existe una misma fracción de tamaños de grano varios minerales diferentes deben aplicarse nuevos métodos específicos de separación. Los métodos físicos comprenden:
1.
2. Separación con líquido denso. 3.
1. Flotación con espuma. 2.
1. Separación electrostática. 2.
1. Separación magnética.
1. Separación con líquido denso. Cuando están presentes minerales de diferente densidad, y las partículas no son demasiado finas, puede lograrse la
separación con un líquido de densidad intermedia. Las partículas pequeñas tienden a flocular y perturbar la sedimentación libre. l elección del líquido establece también una diferencia. Por ejemplo, la separación por densidades de las arcillas
en líquidos orgánicos demuestra ser satisfactoria en bromoformo, pero se produce coagulación en tetrabromoetano.
2. Flotación con espuma. Si se recubre un mineral con una capa monomolecular de una sustancia repelente al agua, tenderá a acumularse en una interfase aire-agua con preferencia a otros minerales presentes que son mojables. Si se borbotea
aire a través de la mezcla se acumulará en la espuma, en particular si ésta está estabilizada. La sustancia de recubrimiento repelente al agua se conoce como colector; se trata de un compuesto orgánico con un grupo polar que forma un
débil enlace químico con el mineral. Por lo tanto teóricamente es posible separar dos minerales cualesquiera químicamente diferentes por flotación con espuma.
3. Separación electrostática. Puesto que la mayoría de las partículas minerales llevan una carga eléctrica, y dado que minerales diferentes poseen generalmente
cargas diferentes, deben ser posible extraerlos selectivamente mediante placas cargadas. En la separación electrostática se deja caer libremente el mineral molido entre dos placas de carga opuesta. La mica muscovita es apreciablemente
desviada por un voltaje aplicado de sólo 3000 V; el feldespato se separa fácilmente del cuarzo. Desgraciadamente muchos de los restantes minerales asociados con las arcillas se comportan similarmente en un campo eléctrico, por lo que deben
aplicarse voltajes muy elevados para lograr un aseparación.
4. Separación magnética. Puede aplicarse ésta a partículas mayores de
hematites u otros minerales magnéticos. Su aplicación es forzosamente limitada.
Los métodos químicos para la separación de minerales puede aplicarse por dos
sistemas:
Si un constituyente es inatacado por un reactivo que elimina todos los demás, puede determinarse directamente.
Un constituyente puede separarse selectivamente.
Identificación y estimación de minerales arcillas.
Los métodos más selectivos de separación de los minerales los identifican y estiman al mismo tiempo. Los otros métodos, que no dependen necesariamente de una separación previa, puede dividirse en cuatro grupos:
1.
2. Métodos dependientes de la naturaleza química de los minerales. 3.
1. Métodos dependientes de las características cristalográficas externas. 2.
1. Métodos que dependen de las disposiciones de las redes internas atómica, iónica y cristalina.
2.
1. Métodos que dependen de algún cambio físico o químico que puede medirse
bajo condiciones controladas.
Análisis químico. En conexión con la identificación y estimación de minerales de
arcilla puede ser útil para determinar minerales que contienen elementos no presentes en ningún otro mineral.
El microscopio electrónico. El empleo de ondas muchísimo más cortas en este instrumento le capacita para resolver partículas hasta de 0.01 micras. Las muestras han de montarse especialmente en una delicada membrana de celulosa,
y el campo de visión es muy pequeña, 30 2. Si embargo, como es posible la
observación visual sobre una pantalla fluorescente resulta de empleo más sencillo que el microscopio que utiliza luz ultravioleta.
Es con el microscopio electrónico como ha sido posible determinar los tamaños y formas reales de las partículas de arcilla y explicar la variación de propiedades en
diferentes muestras que otros instrumentos demuestran ser del mismo mineral, por ejemplo, ciertos caolines presentan mayor viscosidad en una suspención y
mayor resistencia en fresco de un a pieza moldeada que otros. No pueden diferenciarse por rayos X o análisis térmico diferencial, pero el microscopio electrónico ha demostrado que las muestras menos viscosas poseen cristales
complejos finos.
Mejoras en la técnica de reproducción han hecho actualmente posible el estudio
con gran aumento de las características estructurales y particularidades de superficie de los agregados de arcilla, tales como se encuentra en la naturaleza o en el laboratorio.
Rayos X. La longitud de onda de los rayos X es tan corta que pueden penetrar por entre los átomos de un sólido. Las disposiciones atómicas regulares de un cristal
actúan entonces con una red de difracción de tal modo que los rayos emergentes forman ángulos definidos con el rayo incidente. A partir de éstos puede determinarse la estructura del cristal. Un cristal grande puede examinarse
observando la difracción de un haz monocromático de rayos X que inciden sobre él en varios ángulos sucesivamente. En los casos en que solamente se dispone de un polvo todas las orientaciones se observan de una sola vez, siendo ésta la técnica
de polvos de Debye-Scherrer.
La difracción de rayos X es el medio por el cual conocemos la estructura interna de los minerales y por lo tanto el medio más seguro para identificarlos. En los casos
en que han sido posible separar los minerales tal identificación es directa.
Desgraciadamente, sin embargo, cuando están presentes varios minerales de
arcilla, las líneas dadas por uno pueden denominar a las de los demás en una fotografía directa de polvo. Por ejemplo Keppeler ha demostrado que pequeñas cantidades de montmorillonita de grano muy fino presentes en la caolinita no son
detectable por los rayos X aunque su influencia por las relaciones arcilla-agua puede ser suficiente para detectarlas por tal camino.
Riviere, describe un método por el cual se reduce el número de líneas en la fotografía de rayos X. Dicho método aprovecha la forma laminar de las partículas individuales. Por evaporación lenta de una suspención las laminas se depositan
una sobre otras con todas las caras planas paralelas. Entonces puede investigarse como un cristal simple dando unas cuantas líneas características. Es fa´cil medir la
altura de la capa unidad, que es característica para los grupos de minerales de arcilla como son: 7.1 Amstrongcaolinita, 7.3 A haloysita, 10 A y superiores montmorillonita.
El aparato requerido para investigaciones por difracción de rayos X se compone esencialmente de una fuente de rayos X monocromáticos, un sistema adecuado
para el montaje de la muestra y una cámara para recibir y registrar los rayos difractados. La longitud de onda está parcialmente determinada por el anticátodo
del tubo de rayos X de tal forma que debe Disponer de una serie de éstos para
obtener una gama completa. Son también necesarios filtros adecuados para selección ulterior. Además deben ser ajustables el voltaje y la corriente.
La difracción de rayos X en muestras de polvo se hace en una cámara circular. Esta es la más utilizada en investigación de materiales.
Existen numerosos instrumentos utilizables para trabajos de difracción de rayos X.
Difracción de electrones.
Como los electrones pueden considerarse como una función de ondas de longitud de onda muy pequeña, pueden emplearse también para determinar la estructura
de los cristales por difracción. Pueden detectarse reflexiones correspondientes a separaciones planares muy pequeñas, con lo que puede complementarse la información alcanzable por difracción de rayos X, especialmente para cristales
complejos. La mayoría de los microscopios electrónicos modernos pueden adaptarse para trabajo de difracción de electrones.
Espectroscopia de infrarroja y de microondas. El desarrollo de los instrumentos de radar ha hecho posible la investigación exacta del espectro de la región de microondas que está comprendida entre el infrarrojo y las ondas de
radio, es decir aproximadamente de 30-2000 micras. En esta región de campo de ondas electromagnéticas, la absorción y la emisión se deben a vibración de las
moléculas. Cada compuesto dará, por lo tanto, un espectro característico que puede emplearse para análisis cualitativo y cuantitativo y e veces para diagnósticos estructurales.
La aplicación de este método a la identificación de minerales de arcilla se publicó en una conferencia sobre tecnología de las arcillas dad en 1952 por Nahin y debe
esperarse que su desarrollo haga posible su utilización generalizada en el próximo futuro.
Análisis térmico diferencial. El análisis térmico se basa en la observación o
medida del desprendimiento o absorción de calor cuando un material sufre un cambio físico o químico. Hace unos setenta años se descubrió que las arcillas poseen características térmicas distintivas. Actualmente se sabe que cada uno de
los materiales de arcilla posee sus propiedades térmicas propias, siendo similares pero no idénticos los minerales del mismo grupo. los ensayos se realizan por el método térmico diferencial en la cual se mide la temperatura del material que se
ensaya en relación con la de un material inerte adyacente.
Las ventajas del método estriban en que no requieren separación de los
constituyentes de la arcilla, en su rapidez y sensibilidad, y en que precisa relativamente de pocos aparatos.
Algunos investigadores como Norton y Grim, describen con algún detalle el aparato por ellos utilizados. Describiremos aquí el aparato desarrollado por Roberts y sus colaboradores, por ser el más reciente, y nos referimos a sus diferencias
principales respecto a los de otros investigadores.
Una cantidad fija de 0.8g de la muestra a ensayar se introduce a un
compartimiento de un centímetro cúbico de un recipiente de refractario de paredes finas. El comportamiento adyacente se llena con un material inerte, generalmente
un óxido calcinado. Norton colocaba los dos materiales en un bloque metálico que minimiza los gradientes térmicos pero la transmisión de calor de la muestra que se ensaya y por ello reduce las diferencias de temperatura durante las relaciones
térmicas. Seguidamente se pone en contacto con dos materiales termopares aluminio-cromo conectados a instrumentos registradores de tal modo que la diferencia de temperatura se amplia y se registra continuamente junto con la
temperatura del material inerte a intervalos fijos de tiempo o de temperatura. El conjunto se encierra entonces en un bloque de refractario que se inserta en un horno eléctrico.
Este se calienta lo más uniformemente posible a un régimen de 10 a 200C por minuto. La constancia del régimen de calentamiento es menos importante que su
reproducibilidad.
El aparato debe normalizarse con muestras de minerales puros, con lo que se
obtienen curvas distintivas para minerales de diferentes grupos y para minerales del mismo grupo se encuentran curvas que difieren sólo ligeramente. En este grupo la caolinita y la anauxita no pueden distinguirse.
En las mezclas de cada componente registra una propia curva independiente de tal
modo que su presencia puede localizarse. La relación del área del pico característico al área del pico en la curva dada por el mineral puro da su cantidad.
La materia orgánica da un pico exotérmico grande e indefinido a bajas
temperaturas que enmascara otros efectos; por lo tanto debe eliminarse previamente con peróxido de hidrógeno o permanganato alcalino.
Los constituyentes de las arcillas que contienen álcalis tales como las micas (excepto las hidromicas o illitas) y los feldespatos son térmicamente inertes y no puede ser detectados por este método.
Análisis termogravimétrico diferencial. Keyser resume el trabajo realizado al seguir los cambios de peso durante el calentamiento de minerales. Este trabajo
complementa al análisis térmico diferencial por distinguir entre las relaciones que implican pérdida de peso y las que no lo hacen. En casos de relaciones bien definidas e identificables puede utilizarse también para análisis cuantitativos de
constituyentes que se descomponen durante el calentamiento, por ejemplo, carbonatos,varios hidratos.
Sin embargo, la pesada directa de muestras a lo largo de un ciclo de calentamiento no resulta enteramente satisfactoria, debido en gran parte al amplio intervalo de cambios de tal modo que una pequeña pérdida de peso se sigue inmediatamente a
una grande no puede apreciarse. La diferenciación de la pérdida de peso con respecta a la temperatura para obtener una curva de dw/dt en función de t
proporciona una curva más útil con agudos picos y valles en los casos en que w en función de t era una curva indeterminada. Por esta razón construyó Keyser un aparato que representa esta curva automáticamente.
La termobalanza diferencial consta de un brazo de balanza de la cual se suspenden dos muestras idénticas del material a ensayar en el interior de dos hornos
eléctricos idénticos. Los dos hornos pueden calentarse exactamente al mismo régimen, pero uno de ellos se lleva un pequeño, aunque fijo, número de grados por debajo de otro. La posición del brazo de la balanza se observa mediante un
espejo iluminado que dirige una mancha luminosa sobre un gráfico giratorio fotosensible. Con este aparato se registran automáticamente el cambio de peso de la muestra cuando se calienta desde la temperatura del horno más frio a la dedl
más caliente
El análisis químico tiene aplicaciones muy extensas en investigación, desarrollo y control, aun cuando la naturaleza de las materias primas cerámicas y de sus reacciones necesitan el empleo de muchos otros métodos además del análisis. El conocimiento de la composición química de las materias primas, pastas, vidriados y productos cerámicos es frecuentemente muy útil, pero debido a que los análisis completos de los materiales silicatados por métodos ¨clásicos¨requiren un a semana para su acabado, no se utilizaros alprincipio como determinación rutinaria de control. A veces sólo deben comprobarse uno de o dos componentes, y se desarrollaros para ellos métodos químicos rápidos. Actualemnte una serie de instrumentos acelera notablemente el análisis químico de tal modo que cada vez
puede utilizarse más éste para propósitos de control. El método clásico de análisis completo es principalmente gravimétrico, ayudado ocasionalmente con medidas colorimétricas. Se basa en el previo conocimiento de los elementos presentes y requiere de seis a diez días para completarse.
ANÁLISIS COLORIMÉTRICO.
Los ensayos de color están muy extendidos en análisis cualitativo. El uso del color en el trabajo cuantitativo es posible cuando está presente solamente una sustancia coloreada. Por lo tanto es necesario un análisis cualitativo previo. Si no están presentes sustancias perfumadoras, el color del ensayo se obtiene usualmente por adición de reactivos adecuados y comparación posterior con la intensidad de color del mismo compuesto en una solución de concentración conocida.
Una aplicación notable de esto en la cerámica fue desarrollada por Pukall ya en 1906 para determinar la solubilidad del plomo en los vidriados de plomo. Las soluciones obtenidas a partir de los vidriados son muy diluidas y difíciles de valorar gravimétricamente, pero se obtuvieron resultados exactos partiendo de la intensidad del color de la suspensión de sulfuro de plomo obtenida pasando H2S.
El ojo humano sin ayuda de medios auxiliares no es, sin embargo, realmente adecuado para efectuar comparaciones de color; pueden apreciar cuando dos tonalidades son de igual intensidad y cuando son diferentes, pero no puede dar el grado de diferencia. Los modernos colorímetros para observación visual poseen sistemas ópticos que llevan la muestra de ensayo y el patrón de comparación en las dos mitades del mismo campo de visión.
Entonces puede ajustarse la intensidad de uno de ellos hasta que el campo es uniforme (colorímetro Duboscq). No obstante, es más exacto reemplazar el ojo humano por la célula fotoeléctrica como el ¨Spekker¨e instrumentos similares.
Prácticamente todos los elementos y algunos radicales pueden hoy estimarse colorimétricamente y el método es particularmente útil para aquellos componentes de las mezclas a analizar que se encuentran en menores proporciones.
ANÁLISIS ESPECTROFOTOMÉTRICO.
Los métodos espectrográficos para el análisis cualitativo y cuantitativo presentan considerables ventajas sobre los métodos húmedos ordinarios. En primer lugar el análisis es totalmente objetivo, determinando tanto los elementos inesperados como los esperados. En segundo lugar, es capaz de determinar cantidades
menores de constituyentes raros. Por último es rápido, ya que un análisis completo de silicatos exige solamente de tres a cuatro horas, y requiere sólo pequeñas muestras.
El aparato se compone de un espectrógrafo, una fuente de exitación, y medios de registros fotográfico, de observación y comparación. Para espectros de emisión la muestra debe prepararse de tal modo que pueda volatilizarse completamente en el arco, y así pueden registrar su presencia todos sus constituyentes.
Para análisis cualitativo se compara el espectrograma obtenido con un espectro puro que tiene numerosas líneas, por ejemplo, el del hierro, y así hace posible su identificación la posición exacta de las líneas dadas por la muestra de ensayo. Para trabajo cuantitativo se miden las intensidades de líneas cuidadosamente elegidas, en comparación con patrones fotografiados en condiciones idénticas. Debido a la sensibilidad del método, los patrones para comparación deben preparase a partir de sustancias espectroscópicamente puras.
La aplicación de la espectroscopia a los materiales cerámicos no es totalmente inmediata debido a que algunos constituyentes se volatilizan mucho más fáciles que otros.
Los métodos desarrollados para análisis completos implican en todos los casos una determinación. Hegemann y Zoellner en 1952 empleaban tres sistemas de electrodos diferentes, junto con un espectroscopio de cuarzo que hace accesible la región ultravioleta. Las tres determinaciones son:
1.
2. Análisis cualitativo completo más la determinación cuantitativa de los constituyentes menores.
3.
1. Determinación de los componentes principales (más de 1%) con
aproximación de más 2 a 3%. La muestra montada sobre papel filtro, se hace girar entre los electrodos de carbono puro.
2.
1. Determinación de los alcalis. El Na2O puede determinarse hasta un mínimo
de 0.01% y el K2O hasta un mínimo de 0.05% con un error de 2 % de su contenido.
Iones describe métodos espectrográficos para la determinación de constituyentes menores en refractarios, a saber de Fe2O3, TiO2, ZrO2, Na2O y K2O que existen en cantidades inferiores al 6%, circunstancias en las que el análisis espectrográfico es al menos tan exacto como el análisis químico.
En el nuevo espectofotómetro de absorción la muestra se pone en disolución y se inserta en una cubeta de vidrio. La longitud de onda de la luz incidente puede variarse gradualmente mediante el giro de un botón y observarse y registrarse la absorción para cada longitud de onda. En el trabajo cualitativo la absorción en las regiones ultravioleta y visible da los elementos presentes y la producida en el infrarrojo proporciona evidencia acerca de los compuestos presentes. Se eligen entonces líneas adecuadas para comparación y se compara con las dadas por una solución patrón contenida en una cubeta idéntica que puede intercambiarse fácilmente con la solución de ensayo.
EL FOTÓMTRO DE LLAMA.
Una adaptación especial del análisis espectroscópico para la determinación cuantitativa de ciertos elementos particulares es el fotómetro de llama. En cerámica se usa predominantemente para determinar los alcalis (litio, sodio y potasio). y el calcio.
Las intensidad de las líneas espectrales emitidas por un átomo exitando es proporcional a su concentración. En el fotómetro de llama se pulveriza en una llama una solución adecuada del componente a determinar, con lo cual se produce la emisión. Se seleccionan líneas características del elemento intercalando filtros en el camino del rayo de luz producido por un sistema de lentes enfocado sobre la llama. La intensidad puede determinarse entonces con una célula fotoeléctrica y un galvanómetro.
Lange ha tabulado la longitud de onda más adecuada para cada elemento y la sensibilidad de su determinación. Ver la siguiente tabla.
Elemento Longitud de onda
(m )
Sensibilidad (mg/ml)
B 548 0.7
Ba 554 0.4
Ca 616 0.01
Co 535 1
Cr 521 0.7
Cs 852 0.04
Cu 521 0.4
Fe 536 0.5
K 767 0.0006
Li 671 0.003
Mg 553 0.3
Mn 601 0.2
Mo 557 0.7
Na 589 0.0003
Ni 548 0.6
Pb 561 5
Rb 780 0.0005
Sn 607 2
Sr 616 0.05
Tl 535 3
Las ventajas del método son la rapidez, sin ningún sacrificio en la exactitud, y la pequeña cantidad de material requerida, Un operario que podía estimar potasio en doce soluciones al día por métodos gravimétricos-colorimétricos, pudo determinar treinta muestras en una hora con un fotómetro de llama.
Las desventajas, tener que calibrar el fotómetro de llama con soluciones complejas lo más análogas posible a la que se ensaya. Se ha encontrado interferencias en la determinación de litio, sodio y potasio debidas a la presencia de Mg, Al, Fe, Ti y Ca. Por esta razón se precipitan inicialmente todos estos elementos de la solución a ensayar, antes de introducirla en el fotómetro de llama. De este modo puede obtenerse rápidamente resultados reproducibles.
ANÁLISIS ELECTROLÍTICO ON EL POLARÓGRAFO.
Por medio del polarógrafo pueden analizarse cualitativamente y cuantitativamente en un breve espacio de tiempo soluciones diluidas (10-3 - 10-4 moles) que contienen varios cationes. El aparato se compone de una célula electrolítica con un pequeño electrodo polarizable, un electrodo de goteo de mercurio, y el otro de gran tamaño no polarizable, un depósito de mercurio. Esta célula se conecta a una batería, resistencia, galvanómetro y un medio de variar y medir el voltaje de entrada.
La solución a ensayar se libera de oxígeno (pasando N2 o H2) y se coloca en la célula. Se aumenta gradualmente el voltaje y la corriente que pasa se observa o se registra automáticamente. La curva resultante presenta cierto número de escalones. La posición de estos en la escala de voltaje da la naturaleza del ion, y la altura de los mismos indica la cantidad presente. El instrumento debe calibrarse
en condiciones idénticas con una solución patrón. El instrumento es muy sensible y da resultados reproducibles, es rápido y requiere muy poco material. Los fabricantes lo recomiendan particularmente para la determinación del contenido de álcali de los materiales cerámicos.
CROMATOGRAFÍA
La técnica, relativamente nueva, de la cromatografía, puesta a un punto inicialmente por biólogos y bioquímicos, puede hallar también aplicación en el análisis químico cerámico. Se basa en el hecho de que las soluciones de diferentes sustancias se desplazan a través de un medio absorbente por ejemplo, papel filtro, columnas de geles inertes, etc., a diferentes velocidades, de tal modo que las mezclas pueden llegar a separarse en sus materiales individuales a diferentes niveles y posteriormente pueden identificarse y estimarse.
ENSAYOS DE APLICACIÓN EXTENSA.
ENSAYOS FÍSICOS.
CONTENIDO DE HUMEDAD.
Es importante conocer el contenido de humedad de las materias primas, no sólo para hacer las pertinente correcciones en la pesada sino también, en el caso de las arcillas empleadas lo más aproximadamente posible en su condición natural, a fin de hacer el ajuste necesario para darles el contenido óptimo de agua. Es también muy importante controlar el contenido de humedad en los materiales cerámicos preparados para moldeo, especialmente de los prácticamente secos.
Las muestras deben pesarse, secarse a 110oC, enfriarse en un desecador y pesarse de nuevo. Es más conveniente expresar el contenido de humedad como porcentaje del peso sobre las muestra seca, pero como no siempre se hace así debe indicarse el método adoptado.
Un control de rutina adecuada puede requerir frecuentemente toma y ensayo de muestras, quizás hasta con frecuencia de cada diez minutos.
Lo medidores de humedad desarrollados comercialmente pueden dividirse en dos clases:
Determinación directa de humedad.
Determinación de una propiedad relacionada con el contenido de humedad.
Existen aparatos para la pesada y secado de un cierto número de muestras simultáneamente, pero la toma de las muestras y la determinación de la pérdida
de peso da cada una requiere todavía un operario íntegramente dedicado a esta misión.
De los métodos derivados, el mejor conocido es la determinación de la presión del gas acetileno liberado por humedad de la muestra, en el detector de humedad Speedy.
DENSIDAD RELATIVA.
La densidad relativa, definida por la relación de la densidad del material a la del agua a 4oC, en un número abstracto y no requiere conversión de unidades a otras. Es numéricamente igual a la densidad cuando se expresa en gramos por centímetro cúbico (g/cm3). La densidad relativa, tanto de polvos como de sólidos en trozo grueso, pueden determinarse por métodos físicos normales. Los polvos muy finos tienden a ocluir aire y es preciso someterlos al vacío antes de introducir el agua. Normalmente no es necesario comprobar la densidad relativa de las materias primas con la excepción del pedernal calcinado. La D.R. de éste varía con el grado de calcinación, con lo que el contenido seco de una pasta fluida de peso por litro dado puede variar. Por esta razón es precisa una comprobación regular. La D.R. es también una medida de cocción a muerte de la megnesita sinterizada y se usa como comprobación. Las medidas de la D.R. se emplea más extensamente para el control de los productos cocidos.
COMPORTAMIENTO DE FUSIÓN.
En comportamiento en la fusión de las materias primas, mezclas y productos cerámicos, es de un interés considerable en un cierto número de campo que comprenden desde la investigación de relaciones de fase hasta la necesidad práctica de materiales refractarios que permanezcan sólidos a temperaturas elevadas y a la exigencia de disponer de fundentes de baja temperatura de fusión.
Muchos materiales cerámicos carecen de punto de fusión definido, y en su lugar presentan progresivamente sinterización seguida de reblandecimiento, el cual aumenta hasta llegar a la fusión. Pueden realizarse muchos ensayor empíricos calentando el material conforme a un programa de cochura similar a aquel para el cual se requiere y apartando muestras a intervalos. Para muchos materiales cerámicos es también muy útil en ensayo ¨calor-trabajo¨ del cono pirométrico equivalente.
CONO PIROMÉTRICO EQUIVALENTE.
La refractariedad de las materias primas, mezclas, o productos cerámicos se estima por comparación con mezclas de propiedades conocidas, es decir cono pirométricos. Los conos pirométricos sor registradores ¨calor-trabajo¨, es decir que no registran directamente la temperatura, sino una combinación de temperatura y velocidad de calentamiento. Para obtener resultados reproducibles en los ensayos C.P.E. debe adoptarse, por lo tanto, una velocidad de calentamiento normalizada.
El material a ensayar se moldea en un molde metálico para formar un cono idéntico a los cono comerciales patrones. Si el material de ensayo no es plástico, se le adiciona un aglomerante orgánico exento de álcali. Posteriormente se somete el cono a una preccoción para darle estabilidad. Cuando se trata de productos, se corta un cono de la forma adecuada. A continuación se coloca cierto número de conos del material a ensayar alternando con una serie de cono patrones en una placa refractaria, o bien se coloca en el centro de ésta un solo cono de muestra rodeado por conos patrones.
DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO.
En la investigación de las arcillas crudas, la separación de fracciones por tamaños de grano seguida por su determinación ayuda considerablemente en la separación de los principales tipos de materiales. Tales fracciones pueden denominarse:
Piedras 20 mm
Grava 20 - 2 mm
Arena gruesa, 0.2 - 0.02mm
Limo 0.02-0.002 mm
Arcilla 0.002mm
Por lo tanto, el conocimiento en el contenido en la fracción más fina proporciona sobre la arcilla coloidal activa presente.
Límites inferiores normales para diversos métodos de análisis de tamaño de partículas.
Método de análisis Límite inferior ( )
Tamizado 50 Gran Bretaña, 40 Estados Unidos
Eutriación 10
Sedimentación, por gravedad
2
1 con control de temperaturas
Sedimentación centrífuga 0.1
La granulometría tiene una gran influencia en las reacciones en estado sólido, en cuyas condiciones cuanto mayor es la superficie tanto más rápida es la reacción, y similarmente en la reacciones sólido-líquido. Para tales propósitos es de máxima utilidad el conocimiento de la superficie.
La clasificación por tamaños influye en la densidad de relleno, la resistencia mecánica y porosidad. Hay, por lo tanto, tres aspectos en las determinaciones del tamaño de grano:
Diámetros
Superficie.
Tantos por ciento.
Como el campo de tamaños es grande deben emplearse cierto número de métodos diferentes.
TAMIZADO.
Pueden determinarse todas las proporciones de partículas más gruesas pasando la mezcla a través de una serie de tamices. Los tamices pueden hacerse de alambre, seda o nylon. El número de tamiz es el número de hilos por unidad lineal. Como los distintos tipos de hilo son de espesor diferente, puede variar la abertura real. Por ello es necesario establecer la especificación exacta del tamiz.
El tamizado es un proceso estadístico, esto es, existe siempre un elemento de probabilidad en cuanto a sí una partícula puede pasar o no a través de una abertura dada. Unicamente puede conseguirse reproducibilidad normalizando el tiempo y el método de tamizado.
A fin de eliminar el elemento humano en el tamizado existe cierto número de dispositivos mecánicos de agitación o vibración para la realización de los análisis de tamizado. Estos soportan un juego de tamices de ensayo clasificados junto con un fondo y una tapa, y vibran durante un tiempo dado en una forma reproducible. Se accionan por medio de un motor de potencia menor de un caballo.
DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA POR ELUTRIACIÓN
Como las partículas de diferente tamaño caen en el seno del agua en reposo a diferentes velocidades, la aplicación de una velocidad ascendente el agua hace posible invertir el movimiento de las partículas más lentas y, por lo tanto, más pequeñas, y arrastrarlas al exterior con la corriente de agua. Una selección cuidadosa de la velocidad del agua puede hacer posible la eliminación de todas las partículas menores de un tamaño conocido dado.
La construcción de un aparato adecuado para la elutriación implica el diseño de un recipiente en el cual el fijo sea constante a través de todo su diámetro y no se reproduzca turbulencia alguna, y un medio de suministro de un caudal de agua a un régimen constante conocido.
La elutriación directa no proporciona, sin embargo, cortes limpios por tamaños. Toda turbulencia accidental hará que las partículas mayores sean arrastradas con las pequeñas, y quedan siempre finos en el sedimento grueso debido a un ¨lavado¨ insuficiente.
Ejemplo de Caracterización de arcillas en el Oyamel (Edo. de México).
Justificación.
En el territorio del estado de México se encuentra un yacimiento importante de arcillas llamado "El OYAMEL", de donde se benefician diversos grupos étnicos, pues las necesidades económicos de este lugar son tan grandes que la fabricación de piezas se efectúan de manera análoga la de una microindustria. Por lo cual es importante la implementación de nuevas técnicas para la explotación de este recurso.
ANÁLISIS FÍSICO
El análisis de la arcilla puede ser realizado con el fin de obtener representatividad de la zona, determinar si la arcilla de mejor calidad se extrae del sitio adecuado, de tal manera se realizaran las siguientes determinaciones:
1. Determinación de la Plasticidad. 2. Contracción en la cochura 3. Color al quemado
1. Determinación de la Plasticidad.
Desde el punto de vista técnico, es necesario decir que la plasticidad es la propiedad más importante de las arcillas. Es una propiedad muy compleja y que se encuentra asociada con el flujo de unas partículas sobre otras. Además está ligada con la interacción entre las partículas coloidales y el agua, por tanto se ve afectada por los factores siguientes :
a.
a. Composición mineralógica. b. Tamaño de partícula c. Capacidad de intercambio catiónico y de pH
d. Tensión superficial del agua
La plasticidad aumenta a medida que aumenta la capacidad de intercambio catiónico. Los catiónes pequeños de alta carga hacen que el coloide de arcilla retenga agua sobre su superficie mas fuertemente y en mayor cantidad. El agua forma una película alrededor de los granos individuales los cuales entonces se absorben unos con otros para formar una solo pieza plástica.
Cuando se absorben los iones opuestos alcalinos, la envoltura de agua esta mantenida con mayor fuerza que cuando están presentes H+ o Ca 2+ resultando arcillas mas deformables pero menos resistente. En otras palabras se requiere de una gran cantidad de agua para producir una masa plástica con una arcilla–H o con una arcilla–Ca que con una arcilla–Na, pero la pasta cruda será mas resistente y menos propensa a perder su forma.
Los cambios de pH ejercen una marcada influencia sobre la plasticidad de tal forma que este puede ajustarse a un valor óptimo en el que la propiedad sea máxima. El ajuste puede lograrse añadiendo gradualmente ácido acético o carbonato sádico según sea el caso. Los diferentes tipos de arcilla de acuerdo a su empleo requieren de porcentajes variados de agua para lograr su plasticidad máxima, tal como lo muestra la siguiente tabla.
Tipo de Arcilla Cantidad de H2O necesaria en %
Arcilla para Ladrillos 15 – 25
Arcilla Refractaria 15 – 25
Arcilla de Alfarero 15 – 50
La plasticidad no puede medirse de modo directo por método alguno que no sea el de tacto humano. Para fines prácticos puede decirse que una pasta a alcanzado su plasticidad máxima cuando al comprimirla con la mano retiene una impresión de las líneas finas de ésta sin ser pegajosa y sin que queden partes en la mano.
Si se parte de la base de que una arcilla es mas platica mientras requiera una menor cantidad de agua para formar una mas plástica resistente un posible procedimiento a seguir con el fin de determinar el grado de plasticidad de la arcilla es el siguiente:
a. Pesar una cierta cantidad de arcilla que halla pasado la malla numero 325. b. Adicionar agua en porciones de 1 ml y tratar de formar a la vez un disco con
la masa resultante utilizando para ello un rodillo de cocina. c. Modelar la pasta hasta obtener el disco con el menor espesor posible (es
necesario que el disco no presente grietas). Entonces dejar al aire. d. Medir el radio del circulo. e. Obtener el porcentaje de agua necesario para lograr la mayor plasticidad de
la muestra de acuerdo con la siguiente ecuación:
Nota: Para fines prácticos se considera que 1ml=1g de agua
RESULTADOS
Muestra Porcentaje de agua para la mayor plasticidad
1 22.22
2 20.00
3 30.00
Tal como se puede apreciar la arcilla correspondiente a la muestra #2 es apenas un poco más plástica que las otras dos, pues requiere de un porcentaje de agua inferior para formar un disco más delgado y que no se fisure al secar. Es posible que esta arcilla tenga una mayor proporción de sodio.
2. Contracción en la conchura.
La reacción irreversible de endurecimiento que tiene lugar cuando una arcilla se calienta fuertemente es otra de las características que a prestado importancia fundamental para la industria cerámica.
Por un progresivo de la arcilla se desprende mas agua y poco a poco se forma una pieza dura aunque porosa. Después de esto se conduce ahora a la vitrificación que produce una pieza muy densa, fenómeno que va seguido del reblandecimiento y luego la fusión. El desprendimiento de gases va dando una apariencia esponjosa conocida como hinchamiento.
Debido a los cambios químicos que se producen durante el calentamiento se registran cambios considerables en el volumen de la arcilla. Estos cambios consisten en expansiones y contracciones rápidas e irregulares y están asociados a los cambios que se evidencian también como reacciones exotérmicas como endotérmicas en el análisis térmico diferencial.
Para determinar el porcentaje de contracción de las arcillas estudiadas se procede a fabricar unos pequeños discos para luego calcinarlos. El porcentaje de contracción se obtiene de acuerdo con la siguiente ecuación:
Muestra Diámetro crudo (cm) Diámetro cocido (cm) Contracción %
1 2.6 2.4 7.7
2 2.5 2.1 16.0
3 2.5 2.2 12.0
Un factor que resulta muy importante en la contracción de la pieza es la cantidad de agua que se pierde por efecto del calentamiento, pero esto se tratará más adelante con mayor detenimiento.
c. Color al quemado
De acuerdo a la temperatura de cochura de una pieza cerámica, el arreglo cristalino de sus componentes varía. Este arreglo determina las características visuales de la pieza tales como color, vitrifación, etc.
El color y características de las muestras se observan al microscopio óptico utilizando para ello los discos cocidos.
d.
e. Determinación de la porosidad
Una pieza cerámica con poros abiertos cualquiera que sea su proporción ganara peso por inmersión de agua esta cantidad de agua absorbida es una medida de la porosidad de la pieza.
Procedimiento.
1. Pesar el disco seco 2. Sumergir el disco en agua destilada por espacio de 24 hrs
3. Dejar secar el papel filtro por media hora
4. Pesar el disco húmedo y obtener el porcentaje de agua absorbida por la pieza.
ANALISIS FISICOQUIMICO
a. Tamizado
El tamizado es un procedimiento de separación de la partículas de un material de acuerdo a su tamaño. El número de tamiz se refiere al numero de hilos que tiene por unidad lineal.
Si la mayor parte de la arcilla queda sobre el tamiz de 20 mallas/pulgada es probable que el material no contenga mucha sustancia arcillosa. Si queda un pequeño residuo sobre un dicho tamiz y residuos apreciables sobre los tamices de 60, 100 y 200 malla, el material será probablemente adecuado para productos cerámicos bastos. Un material con menos de 3 % de residuo en el tamiz de 200 mallas y de 0.5 % sobre el tamiz de 325 mallas tiene un grano muy fino y es adecuado para fabricar artículos de calidad selecta.
El método que debe seguirse para tamizar una muestra es:
1. pesar 250 g. de muestra y pulverizar en un mortero
2. pasar la muestra por las mallas 10, 50, 120, 200, 325 utilizando H2O destilada
3. Secar cada una de las fracciones al aire y luego en la estufa.
4. Pesar cada fracción y determinar el rendimiento.
MUESTRA PESO INICIAL (g) MALLA PESO FINAL (g) RENDIMIENTO %
1 250 10 0 0
50 49 19.6
120 39 15.6
200 22 8.8
325 11 4.4
+325 80 32
2 250 10 2 0.8
50 88 35.2
120 28.5 11.4
200 7.5 3
325 7.5 3
+325 67.5 27
3 250 10 0.5 0.2
50 101 40.4
120 72 28.8
200 20.5 8.2
325 6.5 2.6
b. Observación al microscopio
Para determinar visualmente la probable composición de la arcilla es necesario observar al microscopio cada una de las fracciones de muestra recolectadas en las correspondientes mallas. Debido a que los óxidos presentes se observan como cristales coloridos esta determinación es sencilla. Ver la tabla de identificación mineral.
Especie Formula Color del cristal
Cuarzo SiO2 Blanco
Caolín Al2O3, 2SiO2, 2H2O Blanco
Feldespato K2O, Al2O3, 6SiO2
Na2 , Al2O3, 6SiO2
Transparente o rojo
Rutilo TiO2 Rojo
Resultados
Especie Proporción
Cuarzo Elevada
Caolín Elevada
Feldespato Elevada
Óxido de Fierro Media
c. Espectroscopia al infrarrojo
La región del espectro denominada infrarrojo comprende de los 4000 a los 400 cm-1 de frecuencia. La absorción den esta zona se halla asociada con cambios en la energía de vibración molecular. Los grupos moleculares dentro de un cristal con frecuencia tienen vibraciones características, las cuales están acompañadas por un cambio en el momento dipolar. Cuando un haz pasa a través de el cristal la radiación es absorbida : de esta manera si se somete un mineral a un rango de frecuencias de radiación monocromática, se registrarán varias bandas de absorción.
Cierto grupo que son muy comunes en los minerales dan bandas de absorción
Para consideraciones cualitativas de espectometría de infrarrojo la intensidad se expresa usualmente como VS (muy fuerte), S(fuerte), M (media), W(débil), y VW(muy débil).
Las 2 regiones más importantes del espectro de infrarrojo para arcillas y minerales asociados se encuentran en el rango de frecuencia de :
1. 3500 -3570 cm -1 donde se encuentran las absorciones del grupo hidroxílo y del agua.
2. 1150 - 400 cm-1 donde ocurren las vibraciones en el retículo que contienen los catiónes.
Las muestras analizadas deben ser previamente tamizadas utilizando las fracciones mas finas tratadas por el método siguiente:
La muestra se mezcla íntimamente con 50 a200 veces su peso de polvo de KBr finamente divido y aplicando sobre ella una alta presión para formar una pastilla de fácil manejo esto sin embargo, puede producir usualmente absorción en la región de 1640 cm-1 del agua absorbida.
Resultados
Muestra Picos de absorción (cm-1) Especies probables
1 480s SiO3 y ClO3
540s HPO4 y SO4
780w SiO3
900m HPO4
1000s SiO3 y HPO4
1100s SiO3 y HPO4
1620w H2O
3400-3700 OH y H2O
Si se observ detenidamente los espectros de las tres muestras se podrá ver claramente que las mismas son muy similares y por lo tanto deben de contener especies químicas iguales. Estas especies son probablemente:
i.
ii. Silicatos en cantidad apreciable
iii.
iv. Fosfatos monoácidos
v.
vi. Sulfatos
En los tres casos tambien se presentan picos de absorción correspondientes al agua de cristalización en 3700 - 3600 y en 1620 (cm-1) y al grupo oxidrílo en 1050 y 3650
d.
e. Difracción de rayos X
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuyas longitudes de onda son del orden de 1 A (10E-8 cm) o menor
La difracción de los rayos X por los cristales es un fenómeno importante por que puede emplearse para revelar las ubicaciones de los átomos en un sólido.
Los diagramas de difracción se producen cada vez que la luz pasa a través de una estructura periódica que posee características que se repiten regularmente. Para que un diagrama de difracción resulte observable, la distancia que se repite en la estructura periódica debe ser aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz utilizada. Una red cristalina es una estructura periódica tridimensional de donde la distancia que se repite es de aproximadamente de 10E-8 cm (distancia interatómica), actuando como una rejilla de difracción de donde dos conjuntos de ondas llegan a interferirse consecutivamente para producir los puntos de máxima intensidad a lo largo de una línea denominada rayo.
Para que 2 ondas lleguen al mismo punto del detector y producir la máxima intensidad en este luego de ser difractadas por la celda deben llegar en fase (interferencia constructiva) y para ello las distancias recorridas deben diferir en un número entero de longitudes de onda.
Ecuación de Difracción de Bragg, esta ecuación nos permite determinar los espacios interplanares característicos de un cristal a partir de las medidas de los ángulos de difracción y conociendo la longitud de onda de los rayos X.
El factor más importante que interviene en la deducción de la ecuación de Bragg es la distancia regular que hay entre los planos de la red. Cuando el ángulo del rayo incidente es igual al numero al ángulo del plano difractado hay un máximo de intensidad en el detector y esto es consecuencia de los espaciamientos regulares de los átomos en el plano. Si la distribución de los átomos en los planos o la distancia entre los planos paralelos llega a ser irregular como en el caso de los líquidos y los sólidos amorfos, no se observan diagramas tan nítidos de difracción de rayos X.
Resultados
Los difractogramas obtenidos en cada caso fueron corridos tratando la muestra en tres
diversas maneras:
A.
B. Muestra normal C.
D. Muestra glicolada E.
F. Muestra calcinada
Observando dichos difractogramas y haciendo las debidas mediciones, anotando los valores en cima de las señales correspondientes se procedió a buscar en tablas reportadas en la literatura los minerales probables en las muestras. A juzgar por la forma de las señales así como por los valores determinados puede decirse que las tres muestras son muy similares.
Los minerales mas probables que están presenten son:
i. Caolinita. Su pico máximo aparece a 7.15 A y a 3.56 A en las muestras normal y glicolada y debido que al calcinar el mineral se vuelve amorfo, la señal desaparece:
ii. Moscovita (del grupo de las micas) su pico máximo aparece aproximadamente a 10 A en la muestra Normal y glicolada pero en la muestra calcinada se hace más intensa
iii. Cristobalita iv. Albita del grupo de los feldespatos).
A continuación se presentan los respectivos difractogramas.
e. Determinación de materia perdida por calcinación
Por efecto de aumentar ala temperatura sobre una muestra de arcilla algunas de las sustancias que esta contiene pueden transformarse en otras de acuerdo a las reacciones mostradas a continuación :
XnCO3 CO2 + XnO
XnSO4 SO3 + XnO
CnHm CO2 + H2O
H2O H2O
Para determinar el porcentaje de materia que se pierde al calcinar la muestra se debe pesar una cierta cantidad de muestra y calcinarla a un temperatura de 800°C. el procedimiento estará dado por la ec. Siguiente :
%Materia Perdida = [(1-peso de muestra calcinada)/(peso muestra sin calcinar)]* 100
Determinación del pH
Los cambios de pH ejercen una marcada influencia en la plasticidad. Muchas arcillas naturales rojas para ladrillos, arcillas grasas, y otras arcillas plásticas presentan acidez y muchos caolines de alfarería presentan alcalinidad. Por adición de carbonatos sólidos a las arcillas ácidas y de ácido acético a las alcalinas su pH puede ajustarse a un valor optimo en el cual la moldeabilidad es máxima.
El valor optimo para las arcillas ácidas cae en el intervalo de pH de 6.0 a 6.5 en cuanto a las arcillas alcalinas esta comprendido el pH entre 7.3 y 10.5. el valor real debe determinarse independientemente para las arcillas individuales puesto que la moldeabilidad optima se obtiene solo dentro de un pequeño intervalo de pH.
Desgraciadamente, solo recientemente a sido posible medir el pH de una arcilla en el estado plástico se determina más en una mezcla corriente arcilla - agua que predomine la fase líquida. Para ser agitada.
El pH optimo para una arcilla dada se encuentra ensayando la arcilla original, y añadiéndose después gradualmente ácido o alcalí, para llevar con esto la arcilla a la neutralidad.
Comprobando en cada caso la moldeabilidad a intervalos regulares pequeños. Debe mantenerse una comprobación constante del pH de una pasta establecida, dado que el pH del agua corriente puede variar de un día para otro.
Resltados:
Para esta determinación se preparo una disolución al 1.0 % de arcilla en agua y se agito aproximadamente media hora con el propósito de disolver la mayor cantidad de componentes de este. Luego de ello se procedió a medir su pH obteniéndose los siguientes resultados:
Muestra pH
1 7.01
2 7.1
3 7.03
Análisis Químico
COLORIMETRIA
Al hacer pasar radiación con una intensidad Io por la capa L de una solución, una
parte se refleja (Ir), otra se absorbe (Ia) y la tercera es transmitida (It).
Io = Ir + Ia + It
Debido a que las celdas utilizadas para examinar la solución por determinar y la de comparación son iguales, la magnitud Ir se puede despreciar y por consiguiente Ia
se puede determinar como diferencia.
Ia = Io - It
Generalmente Ia se evalúa restando la magnitud It del flujo que ha pasado por la
solución estudiada, de la magnitud Io del flujo que ha pasado por la solución de comparación, cuya absorción se toma convencionalmente igual a cero. Como la solución de comparación con mayor frecuencia se utiliza un disolvente o una
solución que contiene todos los reactivos a excepción del componente que se determina.
Suponiendo que la capa L de la solución se compone se capas dL de espesor infinitamente pequeño, la intensidad del flujo de energía radiante (I) después de pasar por dicha capa disminuye en la magnitud dI:
o dI / dL = L
o = coeficiente de absorción del medio.
o - dI / I = dL
o ln It - ln Io = - L
o ln (It / Io)= exp - L
o It = Io exp - L = Io * 10 exp -KL
De acuerdo entonces a la Ley de Beer: "La magnitud de
absorción del flujo de energía radiante es directamente proporcional
al número de partículas de la sustancia absorbente", se tiene que K = ecuación, donde:
e= coeficiente de absorción.
c= concentración.
It / Io = 10 exp - eLc = T
-log T = log Io / It = eLc = A
donde:
A= absorbancia o densidad óptica de la solución.
T= transmitancia de la solución.
e= coeficiente de proporcionalidad.
L= espesor de la celda.
Si la concentración de la sustancia absorbente se expresa en moles por litro y el espesor de la celda en centímetros, la magnitud del
coeficiente de proporcionalidad se denomina coeficiente de extinción molar. El coeficiente de extinción molar es la característica principal de la absorción del sistema dado para una longitud de onda dada.
Por tanto, para diferentes longitudes de onda, la absorción también es diferente ya que el coeficiente cambia.
VOLUMETRIA
En este tipo de análisis, la cantidad de sustancia que se busca se determina en forma indirecta midiendo el volumen de una disolución de concentración conocida, que se necesita para que reaccione con el constituyente analizado o con otra sustancia químicamente equivalente.
El proceso de adición de un volumen medido de la disolución de concentración conocida, se denomina valoración.
El punto final de la valoración se aprecia por un cambio brusco de alguna propiedad del sistema reaccionante, estimado mediante un indicador.
Este cambio puede determinarse visualmente ya sea por un cambio en la coloración de la solución o por la aparición de un precipitado; puede también determinarse eléctricamente midiendo la fuerza electromotriz entre dos electrodos colocados en la disolución valorada (Potenciometría); midiendo la conductancia de dicha solución (Conductimetría); midiendo la corriente que pasa a través de una celda (Amperometría) o midiendo la cantidad de electricidad necesaria para completar una reacción (Coulombimetría).
Para que un proceso sea susceptible de ser aplicado en un método volumétrico debe cumplir con los siguientes requisitos:
a) La reacción debe ser sencilla.
b) La reacción debe ser esteqiométrica.
c) La reacción debe ser rápida.
c.
d. La reacción debe ser completa.
FOTOMETRIA DE LLAMA O FLAMOMETRIA
Cuando los átomos se someten a una energía térmica suficientemente intensa proporcionada por una llama o chispas, los electrones saltan desde su estado fundamental a niveles de energía más elevados, llegando incluso a separarse de los átomos (ionización). Los electrones excitados al regresar a su estado normal emiten el sobrante de energía en forma de fotones de energía radiante. Como los electrones pueden ocupar solamente estados energéticos definidos, la emisión da lugar a longitudes de onda definidas. Con energías de excitación relativamente bajas, como sucede con las llamas, la emisión se produce principalmente en la región visible del espectro.
Las llamas con coloraciones características que producen los compuestos de sodio (amarillo), estroncio (rojo), bario (verde), potasio (violeta), constituyen ensayos cualitativos corrientes de estos elementos.
La disolución de la muestra se atomiza en la llama y se mide la intensidad de la emisión. Esta intensidad se interpola en una curva de calibración preparada previamente, tal como en la espectroscopía de absorción.
EJEMPLO DE LA DETERMINACION DE ELEMENTOS:
DETERMINACION DEL FIERRO TOTAL.
Química del fierro: El fierro ocupa el cuarto lugar en abundancia en la corteza terrestre, (constituye aproximadamente el 4.7% de ella) y el segundo lugar entre los metales después del aluminio. Esta abundancia y sus propiedades mecánicas deseables en la condición impura, hacen del fierro un elemento de sobresaliente importancia tecnológica.
Existen varios métodos colorimétricos que permiten determinar fierro en el grado de oxidación Fe 2+ y Fe 3+. Los más difundidos son los métodos de determinación de fierro (III) con tiocianato y del fierro (II) con ortofenantrolina.
El fierro (III) en medio ácido forma con el tiocianato varias combinaciones complejas de diferente composición con estabilidad beja. En solución acuosa siempre hay una mezcla de complejos con número de coordinación de 1 a 6. Durante la determinación colorimétrica de fierro hay que agregar un gran exceso de tiocianato, a fin de crear condiciones para la formación de un complejo saturado al máximo.
En la solución estudiada debe mantenerse la misma concentración de tiocianato a fin de que a concentración igual de fierro se obtenga una intensidad idéntica de colores. En éstas condiciones se cumple la ley de Beer en un gran intervalo de concentraciones de fierro. La estereoquímica principal de los compuestos de fierro es octaédrica.
DETERMINACION DE ALUMINIO.
Química del aluminio: El aluminio es el elemento metálico más común en la corteza terrestre y se presenta en los minerales como feldespatos y micas entre otros. Los depósitos más accesibles son los de óxidos hidratados como la bauxita Al2O3. nH2O. A pesar de ser un elemento definitivamente metálico presenta en pequeño grado propiedades que con frecuencia están asociadas con los semimetales: forma un óxido notablemente anfótero y halogenuros que son algo volátiles.
Cuantitativamente el Al se determina precipitándolo como hidróxido utilizando para ello NH4OH, calcinándolo y pesándolo en forma de óxido.
DETERMINACION DE MAGNESIO.
Es un metal plateado y el más importante de los alcalinotérreos para usos estructurales. En este sentido solo el aluminio y el fierro son más abundantes que el magnesio.
El magnesio se obtiene del agua de mar y de los minerales MgCO3 (magnesita), MgCo3.CaCO3 (dolomita) y MgO (brucita). El magnesio presenta dos estados de oxidación (I) y (II), pero solo son estables e importantes los compuestos de Mg(III).
El magnesio se determina cuantitativamente por varios métodos tales como precipitación como pirofosfato de magnesio, colorimétricamente utilizando amarillo titán y volumétricamente utilizando un agente quelante tal como el EDTA, lo cual resulta ser una titulación complejométrica.La sal disódica del EDTA forma con el magnesio una sal soluble de un complejo.
DETERMINACION DE MANGANESO.
Este elemento es relativamente abundante y se presenta en depósitos, principalmente en forma de óxido y carbonato. El Mn es bastante electropositivo y se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluídos.
La determinación de este elemento se lleva a cabo principalmente por colorimetría.
DETERMINACION DE SODIO
Química del sodio.
El sodio es un metal alcalino tan blando que se puede cortar con un cuchillo. Además el sodio metálico reacciona rápidamente como agua y con el oxigeno del aire por lo que debe guardarse en unos recipientes al vacío o sumergido en líquidos inertes como la gasolina.
Tal como todos los metales alcalinos, el sodio es un poderoso reductor y su único estado de oxidación conocido es (I):
Na Na 1+ + 1e- Eo= 2.71 V
El sodio metálico arde en el aire al ser calentado, formando el peróxido Na2O2 de color amarillo, que reacciona con agua para formar el hidróxido de sodio:
2Na + O2 Na2O2 y 2NaO2 + 2H2O 4NaOH + O2
En el análisis cualitativo, una de las pruebas mas sensibles y seguras es el color amarillo que el ion sodio le imparte a la flama. Los análisis cualitativos por vía húmeda son limitados debido a la falta de posibilidades de oxidoreduccion y a que la mayoría de los compuestos de sodio son muy solubles; sin embargo la característica de la coloración a la flama permite realizar un análisis de tipo flamofotometrico. En este tipo de muestra en disolución (generalmente en forma de cloruro o de sulfato) se atomiza en una llama oxhidrica o oxiacetilénica. La energía emitida se hace pasar por un monocromador dispuesto a la línea de emisión característica del sodio: 589 nm.
La intensidad de la radiación emitida es medida e interpolada en una curva de calibración preparada previamente.
DETERMINACION FLAMOMETRICA DE SODIO
Procedimiento
Preparar las siguientes soluciones:
Solución 1.- Sol. acuosa de Al2(SO4)3.18H2O al 6.66%.
Solución 2.-Pesar 229.1 mg de Na2SO4 (100 mg de Na2O previamente secado a 500
C por una hora + 8 ml de HClO4 y aforar a un litro.
Solución 3.-20 ml de HClO4 al 72% en 500 ml de disolución con agua destilada.
Solución 4.-Pesar 458 mg de Na2SO4 (200 mg de Na2O previamente secado y se
disuelven en agua destilada aforando a un litro(Esta solución tendrá una concentración de 0.2 ppm de Na2O/ml).
Preparar la siguiente curva de calibración
Matraz Sol4 Na2O Sol3 Sol1 Na2O LECTURA
1. # (ml) (mg) (ml) ( ml) (ppm) 2. 0 0 95 5 0 0
3. 5 1 90 5 10 26
4. 10 2 85 5 20 40 5. 15 3 80 5 30 50 6. 20 4 75 5 40 59
7. 25 5 70 5 50 68 8. 30 6 65 5 60 73
9. 35 7 60 5 70 81
10. 40 8 55 5 80 89 11. 45 9 50 5 90 95
12. 50 10 45 5 100 100
Para determinar la concentración de Na2O existente en la solución B, se toman 10 ml de esta y es pasan a un matraz aforado de 100 ml. Enseguida es adicionan 5 ml de la solución 1 completando el aforo con agua destilada. El cero del aparato se calibra con agua destilada y el 100 con la solución 2.
Para efectos de interpolación de las lecturas de las muestras en la gráfica resultante se procede a convertir los datos en sus respectivos logaritmos y realizar una regresión lineal sobre estos, obteniéndose una recta con ecuación:
log ppm Na2O = -1.43 + 1.71 log lectura
La gráfica se muestra enseguida:
Interpolando las lecturas de las muestras en la anterior gráfica se obtiene la siguiente tabla de resultados:
RESULTADOS
MUESTRA LECTURA LOG LEC. log ppm Na2O ppm Na2O
1 14 1.146 0.530 3.38
2 13 1.114 0.475 2.98
3 10 1.000 0.279 1.90
ppm Na2O en matraz = ppm Na2O * 100 ml
mg Na2O en muestra = ppm Na2O en matraz * 250 ml muestra
1000 ml 10 ml alicuota
%Na2O en muestra = mg Na2O en muestra * 100
1250 mg muestra
MUESTRA ppm Na2O %Na2O
1 3.38 0.676
2 2.98 0.596
3 1.90 0.282
DETERMINACION DE POTASIO
Química del potasio
El potasio es un metal plateado con un tinte azul, un poco menos abundante que el sodio. Es un poderoso agente reductor:
K K1+ + 1 e- Eo= 2.93 V
Al igual que el sodio, el potasio arde en el aire formando una mezcla de oxido y peróxido. Una buena prueba cualitativa para el potasio es la reacción a la flama. En esta prueba el potasio presente en la muestra le imparte a la llama una coloración violeta característica y si se cuenta con un flamometro puede lograrse incluso que la determinación esa cuantitativa.
También existen compuestos de potasio poco solubles cuya precipitación puede usarse cualitativa o cuantitativamente tales como le cloroplatinato de potasio de color amarillo cristalino:
2 K1+ + (PtCl6)2- K2PtCl6
Cuantitativamente el potasio se determina por flamometria de llama. En este tipo de análisis una disolución acuosa del ion se atomiza en la llama del flamometro y la intensidad de la emisión se mide cuando pasa por un espectrofotometro con un monocromador dispuesto a la línea de emisión característica del elemento en cuestión: 767 nm.
DETERMINACION FLAMOMETRICA DE POTASIO
Procedimiento
Lo primero que debe hacerse es preparar las siguientes soluciones:
Solución 1.-20 ml de HClO4 al 72% y diluir a 500 ml con agua destilada.
Solución 2.-Pesar 370 mg de K2SO4 (200 mg de K2O previamente secado y disolver
en un litro de agua destilada).
Solución 3.-20 ,l de HClO4 al 72% en 500 ml de disolución con agua destilada.
Solución 4.-Pesar 185 mg de K2SO4 (100 Mg de K20) previamente secado y aforar con agua a un litro luego de adicionar 8 ml de HClO4.
Preparar la siguiente cura de calibración:
MATRAZ Sol1 K2O Sol3 K2O LECTURA
1 0 0 100 0 0
2 5 1 95 10 18
3 10 2 90 20 34
4 15 3 85 30 44
5 20 4 80 40 59
6 25 5 75 50 65
7 30 6 70 60 69
8 35 7 65 70 85
9 40 8 60 80 87
10 45 9 55 90 95
11 50 10 50 100 100
Para determinar la concentración de K2O existente en la solución B se toman 10 ml de esta y se pasan a un matraz aforando a 100 ml con agua destilada. El cero del aparato se ajusta con una solución acuosa de HClO4 al 72% al 0.8% v/v y el cien con la solución 2.
Para efectos de interpolación de las lecturas de las muestras de la gráfica resultante se procede a convertir los datos en sus respectivos logaritmos y realizar una regresión lineal sobre estos, obteniendose una recta con una ecuación;
log ppm K2O = - 0.735 + 1.35 log lectura
La gráfica se muestra en seguida:
Interpolando estas lecturas en la gráfica se obtiene la siguiente tabla de resultados:
RESULTADOS
MUESTRA LECTURA LOG Lectura log ppmK2O ppm K2O
1 7 0.845 0.406 2.55
2 7 0.845 0.406 2.55
3 7 0.875 0.446 2.79
ppm K2O en matraz = ppm K2O - 100 ml.
mg K2O en muestra = ppm K2O en matraz * 250 ml muestra
1000 ml 10 ml alicuota
%K2O en muestra = mg K2O en muestra * 100
1250 mg muestra
MUESTRA ppm K2O %K2O
1 2.55 0.51
2 2.55 0.51
3 2.79 0.55
Para comprobar el contenido de litio en las muestras se procedió a realizar una prueba cualitativa consistente en leer cada una de las tres muestras utilizadas
para cuantificar potasio usando claro un filtro para litio. Debido a que no se detecto la existencia de este elemento al técnica de análisis para el mismo no se efectúo.
DETERMINACION DE FOSFORO
Química del fósforo
La química del fósforo es complicada. Sus estados de oxidación son (-III) como en la fosfina PH3 (-II) como en el disulfuro de hidrogeno; (I) como en el hipofosfito de sodio Na3PO2 (III) como en el trioxido fosforoso P4O6 (IV) como en el tetroxido de fosforo P2O4 y (V) como en el pentoxido de fosforo. (Los nombres trioxido y pentoxido se propusieron antes de que se conocieran las fórmulas correctas y la costumbre ha hecho que estos nombres persistan).
La mayoría de los fosfatos con excepción de los de Na, K y amonio son insolubles en agua, tal como puede verse en la tabla:
Mg(NH4)PO4 Kps= 2.5E-13
Mn3(PO4)2 Kps= 1.0E-22
Ca3(PO4)2 Kps= 1.3E-32
FePO4 Kps= 1.5E-18
Cantidades elevadas de o-fosfato se determinan cuantitativamente por precipitación como o-fosfato amonico de magnesio Mg(NH4)PO4 y posterior calcinación a pirofosfato de magnesio Mg2P2O7.
Cantidades pequeñas se determinan colorimétricamente por reducción de heteropoliacidos. Los poliacidos se forman por combinación de moléculas de anhídridos de ácidos como MoO3. La molécula proporciona al ion central para la formación del complejo. Si todas las moléculas son iguales el compuesto recibe el nombre de isopoliacido, pero si contiene anhídridos de diferentes metales se denomina heteropoliacido.
Una de las técnicas mas sensitivas para determinar cuantitativamente el ion o-fosfato en soluciones acuosas es el llamado método del azul de molibdeno. Este método consiste en tratar una solución ácida del ion, con molibdato de amonio para formar el ácido fosfomolibdico.
El ácido mencionado es un heterpoliacido que como tal es mas fácil de reducir que el propio acido molibdico. El agente reductor en este caso es el sulfato de hidrazina. El complejo obtenido es el azul de molibdeno, polímero colorido consistente en una mezcla de Mo(V) y MO(VI) pero cuya comisorio hasta estos momentos no ha sido bien definida. La cantidad de o-fosfato se determina por interpolación de su absorbancia en una gráfica correspondiente a una curva de calibración.
DETERMINACION COLORIMETRICA DE FOSFORO
Procedimiento
Preparar las siguientes soluciones:
Solución 1.-Solucion acuosa de sulfato de hidrazina al 0.15%
Solución 2.-Solucion ácida de molibdato de amonio. Disolver 5 g de la sal en 250 ml
de H2SO4 10 N (70 ml de H2SO4 densidad 1.84 + 180 ml de agua destilada y conservar en casos de plástico).
De la solucion B se toman 5 ml y se pasan a un matraz aforado de 100 ml. Agregar
sucesivamente 40 ml de agua destilada, 5 ml de la solución 2 y 2 ml de la solución 1 completando el aforo con agua destilada.
Se mezcla le contenido del matraz y se sumerge en baño María con agitación, de tal forma que quede sumergido totalmente en el agua por 15 minutos. Se enfría al chorro del agua y se lee su absorbancia utilizando un fotocolorimetro provisto de un filtro de transmitancia máxima a 600 nm.
Construir una curva de calibración con las siguientes soluciones:
Solucoin 3.-10 ml de HClO4 al 72% + 240 ml de agua destilada.
Solución 4.-Pesar 0.383 g de KH2PO4 (200 mg de P2O5 secado previamente a 120 C por una hora y se disuelven en HClO4 aforado con este a un litro).
Solución 5.-Medir 25 ml de al solución 4 (5 mg de P2O5 y aforado a 500 ml con agua destilada).
Matraz Sol5 P2O5 Sol2 Sol1 Sol3 P2O5
(ml) (ml) (ml) (ml) (ml) (ppm)
1 1 0 5 2 93 0
2 10 0.1 5 2 83 1
3 20 0.2 5 2 73 2
4 30 0.3 5 2 63 3
5 40 0.4 5 2 53 4
6 50 0.5 5 2 43 5
RESULTADOS
Matraz Concentración Absorbancia
(ppm P2O5)
1 0 0
2 1 0.140
3 2 0.265
Realizando una regresión lineal sobre los datos anteriores se obtiene una línea recta con una ecuación:
A = - 0.002 + 0.132 ppm P2O5
La gráfica correspondiente se muestra a continuación:
Interpolando en esta gráfica las absorbancias de las tres muestras se obtienen los siguientes
resultados:
Muestra Absorbancia Concentración
(ppm P2O5)
1 0.018 0.116
2 0.014 0.086
3 0.016 0.101
mg P2O5 en alícuota = ppm P2O5 (gráfica) * 100
1000 ml
mg P2O5 en muestra = mg P2O5 en alícuota * 250 ml muestra
5 ml alícuota
% P2 O5 en muestra = mg P2O5 en muestra * 100
1250 mg muestra
Muestra % P2O5
1 0.046
2 0.034
3 0.040
DETERMINACION DE CLORURO
Química del cloruro
Este ion es un reductor muy debil:
2Cl- Cl2 + 2 e- Eo= -1.36 V
Su oxidación a cloro solo se logra mediante oxidantes tan fuertes como F2, MnO4-,
BiO3-, S2O8
2-. El ion cloruro se detecta (previa eliminación de interferencias como Br-, I-, SCN-, y S2-), por reacción con le ion plata para formar un precipitado de AgCl soluble en NH4OH de acuerdo con las siguientes reacciones:
Ag+ + Cl- AgCl Kps = 1.8E-10
Ag + + Cl- AgCl 2 NH4OH [Ag(NH3)2]Cl + 2 H2O
El ion diamin plata formado precipita AgCL al ser tratado con HNO3 de la siguiente manera:
[Ag(NH3)2]Cl + 2 HNO3 AgCL + 2 NH4 NO
Con excepción de los siguientes cloruros, estos son solubles en agua y se disuelven más en exceso de cloruros por la formación de iones complejos: PbCl2, CuCl, Hg2Cl2, AgCl.
Los cloruros se determinan cuantitativamente por titulación con solución valorada de AgNO3 utilizando como indicador K2CrO4 con el cual la plata en exceso forma un compuesto colorido e insoluble indicando el final de la reacción.
DETERMINACION VOLUMETRICA DE CLORURO
Procedimiento
Este método conocido como método de Mohr consiste en precipitar todos los cloruros de una muestra líquida en forma de cloruro de plata y utilizando como indicador una solución de K2CrO4 al 5% de acuerdo con las siguientes reacciones:
Ag + + Cl- AgCl Kps = 1.8E-10
2 AgNo3 + K2CrO4 2KNO3 + Ag2CrO4 Kps = 1.3E-12
La alicuota de 10 ml de la solución B se filtra y se coloca en un matraz erlenmeyer de 250 ml. Se adicionan 75 ml de agua destilada con cinco gotas de indicador. El pH de la solución debe ajustarse a un valor entre 7 y 8 pues a valores más bajos el cromato se transforma en dicromato con el que la plata forma un precipitado más soluble mientras que a valores superiores la plata precipita en forma de
hidróxido.
Resultados
Antes de proceder con el método de análisis mencionado se realizo una prueba cualitativa con el fin de determinar la existencia del ion cloruro en las muestras. En ninguna de las tres muestras se observo la formación de un precipitado o turbidez en la solución, por lo que se infiere que no hay cloruros presentes en ellas y por lo tanto el procedimiento descrito no se llevo a cabo.
DETERMINACION DE CARBONATO
Química del carbonato
El ion carbonato en solución acuosa es incoloro y muy poco estable ya que solo existe en solución a un pH mayor de 9; esto se debe a que si la solución se acidifica ocurre la siguiente reacción:
CO3 2- + 2H+ H2CO3
H2CO3 H2O + CO2
El ácido carbónico es un ácido diprótico inestable. La solubilidad del CO2 en H2O es de 1.5 g/l a 20°C y 1 atm., así que la solución será 0.034 M. La mayoría de los carbonatos son insolubles en agua sinembargo, para los carbonatos solubles la disolución va acompañada de una hidrólisis. La solución resultante será alcalina:
CO3 2- + H2O HCO3 - + OH-
HCO3- + H2O H2CO3 + OH-
y por tanto, la precipitación mediante disoluciones de carbonatos solubles NA2CO3 por ejemplo de metales de transición puede contaminarse con hidróxido. Con
excepción de los carbonatos de metales alcalinos, los carbonatos se descomponen por la acción del calor:
CaCO3 CaO + CO2
Los carbonatos y los bicarbonatos se identifican cualitativamente por descomposición ácida. El CO2 desprendido se burbujea en agua de cal Ca(OH)2
formándose un precipitado de carbonato insoluble:
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O
Una manera de determinar la cantidad de carbonato presente en la muestra consiste en adicionar un exceso de ácido y posteriormente titular el exceso. La
diferencia de ácido será la cantidad de este que reaccionó con el carbonato. Por una relación estequiométrica entonces se puede conocer cuanto carbonato existía.
Este es, el principo en el cual se casa éste análisis.
DETERMINACION VOLUMETRICA DE CARBONATO
Procedimiento:
Se pesan 2 gramos de muestra pasándola a un matraz erlenmeyer de 250 ml agregándole con pipeta volumétrica 100 ml de una solución de HCl 0.1 N y agitando para mojar todas las partículas de la muestra. Se deja reposar en frío durante la noche y a la mañana siguiente se titula con una solución de KOH 0.3 N usando como indicador azul de bromofenol al 1% en H2O destilada. La solución debe filtrarse antes de ser titulada.
% de CO3 2- = (V - v) * N * 3
g de muestra
donde: V = volumen en ml de KOH necesario para titular el HCl solo
v = volumen en ml de KOH necesario para titular la muestra
N = normalidad de la solución de KOH
RESULTADOS
V = 45.5 ml
N = 0.26 Eq/l
g muestra = 2
Muestra V %CO3 2-
1 41.1 1.67
2 41.0 1.71
3 39.4 2.34
Tabla global de resultados
METODO DE ANALISIS RESULTADO ESPERADO RESULTADO OBTENIDO
Plasticidad Desconocido las 3 muestras son plásticas, pero, la # 2 es la mas plástica
contracción en la cochura Contracción elevada en los 3 casos por ser muestras plásticas
las 3 muestras se contraen lo normal pero la muestra # 2 se contrae en mayor proporción
color al quemado Desconocido las 3 muestras se oscurecen siendo la más apreciable la # 3; a # 1 y # 2 se vitrifican parcialmente Probable cantidad elevada de óxidos de Fe
Porosidad Baja porosidad de las piezas cocidas debido a su parcial vitrificación
la porosidad de las piezas es baja
Tamizado Alta cantidad de material fino por ser muestras plásticas la # 2 debe tener mas de este material
en las muestras # 1 y # 2 hay una elevada cantidad de material fino
Observación al microscopio óptico
Cristales de SiO2 y óxidos de fierro abundantes
las 3 muestras son muy similares en composición. Predominan los cristales de SiO2 y óxidos de fierro
Espectroscopia de infrarrojo el espectro debe ser parecido a alguno de la pag. 26 se esperan picos de absorción para SiO2 y H2O
las 3 muestras están compuestas por caolinita y/o nacrita. El espectro corresponde a una arcilla fina aparecen picos para SiO2 y H2O
difracción de rayos X se esperan picos característicos para sílice y alúmina de acuerdo con la espectroscopia
aparecen picos para silicoaluminatos de fierro, sodio, magnesio y potasio
% de materia perdida por Pequeña pérdida de peso por las muestras pierden en
calcificación evaporación de H2O y descomposición de materia orgánica carbonatos y sulfatos
promedio aproximadamente el 11%
Determinación de pH el pH de las muestras debe ser próximo a 7
el pH de las soluciones al 1% de arcilla en agua es próximo a 7
Humedad adherente No deberá exceder del 10% pues este es el porcentaje de materia perdida por calcificación
en los 3 casos este valor es inferior al agua adherente
H2O de combinación No deberá exceder de la diferencia entre el % de materia perdida por calcinación y la humedad adherente.
En los tres casos este valor es inferior al del agua adherente.
Determinación de SiO2 el porcentaje de SiO2 deberá ser alto para las muestras #1 y #2 pues se vitrifican apreciablemente
las muestras #1 y #2 poseen un porcentaje de SiO2 aproximado de 55%
determinación de (SO4)2- como
SO3
Desconocido las tres muestras presentan un contenido similar de SO3 alrededor de 3 %
determinación de Fe como Fe2O3
la muestra #3 deberá tener mayor porcentaje de fierro ya que al calcinarse es más oscura
la muestra #3 tiene aproximadamente un 2% más de Fe2O3
determinación de Al como Al2O3
ya que la muestra #3 tiene un porcentaje menor de SiO2 que las otras dos muestras se espera que tenga una mayor cantidad de alúmina
la muestra #3 tienen aproximadamente un 10% más de Al2O3
determinación de Mg como MgO
De acuerdo con la difracción de rayos X debe haber magnesio en las tres muestras
las tres muestras tienen un porcentaje de MgO muy similar alrededor del 3%
determinación de Mn como MnO2
Desconocido el porcentaje de MnO2 en los tres casos es muy bajo
determinación de Na como Na2O
De acuerdo con espectroscopia y difracción de rayos X debe haber sodio
las tres muestras tienen un porcentaje de Na2O muy bajo
determinación de K como K2O De acuerdo con espectroscopia las tres muestras tienen un
y con la difracción de rayos X debe haber potasio
porcentaje de K2O muy bajo
determinación de P como P2O5 Desconocido las tres muestras tienen un porcentaje muy bajo de P2O5
determinación de Cl- Desconocido no hay en ninguna de las tres muestras
determinación de (CO3)2-
como CO2
Desconocido las tres muestras tienen un porcentaje de CO2 similar alrededor del 1.5%
ANALISIS DE RESULTADOS
Análisis Físico
La plasticidad es desde el punto de vista refractario, la propiedad más importante de las arcillas y es por ello que se decidió estudiarla en primer término. De acuerdo con los resultados obtenidos se debe pensar que cualquiera de las tres muestras pueden utilizarse para fabricar piezas de cerámica puesto que el porcentaje de agua que requieren para alcanzar su máxima plasticidad resulta aceptable; sin embargo, es necesario hacer notar que la muestra #2 es de las tres la más plástica lo que la hace más fácilmente manejable.
En cuanto a la contracción sufrida por las muestras al cocerse se puede afirmar que se encuentra dentro del intervalo normal.
Tal como era de esperarse la muestra #2 por ser la más plástica se contrae en mayor proporción.
En cuanto al punto correspondiente al calor al quemado se observa que la muestra debe contener una cantidad apreciable de oxido de fierro debido a que presentan coloraciones café obscuras. Es importante remarcar que las muestras #1 y #2 se vitrificaron parcialmente debido muy probablemente a que contienen un elevado porcentaje de sílice reticular y/o a que contengan sílice libre, es decir, sílice que no es del tipo reticular. Este hecho resulta ser importante pues las piezas fabricadas con este tipo de arcilla y calcinadas a temperaturas adecuadas requerirían de una pequeña cantidad de vidriado con el fin de hacerlas más bonitas. A pesar de esto, la prueba de porosidad realizada con las piezas arriba mencionadas, indica que la vitrificación no es total, lo que se infiere del hecho de que absorben agua. En otras palabras las piezas siguen siendo porosas y por tanto no pueden considerarse químicamente inertes. Si tomamos en cuenta que un vidriado es una capa fina de vidrio que se aplica sobre la superficie de una pieza cerámica para hacerla más agradable al tacto y a la vista y más inerte
químicamente hablando, entonces debe considerarse el uso al que se tiene destinada al pieza para vidriarla. Es decir que si su uso es ornamental, la pieza es suficientemente agradable al calcinarla a 1050°C; pero si su uso es doméstico, es conveniente aplicarle un vidriado.
III. Uso de las arcillas como materia prima en la elaboración de
Ladrillos
TIPOS DE MATERIALES.
Se clasifican los materiales según su uso, en cuatro grupos: metales, cerámicos, polímeros y materiales compuestos.
Metales. Los metales y las aleaciones, que incluyen al acero, aluminio, magnesio,
zinc, hierro fundido, titanio, cobre, níquel y muchos otros, tienen como características generales una adecuada conductividad tanto térmica como eléctrica, relativamente alta resistencia mecánica, alta rigidez, ductilidad o conformabilidad, y resistencia al impacto.
Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Aunque ocasionalmente se utilizan en forma pura, se prefiere normalmente el empleo de sus combinaciones, denominadas aleaciones, para mejorar ciertas propiedades deseadas o permitir una mejor combinación de las mismas.
Cerámicos: Los materiales de cerámica, como ladrillos, el vidrio, la loza, los
aislantes y los abrasivos, tienen escasa condustividad tanto eléctrica como térmica, y aunque puede tener buena resistencia y dureza, son deficientes en ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto. Por lo anterior son menos usados que los metales en aplicaciones estructurales. No obstante, presentan en su mayoría una excelente resistencia a las altas temperaturas y a ciertas condiciones de corrosión. Muchas de ellas tienen propiedades ópticas, eléctricas y térmicas excepcionales.
Polímeros: En éstos se incluye el caucho (o hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas, en un proceso conocido como polimerización. Los polímeros tienen baja condustividad eléctrica y térmica, escasa resistencia mecánica y no se recomienda para aplicaciones en temperaturas elevadas. Algunos polímeros (los termoplásticos) presentan excelente ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto, mientras otros (los termoestables) tienen las propiedades opuestas. Los polímeros son ligeros y con frecuencia cuentan con excelente resistencia a la corrosión.
Materiales compuestos: Los compuestos (o compósitos) están constituidos por
dos o más materiales que generan propiedades no obtenibles mediante uno sólo; ejemplos típicos aunque burdos, son el concreto, la madera contrachapada (triplay) y la fibra de vidrio. Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con resistencia a altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo, o bien se elaboran herramientas de corte muy resistentes al impacto que de otra manera serían quebradizas.
Ejemplos representativos, aplicaciones y propiedades de cada categoría de materiales.
Aplicaciones. Propiedades.
Metales.
Cobre
Alambre para conductores eléctricos.
Alta conductividad eléctrica, conformabilidad aceptable.
Hierro fundido gris Bloque para motores de automóvil.
Moldeabilidad, maquinabili-
dad, absorción de vibraciones
Fe -30% Si Motores y generadores Excelentes propiedades ferromegtnéticas.
Aceros aleados. Llaves para tuercas. Tratables térmicamente para aumentar su resistencia mec.
Cerámicos
SiO2 - Na2O - CaO
Vidrios planos para ventanes
Propiedades ópticas adecua-
das y aislante térmico.
Al2O3, MgO, SiO2 Refractarios para contener metal fundido
Aislantes térmicos, alto p.fus.
relativamente inertes ante el metal fundido.
Titanato de bario Transductores para reproductores de sonido.
Comportamiento piezoeléctrico que convierte las vibraciones en electricidad
Polímeros Empacados de alimentos Fácilmente confortables
Polietileno
en delgadas películas flexibles e impermeables.
Epóxicos Encapsulados de circuitos integrados.
Buenos aislantes eléctricos y resistentes a la humedad.
Fenólicos Adhesivos para madera con-
Trachapada de uso marítimo.
Resistencia a las cargas y a la humedad.
Compuestos.
Grafito en matriz epóxica
Componentes aeronáuticos
Adecuada relación resistencia peso
Carburo de tugsteno en matriz de cobalto
Herramientas de corte para maquinado
Alta dureza y buena resistencia al impacto.
Acero revestido de titanio Alojamientos de reactores Bajo costo y alta resistencia
PROCESAMIENTO DE LAS CERÁMICAS.
Los vidrios se usan para manufacturar diversos artículos produciendo primeramente un líquido, y luego enfriando y configurando el líquido a una temperatura donde es posible el flujo viscoso.
Los materiales cerámicos cristalinos se manufacturan en artículos útiles preparando una forma, o compacto, compuesto por materias primas en forma de polvo fino. Los polvos se aglutinan después mediante diversos mecanismos, que incluyen la reacción química, la vitrificación (fusión), parcial o completa y el sintetizado.
Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentadas a enormes temperaturas para anlazar las partículas entre sí.
Las etapas básicas para el procesado de cerámicas por aglomeración de partículas son:
Preparación del material.
Moldeado o fundido.
Tratamiento térmico. por secado (que normalmente no es requerido). y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperatura suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas.
PREPARACIÓN DE MATERIALES.
La mayoría de los productos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas para estos productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como cimentadores y lubricantes pueden ser mezclados en seco o en húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy criticas tales como los ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con cimentadores y otros aditivos. Algunas veces se combinan ambos procesos, húmedo y seco.
TÉCNICA DE CONFORMADO.
Para productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o líquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria de la cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbotina y extrusión son métodos de modelado de cerámicas que se utilizan más comúnmente.
Prensado. La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o
húmedo, dentro de un tronquel para formar productos elaborados.
Prensado en seco. Este método se usa frecuentemente para productos refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y componenetes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial simultánea y la conformación de los polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas. Por ejemplo, alúminas, titanatos y ferritas pueden ser prensadas en seco en tamaños que van desde unos pocos milímetros hasta varias pulgadas en dimensiones lineales a una velocidad de 5000 por minuto.
Compactación isostática. En este proceso el polvo cerámico se carga en un
recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (llamado carucho) que está dentro de una cámara de fluido hidráulico a la que se aplica presión. La fuerza de la presión aplicada compacta el polvo uniformemente en todas las direcciones, tomando el producto de la forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza isostáticamente en frío se ha de pasar por el fuego (sinterización) para obtener las propiedades microestructurales requeridas.
Productos cerámicos de este tipo son refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, cúpulas, crisoles, herramientas de carbono y cojinetes.
Compresión en caliente. En este proceso se consiguen piezas de alta densidad
con propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión y los tratamientos térmicos. Se utiliza tanto la presión unidireccional como la isostática.
Moldeo en barbotina. Las figuras cerámicas se pueden reutilizar usando un
proceso único llamado fundición de revestimientos, las etapas fundamentales de este proceso son:
1.
2. Preparación de un material cerámico en polvo y de un líquido (generalmente arcilla y agua) en una mezcla estable llamada barbotina.
3.
1. Colocación de la barbotina en un molde poroso (yeso) que permita la absorción de la porción líquida de la barbotina por el molde. A medida que se elimina el líquido de la barbotina, se forma una capa de material más o menos duro en la pared del molde.
2.
1. Cuando se ha formado el grosor necesario de pared se interrumpe el proceso y el exceso de barbotina se desaloja de la cavidad. Esto se conoce como escurrido. Alternativamente, la forma de un sólido puede realizarse permitiendo continuar al fundido hasta que la cavidad del molde se rellene por completo. Este tipo de moldeo en barbotina se llama fundición compacta.
2.
1. Tenemos que dejar el material dentro del molde hasta que alcance la resistencia, para su posterior retirada de la cavidad poroso.
2.
1. Finalmente, hay que calentarlo para que se consiga las propiedades y la microestructura característica de estos materiales.
El moldeo por barbotina es útil cuando lo que se requiere son piezas de paredes delgadas, o piezas con paredes de espesor constante. Se trata de un proceso económico para desarrollar piezas y obtener presiones reducidas. Se han introducido variaciones de este método consistentes en someter la barbotina a presión a o vacío.
Extrucción. Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los
materiales cerámicos se puede producir por extrucción de estos materiales en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este método es de aplicación común en la producción de, por ejemplo, ladrillos resistentes, tuberías de alcantarillado, tejas, cerámicas técnicas y aislantes eléctricos. Los recursos de utilización más general son la máquinas de extrucción tipo hélice-vacío que fuerzan al material cerámico plástico a pasar a través de un troque de acero o de otra aleación por una hélice accionada por motor. Las cerámicas especiales de aplicación técnica casi siempre se fabrican utilizando un pistón de extrusión bajo alta presión tal que puedan conseguirse tolerancias precisas.
TRATAMIENTO TÉRMICO.
El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. En esta subdivisión consideramos los siguientes tratamientos térmicos: secado, sinterizado y vitrificación.
Secado y eliminación del aglutinante. El propósito de secado de cerámicas es eliminar agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometidas a altas temperaturas. Generalmente la eliminación de aguas se lleva a cabo a menos de 100oC y puede tardar tanto como 24 horas para un trozo de cerámica grande. La mayoría de los enlaces orgánicos pueden ser eliminados de piezas cerámicas por calentamiento en el intervalo de 200 a 300oC, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir un calentamiento a temperaturas más elevadas.
Sinterización. El proceso por el cual se consigue que pequeñas partículas de un material se mantengan unidas por difusión al estado sólido se llama sinterización. En la fabricación de carámicas este tratamiento térmico se basa enla transformación de un producto poroso en otro compacto y coherente. La sinterización se utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de, por ejemplo, alúmina, berilia, ferritas y titanatos.
En el proceso de sinterización las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas pero por debajo del punto de fusión del compuesto que se desea sintetizar. En sintterización, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten químicamenteunidas. A medida de que el proceso continúa, las partículas grandes se forman a expensas de las más pequeñas. En tanto las partículas consiguenaumentar de tamaño con el tiempo de sinterización, la porosidad de los
conglomerados decrece. Finalmente, al cabo del proceso, se obtiene un tamaño de grano en equilibrio. La fuerza determinada del proceso es la disminución de energía del sistema. El alto nivel de energía asociado con las partículas pequeñas individuales originales queda reemplazado por la energía promedio más baja de las superficies de los límites de grano de los produstos sinterizados.
Vitrificación. Algunos productos cerámicos tales como porcelana, productos
arcillosos estructurales y algunos componenetes electrónicos contienen una fase cristalina. Esta fase cristalina sirve como medio de reacción para que la difusión pueda tener lugar a menor temperatura del resto de los materiales sólidos cerámicos. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de este tipo de materiales sólidos cerámicos, tiene lugar un proceso llamado vitrificación por medio del cual la fase cristalina se licua y rellena los poros del material. Esta fase cristalina puede también reaccionar con algunos de los restantes sólidos de material refractario. Bajo enfriamiento, la fase líquida solidifica para formar una matriz vitrea que une las partículas que no has fundido.
CERÁMICOS TRADICIONALES Y DE INGENIERÍA.
Cerámicos tradicionales. Los cerámicos tradicionales están constituidos de tres
componenetes básicos: arcillas, silice (silex), y feldespato. La arcilla está compuesta principalmente por silicatos de aluminio hidratados (Al2O3.SiO2.H2O) con pequeñas catidades de otros óxidos como. TiO2, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O y K2O. Se muestra la siguiente tabla la composición química de varias arcillas industriales.
Composición química de algunas arcillas.
Tipo de arcilla % en peso
Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Na2O K2O H2O
Caolín 37.4 45.5 1.68 1.30 0.004 0.03 0.011 0.005 13.9
Arcilla plástica
de Ten
30.9 54.0 0.74 1.50 0.14 0.20 0.45 0.72 ...
Arcilla plástica de Ky
32.0 51.7 0.90 1.52 0.21 0.19 0.38 0.89 ...
Las arcillas en las cerámicas tradicionales se pueden trabajar antes de que el material se endurezca por el fuego y constituye el cuerpo principal del material. La sílice (SiO2), también llama silex o cuarzo, funde a altas temperaturas y es el componente refractario de los cerámicos tradicionales. El feldespato potásico, que tiene composición básica K2O.Al2O3. 6SiO2 funde a bajas temperaturas y se
transforma en vidrio cuando la mezcla cerámica se somete a altas temperaturas, y une los componentes refractarios.
Productos estructurales de la arcilla tales como ladrillos para la construcción, tuberías de desagüe, tejas de drenaje, tejas de cubiertas y losetas para pisos están hechas de arcilla natural que contiene los tres componentes básicos.
APLICACIONES Y PROPIEDADES DE LAS CERÁMICAS.
Hay una gran variedad de materiales cerámicos y de aplicaciones para estos materiales.
productos de arcilla. Muchas cerámicas están basadas fundamentalmente en la
arcilla, a la cual se añade un material más grueso como el cuarzo, y un material fundente como el feldespato. Los feldespatos son un grupo de minerales que comprende al (K,Na)2O.Al2O3.6SiO2. Estos materiales se mexclan con agua y se forma un producto, el cual es secado y horneado después. Los altos contenidos de arcilla mejoran las características de conformidad, permitiendo la producción de cuerpos cerámicos más complicados. Los altos contenidos de feldespato reducen la temperatura líquidus y en consecuencia la temperatura de horneado. En cierto grado, la sílice es un material de relleno.
Los ladrillos y las losetas o mosaicos son comprimidos o extruidos para darles forma; después se secan y hornean para producir una aglutinación de cerámico. Las temperaturas de horneado más altas, o los tamaños originales de las partículas menores, producen una mayor vitrificación, una menor porosidad y una mayor densidad. La más alta densidad mejora las propiedades mecánicas pero reduce las cualidades aislantes del ladrillo o de la loseta.
La loza de barro está conformada por cuerpos de arcilla porosas horneada a temperaturas relativamente bajas; tienen poca vitrificación, la porosidad es muy alta e interconectada, y la citada loza es permeable, tales productos deben recubrirse con un vidrio impermeable.
A temperaturas elevadas de horneado, se producen materiales que tienen mayor vitrificación y menor porosidad, tales como la loza pétrea. Esta loza, que contiene sólo de 2% a 4% de porosidad, se utiliza para tuberías de albañal.
La porcelana require de temperaturas de horneado aún mayores para lograr una vitrificación completa, y prácticamente ninguna porosidad.
Refractarios. Estos materiales deben soportar elevados esfuerzos a altas temperaturas. La mayoría de los materiales cerámicos puros de alto puntos de fusión se califican como materiales refractarios; sin embargo, los refractarios de
óxido puro son caros y difíciles de conformar como productos útiles. En lugar de esto, Los refractarios típicos están compuestos de gruesas partículas de óxido, o grog, unidas por un material refractario más fino. Este material se funde durante el horneado proporcionando la aglutinación. Los ladrillos refractarios típicos contienen aproximadamente de 20-25% de porosidad, mejorando el aislamiento térmico.
Los materiales refractarios a base de óxido pueden ser clasificados en tres tipos: ácidos, básicos y neutros.
Los refractarios ácidos. Los refractarios de sílice tienen alta refracatriedad, alta resistencia mecánica y rigideza temperaturas cercanas a sus puntos de fusión. Los refractarios comunes incluyen a la arcilla refractaria, a sean los cerámicos de sílice-alúmina. En algunas aplicaciones, la sílice puede ser aglutinada con pequeñas cantidades de óxido de boro, el cual se funde y produce el enlace cerámico.
Cuando se añade de 3 a 8% de alúmina a la sílice, el material cerámicotiene una temperatura de fusión muy baja y no es útil para aplicaciones como material refractario. Al incrementar el contenido de alúmina, utilizando quizás arcilla de caolinita, se mejora la refractariedad de la arcilla de esta clase.
Las arcillas refractarias son típicamente vítreas. Sin embargo, en las de alta alúminase forman catidades sustanciales de mulita, permitiendo que los refractarios tengan una combinación de resistencia a la alta temperatura a la vez que alta dureza y elevadas propiedades mecánicas.
Los refractarios básicos incluyen la periclasa (MgO puro), la magnesita (rica en MgO), la dolomita (MgO más CaO) y la olivina (Mg2SiO4). Los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos. Sin embargo, En la manufactura de los aceros y algunas otras aplicaciones para alta temperatura, los revestimientos de refractarios básicos en hornos para altas temperaturas deben usarse para proporcionar compatibilidad con el metal.
Los refractarios neutros incluyen la cromita y la cromita-magnesita. Estos
materiales pueden ser usados para separar refractarios ácidos y básicos, puesto que estos últimos se atacan entre sí.
Otros materiales refractarios son zirconia (ZrO2), el zircón (ZrO2 . SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos, boruros y gráfito. La mayoría de los carburos, como el TiC y el ZrC, se oxidan y sus aplicaciones a elevadas temperaturas son más indicadas en condiciones reductoras. Sin embargo, el carburo de silicio es una excepción -cuando se oxida el SiC a altas temperaturas, se forma una fina capa de impermeable de SiO2 en la superficie, protegiendo al SiC de mayor oxidación a unos 1500 oC. Los nitruros y los borurostienen también altas temperaturas de fusión y son menos susceptibles a la oxidación. Algunos óxidos y nitruros son materiales utilizados en la construcción de motores a reacción El
grafito es único en cuanto a que su resistencia aumenta cuando la temperatura se eleva.
Composiciones de refractarios típicos.
Refractario SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 Cr2O3
Ácidos
Ladrillos Sílice
95-97
Ladrillo Ref.
alta resistencia
51-53 43-44
Ladrillo Ref.
alta alúmina
10-45 50-80
Básicos
Magnesita
83-93 2-7
Magnesita-cromo 2-7 6-13 50-82 18-20 18-24
Olivina 43 57
Neutros
Cromita
3-13 12-30 10-20 12-25 30-50
Cromita- magnesita
2-8 20-24 30-39 9-12 30-50
APLICACIONES DE ALGUNOS REFRACTARIOS.
Ladrillo refractario para altas temperaturas: revestimientos para hornos de
fundición de aluminio, altos hornos, hornos rotativos y cucharones de transferencia de metal caliente.
Ladrillo refractario de alta resistencia: Revestimientos para hornos de cal. y de
cemento, altos hornos e incineradores.
Ladrillos de alta alúmina: Hornos de ebullición, regeneración de hornos dañados
por ácidos, hornos de fosfátos, auros refinadores de tanque de vidrio, hornos de carbón negro, revestimientos de reactores de gasificación de carbón y hornos de coque de petróleo.
Ladrillo de sílice: Revestimiento de reactores químicos, partes de tanque de
vidrio, hornos cerámicos y hornos de coque.
Ladrillo de magnesita: Revestimientos de hornos de procesos de oxígeno-básico, para aceros.
Ladrillo de circón: Pavimentos para suelos de tanques de vidrio y toberas de vertido continuo.
Control de los procesos
Por su origen geológico no existen dos arcillas idénticas y que un mismo depósito carece frecuentemente de uniformidad. El usuario, no obstante, requiere un producto de confianza, uniforme, de propiedades químicas y físicas fijas, con forma y acabados definidos. Se producen todavía de vez en cuando pérdidas inmensas en la industria cerámica debidas a desviaciones respecto a las calidades normalizadas, tales como porosidad incorrecta, resistencia inadecuada, características eléctricas incorrectas, etc. Muchas pérdidas pueden evitarse con un adecuado control de los procesos, que se inicia con las materias primas.
La industria cerámica se enfrenta con un problema muy difícil de resolver. Todo control de las materias primas mediante la realización de cualesquiera ensayos implica la separación de cada carga, la toma de muestras correctas de la misma, y la imposibilidad de utilizarlas hasta tanto que se hayan evaluado los resultados de los ensayos. Por lo tanto, no es sorprendente que en el pasado haya sido práctica normal intentar la estabilización de las materias primas por otros métodos y realizar trabajos en el laboratorio solo cuando algo marcha indebidamente.
El método principal de obtención de una materia prima de composición razonablemente constante, consisten en mezclar un cierto número de arcillas similares de distintas procedencias, o mezclar diferentes cargas de la misma procedencia.
En los casos en que el espacio lo permite y el valor del producto lo exige, actualmente se efectúa de hecho un más adecuado análisis de las materias primas. Naturalmente, este debe venir precedido por técnicas correctas de muestras si quieren obtenerse datos útiles.
Control de operaciones en la industria cerámica fina
Control de rutina e investigaciones de laboratorio que han de repetirse a intervalos regulares en las industrias de cerámica fina:
Materias Primas
Arcilla grasas y caolines
1.
2. Contenido de agua en el estado de suministro. 3.
4. Tamaño de la partícula
a.
b. por análisis de tamizado; c.
d. por sedimentación.
1.
2. Probetas de ensayo para contracción
a.
b. contenido de agua; c.
d. contracción en el secado; e.
f. contracción y deformación en la cocción; b) + c) = contracción total; g.
h. color tras la cocción i.
j. porosidad
1.
2. Medida del pH 3.
4. Análisis racional con inclusión de la determinación del contenido de mica 5.
6. Determinación del contenido de flúor
Hornos para cochura de piezas cerámicas
La cochura de los materiales debe hacerse siempre en estructuras cerradas con aplicación de calor, habiéndose construido hornos de algún tipo desde comienzos de la alfarería, los cuales se reconocen en excavaciones de lugares prehistóricos.
El método más sencillo de cochura es el horno de hormiguero, el cual, a pesar de ser tan antiguo, se emplea todavía en ocasiones para la fabricación de los ladrillos hechos a mano. Se apilan alternados con el combustible, formando un montón, o con frecuencia aprovechando un talud y se cubren después con tierra, etc. A continuación se enciende por el fondo y se deja que el fuego avance a través del hormiguero, aspirando tras sí el aire encargado del enfriamiento. Una vez frío, se derriba el conjunto.
El horno periódico o intermitente con estructura permanente, posee un revestimiento interior de un refractario adecuado y otro exterior de ladrillo de construcción protector. Los hornos periódicos pueden hacerse trabajar según los principios de tiro ascendente, tiro horizontal o tiro descendente, siendo mucho más satisfactorios los últimos. Se colocan las piezas en el horno y a continuación se calienta este gradualmente, se mantiene a la temperatura máxima durante un cierto periodo y se deja enfriar. Seguidamente puede extraerse la carga e introducirse una carga nueva.
Aparte de su ineficiencia por pérdidas de calor a través de las paredes y hacia la chimenea, etc., un horno periódico debe consumir una gran cantidad de combustible para calentar la estructura con cada carga de material, cantidad de calor que se pierde totalmente durante el enfriamiento. El calentamiento y enfriamiento continuado de la estructura la debilita mucho más rápidamente que lo haría una temperatura elevada constante.
Los hornos continuos aprovechan el calor residual desprendido durante el enfriamiento. Consiste en esencia en una serie de hornos intermitentes conectados en circuito. Se regula la circulación de aire de forma que pase primero a través de las piezas que se han cocido ya y se están enfriando, y a continuación, una vez caliente, pasa al horno que se encuentra en fase de cochura. Los gases residuales calientes pasan sobre las piezas que se encuentran próximas a la cochura, precalentandolas, de tal forma que éstas precisan una menor cantidad de combustible en la cochura propiamente dicha. El principio fundamental es que el fuego se mantiene siempre encendido y en movimiento alrededor del circuito de hornos. Se aprovecha el calor residual, pero todavía ha de calentarse la estructura del horno y dejarse enfriar para cada carga.
En el horno de túnel ocurre el proceso inverso. Una estructura en el túnel tiene zonas a temperaturas constantes diferentes que se corresponden con un programa de cochura, y las piezas avanzan a su través obre carretillas o planchas refractarias. En teoría este es el método ideal de cochuras, con el que puede conseguirse la máxima eficiencia en combustible. El horno de túnel está siendo reconocido como el método óptimo de cochura para la producción en serie.
La colocación o disposición de las piezas en los hornos está también sujeta a cierto número de consideraciones y varía considerablemente. Los factores que deben tenerse en consideración son, en primer lugar, si las piezas pueden, o no, someterse al contacto directo con las llamas y los gases de combustión producidos al quemarse el combustible.
El segundo factor de importancia consiste en si las piezas pueden o no apilarse unas sobre otras hasta alcanzar la altura total del horno. Los ladrillos, etc., pueden por lo general apilarse de dicho modo. Muchas otras piezas pueden apilarse solo en pequeña altura, por lo que requieren ciertos soportes intermedios. Las piezas vidriadas que están recibiendo la cochura de vidriado no pueden tocarse en absoluto, o de lo contrario se pegarían unas con otras.
Materiales y métodos de construcción de hornos
La elección de materiales para construcción de hornos es difícil dado que no existe producto alguno que sea el mejor en todos los casos. Deben valorarse cuidadosamente las condiciones de servicio, tales como: temperatura máxima de trabajo; velocidad de variación de la temperatura; carga máxima; abrasión debida a las cenizas, etc.; ataque por humos, vapores, escorias, atmósfera oxidante o reductora. Los materiales básicos utilizados son cerámicos en sí mismos, consistiendo en ladrillos, bloque y perfiles refractarios, aislantes y comunes. A estos deben añadirse morteros, mezclas apisonadas y hormigón.
Las exigencias de construcción de hornos cerámicos implican generalmente el conocimiento de las siguientes propiedades:
Refractarios en servicio, esto es, la temperatura máxima que el material puede soportar durante periodos de tiempo prolongados, en ocasiones repetidas y bajo la carga de la estructura que descansa sobre él más un factor de seguridad. Debe conocerse también el coeficiente de expansión térmica a fin de establecer juntas de dilatación suficientes para asegurar estabilidad a la estructura.
La resistencia térmica al resquebrajamiento o resistencia al choque térmico es un factor importante, puesto que un material que soporte bien temperaturas elevadas pero se agriete si se enfría rápidamente carece de utilidad en un horno periódico de ciclo corto.
Resistencia a la abrasión y al impacto; diferentes partes de un horno sufren un tratamiento muy variado y durante el servicio, debido a la acción de la carga de combustible sólido, cenizas y polvos transportados por el aire, etc.
Resistencia a escorias, humos, etc.; los refractarios se clasifican con criterio amplio en ácidos, neutros o básicos de acuerdo a su resistencia a las escorias ácidas y básicas. Para hornos cerámicos debe conocerse además la resistencia que ofrecen los materiales a los gases de combustión, en particular a los gases sulfurosos en presencia de vapor de agua, vapores desprendidos de los vidriados, en particular de los de plomo, vapor de cloruro de sodio, etc.
Propiedades de la construcción; debe conocerse todo lo relativo a las propiedades de soporte de cargas tanto en frío como en caliente, junto con la densidad aparente, posibilidad de contracción, expansión reversible, conductividad térmica y calor específico, a fin de tomar decisiones sobre espesores de pared y métodos de construcción.
Selección de refractarios
Un horno acabado es una estructura complicada constituida por diversos materiales elegidos fundamentalmente por sus cualidades positivas y en segundo lugar teniendo en cuenta la economía máxima para las distintas partes del horno.
Así, solo se emplean ladrillos altamente refractarios allí donde se esperan temperaturas muy elevadas y ladrillos densos resistentes a la abrasión solamente en los casos realmente precisos, etc. Las paredes exteriores del horno son con frecuencia de ladrillos de construcción corrientes.
Deben de tenerse en cuenta las interacciones fisicoquímicas. Ciertas parejas de refractarios reaccionan entre sí a las temperaturas del horno, con deterioro de uno o ambos. Los puntos sugeridos a tener en cuenta son los siguientes:
1.
2. Correcta división de zonas, que es el empleo de materiales de alta calidad allí donde las condiciones son severas.
3.
4. La abrasión puede contrarrestarse mediante el uso de ladrillos cocidos más intensamente de una naturaleza ligeramente menos refractaria, o puedan emplearse carburo de silicio o alúmina fundida.
5.
6. Escorificación; los ataques moderados pueden combatirse al usar ladrillos más compactos, en los casos severos se requiere de ladrillos de composición química diferente.
7.
8. La fusión se produce raras veces y significa que debe usarse un ladrillo que sea más refractario bajo carga
9.
10. El resquebrajamiento mecánico. La causa se encuentra en el método de construcción más que en el propio refractario.
11.
12. El resquebrajamiento estructural. 13.
14. El resquebrajamiento térmico. 15.
16. Rigidez. Cuando un refractario se somete a grandes cargas, y al enfriarse tiende a reblandecese.
17. 18. Desintegración por acción química. 19. 20. Las propiedades térmicas.
Métodos de construcción de hornos
Las paredes de los hornos se construyen en mampostería con juntas de dilatación. Usualmente se construyen con diferentes materiales en capas o revestimientos. En ocasiones la pared es totalmente macisa, sean uno o varios los materiales que la componen. Otras veces el revestimiento refractario y la estructura exterior son independientes y pueden estar separados por un espacio relleno con un material aislante suelto. La construcción debe proyectarse de tal forma que sobre los refractarios más calientes se aplique la mínima carga posible.
En el tipo más reciente de construcción suspendida los refractarios propiamente dichos soportan poca o ninguna carga, puesto que están suspendidos individualmente o en pequeños grupos de una estructura de acero. El método es particularmente útil para techos, los cuales pueden ser planos, con lo que se consigue un espacio de carga más conveniente y mayor, junto con una mejor distribución del calor; los techos planos de hornos u hogares se denominan bóvedas.
Una modificación más reciente consiste en disponer los ladrillos con sus superficies encajadas de tal forma que no puedan caerse aquellos que se rompan. Pueden construirse hornos de cualquier anchura deseada con ladrillos suspendidos sin que las paredes deban soportar carga alguna, por lo que estas pueden construirse más económicamente. Las bóvedas suspendidas pueden ser de cualquier forma, e incluso no ser abovedadas. La desventaja principal de los techos suspendidos estriba en que si se coloca el aislamiento encima de los refractarios y por lo tanto alrededor de los soportes metálicos se sobrecalentarán estos, y si los soportes se refrigeran con agua, el aislamiento es menos efectivo. Los techos suspendidos son adecuados para la utilización con ladrillos aislantes de superficie caliente.
Elección del combustible
Pueden emplearse las siguientes fuentes de calor para la cochura cerámica:
1.
2. Madera y carbón vegetal 3.
4. Turba 5.
6. Lignito 7.
8. Hulla 9.
10. Cok 11.
12. Antracita 13.
14. Gas natural 15.
16. Gas de ciudad
17. 18. Propano
19. 20. Gas de generador 21. 22. Fuel-oil 23. 24. Electricidad
La elección de la fuente de calor está seguida por:
1.
2. Disponibilidad y precio por unidad de calor 3.
4. Costes de inversión y de mantenimiento del equipo necesario para quemarla o utilizarla
5.
6. Necesidades de mano de obra 7.
8. Naturaleza de los gases introducido en el horno
Se considera que en hornos poco eficientes el único combustible que puede utilizarse es el más barato, en cambio, en hornos eficientes con buena recuperación y aislamiento el coste extra de un combustible limpio está compensado por el mayor porcentaje de piezas satisfactorias y por la posibilidad de eliminación de cajas.
El gas de ciudad está encontrando cada vez un mayor empleo para la cocción en hornos de túnel, es limpio, generalmente constante en abastecimiento y poder calorífico, no requiere almacenamiento y su utilización no presenta problemas.
El gas de generador, resulta más económico que el gas de ciudad pero requiere el capital, espacio y mano de obra necesario para el equipo generador. Para un fabricante en gran escala es conveniente el poseer un generador de gas.
El fuel-oil reúne muchas de las ventajas de seguridad que ofrece el gas de ciudad, con la excepción de que casi siempre contiene azufre; requiere almacenamiento, con el consiguiente riesgo de incendio.
La electricidad constituye la fuente de calor más limpia y más fácilmente controlable. La eficiencia térmica de un horno calentado eléctricamente es aproximadamente el doble que la de cualquier otro tipo, pero éste solo hecho no compensa su elevado coste por unidad. En cambio, se compensa éste por su conveniencia en los casos de materiales de alta calidad.
Instrumentos para la observación, registro y control del horno y de otras condiciones de los procesos
La propiedad más importante del interior del horno que debe mantenerse constantemente en observación es la temperatura. Se efectúan otras mediciones sobre el tiro, el contenido en humedad y en CO2 de los gases de combustión, el caudal de aire y de gas que llega a los mecheros, etc.
Medida de la temperatura y del calor trabajo (heat-work)
La mayor parte de las transformaciones que se producen en los materiales cerámicos durante la cochura son lentas y frecuentemente no llegan a completarse. Estas transformaciones dependen tanto del tiempo como de la temperatura, y toman un curso diferente conforme a la velocidad de aumento de la temperatura y al tiempo que se mantienen a una temperatura determinada. La sola medida de la temperatura no dará por consiguiente una indicación cierta de la cantidad de calor-trabajo comunicada a los materiales y de su grado de madurez.
Con frecuencia es muy útil seguir los progresos dentro del horno por algún método que responda al tiempo y a la temperatura de un modo semejante a como lo hacen las piezas. Estos registradores calor-trabajo también se llaman o termoscópios.
Cajas y accesorios de los hornos
Numerosos tipos de ladrillos requieren distintas formas de soportes y protecciones. Estos están representados por las cajas y los accesorios del horno. Las cajas son receptáculos cilíndricos, ovalados o rectangulares. Las piezas se introducen en ellas fuera del horno y seguidamente se apilan unas sobre otras en el horno o en el carro del horno, quedando al propio tiempo protegidas contra las llamas, cenizas, gases sulfurosos, etc. Dentro de las cajas algunas piezas se soportan posteriormente mediante soportes o anillos para evitar deformaciones y los materiales vidriados se protegen contra todo contacto mediante puntos de apoyo. En otros casos, en que la existencia de una mufla o la cochura limpia hacen posible prescindir de la protección de las cajas, se dispone de un sistema de estantes para la colocación de las piezas. Las cajas y la mayoría de los accesorios de hornos son en sí mismos productos cerámicos.
Una caja satisfactoria debe tener una vida útil no inferior a 100 cochuras. Las cajas adecuadas para loza cocida a las temperaturas de los conos 4 a 5 tienen una vida de 200-300 ciclos, y las satisfactorias para porcelana cocidas a la temperatura correspondiente a los conos 14 a 15 resisten 200 operaciones.
La cochura de las piezas en cajas o en bandejas, etc., significa que se consume una parte de la capacidad del ahorro y del combustible. En el horno intermitente, el calor requerido para calentar las cajas, etc., hasta la temperatura de cochura de las piezas se pierde totalmente. En un buen horno de tunel se recupera una gran parte del mismo, pero se pierde aún capacidad del horno. Por consiguiente presenta incentivos la reducción del peso y el volumen de los accesorios de cochura.
El factor más importante es la consecución de una cochura más limpia y sin llama que haga innecesaria la función protectora de las cajas permitiendo la adopción de métodos abiertos de soporte de los materiales.
Puede lograrse una reducción haciendo las bandejas y soportes más resistentes a fin de que puedan utilizarse secciones más finas o soportarse mayores cargas. Una cochura más intensa de los accesorios de horno conducirá a mayores resistencias en caliente.
La colocación de las piezas en los hornos
El método de la colocación de las piezas en el hornos depende de cierto número de factores relacionados tanto con las propias piezas como con el horno en sí.
Piezas: a) Bizcocho o vidriado; b) Resistentes a la carga en caliente o más o menos propensas a la deformación y, c) Indiferentes a las llamas y la atmósfera del horno que requieren más o menos protección contra las mismas.
Horno: a) De llama directa o de mufla o eléctrico; b) Combustibles relativamente sucios o limpios y, c) Tipos intermitentes, continuos o de túnel.
En general los materiales sin vidriar pueden apilarse en contacto, mientras que cada pieza de material vidriado debe separarse cuidadosamente de todas las demás o de lo contrario se pegarán unas a otras. Las calidades inferiores de materiales, ladrillos, tejas, etc., pueden cocerse en contacto directo con los gases del horno, en tanto que los materiales de calidad, en particular si su color ha de ser blanco, deben protegerse contra el contacto directo de las llamas, humo, cenizas, etc., colocándolos en cajas o utilizando hornos de mufla.
La colocación de las piezas individuales o las cajas en los hornos ha de hacerse de tal forma que permita la circulación óptima de los gases del horno para lograr una máxima regularidad de la temperatura y del intercambio de calor. Una colocación demasiado separada permite que los gases pasen a su través con facilidad y antieconómicamente. Por el contrario, un método de colocación demasiado compacto impide que los gases alcancen uniformemente a la totalidad de las piezas. Los espacios libres entre grandes piezas de forma irregular (como material sanitario) deberán rellenase con piezas de menor tamaño para impedir que las piezas mayores sufran una cochura excesiva.
Hornos intermitentes modernos
La tendencia principal en los hornos intermitentes modernos está orientada hacia la construcción de hornos pequeños para materiales cerámicos finos. Por lo general estos se calientan eléctricamente o por gas. Se ha demostrado que su coste de operación es ligeramente inferior a los hornos de botella debido a: a) Eliminación de cajas; b) Ahorro de la mano de obra empleada en la manipulación de las mismas; c) Una cochura más uniforme, con mayor proporción de piezas de primera calidad en la producción; d) Cochura automática programada; e) La ausencia frecuentemente de necesidad de trabajos a turnos; f) Condiciones de trabajo más agradables en general.
Los hornos de mayor tamaño, en especial los calentados a gas, son de estructura de mampostería, es decir, fijos. Tales hornos no solo se utilizan en la industria, sino también en laboratorios, talleres de arte, universidades y escuelas.
Algunas de las economías de calor y tiempo propias del horno de túnel se consiguen en dos nuevos tipos de hornos intermitentes, el horno de vagoneta y el horno de campana. En estos, la base de la carga es independiente de la temperatura de las paredes del horno.
Hornos de túnel
En el estudio de los hornos periódicos se llegó a la conclusión de que para la producción en gran escala resultaría más económico un sistema más continuo de cochura que reutilizase el calor desprendido por los materiales por su enfriamiento.
En el horno de túnel se aplica el método opuesto de la cochura continua, es decir, se desplazan los materiales a lo largo de un túnel calentado. La temperatura encontrada por los materiales conforme avanzan a lo largo del túnel aumenta al principio y disminuye después gradualmente como en un horno intermitente, pero la estructura del horno en un punto dado se mantiene siempre a la misma temperatura. Así se consigue la mayor aproximación al método de cochura ideal en el cual la energía calorífica se consume solamente en las transformaciones químicas irreversibles.
El calor invertido exclusivamente en modificar la temperatura de los materiales se recupera lo más completamente posible durante el enfriamiento.
Consiste esencialmente en un largo túnel recto o circular, de superficie interior relativamente pequeña. Las dimensiones extremas de los hornos construidos hasta ahora parecen ser las siguientes: longitud de 2.2m a 210m, ancho de 2cm a 300cm y alturas de 8cm a 200cm. A lo largo de este túnel se desplaza un sistema de transporte de los materiales, usualmente de raíles, con vagonetas o carros. La parte superior de la vagoneta se protege del calor mediante una loza refractaria, y un muro de arena a cada lado impide que el calor llegue a las ruedas y raíles. Los
materiales avanzan contra una corriente de aire que roba calor de los que se encuentran en un periodo de enfriamiento y lo transmite a aquellos que se hallan en periodo de calentamiento. En el centro del horno se aplica calefacción directa. Los materiales se colocan en vagonetas fuera del horno formando una estructura que se corresponda con la sección transversal del inferior de este.
El programa de cochura real puede aproximarse más al ideal que en cualquier otro horno de fabricación. Dicho programa puede ajustarse y controlarse muy exactamente, por lo que en un horno de túnel se construye ex profeso para un ritmo de producción y un programa de cochura dados. Reduce la dificultosa y frecuentemente ardua tarea de cargar y descargar los materiales de los hornos de mayor longitud, y en las factorías dispuestas alrededor del horno se reducen al mínimo el movimiento y la manipulación de los materiales.
La principal limitación de su empleo radica en que una vez que se ha puesto en servicio y ajustado solo podrá cocer piezas de la misma pasta y de dimensiones similares. Puede proyectarse un horno de túnel para satisfacer las siguientes necesidades de la industria cerámica:
1.
2. Puede construirse para cocer todo tipo de materiales y para cualquier proceso en particular, por ejemplo, cochura de bizcocho, ídem de vidriado, cochura total en un solo paso, vidriado salinado, decoración y esmaltado. Los resultados serán tan buenos o mejores que los alcanzados en hornos periódicos, con un mayor porcentaje de piezas uniformes de primera calidad.
3.
4. El programa de la cochura puede ajustarse finamente adaptándolo a cualquier peculiaridad de los materiales, sin dejar por ello de ser lo más rápido posible. Se logra una mayor aproximación al programa ideal de cochura que en cualquier otro horno industrial.
5.
6. Puede construirse un horno adecuado para cualquier capacidad de producción, con tal que esta sea aproximadamente regular.
7.
8. El consumo de combustible es menor que en otros hornos y la cochura requiere de mayor especialización, pudiendo ser de hecho completamente automática.
9.
10. Generalmente se utilizan combustibles limpios, lo cual puede eliminar la necesidad de emplear cajas.
11. 12. El calor perdido puede aprovecharse en los secaderos, etc.
13.
14. La mano de obra necesaria para la manipulación de los materiales y el mantenimiento del horno a punto es más reducida que en cualquier otro tipo de horno.
15.
16. La necesidad de reparación es menos frecuente. Solo una pequeña parte del horno se encuentra a temperaturas elevadas y puede por tanto, construirse a base de los refractarios más adecuados, y puesto que cada parte se encuentra a temperatura constante no se producen las expansiones y contracciones repetidas encontradas en otros hornos
La principal desventaja del horno de túnel es el considerable desembolso de capital, no pudiendo hacerse por partes, al contrario que en varios tipos de hornos intermitentes.
Especificaciones Normalizadas
Especificaciones normalizadas británicas relativas a la cerámica
B.S.45:1952 Bujías de encendido
B.S.13:1941 Aisladores de porcelana y vidrio endurecidos para conducciones eléctricas aéreas
B.S.223:1956 Rendimiento eléctrico de aisladores pasantes de alto voltaje
B.S.657:1950 Dimensiones de ladrillos de construcción comunes
B.S.914:1952 Calidad de la porcelana de laboratorio
B.S.1181:1944 Revestimientos de humos y tubos de chimenea de arcilla adecuados para fuegos directos (dimensiones y ejecución exclusivamente)
B.S.1190:1951 Bloques de construcción de arcilla hueca
B.S.1233-35:1945
Coronamientos de material arcilloso, hormigón vaciado y piedra natural
B.S.1257:1945 Métodos de ensayo para ladrillos de construcción de arcilla
B.S.1301:1946 Ladrillos técnicos de arcilla
B.S.1598:1949 Materiales cerámicos para telecomunicación y propósitos relacionados
B.S.1614:1949 Basamentos de mampostería para calderas cilíndricas
B.S.1758:1951 Refractarios de arcilla refractaria (ladrillos y otras piezas) para uso en la industria del petróleo
B.S.1902:1952 Métodos de ensayo para materiales refractarios
B.S.2067:1953 Determinación del factor de potencia y la constante dieléctrica de los materiales aislantes
B.S.600:1935 Aplicación de métodos estadísticos a la normalización y al control de calidad en la industria
B.S.600R:1942 Cartas de control de calidad
Lista de las normas francesas relacionadas con la cerámica (NF)
B. 40-001 Definición - clasificación
B. 49-101 Medidas de las variaciones permanentes de dimensiones
B. 49-401 Productos a base de arcilla (silico-aluminosos, aluminosos, extra aluminosos), productos de bauxita, cianita, de corindón, productos silíceos y sus materias primas (con exclusión de los productos de sílice)
B. 49-431 Productos de sílice y sus materias primas
D. 10-101 Fregaderos de cocina; características generales
D. 11-105 Taza de W.C. en cerámica de lavado directo y sifón oculto con salida posterior y salida central
D. 25-101 Platos de porcelana
P. 13-301 Ladrillos (calidades)
P. 13-404 Ladrillos (dimensiones)
P. 14-402 Aglomerados para construcción (dimensiones)
P. 14-403 Ladrillos silico-calcareos (dimensiones)
P. 18-301 Agregados para cementos de construcción
Sociedad americana para ensayos de materiales (ASTM)
C 62-58 Ladrillo para construcción (unidades compactas de mampostería fabricadas a partir de arcilla o pizarra)
C 279-54 Unidades de mampostería resistentes a productos químicos
C 67-57 Toma de muestras y ensayos de ladrillos
C 4-59T Baldosa de arcilla para canales de desagüe (provisional)
C 315-56 Revestimientos de arcilla para conductos de humos
C 200-57T Tubería de arcilla, resistencia extra (provisional)
C 301-54 Tubería de arcilla
C 27-58 Ladrillo refractario de arcilla refractaria
C 155-57 Ladrillo refractario aislante
C 136-55 Materiales refractarios molidos, con tamizado sencillo y doble
C 64-51 Refractario para servicio de calderas fijas y sometidas a trabajo duro
C 153-51 Refractarios para servicio de calderas fijas y sometidas a trabajo moderado
C 106-51 Refractarios para incineradore
C 18-52 Análisis química de materiales refractaris
C 16-49 Ladrillo refractario, ensayos bajo carga a emperaturas elevadas
C 113-46 Variaciones de ladrillo refractario en el reclentamiento
C 20-46 Porosidad aparente, absorción de agua, densidad relativa aparente y densidad a granel de los ladrillos refractarios cocidos
C 71-55 Refractarios
C 323-56 Análisis químico de las arcillaspara cerámica fina
C 322-56 Toma de muestras de arcilla para cerámica fina
F 7-58T Polvo de óxido de aluminio (provisional para aislamiento eléctrico)
D 116-44 Porcelana eléctrica
Anexos
Bibliogrfía.
Caracterización de arcillas del Oyamel Edo. de México
César Roberto González Garza, Facultad de Química, 1990
Enciclopedia de la Química Industrial
Singer F. URMO España 1971.
Métodos de análisis químicos en rocas y materiales similares.
Instituto de geología UNAM
Mecánica de materiales
Métodos de Análisis Químico
Wilard.
