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Leccion 3.- Fabricacin de materiales refractarios conformados.

3.1.- Introduccin.

Se han estudiado anteriormante, de forma general, las distintas funciones que estn llamados a desempear los

materiales refractarios, y las propiedades que deben reunir para cumplir eficientemente dichas funciones.

La variedad y complejidad de funciones y propiedades, en algunos casos contradictorias, nos lleva a establecer

dos conclusiones:

La primera de ellas es la prctica imposibilidad de utilizar directamente como refractarios materias primas en

estado natural, por lo que es necesario elaborarlos de acuerdo con tcnicas de fabricacin orientadas a obtener

o mejorar las propiedades deseadas.

La segunda conclusin radica en el hecho de que, an contando con materiales refractarios elaborados, slo es

posible compatibilizar entre s las diversas funciones prcticas mediante una multiplicidad de materiales,

debidamente organizados, constituyendo lo que en la tecnologa metalrgica se denomina el revestimiento

refractario del horno o instalacin trmica

En base a lo anterior se van a estudiar los fundamentos de los procesos de fabricacin y conformacin de los

materiales refractarios. Al estudiar las diversas clases de refractarios industriales, y sus aplicaciones especficas

a los diversos procesos y hornos metalrgicos, se analizarn, de modo particular, los conceptos generales que

se describirn a continuacin.

3.2.- Fabricacin de ladrillos refractarios.

En la industria de los materiales refractarios se utilizan diversos mtodos para su fabricacin. El sistema ms

sencillo es el de cortar piezas, de la forma deseada, a partir de las materias primas naturales o producidas

artificialmente, como son por ejemplo los esquistos de cuarzo o el silicio fundido (Figura 3.2.1).

Figura 3.2.1.- Procedimiento de corte para dar forma a los bloques de material de cuarzo

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Otro mtodo diferente es el de fundir una composicin determinada en moldes para obtener ladrillos o

bloques. Los materiales fabricados por este principio se denominan productos electrofundidos.

En los ltimos aos se han implantado principios y tcnicas de trabajo de la cermica fina para fabricar

productos altamente refractarios, en los que las materias refractarias una vez molidas con la mxima finura y

despus de una preparacin en hmedo, se moldean bien por medio de aglomerado qumico, extrusin o

tambin por prensado isosttico.

Para la fabricacin de ladrillos refractarios se sigue utilizando no obstante, todava hoy en da preferentemente

el denominado mtodo de cermica bruta (Figuras 3.2.2, 3.2.3, 3.2.4 y 3.2.5).

Figura 3.2.2.- Proceso de fabricacin de ladrillos refractarios de chamota moldeados en seco.

1.- Almacn de materia prima, 2.- triturador de arcilla, 3.- molino de arcilla, 4.- torre de secado, 5.- silo,

6.- dispositivo para disolucin de componentes lquidos, 7.- triturador basto, 8.- triturador fino,

9.- transportador, 10.- criba, 11.- silo de carga, 12.- molino de bolas, 13.- aireador, 14.- pesaje,

15.- silo de carga, 16.- dosificador de componentes lquidos, 17.- mezclador, 18.- prensas de friccin,

19.- prensas hidrulicas, 20.- moldeador a mano/apisonador, 21.- vagoneta de coccin, 22.- secador de tnel,

23.- horno tnel, 24.- almacn/cargue de ladrillos.

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Figura 3.2.3.- Diagrama de flujo del proceso de fabricacin de ladrillos refractarios.

4

Figura 3.2.4.- Diagrama de bloques del proceso de fabricacin de materiales refractarios.

5

Figura 3.2.5.- Diagrama de flujo del proceso de fabricacin de ladrillos refractarios.

Como puede observarse el esquema de fabricacin abarca los siguientes pasos fundamentales:

Molienda

Clasificacin Preparacin

Mezcla

Moldeo o conformado

Secado

Coccin

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3.3.- Preparacin de las materias primas.

En general las materias primas de que parte el proceso de fabricacin de materiales refractarios

son de origen natural y proceden directamente de mina.

En la fabricacin de refractarios especiales, y en el caso de la magnesia, cuyas reservas naturales

son actualmente insuficientes, la materia prima procede en algunos pases (USA entre ellos) de

sntesis qumica (magnesia obtenida a partir del agua de mar y almina a partir de la bauxita).

Cuando se utilizan, en todo o en parte, materias de origen primario (naturales), es necesario realizar una serie

de operaciones previas con el objeto de obtener una materia de calidad adecuada, que nos permita obtener un

producto refractario cocido con las propiedades deseadas. Por ello y una vez extrada la materia prima natural

de la mina o cantera, se procede a su lavado, con objeto de eliminar materias solubles que puedan actuar como

posibles fundentes y que por tanto disminuirn las propiedades refractarias del producto a fabricar.

En algunos casos es necesario realizar un proceso de concentracin y posterior o paralelamente, una

calcinacin del producto, con el objeto de eliminar el CO2 de los carbonatos o H2O de los hidratos presentes

en la materia prima. Si no se realizara esta operacin, dichas sustancias voltiles se evacuaran en el proceso

de coccin de las piezas refractarias y provocaran la rotura de las mismas, con las consiguiera es prdidas

econmicas. En ese sentido, se tiene la chamota que es el producto resultante de calcinar materiales

arcillosos.

La preparacin abarca tres procesos individuales, a saber:

1.- Desmenuzamiento de la materia prima, por trituracin o molienda (Figura 3.3.1).

2.- Fraccionamiento por criba del material triturado o molido (Clasificacin).

3.- Mezcla de fracciones para la formacin de masa (Dosificacin).

Por regla general y debido a circunstancias de tipo econmico, el proceso de trituracin se realiza

escalonadamente:

Trituracin basta - trituracin fina - molienda.

Para ejecutar este tipo de trituracin existen un gran nmero de mquinas de diferentes tipos, de las que

slo se citarn las ms importantes:

- Trituracin basta: triturador de mandbulas, triturador de impacto, triturador de cono, triturador de rodillos.

- Trituracin fina: triturador de impacto, triturador de cono, triturador de rodillos.

- Equipos de molinos: Molino de rodillos anulares, molino de bolas, molino oscilante.

Los aspectos fundamentales para la eleccin apropiada del equipo de trituracin son la dureza y la

maleabilidad del material a moler, el grado de fragmentacin prevista, la forma de grano y otros de carcter

similar. El grado de rendimiento tcnico para la trituracin en todas estas mquinas es extraordinariamente

bajo y est situado por debajo del 1 %. siendo todava inferior para los equipos de molienda fina.

La mayor parte de la energa utilizada se transforma durante el proceso de trituracin en calor. Un factor

importante de costos en la trituracin es el desgaste de los elementos moledores. En lneas generales, se ha

valorado el principio de que para materiales duros debern utilizarse herramientas resistentes y para el

material blando la herramienta dura.

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Figura 3.3.1.- Instalacin trituradora de magnesia sinterizada.

La intensidad de la molienda y la forma de llevarla a efecto dependen de la forma y tamao de grano deseados.

En general interesan granos angulosos e irregulares con preferencia a formas redondeadas o planas a fin de

conseguir una buena compacidad y cohesin de las piezas. Los granos irregulares, en cuanto a forma,

presentan una mayor superficie por unidad de peso y dan lugar a una mayor isotropa de caractersticas

trmicas y mecnicas. Por esta causa deben utilizarse procedimientos de molienda con molinos de impactos o

de percusin.

Los tamaos de molienda dependen de la textura cristalina de la materia prima y de su homogeneidad

cristalogrfica.

Debe destacarse que para evitar contaminaciones no deseadas en las etapas de molienda, en las fabricas

de refractarios, se dispone de circuitos de molienda separados para las distintas materias primas

refractarias.

El cribado de la materia prima triturada se hace en la mayora de los casos con cribas oscilantes, con una sola

criba o con un paquete de cribas, segn el nmero de fracciones que se quieran obtener. La condicin

imprescindible para conseguir el fraccionamiento correcto es que se conserve el material a cribar libre de toda

humedad, teniendo especial incidencia para el cribado fino. Para evitar la obstruccin de la criba,

frecuentemente se procede a calentarla. Se suelen utilizar tambien con la misma finalidad cribas de tejidos

especiales, como cribas de mallas paralelas, cribas de agujero alargado o similares.

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Para la preparacin de la masa a moldear, se mezclan los componentes en un mezclador segn la materia

prima indicada y la frmula de la granulometra, se aade un aglomerante y despus se procede a la

homogeneizacin que suele ser normalmente en mezcladores discontinuos. En la industria del refractario han

ido tomando base los mezcladores de contracorriente, mezcladores de rotor muy pesado (aproximadamente 3

toneladas) y mezcladores de eje doble. Son las caractersticas fsicas del ladrillo las que determinan si es ms

conveniente la instalacin de un mezclador de rulos. El mezclador de rulos suministra normalmente masas para

fabricar ladrillos de textura ms densa.

Para poder conseguir la mxima uniformidad y exactitud, se han automatizado al mximo las distintas etapas

de preparacin en las instalaciones modernas por medio de elementos electrnicos.

Los aspectos fsicos de un material refractario se determinan en gran medida por la estructura granular. Siendo

especialmente vlida esta circunstancia para los productos que se fabrican sin o con escaso contenido de

aglomerante, como es el caso de los ladrillos de magnesia, ladrillos de chamota dura y similares.

En general se necesita un mnimo de dos fracciones granulomtricas: una base, y otra u otras destinadas a

rellenar los huecos dejados por aquella. En las mezclas granulomtricas binarias, que son las ms frecuentes,

la relacin de dimetros medios de partculas debe ser elevada (superior a 20). En circunstancias normales

se mezclan hoy en da cuatro fracciones de granulado: grueso, medio, fino e impalpable, con los que se

consiguen las propiedades deseadas para el ladrillo.

El tamao base (Gruesos) de las partculas influye sobre la resistencia trmica y mecnica de la pieza y debe

ser objeto de estudio en cada caso. En general, al crecer el tamao base es mayor la resistencia piroscpica,

pero tambin lo es la porosidad y menor la resistencia mecnica. En la prctica el tamao base suele estar

comprendido entre 1 y 5 mm., segn los casos.

La mezcla de las fracciones granulomtricas y su dosificacin tienen como objetido la obtencin de una

distribucin granulomtrica y porcentaje de tamaos tal, que den lugar al menor nmero posible de huecos

entre ellos, despus de la compactacin mediante prensado. Con ello se consigue una mayor compacidad y, por

tanto, la mxima densidad en verde. En estas condiciones, tras el prensado y coccin ser posible obtener la

adecuada porosidad de la pieza.

La compacidad de conjunto del polvo cermico es la relacin entre el volumen del mismo y su volumen de

conjunto, que es el volumen interior del recipiente que lo contiene. A mayor compacidad menor

volumen de huecos y, por tanto, menor porosidad, que ser ms fcil de eliminar en el posterior proceso de

coccin, el cual determina la porosidad final del producto.

Las granulometras obtenidas por anlisis indican la distribucin por tamaos de las partculas que componen

el polvo cermico y permiten determinar en que proporciones se han de mezclar para obtener una

granulometra resultante que se parezca lo ms posible a una curva granulomtrica ideal de compacidad mxima.

El estudio del empaquetamiento debe ser optimizado de modo que se obtenga la m n im a porosidad y

mximas propiedades del material cermico.

Por sencillas consideraciones geomtricas se puede mostrar que el porcentaje en volumen de huecos que se

produce al empaquetar esferas del mismo dimetro es independiente de dicho dimetro y slo depende del

tipo de empaquetamiento. La figura 3.3.2 muestra distintos empaquetamientos con esferas y la densidad de

empaquetamiento (tanto por ciento del volumen global ocupado por las esferas), cuya diferencia a 100 da el

volumen de huecos correspondiente. Se observa que dicho volumen es mnimo para formas tetradricas, que

son las ms estables en la naturaleza.

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Figura 3.3.2.- Diferentes empaquetamientos ordenados de esferas de dimetro uniforme

La dimensin de los poros existentes entre las esferas es funcin tanto del tipo de empaquetamiento como del

tamao de las esferas. En el empaquetamiento tetradrico el rea de la seccin transversal, A, de los

intersticios vale 20.04a y en el cbico 20.21a , como indica la tabla 3.3.1. Para los empaquetamientos densos el rea de la seccin transversal de los intersticios es una fraccin del rea de la seccin transversal de la

esfera y disminuye cuando lo hace el dimetro de la esfera.

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Tabla 3.3.1.- Dimensin de los poros en los empaquetamientos tetradrico y cbico de esfera uniformes.

Introduciendo y distribuyendo partculas pequeas en los intersticios que existen entre las partculas grandes,

traera consigo una disminucin de la porosidad y del tamao de poro. La clave para mejorar la densidad de

empaquetamiento es la relacin entre los tamaos de las partculas, as las pequeas deben de elegirse de

modo que se dispongan en los intersticios sin forzar la separacin de las partculas grandes. Adems, se

puede seguir eligiendo partculas an ms pequeas, de modo que ocupen el siguiente nivel de poros, con la

consiguiente mejora de la densidad de empaquetamiento.

La figura 3.3.3 ilustra los conceptos anteriores. En la figura 3.3.3.a se muestra el empaquetamiento ordenado

de esferas del mismo tamao, con los poros que dejan entre ellas. En el empaquetamiento binario de la figura

3.3.3.b, el tamao de las esferas pequeas se ha elegido de modo que ocupe los huecos existentes entre las

mayores, sin que se distorsione el empaquetamiento original. Anlogamente, un empaquetamiento ternario, tal

y como se muestra en la figura 3.3.3.c, puede obtenerse usando esferas ms pequeas de modo que ocupen los

nuevos huecos creados en el empaquetamiento binarios.

Finalmente, en la figura 3.3.3.d se muestra como la eleccin de esferas demasiado grandes no mejora la

densidad de empaquetamiento, ya que su adicin fuerza la separacin de las esferas correspondientes al

empaquetamiento original.

La figura 3.3.4 muestra que cualquier mezcla tiende a reducir el volumen de conjunto, con respecto al de una

sola fraccin. Partiendo de una fraccin, si se reduce de tamao algunas de las partculas, estas podran

utilizarse para ocupar huecos, con lo que la misma masa ocupara un volumen ms pequeo, aumentando por

tanto la densidad de empaquetamiento. Anlogamente, si parte de las partculas de sustituyen por una de

mayor tamao de la misma masa, la misma masa ocupara un volumen ms pequeo pues se habrn eliminado

una serie de poros.

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Figura 3.3.4.- Representacin bidimensional de los efectos en el empaquetamiento de la combinacin de

esferas de diferentes tamaos. (a).- Mismo tamao (b).- Bimodal (c).- Trimodal y (d).-

Bimodal con tamaos poco diferentes.

Figura 3.3.4.- Variacin del volumen de conjunto en mezclas binarias.

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Para una mezcla de partculas gruesas y finas, la mxima densidad de empaquetamiento viene determinada

por la cantidad de partculas gruesas, con respecto a las finas. En la figura 3.3.5 se muestra el caso de la

composicin ptima (mxima densidad de empaquetamiento), de una composicin con un exceso de finos y

de otra con un exceso de gruesos.

Figura 3.3.5.- Empaquetamiento de partculas gruesas y finas. (A).- Exceso de partculas finas

(B).- Composicin ptima, A).- Exceso de partculas gruesas

Para un empaquetamiento ordenado, el dimetro de la esfera que ocupa los poros intersticiales disminuye

cuando el nmero de coordinacin aumenta. La tabla 3.3.2 resume el efecto de aadir pequeas esferas

seleccionadas a tres empaquetamientos ordenados . En el caso del nmero de coordinacin doce, existen dos

poros intersticiales diferentes (octadrico y tetradrico, figura 3.3.6), con lo que son necesarios dos tamaos y

contenidos de esferas para obtener la porosidad mnima.

Tabla 3.3.2.- Efecto de la adicin pequeas esferas a tres empaquetamientos ordenados

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Figura 3.3.7.- Huecos tetradricos y octadricos en la estructura cbica centrada en las caras.

El comportamiento bsico de un empaquetamiento denso aleatorio bimodal se muestra en la figura 3.3.8. Este

modelo de empaquetamiento se conoce como el modelo de Furnas. El volumen de empaquetamiento,

denominado volumen especfico de empaquetamiento, es una funcin de la composicin de la mezcla de

esferas grandes y pequeas. Hay una composicin de mxima densidad de empaquetamiento.

Segn Furnas en la composicin que nos da el mximo empaquetamiento hay un mayor volumen de

partculas grandes que pequeas. La mejora relativa en la densidad de empaquetamiento depende de la

relacin entre el tamao de las partculas grandes y pequeas.

Dentro de un rango limitado, cuanto mayor sea la relacin entre el tamao de las partculas grandes y de las

pequeas, mayor es el mximo de la densidad de empaquetamiento . Esto es verdadero hasta una relacin de

tamaos de aproximadamente 20:1, pero requiere al menos una diferencia del 20 % entre los tamaos de las

partculas.

La figura 3.3.8 puede usarse para determinar la composicin ptima. Asumiendo partculas densas, el

volumen especfico de un polvo, V, se define como el inverso de la densidad aparente

1

Vf

= (3.3.1)

donde es la densidad terica del polvo y f su densidad fraccional (factor de empaquetamiento)

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Figura 3.3.8.- Reduccin del volumen especfico de una mezcla de esferas grandes y pequeas, mostrando a

la condicin de empaquetamiento ptimo donde las esferas pequeas rellenan todos los huecos

existentes en el empaquetamiento de las grandes.

Comenzando con las partculas grandes, el volumen especfico disminuye cuando se aaden partculas

pequeas, ya que estas rellenan los huecos existentes entre las partculas grandes. Este comportamiento puede

verse en la figura 3.3.4.b y esta representado por el segmento BO de la figura 3.3.8. Ms all de la

composicin ptima, , la cantidad de partculas pequeas se hace demasiado grande, ya que todos los vacos

estn llenos y, en consecuencia, nuevas adiciones fuerzan el que las partculas grandes se separen y no se

mejora la densidad de empaquetamiento.

Al contrario comenzando con un recipiente lleno de partculas pequeas, al sustituir conjuntos de ellas con

sus vacos asociados por partculas grandes, que son totalmente densas, se obtiene un aumento de la densidad

debido a la eliminacin simultnea de los huecos que existan entre las partculas pequeas (una regin porosa

es substituida por una regin totalmente densa). La mejora se produce hasta que se llega a una concentracin

donde las partculas grandes se ponen en contacto entre ellas. Este comportamiento esta representado por el

segmento AO de la figura 3.3.8. El punto de volumen especfico mnimo para la mezcla, se corresponde con

la interseccin de los segmentos AO y BO.

La mxima densidad de empaquetamiento para una mezcla bimodal de esferas corresponde al volumen

mnimo especfico. Esto se denomina punto de saturacin y tal situacin las partculas grandes estn en

contacto entre ellas y todos los huecos intersticiales estn llenos de partculas pequeas. El clculo de la

composicin de saturacin, en trminos de la fraccin de peso de las partculas grandes es el objetivo de los

tratamientos matemticos.

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La fraccin en peso, GX , de las partculas grandes viene dada por:

G

G

G P

WX

W W=

+ (3.3.2)

donde W indica la masa.

La masa de las partculas grandes es:

G G G TW f V= (3.3.3)

donde:

G = Densidad terica de las partculas grandes. Gf = Factor de empaquetamiento de las partculas grandes.

TV =Volumen total

Para la mxima densidad de empaquetamiento hay que aadir una cantidad de partculas pequeas tal que se

rellene justamente el espacio vaco entre las partculas grandes sin forzar que estas se separen. La cantidad de

espacio vaco es igual a:

1 Gf y la masa de la partculas pequeas ser:

( )1P G P P TW f f V= (3.3.4)

donde:

P = Densidad terica de las partculas pequeas.

Pf = Factor de empaquetamiento de las partculas pequeas.

As, en el punto se saturacin, la fraccin en peso,*

GX , de las partculas grandes ser:

( )*

1

G GG

G G G P P

fX

f f f

=+

(3.3.5)

El empaquetamiento terico mximo para una mezcla de partculas grandes y pequeas es:

( )1MAX G G Pf f f f= + (3.3.6)

En el caso de que los dos tipos de partculas que componen la mezcla bimodal son de la misma composicin, la densidad terica de las partculas pequeas y grandes ser la misma,

G P =

con lo que la fraccin en peso, *

GX , vendra dada por:

( )*

1

GG

G G P

fX

f f f=

+ (3.3.7)

La ecuacin anterior puede simplificarse suponiendo que el factor de empaquetamiento para los dos tipos de partculas es el mismo, con lo que:

16

( )* 1

2G

G

Xf

=

(3.3.8)

Analogamente, en el caso de una mezcla de tres fracciones granulomtricas: gruesos, medios y finos el

empaquetamiento terico mximo vendr dado por:

( ) ( )( )1 1 1MAX G G M G M Ff f f f f f f= + + (3.3.9) donde:

Gf = Factor de empaquetamiento de los gruesos.

Mf = Factor de empaquetamiento de los medios.

Ff = Factor de empaquetamiento de los finos

y las masas respectivas de cada una de las fracciones es:

G G GW f = (3.3.10)

( )1M G M MW f f = (3.3.11) ( )( )1 1F G M F FW f f f = (3.3.12)

Para este modelo, la fraccin de volumen de partculas requeridas disminuye con el tamao de partcula. En la

prctica, el mximo empaquetamiento se alcanza cuando la relacin entre los tamaos ms cercanos es mayor

que ,aproximadamente, 7 y las partculas ms finas estn dispersados uniformemente. Las partculas ms

finas deben ser lo bastante pequeas para poder entra en todas las regiones de los intersticios, como se indica

en la figura 3.3.9. Siguiendo este modelo de empaquetamiento McGeary logro una densidad de

empaquetamiento del 95 %, mediante vibracin de un sistema quaternario de esferas de acero con los tamaos

indicados en la tabla 3.3.3.

Figura 3.3.9.- Empaquetamiento de esferas pequeas en un intersticio plano entre esferas grandes.

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Tabla 3.3.3.- Densidad de empaquetamiento de una mezcla de esferas de diferentes dimensiones.

En la prctica, el estudio granulomtrico ptimo para cada una de nuestras materias primas, deber ser

objeto de ensayos de empaquetamiento realizados en los laboratorios.

Una vez obtenidas las cantidades necesarias de los distintos intervalos granulomtricos y con el objeto de

conseguir el mximo empaquetamiento de los granos, es necesario someterlos a un intenso amasado,

operacin que se realiza en un mezclador. Adems para facilitar la homognea distribucin de los granos

finos en la mezcla, se le aade un ligante o aglomerante, que contribuye tambin a dar ms cohesin a la

mezcla y le confiere una cierta plasticidad que ayuda de forma notable en su posterior conformacin.

La mezcla y amasado de la pasta debe ser muy intensa al objeto de hacerla perfectamente homognea, ya

que de no ser as la contraccin o dilatacin de la pieza durante la coccin no ser uniforme en toda la

masa de la misma.

En algunos casos, el ligante usado es simplemente agua, ya que esta permite poner en suspensin las

partculas, lo que hace que estas se puedan distribuir de una forma homognea en la masa. En los casos en

que no sea posible utilizar agua o junto con ella se pueden adicionar aglomerantes, bien orgnicos o

inorgnicos, procurando que los mismos no contaminen, ni afecten a la composicin qumica del material.

Los aglomerantes inorgnicos ms usuales son: cal, silicato sdico, sulfato de magnesio, cido fosfrico,

fosfato de monoaluminio, cemento refractario, etc. Y entre los orgnicos: alquitrn, almidn, melazas,

etc.

Durante la coccin, los primeros reaccionan con las partculas cristalinas contribuyendo a formar vidrios

de sinterizacin, mientras que los segundos (orgnicos) se eliminan total o parcialmente por combustin,

una vez sinterizados entre s los granos de la pasta.

La cantidad de agua incorporada a la masa, en general, es inferior al 10 %, y tiende a hacerse mnima para

conseguir la mxima economa en el secado. Sin embargo, cuando la materia prima son algunas arcillas,

el porcentaje puede alcanzar el 30 %.

3.4.- Conformado.

Prensado.

En el conformado de las piezas, en el caso de masas s e c a s (humedad < 10%), es posible

realizarlo en prensas, cosa que no se puede hacer con las masas plsticas (humedad >10 %),

ya que lo impedira la incomprensibilidad del agua. Estas masas plsticas s e suelen

extrusionar. El prensado adems de permitir la conformacin de las piezas, disminuye

considerablemente la porosidad, quedando esta, en algunos casos, por debajo del 20 %.

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El prensado uniaxial tiene por objeto la compactacin de la mezcla dentro de un molde rgido aplicando la

presin en una sola direccin por medio de un embolo, o un pistn o un punzn rgido. Es un procedimiento

de elevada capacidad de produccin y fcil de automatizar.

Las etapas generales en el prensado son:

1.- Llenado de molde

2.- Compactacin y conformado de la pieza,

3.- Extraccin de la pieza

En la figura 3.4.1 se muestra de forma esquemtica la secuencia automatizada de prensado de una prensa

tpica uniaxial de doble accin.

La alimentacin, consistente en material granular de fluidez elevada, se introduce en la cavidad formada por

el molde se realiza mediante un mecanismo deslizamiento y se dosifica volumtricamente. Los movimientos

del molde y del punzn se coordinan de modo que se induzca un cierto vaco que ayuda a la deposicin del

polvo en la cavidad del molde. Los punzones inferiores se mueven hacia abajo. Los materiales de baja

fluidez, usualmente, se pesan previamente y se alimentan manualmente o mediante flujo inducido

mecanicamente.

Los punzones inferiores se posicionan en el cuerpo del molde para formar la cavidad predeterminada (basada

en la relacin de compactacin del polvo) para que contenga el volumen correcto para conseguir las

dimensiones requeridas del producto en verde despus de la compactacin A continuacin, el mecanismo de

alimentacin se pone en posicin y llena la cavidad de material (Etapa 1).

Una vez realizado el llenado del molde, con el polvo cermico de elevada fluidez y conteniendo los aditivos

adecuados, el mecanismo de alimentacin se retira y en su movimiento de retirada alisa la superficie (Etapa

2).

A continuacin, los punzones superiores se mueven hacia abajo entrando en la cavidad y se precomprime el

polvo, comenzando el trabajo de compactacin, producindose al mismo tiempo una eliminacin del aire

(Etapa 3).

Despus, a medida que prosigue el prensado, tanto los punzones superiores como inferiores comprimen

simultneamente el polvo cuando se mueven uno hacia el otro de forma independiente y sincronizada a sus

posiciones predeterminadas (Etapa 4).

Cuando se ha completado la compactacin, la pieza posee unas tensiones residuales de compresin que la

sujetan en la cavidad del molde (Etapa 5).

Despus el punzn superior se retira y los inferiores sacan la pieza del molde mediante su empuje que supera

las tensiones residuales de compresin (Etapa 6).

Durante la extraccin de la pieza esta incrementa sus dimensiones liberando las tensiones residuales (Etapas 7

y 8). El juego entre el molde y los punzones es de 10 25 m cuando se prensan polvos de tamao de micras y de 100 m cuando se prensan partculas granulares. La pared del molde, algunas veces, se puede fabricar con cierta divergencia ( < 10 m / cm), con el fin de facilitar la extraccin de la pieza. Por otra parte, las piezas pueden ser extradas manteniendo o no contacto con el punzn superior.

En ese momento el mecanismo de alimentacin se mueve a la posicin de llenado empujando a la pieza fuera

de su posicin encima de los punzones, y comienza de nuevo el ciclo de prensado (Etapa 9).

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Figura 3.4.1.- Esquema de trabajo del prensado uniaxial automatizado.

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Las velocidades de prensado varian desde una fraccin de segundo para pequeas piezas a varios minutos

para grandes piezas usando una prensa de accin simple. Velocidades que exceden 5000 ppm (piezas por

minuto) se alcanzan usando prensas rotativas multiestacin. Las capacidades de prensado alcanzan hasta

varios cientos de toneladas. La presin mxima de prensado usada en el prensado en seco esta, comnmente,

en la gama de 20-100 MPa. Las presines ms altas se usan en la fabricacin de las cermicas tcnicas y

menores en la fabricacin de materiales a base de arcilla.

La vida til del molde puede alcanzar la fabricacin de varios cientos de miles de piezas para un molde

simple y trabajando a una presin baja. Las tolerancias alcanzadas en el prensado industrial son menores del

+1 % en la masa y 0.02 mm en el espesor. Las tolerancias dimensionales y la uniformidad de la

microestructura son mucho ms difciles de controlar cuando la pieza tiene varios niveles superficiales.

El tipo de prensa y los tiles seleccionados dependen de la dimensin y forma de las piezas a prensar. As, los

modos de prensado, clasificados segn el movimiento de los punzones y del molde, pueden verse en la tabla

3.4.1. A su vez, en la tabla 3.4.2 se dan los tipos de prensas uniaxiales.

Tabla 3.4.1.- Modos de prensado en seco,

TIPO

MOLDE

PUNZON SUPERIOR (a)

PUNZON INFERIOR (a)

ACCION SIMPLE

FIJO MOVIL FIJO

ACCION DOBLE

FIJO MOVIL MOVIL

MOLDE FLOTANTE

MOVIL MOVIL FIJO

(a) Simple o compuesto

Tabla 3.4.2.- Clases de prensas uniaxiales.

21

La clasificacin de la dificultad en el prensado en seco se resume en la tabla 3.4.3.

Tabla 3.4.3.- Clasificacin de la dificultad en el prensado en seco.

Piezas con un espesor constante y de pequeo valor pueden prensarse adecuadamente con una prensa de

accin simple, en las que el molde y el punzn inferior permanecen estacionarios y solamente se mueve el

punzn superior.

Si el espesor de las piezas aumenta con el mtodo de la accin simple (Prensado solamente por un lado de la

pieza) no se logra una compactacin uniforme de la pieza. Para solucionar el problema anterior se utilizan

prensas de doble accin en las que se mueven tanto el superior como el inferior.

Si las piezas presentan una seccin transversal con espesor variable, entonces es necesario usar prensas con un

punzn independiente para cada nivel de espesor, que se denominan de doble accin y movimiento mltiple,

Esto es necesario para lograr una compactacin uniforme en todo el conjunto de la pieza. Esto se ilustra en la

figura 3.4.2 para el caso de un polvo con una relacin de compactacin de 2:1. El punzn que debe compactar

la parte de menor espesor debe recorrer una distancia, mientras que el debe compactar la parte de mayor

espesor debe recorrer una distancia A + B, esto no se puede conseguir con un solo punzn y, por tanto, son

necesarios dos.

Figura 3.4.2.- Esquema ilustrando las diferentes distancias que debe moverse el punzn para conseguir una

compactacin uniforme del polvo cermico.

22

Sin embargo, el equipo ms comnmente utilizado, partcularmente en las cermicas tcnicas, es la prensa con

molde flotante (Figura 3.4.3). En este tipo de prensa el movimiento, en funcin del tiempo, de los punzones y

del molde esta sincronizado como se muestra en la figura 3.4.4. La parada del punzn se realiza a una presin

determinada cuando se usa un control hidraulico y a un determinado desplazamiento cuando se usa control

mecnico.

Figura 3.4.3.- Ciclo de prensado para una prensa de molde flotante (a) Un solo nivel (b) Dos niveles

Las lneas de rayas indican el movimiento de los componentes de la prensa.

23

Figura 3.4.3.- Ciclo de prensado para una prensa de molde flotante.

24

Figura 3.4.4.- Movimiento sincronizado de los punzones y del molde durante un ciclo de prensado

usando una prensa de molde flotante.

La mayora de las prensas uniaxiales son de dos tipos:

1.- Mecnicas

2.- Hidrulicas (Figura 3.4.5).

Las prensas de tipo mecnico carrera simple tienen una alta capacidad de produccin y son fciles de

automatizar. El ciclo de prensado se repite de 6 a 100 veces por minuto, dependiendo del tipo de prensa y de

la forma de la pieza a fabricar. La capacidad de produccin oscila entre 1 y 20 toneladas, pudiendo alcanzarse

las 100 toneladas.

Otro tipo de prensa mecnica es la rotativa. En ella numerosos moldes se colocan sobre una mesa rotatoria. El

punzn pasa sobre levas cuando la mesa gira, causando un ciclo de llenado, compresin y expulsin similar

al de una prensa de carrera simple. Las velocidades de produccin que pueden alcanzarse con una prensa

rotativa estan en el rango de 2000 piezas por minuto. La capacidad de presin est en intervalo de 1 a 100

toneladas.

An otro tipo de prensa mecnica es la prensa de palanca, que, comunmente, se usa para el prensado de

ladrillos refractarios y es capaz de ejercer la presin de hasta, aproximadamente, 800 toneladas. Las prensas

de palanca cierran un volumen determinado de tal modo que la densidad final esta controlada, en gran parte,

por las caractersticas de la alimentacin.

Por su parte, las prensas hidrulicas transmiten la presin a travs de un fluido que actua sobre un pistn.

Ellas, por lo general, operan a una presin determinada, de modo que el tamao y las caractersticas del

componente prensado estan determinadas por la naturaleza de la alimentacin , la cantidad de llenado del

molde y la presin aplicada. La prensas hidraulicas pueden ser muy grandes, pero tienen un ciclo de trabajo

mucho ms largo que las mecnicas.

Las presiones alcanzadas por las prensas van desde los 400 a los 2000 Kgf/cm2; los valores

ms altos se logran con las prensas de las ltimas generaciones. Hoy da es ya posible la

utilizacin de prensas semiautomaticas, que dosifican y sacan la pieza refractaria sin la

intervencin del operario de la misma.

25

Figura 3.4.5.- Prensa hidrulica

Para que la accin del prensado sea uniforme en toda la masa de la pieza y a su vez no introduzca

heterogeneidad en la orientacin de los granos, que redundara en una menor resistencia mecnica en sentido

transversal a la presin, debe procurarse limitar el espesor de la pieza, lubricar las paredes laterales del

troquel y a ser posible realizar un prensado isosttico. Este puede lograrse intercalando un fluido o cuerpo

elstico entre la matriz y la pieza, que transmita la presin en todas las direcciones y caras. Con presiones

elevadas es conveniente as mismo que el troquel o cmara de prensado est bajo vaco, a fin de facilitar la

expulsin del aire ocluido en la masa evitando la retencin de vacuolas gaseosas.

Para productos refractarios especiales de alta calidad se ha impuesto el mtodo de prensado isosttico.

Por este mtodo se rellenan moldes elsticos de goma con masa cermica de polvo fino. Una vez

cerrado el molde de goma, se somete la masa a presin en una autoclave. La presin empleada acta en

forma lquida por todas las direcciones sobre el cuerpo a prensar, consiguiendo de sta manera una

densidad uniforme en el ladrillo. En la industria del refractario se aplican presiones que llegan a alcanzar

los 300 N/mm2 utilizando prensas isostticas. Este tipo de prensas encuentran su aplicacin para la

fabricacin de bloques de formatos grandes, piezas de formas especiales como son buzas, tubos, etc.

26

Extrusin.

El conformado plstico incluye los procedimientos de produccin de productos a partir de una mezcla de

polvo cermico y aditivos que es deformable bajo presin. La mezcla puede obtenerse en sistemas

conteniendo arcillas por la adicin de agua y pequeas cantidades de floculante, un agente de mojado y un

lubricante.

En sistemas que no contienen arcilla, tales como xidos puros, carburos y nitruros, es necesario aadir, en

lugar de la arcilla, un material orgnico, mezclado con agua o con otro fluido, para proporcionar la

plasticidad. Se requiere entre el 20 y el 50 % de aditivo orgnico para lograr la plasticidad adecuada para el

conformado. La plasticidad es la capacidad de deformarse ante un esfuerzo mecnico conservando la

deformacin al retirarse la carga.

La mayor dificultad del proceso de conformado plstico es la eliminacin del material orgnico antes de la

coccin. En el caso de los sistemas arcilla agua, durante el secado tiene lugar una contraccin sustancial,

que aumenta el riesgo de aparicin de grietas. En el caso de sistemas con aditivos orgnicos, el problema

mayor es la obtencin de pieza en verde libre de defectos y la extraccin del material orgnico. Una

extraccin demasiado rpida da lugar a agrietamientos, hinchamiento o distorsin. Por otra parte, una

eliminacin inadecuada resulta en agrietamientos, hinchamiento o contaminacin en el proceso posterior de

densificacin a alta temperatura.

El conformado plstico se usa de forma extensiva en la fabricacin de cermicas tradicionales y modernas o

avanzadas.

Materiales de construccin tradicionales tales como: ladrillos y tejas se obtienen por extrusin. Adems se

pueden producir por extrusin: tubos de proteccin de los termopares, tubos para hornos, tubos de carburo de

silicio para intercambiadores de calor, aislantes elctricos de porcelana, sustratos para aplicaciones

electrnicas, soportes de catalizadores tipo colmena de abeja, tubos transparentes para lmparas, etc. Los

sustratos pueden extruirse a un espesor menor de 1 mm.

Se pueden obtener productos de gran tamao de ms de una tonelada, hasta de pequeo tamao de solamente

unos gramos de masa.

La extrusin se usa en el conformado de materiales compuestos y la extrusin en caliente puede usarse para la

obtencin de electrodos de grafito.

Las presiones que se alcanzan en la industria varan desde los 4 MPa para productos de porcelana hasta los 15

MPa para algunos materiales plastificados con productos orgnicos. La capacidad de produccin vara en

funcin del tamao de la pieza a fabricar, aproximndose a las 100 t/h para piezas de gran tamao.

La velocidad de extrusin medida en trminos de la velocidad de salida del material de la mquina, tambin

vara ampliamente y esta controlada por la velocidad de corte y del sistema de transporte. Una velocidad de 1

m/minuto es comn en la extrusin de piezas de gran tamao.

En la figura 3.4.6 se muestran diferentes tipos de piezas que pueden obtenerse por extrusin.

27

Figura 3.4.6.- Ejemplos de piezas que se obtienen por extrusin.

Esta tcnica de conformado se emplea en la fabricacin de productos cermicos de seccin constante.

Bsicamente el proceso de extrusin consiste en forzar el paso, mediante la aplicacin de una presin, de la

pasta con una consistencia plstica (Elevada viscosidad) a travs de una matriz (Figura 3.4.7).

Se obtiene un producto lineal con una seccin transversal controlada, que luego se corta a la longitud requerida

por el producto a obtener. Es un mtodo de conformado continuo muy efectivo y eficiente, que usa un

equipamiento simple.

Se han desarrollado varios mtodos para forzar el paso de la pasta a travs del dado: giro de unos rodillos,

empuje de un pistn o rotacin de una hlice (tornillo de Arqumedes) como se aprecia en la figura 3.4.8.

Las maquinas extrusoras de tornillo pueden ser simples o de tornillos gemelos.

28

Por su parte, las maquinas extrusoras de pistn pueden alcanzar presiones muy elevadas, que, usualmente, se

consiguen mediante bombas hidrulicas. Su mantenimiento es mnimo y, generalmente, tienen una menor

contaminacin por desgaste, que se limita a las paredes del cilindro.

Una desventaja de las mquinas extrusoras de pistn es que es una mquina que trabaja con lotes de material

trabajando con una cantidad limitada de material. Esto puede causar problemas si un bajo coste de produccin

es un factor significativo y si la extrusin representa un porcentaje grande del coste total.

Otra desventaja es que el incremento de carga que se produce en el cilindro, puede causar la estratificacin

de la mezcla, que da lugar interrupciones en el modelo de flujo en el Cilindro

Dado, as como a la existencia de aire

atrapado, que puede causar cambios en el comportamiento de la extrusin y defectos en las piezas en verde

Las mquinas que realizan esta funcin constan de tres partes principales:

- El sistema propulsor, que tiene por objeto el empujar la pasta a travs de la matriz.

- La matriz, que depende del tipo de pieza a realizar

- La cortadora, que tiene la misin de cortar la columna que sale de la matriz en piezas de longitud

determinada.

El sistema de hlice est especialmente indicado para masas plsticas, el sistema de cilindros, que se

compone de dos o tres cilindros laminadores, se utiliza para pastas consistentes y el sistema de pistn, que

empuja la pasta a travs de la matriz por medio de un mbolo, se utiliza para pastas muy desgrasantes.

Las pastas deben tener sobre el 14 20 % de humedad para su moldeo. Se obtienen piezas de adecuada

compacidad.

Figura 3.4.7.- Mtodo de conformado por extrusin.

29

Figura 3.4.8.- Mtodos de extruir una pasta cermica.

El material extrusionado puede ser ya un producto final o puede ser usado como alimentacin para una

segunda operacin de conformado.

En la figura 3.4.9 se puede ver una maquina extrusora de tornillo simple usada habitualmente en la industria

cermica. Consiste de varias secciones y es capaz de trabajar de forma continua. La primera seccin es un

molino amasador o mezclador, que contiene dos filas de palas montadas sobre dos ejes que giran en sentidos

opuestos, lo que proporciona una elevada accin cortante que mezcla de forma eficaz el material, que pasa

estrujado entre las palas. Tambin puede ser un tornillo de Arqumedes con los hilos de la hlice rotos.

La alimentacin al molino mezclador es la premezcla formada por: polvo cermico, mas liquido y mas

aditivos tales como: ligantes, plastificantes, dispersantes, floculantes, lubricantes y surfactantes). El molino

mezclador amasa la premezcla proporcionando homogeneidad, maximizando la plasticidad y eliminando aire

por el efecto de apriete de la pasta.

A continuacin, mediante un tornillo de Arqumedes para el transporte del material, la mezcla es forzada a

entrar, a travs de una placa perforada, en la cmara de desaireado. El material en forma de tiras con una

seccin transversal menor es desaireado de una manera ms uniforme mediante la aplicacin de vaco para

eliminar tanto aire como sea posible.

Finalmente, la mezcla pasa a la cmara de compactacin donde otro tornillo de Arqumedes transporta el

material y lo precompacta para eliminar tanta porosidad como sea posible, antes de que pase, debido a la alta

presin, por la matriz o dado rgido.

Los productos cermicos compactos resultantes de seccin transversal constante y de gran longitud son

soportados por bandejas y mediante un sistema de corte se les da la longitud deseada.

Las extrusoras o galleteras de hlice son mquinas cilndricas o troncocnicas con eje de paletas helicoidales

que empuja la pasta hasta una boquilla que la conforma continuamente. El vaco para evitar la presencia de

burbujas de aire en la masa, pues stas producen la rotura de las piezas al calentarse en la coccin (Incremento

de volumen del aire al aumentar la temperatura, que al estar restringida causa un aumento de presin).

La ventaja de este tipo de mquina extrusora es que en ella tiene lugar, de forma continua, el mezclado, el

desaireado, la consolidacin y la forma final de la pieza a fabricar.

Las etapas en el tornillo de la maquina de extrusin son:

1.- Alimentacin del material.

2.- Consolidacin y flujo del material en la camisa.

3.- Flujo a travs del dado convergente

4.- Flujo a travs de dado de seccin transversal constante o casi constante.

5.- Eyeccin.

30

Figura 3.4.9.- Mquina de extrusin industrial con cmara de desaireacin y tornillo de Arqumedes.

31

La seccin longitudinal de las maquinas de extrusin de pistn o de tornillo se muestran en la figura 3.4.10.

En la extrusin con pistn el material de alimentacin es, comnmente, pequeos trozos cilndricos

desaireados procedentes de la cmara del molino mezclador, pero puede ser un material segmentado. Despus

de la insercin del pistn y del desaireado, el material alimentado es comprimido y forzado a ir a lo largo de la

camisa hacia el dado por el movimiento del pistn. Una ventaja de las maquinas con pistn es que se pueden

alcanzar presiones altas, sin embargo, es un proceso intermitente y de capacidad de produccin ms baja, que

requiere un incremento de costes.

Figura 3.4.11.- Esquema de las secciones transversales de las maquinas de extrusin con pistn y con tornillo

de Arqumedes, indicando sus zonas y parmetros de diseo.

Para las mquinas que usan un tornillo, en la figura 3.4.12 se muestran las distintas zonas existentes en la

regin del tornillo, indicando la variacin de la presin que existe en cada de ellas. La alimentacin del

material segmentado es transportado por el tornillo y al mismo tiempo va densificando al ir compactndose y

llega a ser continuo en la zona de dosificacin. Los gradientes de velocidad y de presin se redistribuyen a la

salida del tornillo y a la entrada de la zona 4 de la camisa.

En la alimentacin usando un tornillo simple, el material no debe deslizar sobre la pared de la camisa. En

consecuencia, la adhesin del material sobre la pared y la relacin .. .. ..

.. ..

Area de la pared

Area del tornillo debe ser

suficientemente alta. Los tornillos deben estar suficientemente pulidos para facilitar el deslizamiento. Para

alcanzar presiones ms altas pueden usarse tornillos de mayor tamao o convergentes. El nmero de hilos del

tornillo controla el nmero de columnas de alimentacin desplazadas.

32

Figura 3.4.12.- Variacin de la presin en las distintas zonas del tornillo de la maquina de extrusin.

Un ngulo de la hlice de mayor valor aumenta la velocidad de transporte, pero reduce la presin de empuje

de compresin sobre el material. Los ngulos de hlice, comnmente, usados estn dentro del intervalo de 20-

25 .

La relacin requerida entre el dimetro del tornillo y del producto aumenta cuando lo hace la tensin de

fluencia del material y cuando aumenta el rea de friccin del dado de seccin constante. Calentando o

enfriando el material puede modificarse su adhesin sobre la superficie metlica y, por tanto, su resistencia al

flujo.

Las boquillas son diferentes y intercambiables (Figura 3.4.13) con el objeto de obtener distintos tipos de

piezas.

Figura 3.4.13.- Distintos tipos de boquillas.

33

3.5.- Secado.

Las piezas conformadas, en general, debern someterse a un proceso de secado una vez conseguida su

configuracin al objeto de desprenderse del agua aportada para este menester o de otras materias

lquidas dependientes del proceso de fabricacin. Solamente las piezas moldeadas completamente secas

pueden cocerse sin peligro de agrietamientos.

El secado tiene por objeto eliminar el agua libre, no combinada, contenida en la pasta cruda e incorporada

durante la preparacin de las materias primas. La necesidad e importancia de esta operacin, previa a la

coccin, esta en consonancia con el porcentaje de humedad de la pasta. Es por tanto particularmente relevante

en las masas plsticas de arcilla y, por el contrario, es innecesaria en la preparacin de masas prensadas en

seco o aglomeradas qumicamente.

El agua libre de la pasta puede diferenciarse, en agua de poro y agua intergranular. La primera rellena los

espacios huecos entre las partculas del agregado, sin contribuir al volumen total aparente de la masa. La

segunda recubre las partculas granulomtricas base, y aade su volumen al total. La eliminacin por secado del

agua intergranular afecta pues al volumen de la pieza verde, en tanta mayor cuanta cuanto ms prxima sea la

humedad inicial al punto de saturacin. Este fenmeno explica la contraccin de las pastas hmedas o verdes,

en particular de las arcillosas, durante la operacin de secado y la nula contraccin de las pastas secas.

El agua de poro debe eliminarse a temperaturas prximas a la de ebullicin. Si su extraccin se efecta durante

la coccin, la elevada temperatura superficial de la pieza y su pequea conductividad trmica dar lugar a que

la porcin final de humedad sea eliminada a travs de una capa sinterizada del material, lo que originar un

mayor porcentaje de porosidad abierta en la pieza cocida. La operacin de secado, como fase previa de la

coccin, se justifica pues, al objeto de que el material absorba la fuerte contraccin trmica inicial, de forma

lenta y homognea, evitando la aparicin de fisuras, y en razn de obtener la mnima porosidad abierta.

En el curso del secado la resistencia mecnica de la pieza crece moderadamente debido a la fijacin sobre la

superficie de los granos, coloides e iones en suspensin o disolucin, respectivamente, lo que contribuye a

cohesionarlos. En las masas fraguadas o aglomeradas qumicamente una parte del agua de amasado se

incorpora coso agua de composicin a la matriz intergranular y en tal caso su secado y cohesionado tiene

lugar a temperatura ambiente.

El proceso de secado se efecta normalmente a temperatura ligeramente superior a. 100 C, en secadores tipo

tnel de produccin contina, por lo que la operacin de secado se concatena dentro del proceso general de

tratamiento trmico en rgimen de recuperacin de calor sensible. Los conductos del gas caliente se disponen

bajo la solera del secadero y por tanto separados de la carga. Por la cmara de secado se hace circular aire

seco, en contracorriente del material e impulsado mediante ventiladores a fin de evitar que se sature con el

vapor del agua. La temperatura y humedad del aire se controlan a lo largo del secadero con objeto de regular

la velocidad de secado de acuerdo con las caractersticas del proceso de eliminacin del agua de la masa.

El mecanismo de secado es consecuencia de la forma de presentacin del agua en la pasta: (agua intergranular

y de poro), hecho que gobierna su extraccin y que permite distinguir dos subetapas de secado. En tanto exista

agua intergranular, es decir, entre el punto de saturacin y el punto crtico de humedad, el agua superficial de

la pieza estar en comunicacin con el agua interna. Por debajo del punto crtico no ocurre as y la humedad

interna estar desconectada de la superficie.

Al comienzo del secado la pelcula de agua intergranular va progresivamente adelgazndose y la contraccin de

la pasta es homognea. La prdida de humedad es uniforme en toda la masa y la velocidad de secado puede ser

elevada (mayor temperatura y menor grado de humedad en el aire). Al alcanzarse el punto crtico, el transporte

del agua hacia la superficie se hace ms difcil, ya que opera por capilaridad o por difusin gaseosa, y por

tanto la velocidad intrnseca de secado es ms lenta. Para que la prdida de humedad sea homognea interesa

que la pieza alcance una temperatura uniforme y que por tanto no exista apenas gradiente trmico en la masa,

34

lo cual se favorece con una atmsfera prxima a la saturacin de vapor. En esta segunda subetapa la

contraccin del material es pequea o nula.

En la figura 3.5.1 se muestra la curva de velocidad intrnseca de secado y la contraccin del material.

Figura 3.5.1.- Curva de velocidad intrnseca de secado y la contraccin del materia

Los ladrillos de tamaos grandes como son, por ejemplo, los utilizados para los crisoles de fusin de

vidrio, placas de asiento y otros similares, se secan por el mtodo de humedad controlada. Los ladrillos

prensados se someten en cmaras o tneles de secado a la influencia del calor procedente de los hornos

de coccin, utilizando este calor de una manera racional. En las modernas instalaciones de fbricas, los

ladrillos prensados en verde se colocan delante de la prensa directamente sobre la vagoneta del horno

tnel para que una vez secos en el canal de secado sean introducidos en el horno tnel. Este

procedimiento no solo contribuye a un ahorrote costes, sino que se evitan adems los deterioros por

manipulacin.

3.6.- Coccin.

3.6.1.- Introduccin.

La coccin es sin duda la etapa ms delicada del proceso de fabricacin ya que condiciona las propiedades

ms importantes y especficas del producto final. Los parmetros bsicos de la coccin son la temperatura, el

tiempo de tratamiento y la velocidad de calentamiento y enfriamiento.

La temperatura de coccin debe ser como mnimo igual a la de utilizacin del material, ya que de no ser as

ciertos fenmenos que se operan durante su trascurso tendrn lugar en el horno de forma incontrolad e

indeseada. Tal es el caso, fundamentalmente, de la variacin permanente de dimensiones de la pieza.

35

Los procesos que se desarrollan durante la coccin son complejos y dependen de cada material en particular.

En general, se puede decir que la coccin da lugar a los siguientes efectos:

1.- Transformaciones cristologrficas o cambios de fase en estado slido, con aparicin de especies estables

a elevada temperatura que deben mantenerse o hacerse reversibles en lo posible al enfriar el material, y

recristalizaciones.

2.- Descomposicin trmica de minerales hidratados (hidrxidos, agua de composicin, etc), carbonatos,

sulfuros, material orgnicas, etc.

3.- Sinterizacin de los granos cristalinos bien mediante formacin de fases vtreas intercristalinas directas o

procedentes de la matriz de aglomeracin.

La descomposicin trmica de los minerales y las transformaciones cristalogrficas tienen lugar en su

mayor parte durante el proceso de calentamiento. Como estos fenmenos llevan aparejados, o bien una

prdida de masa, o bien una variacin de densidad en las fases cristalinas involucradas, dan lugar a

contracciones o en su caso dilataciones permanentes que deben ser absorbidas lo ms homogeneamente por

el material, ello obliga, en la generalidad de los casos, a que el calentamiento sea progresivo y adecuado al

comportamiento fsico-qumico de la materia.

Algunas transformaciones cristalinas y recristalizaciones operan lentamente o bien tienen lugar con

retraso a temperaturas superiores a su punto de transformacin, lo que obliga a mantener el material a la

temperatura de coccin al tiempo suficiente para que se alcance un grado prctico de estabilizacin, o

bien incorporarle ciertos compuestos mineralizadores.

La sinterizacin y vitrificacin de los granos cristalinos y de la matriz intercristalina tiene lugar

principalmente a las mximas temperaturas y es funcin as mismo del tiempo de permanencia en ellas. La

vitrificacin depende as mismo de las impurezas que acompaen a las fases cristalinas. Un aumento

excesivo de la temperatura de coccin o del tiempo de coccin por encima de sus valores ptimos, pueden

ser por este motivo perniciosos, ya que la vitrificacin del material, debe ser la mnima compatible con

una adecuada textura y compacidad del material.

La velocidad de enfriamiento debe ser en principio la que permita el comportamiento fsico-qumico d e l

material ya que interesa retener las fases de alta temperatura en estado metaestable. En el caso de especies

fcilmente reversibles y que presentan una variacin relativamente importante de densidad, el

enfriamient o debe ser controlado cuidadosamente para evitar la rotura o desconchado de la pieza en la

proximidad de los puntos de transformacin.

Los hornos modernos de coccin de refractarios son tipo tnel y marcha continua (Figura 3.6.1.1). Los

rasgos bsicos del horno consisten en una cmara alargada a lo largo de la cul circula la carga a cocer,

dispuesta sobre una mesa mvil o sobre vagonetas. E l calentamiento del horno se efecta mediante

mecheros de gas laterales y la temperatura se grada por zonas, mediante recirculacin de los gases.

36

Figura 3.6.1.1.- Vista y seccin de un horno tnel.

A zona de precalentamiento, B zona de coccin, C zona de enfriamiento.

1.- anclaje del horno, 2.- conducto de aire para los quemadores, 3.- bveda del horno,

4.- junta de laberinto, 5.- canal de arena, 6.- va del horno, 7.- canal de visita,

8.- quemadores, 9.- vagoneta del horno, 10.- recuperador cermico, 11.- recuperador metlico

37

L a coccin es la operacin ms costosa del proceso de fabricacin de refractarios y por ello es importante

una alta eficiencia trmica del horno a utilizar. El horno tnel permite un alto grado de regeneracin de

calor y por ello se ha ido generalizando su uso en las modernas instalaciones de produccin.

Las temperaturas de coccin se clasifican en funcin de los grupos de materias ms importantes en la escala

siguiente:

Ladrillos de chamota: 1250 - 1500 C

Ladrillos de slice: 1450 - 1500 C

Ladrillos aluminosos: 1500 - 1800 C

Ladrillos de magnesia: 1500 - 1800 C

El tiempo total de coccin, incluyendo el precalentamiento y el enfriamiento comprende entre los 3 das en

horno tnel y unas 3 semanas en los hornos anulares e individuales. No obstante, no se puede deducir al

respecto que los hornos individuales estn ya superados tcnicamente; para la coccin de determinados tipos y

formatos de ladrillos se hacen imprescindibles los mencionados hornos.

El consumo de calor por kg de ladrillo para la coccin en hornos tnel es de:

- Aproximadamente 3500/kJ/kg para ladrillos de chamota

- Aproximadamente 6000/kJ/kg para ladrillos de magnesia

- Aproximadamente 12000/kJ/kg para ladrillos de magnesia o corindn de alta coccin

El consumo de calor en hornos individuales y anulares se dispara a la misma temperatura entre un uno y

medio y el triple segn la clase de ladrillo sometido a proceso. Se pueden utilizar como fuentes de calor casi

toda clase de combustibles: carbn, fuel-oil, gas de ciudad, gas natural, gas lquido. El carbn como

combustible tiene poca demanda hoy en da para los equipos de coccin de cermica. Las fuentes ms

importantes para el calentamiento son los combustibles lquidos y gaseosos.

Durante la coccin la llama deber rodear en lo posible a todo el ladrillo, con el fn de que se produzca

uniformemente la sinterizacin prevista. Es necesario que el encae de la vagoneta del horno tnel se efecte

con todo el cuidado.

La duracin de la coccin no depende exclusivamente del tipo de horno, sino que influye tambin la clase de

ladrillo en cuestin, debiendo tener presente esta circunstancia al manejar el horno. Deber tenerse en cuenta

adems si la coccin ha de efectuarse en atmsfera oxidante o reductora.

En este sentido, la coccin de los ladrillos de carburo de silicio por ejemplo deber efectuarse en proceso

oxidante hasta alcanzar una temperatura determinada, ya que de lo contrario, tendra como consecuencia la

formacin de ncleos de carbono, lo que representa una reduccin en la calidad

.

En los ltimos tiempos, se someten a coccin los ladrillos de alta calidad a temperaturas que alcanzan hasta

los 1800 C. Las materias primas bsicas utilizadas para fabricar dichos ladrillos bsicos como es la magnesia y

el mineral de cromo o las aluminosas como son el corindn o la mullita, tienen un punto de fusin muy

elevado con un contenido bajo en impurezas.

Por la alta coccin se produce el aglomerado de las materias primas de alta calidad, denominado tambin como

aglomerado directo, ya que los cristales de los xidos de elevado punto de fusin se sinterizan mutuamente en

la mayora de los casos sin interposicin de silicatos. En la construccin, revestimiento y servicio de los

hornos de alta coccin se plantean exigencias de consideracin.

38

Para conseguir en lo posible un montaje de ladrillos sin que existan separaciones en las juntas, algunos de los

productos refractarios se tienen que someter a un proceso de rectificado despus de la coccin. Vienen al caso

por ejemplo los ladrillos para crisoles de fusin de vidrio, ladrillos de magnesia para mezcladores y otros

similares.

El tiempo global de fabricacin para ladrillos refractarios cocidos que en funcin del formato y tipo de coccin

dura entre 10 das y 15 semanas, no es idntico en lo relacionado al plazo de entrega, ya que esta circunstancia

depende como se sobreentiende de la existencia de pedidos de la fbrica suministradora.

3.6.2.- Sinterizacin.

Debido a su alto punto de fusin, dureza y fragilidad, los componentes cermicos no pueden ser fabricados

por los procesos que se usan para los metales y polmeros.

La sinterizacin es el proceso de tratamiento trmico (Coccin), con o sin aplicacin de presin externa, de un

sistema de partculas individuales (metlicas, cermicas, polimricas) en forma de un aglomerado poroso

compacto (previamente conformado), con el objeto de transformarlo en un producto denso (Reduccin de la

porosidad intra e interparticular, tendiendo a que sea nula) y resistente, como resultado de la unin entre

las partculas adyacentes del material, sin que se llegue a la fusin total. El proceso conduce a una

reduccin de la superficie especfica del slido.

La unin de las partculas se produce a una temperatura suficiente (T < TF) para estimular los mecanismos de

transporte de masa.

La sinterizacin puede ocurrir con la presencia o ausencia de una fase lquida. En el primer caso, se denomina

sinterizacin en presencia de fase lquida, donde las composiciones y temperaturas de calentamiento son

elegidas de tal forma que se origine un lquido durante el procesamiento. En ausencia de una fase lquida, el

proceso se denomina sinterizacin en estado slido.

Tal definicin del proceso de sinterizacin engloba los siguientes hechos o fenmenos, de forma explicita o

implcita:

(a).- Necesidad de energa trmica (temperatura) para que el sistema evolucione (activacin trmica).

(b).- Se produce un aumento de cohesin por formacin de puentes o cuellos entre las partculas, que llegan a

"soldarse" en estado slido unas a otras (solid-state sintering o diffusion bonding), como puede apreciarse en la

figura 3.6.2.1..

Figura 3.6.2.1.- Formacin de cuellos debido a la sinterizacin.

39

(c).- Se opera un proceso de densificacin que elimina progresivamente la porosidad inicial.

(d).- Las partculas individuales que integran, inicialmente el sistema, pueden ser de la misma diferente

naturaleza.

(e).- La sinterizacin, para llevarse a cabo, no necesita del concurso de una presin externa aplicada, pero,

eventualmente, con objeto de acelerar el proceso, pudiera hacerse use de ella (pressure sintering).

(f).- Aunque el vocablo sinterizacin implica que, al menos, exista una fase slida, durante el tratamiento

trmico, es posible (y muchas veces deseable necesario) la presencia de una fase liquida, de modo

transitorio (liquido reactivo) permanente (liquido de equilibrio) durante el proceso.

(g).- Al final de la sinterizacin, el sistema no tiene porque haber alcanzado el estado de energa libre mnima

pero, indefectiblemente, se encuentra mas cerca de el que al principio.

Los cambios que tienen lugar durante el proceso de sinterizacin son:

(1).- Reduccin de la energa interna del sistema de partculas inicial. Este tiende hacia un estado de equilibrio

que le confiere una estabilidad de forma y dimensiones.

(2).- Disminucin de un modo importante de la porosidad inicial (cambios en la forma, tamao y distribucin de

los poros) (Figura 3.6.2.2). Formacin de fronteras de grano y nexos de unin entre las partculas

individuales.

(3).- Crecimiento de grano (cristal), con posibles recristalizaciones (cambios en el tamao y la forma de los

granos (cristales)).

(4).- Cristalizacin o vitrificacin parcial.

(5).- Difusin en estado slido, lquido o gaseoso.

(6).- Cambios de fase.

(7).- Variacin de las propiedades fsicas (resistencia mecnica, conductividad trmica, traslucencia, etc)

Figura 3.6.2.2.- Cambios en la forma y tamao de los poros durante el proceso de sinterizacin

40

En la coccin de los productos refractarios, paralelamente a las reacciones qumico-fsicas que en ella se

desarrollan, que dan lugar a la formacin de nuevas fases cristalinas y vtreas, tiene lugar una serie de

cambios microestructurales de la pieza. El cambio en la forma y tamao de los poros es uno de los ms

importantes, ya que gran parte de las propiedades fsicas del producto cocido son dependientes de este

parmetro (resistencia mecnica, resistencia al choque trmico, resistencia a las heladas, expansin por

humedad, etc.).

Para aumentar el valor de algunas de las propiedades, es deseable eliminar tanta porosidad como sea posible,

lo que se consigue durante el tratamiento trmico, mediante la transferencia de materia de unas partes a otras

del compacto poroso y mediante la disminucin de volumen.

Energas motrices de la sinterizacin.

Para que cualquier sistema, homogneo o heterogneo, evolucione (por ejemplo, un material pulverulento y poroso

de lugar a un producto sinterizado), deber existir una energa motriz (driving force) que lo impulse hacia otro

estado de energa mas pequea (vese mnima) y, por tanto, de mxima estabilidad termodinmica.

Como ocurre con otros procesos irreversibles, la sinterizacin esta acompaada por una disminucin de la

energa libre del sistema. Las fuentes que dan lugar a dicha disminucin se denominan las fuerzas motrices

para la sinterizacin. Son posibles tres fuerzas motrices (Figura 3.6.2.3):

1.- La curvatura de la superficie de las partculas

2.- La aplicacin de una presin externa,

3.- Una reaccin qumica.

La energa (fuerza) motriz, puede variar a lo largo del proceso. Parece lgico pensar que la fuerza impulsora

para la formacin de puentes entre las partculas, que opera durante las primeras etapas de la sinterizacin, ser

de diferente naturaleza a la que opera con objeto de eliminar la porosidad residual en el interior de los granos o

partculas ya "soldadas", o a la que hace posible una transformacin alotrpica en el calentamiento (por ejemplo, del

cuarzo en tridimita y en cristobalita respectivamente) o una transformacin por cizallamiento en un

enfriamiento de no equilibrio (por ejemplo, de la cristobalita en cristobalita ). De modo que varios tipos de fuerzas impulsoras pueden intervenir sucesiva o simultneamente durante el proceso de sinterizacin.

La fuerza conductora global para la sinterizacin tiene su origen en la reduccin de la energa libre total

TG del sistema,

T V B SG G G G = + + (3.6.2.1)

donde VG , BG , y SG representan el cambio en la energa libre asociado con el volumen, bordes y superficies de los granos, respectivamente. La fuerza conductora principal en la sinterizacin convencional es

SG S = (reduccin de la energa libre del slido a travs de la eliminacin de energa de exceso de superficie.), pero los otros trminos pueden ser significativos en ciertos estados para algunos

sistemas materiales.

Si se considera el proceso inverso de incremento de la superficie especfica de un slido, por

ejemplo mediante fractura y subdivisin de las partculas constituyentes, resulta evidente que para

esta operacin se necesita un aporte energtico, que se invierte en romper enlaces entre las entidades

inicas, atmicas o moleculares constituyentes del slido. Esta es, precisamente, la energa que se

libera en el proceso de reduccin de superficie especfica.

41

Figura 3.6.2.3.- Diagrama esquemtico que ilustra las tres fuerzas motrices principales en la sinterizacin:

energa superficial, la presin aplicada, y la reaccin qumica.

Los distintos mecanismos de transferencia de materia propuestos para explicar el proceso de sinterizacin

(Formacin de cuellos de unin o soldadura interparticular), segn la forma en que se transfiere la materia, se

clasifican en:

Tipo sinterizacin Mecanismo de transporte de materia Fuerza motriz.

Fase vapor Evaporacin condensacin Exceso de presin

(Diferencias en la presin

vapor)

Fase slida Difusin Exceso de vacantes

Fase lquida Difusin y flujo viscoso Exceso de energa

Superficial.

Fase lquida reactiva Flujo viscoso y solucin precipitacin Exceso de energa

Superficial

Todos son procesos trmicamente activados y la relevancia particular de cada uno de ellos depende de la

naturaleza qumica del slido y de la temperatura a la que se realice el proceso. El flujo viscoso (o plstico)

se facilita mediante la aplicacin simultnea de presin y temperatura.

42

As mismo, en la tabla 3.6.2.1 y en la figura 3.6.2.4 pueden verse, ms detalladamente, los mecanismos de

transporte de materia en estado slido por difusin, alternativos al mecanismo de evaporacin

condensacin.

Tabla 3.6.2.1.- Mecanismos de transporte de materia en estado slido po r di fusin, al ternativo al de

evaporacin-condensacin.

N

Mecanismo

Mecanismo

de transporte

Origen de

Mate r i a

Destino de la

Materia

Contraccion

(Eliminacion

de Porosidad)

1

Difusion superficial

Superficie

Puente de union

NO

2

Difusin a travs de

la red cristalina

(VOLUMEN)

Superficie

Puente de union

NO

3

Difusin a travs de

las juntas de grano

(INTERGRANULAR)

Junta de

grano

Puente de union

S I

4

Difusion a travs de

la red cristalina

(VOLUMEN)

Junta de

grano

Puente de unin

S I

5

Diffusion a travs de

la red cristalina

(VOLUMEN)

Dislocaciones

Puente de unin

SI

Es importante apreciar, en principio, que cualquier mecanismo en que la fuente de materia sea la superficie de

las partculas y el sumidero el rea del cuello no puede conducir a densificacin, porque tal mecanismo no

permite que los centros de las partculas se acerquen. Consecuentemente, los mecanismos de evaporacin-

condensacin, difusin superficial, y difusin en red de la superficie al rea del cuello no puede conducir a

densificacin. Estos, sin embargo, resultan en un cambio en la forma de los poros, un crecimiento en el

tamao del cuello, y un incremento simultaneo en la resistencia del compacto.

Por otra parte, los granos ms pequeos, con sus radios de curvatura ms pequeos, tendern a evaporarse y

recubrir a las partculas ms grandes, resultando en un engrosamiento de la microestructura.

Terica y experimentalmente se ha podido comprobar que la difusin superficial es el mecanismo mas

importante durante los primeros estados de la sinterizacin (recordemos que mediante este mecanismo solo

crece el rea del cuello entre las partculas sin afectar a la contraccin y a la porosidad. Por su parte, la difusin

en volumen y la difusin intergranular se van hacienda ms efectivas conforme avanza la sinterizacin.

43

Figura 3.6.2.4.- Mecanismos de transporte de materia durante las etapas de la sinterizacin.

Seis mecanismos distintos pueden contribuir a la sinterizacin de una masa consolidada de partculas

cristalinas: (1).- la difusin superficial, (2).- la difusin de red desde la superficie, (3).- el transporte de

vapor, (4).- la difusin por el lmite de grano, (5).- la difusin de red por el lmite de grano, (6).- el flujo

plstico. Solamente los mecanismos 4 a 6 producen densificacin, pero todos causan el crecimiento de los

cuellos y tienen influencia sobre la velocidad de densificacin.

44

En la figura 3.6.2.5 puede verse en detalle el mecanismo de difusin a travs de las juntas de grano del

puente formado hacia el hueco (Poro), que van rellenado. Las juntas de grano, desde el punto de vista

atmico, son partes debiles y la difusin tiene lugar con ms facilidad, por lo que este mecanismo es el

ms efectivo. Debido a que se elimina materia de las juntas de grano las partculas de aproximan y, por

tanto, tiene lugar una densificacin.

Figura 3.6.2.5.- Mecanismo de transporte de materia junta de grano hueco.

Cada mecanismo puede operar solo o en combinacin con otros, al objeto de acelerar y aumentar la

densificacin del sistema aglomerado poroso. El que uno o varios de estos mecanismos contribuyan en forma

apreciable al proceso de sinterizacin depende de las velocidades relativas de cada uno de estos.

Una de las diferencias mas significativas entre los distintos mecanismos es que la transferencia de materia de la

superficie de la partcula por difusin superficial, difusin en volumen y evaporacin - condensacin, no reduce la

distancia entre los centros de las partculas; por lo que las dimensiones y la porosidad de la muestra no cambian a

lo largo de todo el proceso, es decir, solo vara la forma de los poros. A diferencia de estos mecanismos la

sinterizacin por los mecanismos de flujo viscoso, deformacin plstica, difusin intergranular y difusin en volumen

del interior del grano, adems de cambiar la forma de los poros, varan la porosidad y las dimensiones de la

pieza que sinteriza.

El estudio de los mecanismos de sinterizacin nos permitir obtener las ecuaciones cinticas del proceso y la in-

fluencia de las distintas variables que lo afectan. Para ello necesitaremos recurrir a modelos ms o menos simplificados

que nos permitan disminuir las dificultades de carcter geomtrico que entraara el tratamiento de sistemas

reales.

La cintica de la sinterizacin es ms compleja que determinar slo el mecanismo de transporte ms rpido,

debido a que depende adems de muchas variables, que incluyen el tamao y empaquetamiento de las

partculas, la atmsfera de sinterizacin, el grado de aglomeracin, la temperatura, y la presencia de

impurezas.

Por simplicidad, el anlisis se limita a un modelo de dos esferas de gran radio inicialmente tangentes y que

progresivamente, al avanzar la sinterizacin y crecer el cuello, se vuelven secantes. Este modelo se utiliza en las

etapas iniciales e intermedias de la sinterizacin. En la etapa final (formacin de porosidad cerrada) el sistema se

representa por un conjunto de poros esfricos y de igual tamao incluidos en el interior del material.

45

Sinterizacin en fase vapor. Mecanismo de evaporacin - condensacin.

La sinterizacin en fase vapor solo es importante en procesos efectuados a elevada temperatura, prxima a la de

fusin de las partculas que constituyen el aglomerado poroso.

La fuerza motriz de este mecanismo de sinterizacin, es decir la tendencia a la transferencia de materia en

fase vapor, reside en las diferentes curvaturas de las superficies y, por tanto, en las diferencias de presin de

vapor en las distintas partes del sistema de polvos (superficies curvas cncavas y convexas).

Conforme se indica en la figura 3.6.2.6, existe un transporte de materia, en fase vapor, desde la superficie de

las partculas con curvatura convexa (Superficie de la esfera) donde:

( ) 2e

Pr

= ( > 0)

hacia las zonas de contacto de las mismas (zona de formacin de puentes) con curvatura cncava donde:

( )c

P

= (< 0)

Cuanto mas pequeas son las partculas, mayor es la fuerza motriz para la sinterizacin en fase vapor. En la

tabla 3.6.2.2. se recoge, en funcin del tamao de las partculas que constituyen el aglomerado, el incremento

de la presin de vapor en sistemas de alumina y magnesia respectivamente.

Tabla 3.6..2.2.- Incremento de la presin de vapor en sistemas de almina y magnesia

( P )e = 2r

2 3Al O = 900 erg/cm2 , MgO = 1100 erg/cm2

r (m) 0.1 1 10 100

( P ) Al2O3

180 atmsferas 18 atmsferas 1.8 atmsferas 0.18 atmsferas

( P )MgO 240 atmsferas 24 atmsferas 2.4 atmsferas 0.24 atmsferas

Es importante hacer notar que la sinterizacin en fase vapor cambia la forma de los poros pero no su volumen.

Enlaza "qumicamente" las partculas, aumentando la resistencia del aglomerado, pero no produce su

densificacin por contraccin de la masa porosa. Por lo tanto, debern existir mecanismos complementarios de

transporte de materia o de poros hacia la superficie externa del aglomerado, que hagan posibles su

densificacin.

La ecuacin cintica del proceso se obtendr igualan do la velocidad de condensacin en el cuello con el

aumento de volumen de este. La transferencia de materia en fase vapor (evaporacin - condensacin) es

importante solo para unos pocos sistemas. Sin embargo, es el mecanismo ms simple de tratar

cuantitativamente.

46

Figura 3.6.2.6.- Mecanismo de sinterizacin en fase vapor por evaporacin condensacin.

La velocidad de condensacin en la superficie del cuello es proporcional a la diferencia de presin entre la

superficie del cuello y la superficie de la partcula, y viene dada por la ecuacin de Langmuir:

12

2

Mm P

RT

pi =

2.

g

cm s

(3.6.2.1)

donde:

m = Flujo de materia por unidad de superficie 2 .

g

cm s

= Coeficiente de acomodacin, que, aproximadamente vale 1. P = diferencia de presin de vapor entre la superficie del cuello y la superficie de la partcula que puede

considerarse plana

o mP VPRT

= y como mM

Vd

= (M = Peso molecular del vapor) , oP M

PRTd

= (3.6.2.2)

Por otra parte, la velocidad de condensacin sobre la superficie S del cuello es igual a la acumulacin de

materia en el cuello, dV

dt esto es:

mdA dV

d dt=

3cm

s (3.6.2.3)

De la geomet.ra de las dos esferas en contacto (Figura 3.6.2.7) , se obtienen para el radio (p), el area (A) y

volumen del cuello, V (Volumen de material transportado al cuello), las siguientes expresiones:

47

2

2

x

r ,

2 3xA

r

pi ,

4

2

xV

r

pi (4.2.4)

Se asume que el cuello formado entre las partculas es circular con un radio x y con una superficie que tiene

una seccin transversal circular con una r de radio. Una seccin transversal circular para la superficie de

cuello es equivalente a la suposicin de que la energa de lmite de grano es nula.

Figura 3.6.2.7.- Modelo geomtrico inicial de la sinterizacin de dos esferas en contacto (tangentes)

No existe densificacin.

siempre que 0.3x

r

donde :

2 xpi = Longitud de la circunferencia que describe el arco de semicircunferencia pi = Longitud de la semicircunferencia

48

Sustituyendo en la ecuacin (3.6.2.3) las ecuaciones (3.6.2.1) , (3.6.2.2) y (3.6.2.4), se obtiene:

1

2

2

MP

RTpi

2 3x

dr

pi =

4

2

d x

dt r

pi

, oP M

RTd

12

2

M

RTpi

2 3x

dr

pi =

4

2

d x

dt r

pi

2

2

oP M

xRT d

r

12

2

M

RTpi

2 3x

dr

pi =

4

2

d x

dt r

pi

operando se llega a:

2x dx =

12

2

M

RTpi 2

or P M

RTd

pi dt

(3.6.2.5)

integrando (3.6.2.5), se llega a la ecuacin cintica:

2

0

x

x dx = 1

2

2

M

RTpi 2

or P M

RTd

pi t

odt

3

3

x =

12

2

M

RTpi 2

or P M

RTd

pi t ,

3

3

x

r = 3

12

2

M

RTpi 2 2

oP M

RTd r

pit

de donde:

32 2 1

0 3 3

3 322 2

3

2

M Pxr t

rR T d

pi =

(3.6.2.6)

La expresin (3.6.2.6) nos relaciona el diametro (x) de la superficie de contacto entre las partculas (cuello) con las

variables que le afectan. Predice que la velocidad de la regin del cuello:

(1).- es inicialmente bastante rpida pero luego disminuye,

(2).- es fuertemente dependiente del tamao de partcula inicial, y

(3).- es dependiente de la presin parcial 0 .S PLANAP P= del compuesto, que a su vez depende exponencialmente

de la temperatura.

As, las principales variables, adems del tiempo, que afectan a la sinterizacin por este mecanismo son: el

radio inicial de la partcula (velocidad proporcional 23

1

r) y la presin de vapor (velocidad proporcional

13

oP ).

La importancia de la determinacin de x radica en que la resistencia mecnica, conductividad trmica y elctrica y

otras propiedades del sistema, estn relacionadas con el valor del parametro x

r.

49

En la figura 4.2.3 se ha representado x

r en funcin del tiempo de sinterizacin, en escala lineal y logaritmica para

el ClNa a 725C. Se observa una disminucin de la velocidad de crecimiento de cuellos x

r

con el tiempo de

sinterizacin como predice la ecuacin cintica.

Figura 4.2.3.- Representacin lineal (a) y doble logaritmica (b) del crecimiento del cuello entre partculas

esfricas de cloruro sdico a 275C.

La sinterizacin en funcin el tiempo sigue un curso decelerado, donde tratamientos trmicos muy

prolongados suponen un pequeo efecto adicional. De hecho, al cabo de un cierto tiempo se llega a una

situacin, prcticamente, de equilibrio donde se mejora muy poco la compacidad del material.

Si se observan los cambios en la estructura que tienen lugar en la sinterizacin por este mecanismo, aparece

claramente que la distancia entre los centros de las partculas (Figura 3.6.2.6) no cambia, y por tanto no tiene lugar

una contraccin de la pieza ni una reduccin de la porosidad total de la misma, solo cambia la forma de los

poros. Este cambio de forma de los poros puede tener una apreciable influencia sobre las propiedades, pero

no afecta a la densidad.

Debido a que la presin de vapor aumenta exponencialmente con la temperatura, la sinterizacin par este

mecanismo es altamente dependiente de la temperatura.

Son, por tanto, el tamao de partcula inicial y la temperatura de coccin (que fija la presin de vapor) para un

material determinado, las variables que fundamentalmente controlan el proceso. Actuando sobre estos

factores se puede controlar la marcha del proceso. La sinterizacin puede acelerarse disminuyendo

el tamao de las partculas iniciales (r0) o aumentando la temperatura. En el primer caso se aumenta la

energa libre molar de superficie, que depende directamente del rea especfica de la interfase

slido-gas un aumento de temperatura provoca una elevacin exponencial de la presin de vapor

(P0), y, por consiguiente, un aumento de la velocidad de sinterizacin.

La transferencia de materia en fase vapor, requiere que los materiales se calienten a una temperatura

suficientemente alta para que la presin de vapor sea apreciable.

Para tamaos de partcula del orden de 1 m las presiones de vapor requeridas son de 10-4 a 10-4 atmsferas. Presiones ms altas que stas se encuentran usualmente durante la sinterizacin de xidos y otros sistemas cermicos.

50

Cuando operan otros mecanismos de transporte de materia, la expresin cintica de la

velocidad de sinterizacin viene afectada de distintos coeficientes, pero las consecuencias finales son

todava vlidas: mayor temperatura y mayor grado de subdivisin favorecen el proceso. E l