rea del tornillo
debe sersuficientemente alta. Los tornillos deben estar suficientemente pulidos para facilitar el deslizamiento. Para alcanzar presiones más altas pueden usarse tornillos de mayor tamaño o convergentes. El número de hilos del tornillo controla el número de columnas de alimentación desplazadas.
Figura 3.4.12.- Variación de la presión en las distintas zonas del tornillo de la maquina de extrusión.
Un ángulo de la hélice de mayor valor aumenta la velocidad de transporte, pero reduce la presión de empuje de compresión sobre el material. Los ángulos de hélice, comúnmente, usados están dentro del intervalo de 20- 25 º.
La relación requerida entre el diámetro del tornillo y del producto aumenta cuando lo hace la tensión de fluencia del material y cuando aumenta el área de fricción del dado de sección constante. Calentando o enfriando el material puede modificarse su adhesión sobre la superficie metálica 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.
3.5.- Secado.
Las piezas conformadas, en general, deberán someterse a un proceso de secado una vez conseguida su configuración al objeto de desprenderse del agua aportada para este menester o de otras materias líquidas dependientes del proceso de fabricación. Solamente las piezas moldeadas completamente secas pueden cocerse sin peligro de agrietamient os.
El secado tiene por objeto eliminar el agua libre, no combinada, contenida en la pasta cruda e incorporada durante la preparación de las materias primas. La necesidad e importancia de esta operación, previa a la cocción, esta en consonancia con el porcentaje de humedad de la pasta. Es por tanto particularmente relevante en las masas plásticas de arcilla y, por el contrario, es innecesaria en la preparación de masas prensadas en seco o aglomeradas químicamente.
El agua libre de la pasta puede diferenciarse, en agua de poro y agua intergranular. La primera rellena los espacios huecos entre las partículas del agregado, sin contribuir al volumen total aparente de la masa. La segunda recubre las partículas granulométricas base, y añade su volumen al total. La eliminación por secado del agua intergranular afecta pues al volumen de la pieza verde, en tanta mayor cuantía cuanto más próxima sea la humedad inicial al punto de saturación. Este fenómeno explica la contracción de las pastas húmedas o verdes, en particular de las arcillosas, durante la operación de secado y la nula contracción de las p astas secas.
El agua de poro debe eliminarse a temperaturas próximas a la de ebullición. Si su extracción se efectúa durante la cocción, la elevada temperatura superficial de la pieza y su pequeña conductividad térmica dará lugar a que la porción final de humedad sea eliminada a través de una capa sinterizada del material, lo que originará un mayor porcentaje de porosidad abierta en la pieza cocida. La operación de secado, como fase previa de la cocción, se justifica pues, al objeto de que el material absorba la fuerte contracción térmica inicial, de forma lenta y homogénea, evitando la aparición de fisuras, y en razón de obtener la mínima porosidad abierta.
En el curso del secado la resistencia mecánica de la pieza crece moderadamente debido a la fijación sobre la superficie de los granos, coloides e iones en suspensión o disolución, respectivamente, lo que contribuye a cohesionarlos. En las masas fraguadas o aglomeradas químicamente una parte del agua de amasado se incorpora coso agua de composición a la matriz intergranular y en tal caso su secado y cohesionado tiene lugar a temperatura ambiente.
El proceso de secado se efectúa normalmente a temperatura ligeramente superior a. 100 ºC, en secadores tipo túnel de producción continúa, por lo que la operación de secado se concatena dentro del proceso general de tratamiento térmico en régimen de recuperación de calor sensible. Los conductos del gas caliente se disponen bajo la solera del secadero y por tanto separados de la carga. Por la cámara 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 características del proceso de eliminación del agua de la masa. El mecanismo de secado es consecuencia de la forma de presentación del agua en la pasta: (agua intergranular y de poro), hecho que gobierna su extracción y que permite distinguir dos subetapas de secado. En tanto exista agua intergranular, es decir, entre el punto de saturación y el punto crítico de humedad, el agua superficial de la pieza estará en comunicación con el agua interna. Por debajo del punto crítico no ocurre así y la humedad interna estará desconectada de la superficie.
Al comienzo del secado la película de agua intergranular va progresivamente adelgazándose y la contracción de la pasta es homogénea. La pérdida 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 crítico, el transporte del agua hacia la superficie se hace más difícil, ya que opera por capilaridad o por difusión gaseosa, y por tanto la velocidad intrínseca de secado es más lenta. Para que la pérdida de humedad sea homogénea interesa que la pieza alcance una temperatura uniforme y que por tanto no exista apenas gradiente térmico en la masa,
lo cual se favorece con una atmósfera próxima a la saturación de vapor. En esta segunda subetapa la contracción del material es pequeña o nula.
En la figura 3.5.1 se muestra la curva de velocidad intrínseca de secado y la contracción del material.
Figura 3.5.1.- Curva de velocidad intrínseca de secado y la contracción del materia
Los ladrillos de tamaños grandes como son, por ejemplo, los utilizados para los crisoles de fusión de vidrio, placas de asiento y otros similares, se secan por el método de humedad controlada. Los ladrillos prens ados se someten en cámaras o túneles de secado a la influencia del calor procedente de los hornos de cocción, utilizando este calor de una manera racional. En las modernas instalaciones de fábricas, los ladrillos prensados en verde se colocan delante de la prensa directamente sobre la vagoneta del horno túnel para que una vez secos en el canal de secado sean introducidos en el horno túnel. Este procedimiento no solo contribuye a un ahorrote costes, sino que se evitan además los deterioros por
manipulación. 3.6.- Cocción.
3.6.1.- Introducción.
La cocción es sin duda la etapa más delicada del proceso de fabricación ya que condiciona las propiedades más importantes y específicas del producto final. Los parámetros básicos de la cocción son la temperatura, el tiempo de tratamiento y la velocidad de calentamiento y enfriamiento.
La temperatura de cocción debe ser como mínimo igual a la de utilización del material, ya que de no ser así ciertos fenómenos que se operan durante su trascurso tendrán lugar en el horno de forma incontrolad e indeseada. Tal es el caso, fundamentalmente, de la variación permanente de dimension es de la pieza.
Los procesos que se desarrollan durante la cocción son complejos y dependen de cada material en particular. En general, se puede decir que la cocción da lugar a los siguientes efectos:
1.- Transformaciones cristolográficas o cambios de fase en estado sólido, con aparición de especies estables a elevada temperatura que deben mantenerse o hacerse reversibles en lo posible al enfriar el material, y recristalizaciones.
2.- Descomposición térmica de minerales hidratados (hidróxidos, agua de composición, etc), carbonatos, sulfuros, material orgánicas, etc.
3.- Sinterización de los granos cristalinos bien mediante formación de fases vítreas intercristalinas directas o procedentes de la matriz de aglomeración.
La descomposición térmica de los minerales y las transformaciones cristalográficas tienen lugar en su mayor parte durante el proceso de calentamiento. Como estos fenómenos llevan aparejados, o bien una pérdida de masa, o bien una variación de densidad en las fases cristalinas involucradas, dan lugar a
contracciones o en su caso dilataciones permanentes que deben ser absorbidas lo más homogeneamente por el material, ello obliga, en la generalidad de los casos, a que el calentamiento sea progresivo y adecuado al comportamiento físico-químico de la materia.
Algunas transformaciones cristalinas y recristalizaciones operan lentamente o bien tienen lugar con retraso a temperaturas superiores a su punto de transformación, lo que obliga a mantener el material a la temperatura de cocción al tiempo suficiente para que se alcance un grado práctico de estabilización, o bien incorporarle ciertos compuestos mineralizadores.
La sinterización y vitrificación de los granos cristalinos y de la matriz intercristalina tiene lugar principalmente a las máximas temperaturas y es función así mismo del tiempo de permanencia en ellas. La vitrificación depende así mismo de las impurezas que acompañen a las fases cristalinas. Un aumento excesivo de la temperatura de cocción o del tiempo de cocción por encima de sus valores óptimos, pueden ser por este motivo perniciosos, ya que la vitrificación del material, debe ser la mínima compat ible con una adecuada textura y compacidad del material.
La velocidad de enfriamiento debe ser en principio la que permita el comportamiento físico-químico d e l material ya que interesa retener las fases de alta temperatura en estado metaestable. En el caso de especies fácilmente reversibles y que presentan una variación 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 transformación.
Los hornos modernos de cocción de refractarios son tipo túnel y marcha continua (Figura 3.6.1.1). Los rasgos básicos del horno consisten en una cámara alargada a lo largo de la cuál circula la carga a cocer, dispuesta sobre una mesa móvil o sobre vagonetas. E l calentamiento del horno se efectúa mediante mecheros de gas laterales y la temperatura se gradúa por zonas, mediante recirculación de los gases.
Figura 3.6.1.1.- Vista y sección de un horno túnel.
A zona de precalentamiento, B zona de cocción, C zona de enfriamiento.
1.- anclaje del horno, 2.- conducto de aire para los quemadores, 3.- bóveda del horno, 4.- junta de laberinto, 5.- canal de arena, 6.- vía del horno, 7.- canal de visita,
L a cocción es la operación más costosa del proceso de fabricación de refractarios y por ello es importante una alta eficiencia térmica del horno a utilizar. El horno túnel permite un alto grado de regeneración de calor y por ello se ha ido generalizando su uso en las modernas instalaciones de producción.
Las temperaturas de cocción se clasifican en función de los grupos de materias más importantes en la escala siguiente:
Ladrillos de chamota: 1250 - 1500 °C Ladrillos de sílice: 1450 - 1500 °C Ladrillos aluminosos: 1500 - 1800 °C Ladrillos de magnesia: 1500 - 1800 °C
El tiempo total de cocción, incluyendo el precalentamiento y el enfriamiento comprende entre los 3 días en horno túnel y unas 3 semanas en los hornos anulares e individuales. No obstante, no se puede deducir al respecto que los hornos individuales estén ya superados técnicamente; para la cocción de determinados tipos y formatos de ladrillos se hacen imprescindibles los mencionados hornos.
El consumo de calor por kg de ladrillo para la cocción en hornos túnel 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 corindón de alta cocción
El consumo de calor en hornos individuales y anulares se dispara a la misma temperatura entre un uno y medio y el triple según la clase de ladrillo sometido a proceso. Se pueden utilizar como fuentes de calor casi toda clase de combustibles: carbón, fuel-oil, gas de ciudad, gas natural, gas líquido. El carbón como combustible tiene poca demanda hoy en día para los equipos de cocción de cerámica. Las fuentes más importantes para el calentamiento son los combustibles líquidos y gaseosos.
Durante la cocción la llama deberá rodear en lo posible a todo el ladrillo, con el fín de que se produzca uniformemente la sinterización prevista. Es necesario que el encañe de la vagoneta del horno túnel se efectúe con todo el cuidado.
La duración de la cocción no depende exclusivamente del tipo de horno, sino que influye también la clase de ladrillo en cuestión, debiendo tener presente esta circunstancia al manejar el horno. Deberá tenerse en cuenta además si la cocción ha de efectuarse en atmósfera oxidante o reductora.
En este sentido, la cocción de los ladrillos de carburo de silicio por ejemplo deberá efectuarse en proceso oxidante hasta alcanzar una temperatura determinada, ya que de lo contrario, tendría como consecuencia la formación de núcleos de carbono, lo que representa una reducción en la calidad
.
En los últimos tiempos, se someten a cocción los ladrillos de alta calidad a temperaturas que alcanzan hasta los 1800 °C. Las materias primas básicas utilizadas para fabricar dichos ladrillos básicos como es la magnesia y el mineral de cromo o las aluminosas como son el corindón o la mullita, tienen un punto de fusión muy elevado con un contenido bajo en impurezas.
Por la alta cocción se produce el aglomerado de las materias primas de alta calidad, denominado también como aglomerado directo, ya que los cristales de los óxidos de elevado punto de fusión se sinterizan mutuamente en la mayoría de los casos sin interposición de silicatos. En la construcción, revestimiento y servicio de los hornos de alta cocción se plantean exigencias de consideración.
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 después de la cocción. Vienen al caso por ejemplo los ladrillos para crisoles de fusión de vidrio, ladrillos de magnesia para mezcladores y otros
similares.
El tiempo global de fabricación para ladrillos refractarios cocidos que en función del formato y tipo de cocción dura entre 10 días y 15 semanas, no es idéntico en lo relacionado al plazo de entrega, ya que esta circunstancia depende como se sobreentiende de la existencia de pedidos de la fábrica suministradora.
3.6.2.- Sinterización.
Debido a su alto punto de fusión, dureza y fragilidad, los componentes cerámicos no pueden ser fabricados por los procesos que se usan para los metales y polímeros.
La sinterización es el proceso de tratamiento térmico (Cocción), con o sin aplicación de presión externa, de un sistema de partículas individuales (metálicas, cerámicas, poliméricas) en forma de un aglomerado poroso compacto (previamente conformado), con el objeto de transformarlo en un producto denso (Reducción de la porosidad intra e interparticular, tendiendo a que sea nula) y resistente, como resultado de la unión entre las partículas adyacentes del material, sin que se llegue a la fusión total. El proceso conduce a una reducción de la superficie específica del sólido.
La unión de las partículas se produce a una temperatura suficiente (T < TF) para estimular los mecanismos de transporte de masa.
La sinterización puede ocurrir con la presencia o ausencia de una fase líquida. En el primer caso, se denomina sinterización en presencia de fase líquida, donde las composiciones y temperaturas de calentamiento son elegidas de tal forma que se origine un líquido durante el procesamiento. En ausencia de una fase líquida, el proceso se denomina sinterización en estado sólido.
Tal definición del proceso de sinterización engloba los siguientes hechos o fenómenos, de forma explicita o implícita:
(a).- Necesidad de energía térmica (temperatura) para que el sistema evolucione (activación térmica).
(b).- Se produce un aumento de cohesión por formación de puentes o cuellos entre las partículas, que llegan a "soldarse" en estado sólido unas a otras (solid-state sintering o diffusion bonding), como puede apreciarse en la figura 3.6.2.1..
(c).- Se opera un proceso de densificación que elimina progresivamente la porosidad inicial.
(d).- Las partículas individuales que integran, inicialmente el sistema, pueden ser de la misma ó diferente naturaleza.
(e).- La sinterización, para llevarse a cabo, no necesita del concurso de una presión externa aplicada, pero, eventualmente, con objeto de acelerar el proceso, pudiera hacerse use de ella (pressure sintering).
(f).- Aunque el vocablo sinterización implica que, al menos, exista una fase sólida, durante el tratamiento térmico, es posible (y muchas veces deseable ó necesario) la presencia de una fase liquida, de modo transitorio (liquido reactivo) ó permanente (liquido de equilibrio) durante el proceso.
(g).- Al final de la sinterización, el sistema no tiene porque haber alcanzado el estado de energía libre mínima pero, indefectiblemente, se encuentra mas cerca de el que al principio.
Los cambios que tienen lugar durante el proceso de sinterización son:
(1).- Reducción de la energía interna del sistema de partículas inicial. Este tiende hacia un estado de equilibrio que le confiere una estabilidad de forma y dimensiones.
(2).- Disminución de un modo importante de la porosidad inicial (cambios en la forma, tamaño y distribución de los poros) (Figura 3.6.2.2). Formación de fronteras de grano y nexos de unión entre las partículas individuales.
(3).- Crecimiento de grano (cristal), con posibles recristalizaciones (cambios en el tamaño y la forma de los granos (cristales)).
(4).- Cristalización o vitrificación parcial.
(5).- Difusión en estado sólido, líquido o gaseoso. (6).- Cambios de fase.
(7).- Variación de las propiedades físicas (resistencia mecánica, conductividad térmica, traslucencia, etc)
En la cocción de los productos refractarios, paralelamente a las reacciones químico-físicas que en ella se desarrollan, que dan lugar a la formación de nuevas fases cristalinas y vítreas, tiene lugar una serie de cambios microestructurales de la pieza. El cambio en la forma y tamaño de los poros es uno de los más importantes, ya que gran parte de las propiedades físicas del producto cocido son dependientes de este parámetro (resistencia mecánica, resistencia al choque térmico, resistencia a las heladas, expansión 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 térmico, mediante la transferencia de materia de unas partes a otras del compacto poroso y mediante la disminución de volumen.
Energías motrices de la sinterización.
Para que cualquier sistema, homogéneo o heterogéneo, evolucione (por ejemplo, un material pulverulento y poroso de lugar a un producto sinterizado), deberá existir una energía motriz (driving force) que lo impulse hacia otro estado de energía mas pequeña (veáse mínima) y, por tanto, de máxima estabilidad termodinámica.
Como ocurre con otros procesos irreversibles, la sinterización esta acompañada por una disminución de la energía libre del sistema. Las fuentes que dan lugar a dicha disminución se denominan las fuerzas motrices para la sinterización. Son posibles tres fuerzas motrices (Figura 3.6.2.3):
1.- La curvatura de la superficie de las partículas 2.- La aplicación de una presión externa,
3.- Una reacción química.
La energía (fuerza) motriz, puede variar a lo largo del proceso. Parece lógico pensar que la fuerza impulsora para la formación de puentes entre las partículas, que opera durante las primeras etapas de la sinterización, será
de diferente naturaleza a la que opera con objeto de eliminar la porosidad residual en el interior de los granos o partículas ya "soldadas", o a la que hace posible una transformación alotrópica en el calentamiento (por ejemplo, del cuarzo en tridimita y en cristobalita respectivamente) o una transformación por cizallamiento en un enfriamiento de no equilibrio (por ejemplo, de la cristobalita
α
en cristobalitaβ
). De modo que varios tipos de fuerzas impulsoras pueden intervenir sucesiva o simultáneamente durante el proceso de sinterización.La fuerza conductora global para la sinterización tiene su origen en la reducción de la energía libre total
T
G
∆
del sistema, T V B SG
G G G
∆ = ∆ + ∆ + ∆
(3.6.2.1)donde