Modelación mediante MEF de la Transferencia de Calor en Proceso de Sintesis de Material Cerámico bajo Arco Eléctrico

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA CENTRO DE INVESTIGACIONES DE SOLDADURA. Trabajo de Diploma. MODELACION MEDIANTE MEF DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN PROCESO DE SINTESIS DE MATERIAL CERÁMICO BAJO ARCO ELÉCTRICO. Autor: HENRY PÉREZ HERNÁNDEZ. Tutores: DR. ING. JUAN A. POZO MOREJON MSC. ING. JORGE L GARCÍA JACOMINO. Santa Clara Curso 2009/2010.

(2) Dedicatoria:. Dedico esta tesis a mis padres, a mis dos tutores que me han ayudado como nadie y a todos los que de una u otra forma estuvieron ahí en todos los momentos de mi vida..

(3) Resumen En el presente trabajo se realiza una caracterización general de los materiales cerámicos y en específico del SiC-Al2O3 obtenido mediante la Síntesis Auto-sostenida de Alta Temperatura asistida por arco Eléctrico (EA-SHS), proceso desarrollado por investigadores del CIS. Se describen las características físico-térmicas de los materiales involucrados en la reacción – materias primas del sistema SiO2-Al-C y materiales del horno – para poder realizar el modelo por elementos finitos (MEF) y simular mediante el software ANSYS-MULTIPHYSICS la transferencia de calor producida por una fuente de energía puntual hacia la pastilla de los reactantes y demás elementos del horno. Se declara la transferencia de calor por convección y radiación por la alta temperatura del proceso. El modelo MEF obtenido se ejecutó con varias intensidades de la fuente de calor (100, 80, 60 y 40 A), observando el comportamiento de la temperatura vs tiempo en los diferentes puntos de la pastilla y brindando criterios tecnológicos para la realización de la síntesis del material cerámico..

(4) Índice Introducción.........................................................................................................................5 CAPITULO 1: ESTUDIO DOCUMENTAL DEL TEMA .................................................9 1.1. Características generales de los materiales cerámicos. ....................................................9 1.2. Propiedades Termo física de los materiales. ..................................................................10 1.2.1. Densidad. .................................................................................................................11 1.2.2. Calor específico. ......................................................................................................11 1.2.3. Conductividad térmica.............................................................................................11 1.3. Procesos empleados en la síntesis de los materiales cerámicos. ....................................11 1.3.1. SHS (Self-propagating High temperature Synthesis)..............................................12 1.3.2. Proceso Sol-Gel. ......................................................................................................14 1.3.3. Proceso de Molienda. ..............................................................................................15 1.3.4. Horno microwave. ...................................................................................................16 1.4. Modelación de procesos de transferencia de calor mediante ANSY.............................18 1.4.1. Generalidades de MEF. ...........................................................................................18 1.4.2. Breve reseña histórica del uso del MEF. .................................................................20 1.4.3. Modelos de transferencia del calor..........................................................................22 CAPITULO 2: MATERIALES Y MÉTODOS EMPLEADOS........................................24 2.1. Características de los materiales.....................................................................................24 2.1.1. Materias Primas. ......................................................................................................24 2.1.2. Gases protectores.....................................................................................................30 2.1.3. Materiales del horno. ...............................................................................................33 2.4 Características generales del horno y de la fuente de energía .........................................37 2.3 Estrategia de la síntesis y reacciones involucradas. ........................................................38 2.4 Etapas para la modelación de la transferencia de calor. ..................................................42 CAPITULO 3: ANÁLISIS DE RESULTADOS...............................................................47 3.1. Modelación del flujo de calor en el horno durante la síntesis EA-SHS. ........................47 3.2. Resultados de la modelación del flujo de calor durante la síntesis EA-SHS. ................53 3.2.1. Resultados para corrida con Intensidad de corriente de la fuente de 100 A............54 3.2.2. Resultados para corrida con Intensidad de corriente de la fuente de 80 A..............56 3.2.3. Resultados para corrida con Intensidad de corriente de la fuente de 60 A..............57 3.2.4. Resultados para corrida con Intensidad de corriente de la fuente de 40 A..............58 3.2.4. Análisis sistémico de los modelos obtenidos. .........................................................60 Conclusiones......................................................................................................................62 Recomendaciones ..............................................................................................................63 Bibliografía........................................................................................................................64 Anexos ...............................................................................................................................66.

(5) Introducción En la última década la obtención por diferentes procesos del material cerámico SiC-Al2O3 ha sido reportada en varios trabajos científicos (Amroune et al., 2000, Lee et al., 2000, Kiminami et al., 2001, Han and Li, 2005, Altinkok. et al., 2007, Cihangir et al., 2007, Pushkarev, 2002). La utilización de la Síntesis por Combustión Auto-Sostenida de Alta Temperatura, conocida por SHS (Self-Propagating High-Temperature Synthesis), es un proceso (Merzhanov, 1997) que consiste básicamente en comenzar la reacción a partir de una fuente de energía externa. Una vez iniciada la reacción el calor exotérmico ayuda a que se propague a través de los reactantes por todo el volumen y haga energéticamente auto-sostenido el proceso (Pathak et al., 1997). Las características del proceso durante la reacción de los reactantes son la auto-generación de un alta temperatura (800 to 3500 °C), una propagación rápida del frente de combustión (0.1 hasta 10cm/s), altas velocidades de calentamiento (por encima de 106 °C /s), y un gradiente térmico por encima de 107 °C /cm en el frente de combustión (Lee et al., 2001). Los valores de temperatura, velocidad de la combustión, etc. están en función directa de las materias primas utilizadas y de los parámetros del proceso. Establecer criterios cuantitativos sobre este solapamiento constituye una interrogante compleja, no sólo por la velocidad y “violencia” de la reacción, sino por la sinergia presente durante todo el tiempo entre los reactantes (GarcíaJacomino et al., 2009b). Precisamente, debido a los grandes avances en la potencia de los equipos de computo, en los últimos 10 años, en el mundo ha alcanzado mucha fuerza el empleo de la modelación mediante Método de los Elementos Finitos (MEF) (Morejón, 2008), en particular mediante programas como ANSYS, ABAQUS, SYSWELD y WELDSIM, para modelar el sistema, con vistas a resolver importantes problemas industriales. La modelación busca disminuir los costos de fabricación, los accidentes, los riesgos de la vida humana, disminución de los tiempos de trabajo, optimización de los procesos y muchas más aplicaciones. A lo anterior se suma que la modelación, como método predictivo, es siempre menos costoso y brinda soluciones a corto plazo. A pesar que en la literatura se reportan aplicaciones en diversos campos, no se muestra el uso del MEF para establecer los criterios tecnológicos de la síntesis de un material cerámico, por lo que se considera importante establecer y validar una Metodología de. 5.

(6) modelación de transferencia de calor en una síntesis mediante EA-SHS de un material cerámico. En Cuba, en el Centro de Investigaciones de soldadura (CIS) de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas, se han desarrollado varias tesis de doctorado donde se aplica el MEF en los procesos de soldadura, se destaca la realizada por el Dr. Juan A. Pozo Morejón sobre una metodología para el establecimiento de procedimientos de soldadura en aleaciones de aluminio al magnesio mediante modelación por elementos finitos. Partiendo de los trabajos precedentes del empleo del MEF, este trabajo pretende realizar un modelo mediante el empleo del software ANSYS-MULTIPHYSICS versión 11.0 para simular el flujo de calor en la síntesis de un material cerámico mediante proceso EA-SHS.. Problema Práctico Se necesita establecer los parámetros tecnológicos, régimen y tiempo de acción del arco eléctrico, del horno para la síntesis de material cerámico del sistema SiO2-Al-C, que permitan reducir las pérdidas por evaporación de dicho material y los costos del proceso.. Problema Científico El desconocimiento del proceso de transferencia de calor durante la obtención de un material cerámico en un horno de arco eléctrico, bajo un régimen establecido de trabajo, puede provocar elevadas pérdidas por evaporación del producto y mayores consumos de tiempo y energía eléctrica.. Hipótesis La modelación mediante MEF de la transferencia de calor en el proceso de síntesis de material cerámico bajo arco eléctrico del sistema SiO2-Al-C permitirá mejorar la estrategia tecnológica para la obtención del SiC-Al2O3 con un mayor rendimiento en la obtención del producto, y una disminución del tiempo de obtención y del consumo de energía.. 6.

(7) Objetivo General Estudiar mediante el MEF el proceso de transferencia de calor en la síntesis por arco eléctrico (AE-SHS) de SiC-Al2O3 con vistas a definir los parámetros del régimen que aumentan el rendimiento y disminuyen los costos de obtención.. Objetivos Específicos o Implementar el modelo térmico transitorio de simulación de la síntesis de SiC y Al2O3 mediante AE-SHS, con el empleo de la declaración de pérdidas de calor por radiación y convección mediante el software ANSYS MULTIPHYSICS versión 11.0. o Analizar los resultados que entrega el modelo de elementos finitos para distintas variantes de datos de entrada referentes al régimen del proceso de obtención.. Tareas o Se definen los conceptos fundamentales en el campo de los materiales cerámicos y algunos métodos de obtención. o Se estudian las generalidades de la modelación por elementos finitos de procesos de transferencia de calor y los conceptos fundamentales involucrados. o Se estudian las propiedades termo físicas de los materiales involucrados en el proceso de obtención de material cerámico. o Se implementa el modelo térmico transitorio de simulación de la síntesis de SiC y Al2O3 mediante AE-SHS, con el empleo de la declaración de pérdidas de calor por radiación y convección mediante el software ANSYS MULTIPHYSICS versión 11.0. o Se analizan los resultados que entrega el modelo de elementos finitos para distintas variantes de datos de entrada referentes al régimen del proceso de obtención.. 7.

(8) Aporte o Por primera vez en el CIS se implementa un modelo térmico transitorio mediante MEF con pérdida de calor por radiación, como condición de frontera. o Los resultados obtenidos en la Tesis tributan al trabajo de investigación de una tesis doctoral relacionada con la obtención de estos materiales cerámicos.. 8.

(9) CAPITULO 1: ESTUDIO DOCUMENTAL DEL TEMA 1.1. Características generales de los materiales cerámicos. En una primera aproximación puede decirse que los materiales cerámicos son aquellos materiales químicamente definidos como inorgánicos y no metálicos, sin embargo, esta definición engloba a las rocas y a muchos minerales que se encuentran en la naturaleza que no son considerados como cerámicos (Freiman, 1991). En general, se consideran únicamente como materiales cerámicos aquellos que han sido producidos por el hombre de forma artificial. Etimológicamente, cerámica es un término que viene del griego keramos, cuyo significado puede traducirse como hacer alfarería. El término cerámica se utilizaba en el pasado para referirse al arte de producir artículos mediante la técnica de la alfarería. Las cerámicas tradicionales son materiales dedicados en general a la construcción (arcillas, cemento, gres...) y a usos aplicados en el hogar y la industria (loza, porcelana...). En la actualidad se incluye dentro de los materiales cerámicos a los óxidos, carburos, nitruros, boruros, y compuestos de ellos. Mientras que las cerámicas tradicionales tienen más de 3000 años de antigüedad, la existencia de los materiales cerámicos avanzados es mucho más reciente, sin que en muchos casos supere los 30 años. El término avanzado que se añade al de cerámica, se refiere a una nueva generación de materiales cerámicos en los que se ha logrado una mejora sustancial en alguna de sus propiedades: ópticas, magnéticas, electrónicas o mecánicas (Cranmer, 1991). Las cerámicas avanzadas se han desarrollado, modificando mediante nuevas técnicas de producción, alguno de los diferentes niveles de la estructura del material, desde el nivel atómico y la microestructura hasta la forma definitiva del componente. Uno de los usos que más auge está experimentando es el empleo de materiales cerámicos como componentes estructurales. Las cerámicas estructurales son aquellas en las que la mejora de las propiedades se ha centrado en los aspectos mecánicos. Estos usos requieren materiales con alta resistencia en diversas condiciones ambientales, capaces de soportar elevadas temperaturas y resistentes a la corrosión y oxidación (Cranmer, 1991). Los materiales cerámicos ofrecen una sustancial rebaja en el peso frente a otros materiales como los metales y cubren un amplio espectro de usos tan dispares como componentes de. 9.

(10) vehículos espaciales o implantes dentales (Ferber and Tennery, 1991). Entre las aplicaciones que en mayor grado han motivado el desarrollo de nuevos materiales cerámicos cabe destacar su empleo en el diseño de protecciones frente a impacto balístico. Así se han desarrollado y perfeccionado alúminas de distintos grados de pureza, carburo de silicio, carburo de boro, diboruro de titanio y nitruro de aluminio entre otros (DÍAZ, 1999). Los materiales cerámicos, tienen la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Así mismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) también es muy elevado (lo que llamamos fragilidad). Todas estas propiedades, hacen que los materiales cerámicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado...). Por esta razón, en las cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista (Chiang et al., 1997.). Un ensayo a tracción, por los poros y un elevado módulo de Young (fragilidad elevada) y al tener un enlace iónico covalente, es imposible de realizar. Cuando se realiza un ensayo a compresión, la tensión mecánica que puede aguantar el material puede llegar a ser superior en un material cerámico que en el acero. La razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al estos comprimirlos, la fuerza por unidad de sección es mucho mayor que cuando se habían creado los poros (Wikipedia).. 1.2. Propiedades Termo física de los materiales. En ingeniería, las propiedades de los materiales son las características inherentes que permiten diferenciar un material de otros, los materiales son sustancias que, a causa de sus propiedades, resultan de utilidad para la fabricación de estructuras, maquinaria y otros productos. Las propiedades térmicas determinan el comportamiento del material en unas condiciones dadas, algunas de estas propiedades térmicas se exponen a continuación con breve definición de estas y sus unidades mas utilizadas. (Bauccio, 1994), (Smith and Hashemi, 2004). 10.

(11) 1.2.1. Densidad. La densidad es la masa de material por unidad de volumen expresada en (kg/m3) y se puede calcular por la siguiente ecuación: ρ=m/V. (1.1). donde: m: masa, (kg) V: volumen, (m3) 1.2.2. Calor específico. Se refiere a la cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 ºC la temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/(kg·K), aunque también se suele presentar como kcal/(kg·ºC); siendo 1 cal = 4,184 J. Por otra parte, el producto de la densidad de un material por su calor específico (ρ · C) caracteriza la inercia térmica de esa sustancia, siendo esta la capacidad de almacenamiento de energía. 1.2.3. Conductividad térmica. Es la capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m·K), aunque también se expresa como kcal/(h·m·ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m·K) = 0,86 kcal/(h·m·ºC). 1.3. Procesos empleados en la síntesis de los materiales cerámicos. Algunos procesos empleados en la síntesis de los materiales cerámicos se describen a continuación:. 11.

(12) 1.3.1. SHS (Self-propagating High temperature Synthesis). La técnica SHS (Self-propagating High temperature Synthesis) consiste en la obtención de diferentes. materiales con mínimos aportes energéticos y sin necesidad de aplicar altas. temperaturas (Pathak et al., 2001). Dicha técnica, también conocida con el nombre de síntesis de materiales por combustión, está basada en las reacciones químicas que se producen cuando se mezcla un sólido con sólido o sólido con gas. En las reacciones sólido -sólido el mecanismo queda regido por mecanismos de difusión, mientras que para las reacciones sólido-gas la relación de superficies adquiere una relevante importancia (Pampuch and Lis, 2008). Las reacciones establecidas son fuertemente exotérmicas, es decir, que el calor desprendido de la masa reaccionante permite su auto propagación mediante una onda o frente de combustión. La figura 1.1. muestra un horno de grafito durante la realización de una síntesis SHS.. Figura1.1. Síntesis SHS en horno de grafito. En la técnica SHS se pueden considerar dos tipos de procesos: 1. Propagación de onda, donde la reacción se inicia en una parte de la muestra, creándose un frente de combustión que se desplaza a lo largo de la misma. La temperatura de dicho frente, dependiendo de los procesos, puede alcanzar hasta 4.000 ºC, desarrollándose en algunos de ellos presiones de hasta 2.500 Pa. La propagación de una onda de combustión depende fuertemente de la conductividad térmica del sistema y de la energía de activación de la reacción química. 2. Explosión térmica en donde la reacción se inicia simultáneamente en todo el volumen de la muestra al alcanzarse la temperatura de ignición. La onda de propagación puede desplazarse a través de la muestra de diferentes formas y según su propagación se pueden establecer dos tipos de reacción:. 12.

(13) 1. Según un modo estable, en cuyo caso la velocidad del frente de combustión es constante a lo largo de la reacción o, lo que es lo mismo, el desplazamiento del frente es uniforme con el tiempo y, 2. Según un modo inestable en cuyo caso la velocidad del frente de combustión no puede considerarse constante. Dentro de este tipo de reacción se pueden distinguir fundamentalmente dos casos: – velocidad oscilante donde el desplazamiento del frente se produce de forma no uniforme con el tiempo – velocidad espinodal donde la reacción se produce con un movimiento espiral desde un extremo a otro de la muestra. De cualquier manera, se produce una onda o frente de combustión con una determinada velocidad que viaja a través de los reactivos convirtiéndolos en el producto deseado. Se puede escribir como ecuación general de reacción SHS la siguiente:. . m. 1ai X i  i 1 j j  Z m. i Elemento Reductor. Elemento Oxidante. bY. (1.2). Producto. Entre las principales ventajas que presenta la técnica SHS respecto a otros métodos convencionales de procesamiento de cerámicos cabe destacar: 1. La alta temperatura de la reacción puede volatilizar las impurezas de bajo punto de evaporación y, por consiguiente, se obtiene un producto final de alta pureza. 2. La naturaleza exotérmica de la reacción SHS supone un ahorro económico por la facilidad del proceso y del equipamiento necesario. 3. El tiempo de reacción es relativamente corto y hace que los costes de procesamiento y operación sean relativamente bajos. 4. El producto final puede ser sintetizado y consolidado en un solo paso, utilizando la energía química de los reactivos.. 13.

(14) 1.3.2. Proceso Sol-Gel. El proceso Sol-Gel es una técnica de síntesis que ha sido empleada en los últimos años en la preparación de un amplio rango de materiales. Se trata de una ruta química que permite obtener un producto final con una alta homogeneidad, una elevada pureza y un reducido tamaño de partícula. En un proceso típico, los precursores están sometidos a una serie de reacciones de hidrólisis y polimerización para formar una suspensión coloidal de partículas sólidas o cúmulos en un líquido (sol). Según el procesamiento del sol, se pueden obtener materiales cerámicos con formas diferentes. La hidrólisis y condensación de dichas partículas permite formar un material sólido lleno de disolvente (gel). El disolvente se extrae del gel dejándolo reposar a temperatura ambiente durante un periodo de tiempo llamado envejecimiento, en el cual el gel contraerá expulsando el disolvente residual. Dependiendo de las condiciones en las que se elimina el disolvente, tendremos un producto u otro tal y como se muestra en la figura 1.2.. Figura 1.2. Esquema general del proceso Sol-Gel Una de las variantes de la ruta sol-gel es la coprecipitación inversa. Esta vía de síntesis se emplea habitualmente cuando se trabaja con sistemas multicatiónicos, ya que permite una homogeneidad en el precipitado, asegurando la completa precipitación de todos los metales presentes en el sistema. La diferencia fundamental entre la ruta sol-gel y la coprecipitación. 14.

(15) inversa es que en esta última el pH de trabajo se fija con anterioridad a la adición de los precursores, de forma que los dos cationes precipitan inmediatamente en el medio de reacción (Menéndez, 2009). 1.3.3. Proceso de Molienda. Cuando se habla de molturación de sólidos, se entiende toda una serie de operaciones tendentes a la reducción de las dimensiones del material que van desde la premolturación hasta una pulverización. Pero la molturación no tiene por objeto la simple obtención de pequeñas partículas de tamaño menos grueso que de partida, sino producir un material con un determinado diámetro medio de partícula y una distribución granulométrica adecuada para la cerámica (Pallone et al., 2007). En general, los objetivos finales del proceso de reducción de las dimensiones de los sólidos son variados, pero se puede afirmar que el aumento de la superficie específica del material permite la obtención de elevada homogeneidad de las masas, y además la obtención de reacciones químicas más completas en tiempos breves (Yang et al., 2007). Las dimensiones lineales de las partículas del material a molturar como puede ser:  El diámetro en el caso de partículas esféricas.  La arista, en el caso de partículas de forma cúbica, etc. La arcilla se suministra en general al producto de cerámica en trozos máximos de 10 a 20 cm. Dureza; son unos de los parámetros más importantes para la molturación de los materiales. Resulta fundamental el conocimiento de la:  Resistencia a la compresión, particularmente importante para la molturación en seco de materiales duros.  Resistencia al choque: entra en juego en el caso de la molturación en seco de materiales duros.  Resistencia a la abrasión: importante en la molturación en húmedos de materiales duros.. 15.

(16) En el caso de la materia prima para la cerámica, la resistencia a la abrasión se expresa en valore relativos Rosival, variando enormemente de un tipo a otro. Acciones desarrolladas en la molturación, elección de las maquinas. Las acciones desarrolladas durante la molturación son:  Comprensión simple (aplastamiento).  Percusión (del instrumento de la maquina sobre el material).  Choque (del material sobre la parte apropiada de la maquina).  Abrasión.  Corte o cizallado. La figura 1.3. muestra un molino para la realización de la síntesis mediante la mecanoquímica a escala de laboratorio.. Figura 1.3. Molino de laboratorio. 1.3.4. Horno microwave. Se trata de una técnica de calefacción volumétrica frente a los sistemas de transmisión de calor conductivos o convectivos de tipo superficial, utilizando la posibilidad de algunos líquidos o sólidos polarizables de transformar la energía electromagnética en calor asociado a la resistencia de estos materiales a los movimientos inducidos por el campo externo (trasnacionales de las cargas libres o ligadas a iones o electrones de cambios de orientación de los dipolos existentes tanto permanentes como inducidos), que provocan la aparición de fuerzas elásticas y de fricción. La calefacción microondas presenta selectividad en la calefacción lo que permite actuar específicamente sobre alguno de los componentes del 16.

(17) sistema, además, y según algunos autores existe el llamado “efecto microondas” o efecto específico asociado a la propia radiación y no meramente térmico, descrito por Pagnota en la modificación del equilibrio de mutarrotación α-D-glucosa↔α-L-glucosa en medio EtOH: H2O=1:1, que estabiliza una mayor cantidad el isómero α-Dglucosa que la cocción tradicional no pudiéndose asociar a efectos térmicos. Sin embargo, también presenta dificultades importantes, relacionadas con la dificultad de una irradiación homogénea de la muestra, aunque los sistemas monomodo hayan relativizado este problema, y el carácter selectivo de la calefacción hace que aparezcan “puntos calientes” en el sistema, dificultando la reproducibilidad del procesado. De este modo, la homogeneidad en la muestra irradiada favorece el calentamiento de la misma, ya que los componentes “fríos” se podrán calentar mediante conducción desde los componentes “calientes”, resultando esto más difícil cuando el material es heterogéneo. La figura 1.4. muestra un horno microwave de laboratorio donde se puede observar sus relativas pequeñas dimensiones.. Figura 1.4. Horno microwave Muchos materiales cerámicos son materiales aislantes que presentan cierta inercia al tratamiento con microondas, de manera que a temperatura ambiente son transparentes a la radiación microondas con bajas tangentes de pérdida que van aumentando lentamente con la temperatura, hasta alcanzar una temperatura crítica a partir de la cual el material empieza a absorber la radiación de forma eficiente y creciente, provocando un aumento súbito de la temperatura. Así se comportan SiO2, Al2O3, MgO o los vidrios de sílice. Además la presencia de impurezas modifica seriamente su comportamiento: así la alúmina 99% de pureza que 17.

(18) presenta una temperatura crítica de 400ºC y velocidades de aumento bajas, tanδ=0,02 a 1200ºC, al aumentar las impurezas introducidas por mecanismos de disolución sólida en el retículo, caso de alúmina 97%, el material presenta una temperatura crítica inferior a los 100ºC y crecimiento rápido de la susceptibilidad, tanδ=0,05 a 1000ºC. Otros compuestos cerámicos como Co2O3, MnO2, NiO, Si3N4 presentan temperaturas críticas inferiores a la temperatura ambiente. En la síntesis de pigmentos cerámicos por metodologías clásicas, la muestra se presenta heterogénea con particulados relativamente grandes (1-5 μm) que al ser irradiados serán calentados de forma muy desigual, dependiendo de los factores disipativos de cada uno de los componentes, de forma que, frente a componentes muy calientes, habrá otros muy fríos que deben calentarse por la conducción de sus vecinos. Por tanto, la utilización de microondas en mezclas cerámicas clásicas no es previsible que permita grandes avances de reacción ni una adecuada reproducibilidad de la reacción cuando ésta se produce. Sin embargo, si se utilizan procesados de alta homogeneidad inicial (coprecipitados, geles, mezclas hidrotermales...), el efecto de la selectividad en irradiación queda compensada por la alta capacidad de difusión térmica en la micromezcla, si además en los materiales amorfos se retienen grupos OH- muy sensibles a la radiación microondas o se generan disoluciones sólidas que aumentan la sensibilidad térmica a microondas del material, cabe esperar una mayor eficacia térmica de la irradiación (J.Calbo et al., 2007).. 1.4. Modelación de procesos de transferencia de calor mediante ANSY. 1.4.1. Generalidades de MEF. El método de los elementos finitos (MEF en castellano o FEM en inglés) es un método numérico general para la aproximación de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería y física. El MEF está pensado para ser usado en computadoras y permite resolver ecuaciones diferenciales asociadas a un problema físico sobre geometrías complicadas. Este se usa en el diseño y mejora de productos y aplicaciones industriales, así como en la simulación de sistemas físicos y biológicos complejos. La variedad de problemas a los que puede aplicarse. 18.

(19) ha crecido enormemente, siendo el requisito básico que las ecuaciones constitutivas y ecuaciones de evolución temporal del problema a considerar sean conocidas de antemano. El MEF permite obtener una solución numérica aproximada sobre un cuerpo, estructura o dominio (medio continuo) —sobre el que están definidas ciertas ecuaciones diferenciales en forma débil o integral que caracterizan el comportamiento físico del problema— dividiéndolo en un número elevado de subdominios no-intersectantes entre sí denominados «elementos finitos». El conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también denominada discretización. Dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos representativos llamados «nodos». Dos nodos son adyacentes si pertenecen al mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un elemento finito puede pertenecer a varios elementos. El conjunto de nodos considerando sus relaciones de adyacencia se llama «malla». Los cálculos se realizan sobre una malla de puntos (llamados nodos), que sirven a su vez de base para discretización del dominio en elementos finitos. La generación de la malla se realiza usualmente con programas especiales llamados generadores de mallas, en una etapa previa a los cálculos que se denomina pre-proceso. De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se relaciona el valor de un conjunto de variables incógnitas definidas en cada nodo y denominadas grados de libertad. El conjunto de relaciones entre el valor de una determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma de sistema de ecuaciones lineales (o linealizadas). La matriz de dicho sistema de ecuaciones se llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones de dicho sistema es proporcional al número de nodos.(INC., 2004) Típicamente el método de los elementos finitos se programa computacionalmente para, en algunos de los casos calcular la temperatura y el flujo de calor en problemas térmicos, a través de ecuaciones diferenciales no lineales. El método de los elementos finitos es muy usado debido a su generalidad y a la facilidad de introducir dominios de cálculo complejos (en dos o tres dimensiones). Además el método es fácilmente adaptable a problemas de transmisión de calor, de mecánica de fluidos para calcular campos de velocidades y presiones (mecánica de fluidos computacional, CFD) o de campo electromagnético. Dada la imposibilidad práctica de encontrar la solución analítica de estos problemas, con frecuencia en la práctica ingenieril los. 19.

(20) métodos numéricos y, en particular, los elementos finitos, se convierten en la única alternativa práctica de cálculo. Una importante propiedad del método es la convergencia; si se consideran particiones de elementos finitos sucesivamente más finas, la solución numérica calculada converge rápidamente hacia la solución exacta del sistema de ecuaciones.(INC., 2004),(Wikipedia). 1.4.2. Breve reseña histórica del uso del MEF. El Método de Elementos Finitos (MEF) fue al principio desarrollado en 1943 por R. Courant, quien utilizó el método de Ritz de análisis numérico y minimización de las variables de cálculo para obtener soluciones aproximadas a un sistema de vibración. Poco después, un documento publicado en 1956 por M. J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, y L. J. Topp estableció una definición más amplia del análisis numérico. El documento se centró en “la rigidez y deformación de estructuras complejas”. Con la llegada de los primeros ordenadores instaura el cálculo matricial de estructuras. Éste parte de la discretización de la estructura en elementos lineales tipo barra de los que se conoce su rigidez frente a los desplazamientos de sus nodos. Se plantea entonces un sistema de ecuaciones resultado de aplicar las ecuaciones de equilibrio a los nodos de la estructura. Este sistema de ecuaciones se esquematiza de la siguiente manera:(Wikipedia). f  K *u. (1.3). Donde las incógnitas son los desplazamientos en los nodos (vector u) que se hallan a partir de las "fuerzas" o "solicitaciones" en los nodos (vector f) y de la rigidez de las barras (matriz de rigidez K). Conocidos dichos desplazamientos es posible determinar los esfuerzos en las barras. La solución obtenida es exacta.. Uso práctico del método hacia 1950: Cuando se produce la llegada de los primeros equipos de cómputo en la década de 1950, el cálculo de estructuras se encontraba en un punto en el que los métodos de cálculo predominantes consistían en método iterativos (métodos de Cross y Kani) que se realizaban de. 20.

(21) manera manual y, por tanto, resultaban bastante tediosos. El cálculo de una estructura de edificación de varios pisos, por ejemplo, podía llevar varias semanas, lo cual suponía un coste sustancial de tiempo en detrimento de la posibilidad de invertir este en la optimización de la estructura. La llegada de la computadora permitió el resurgimiento del método de los desplazamientos ya conocidos en siglos anteriores (Navier, Lagrange, Cauchy), pero que eran difíciles de aplicar dado que al final conducían a la resolución de enormes sistemas de ecuaciones inabordables desde el punto de vista manual.. De 1960 a 1970: Cuando las aplicaciones prácticas de elementos finitos crecieron en tamaño, los requerimientos de tiempo de cálculo y memoria de los ordenadores creció. En ese punto el desarrollo de algoritmos más eficientes se volvió importante. Para la resolución de los sistemas de ecuaciones se potencia el estudio de la adaptabilidad de los algoritmos ya conocidos (Gauss, Cholesky, Crout, Gradiente conjugado, etc). El ahorro de tiempo es impensable y con ello el uso del método matricial se extiende. Este desarrollo se hace especialmente notable en estructuras de edificación donde la discretización de los pórticos en barras, es prácticamente inmediata a partir de las vigas y los pilares. Sin embargo, y a pesar de desarrollarse modelizaciones de elementos superficiales mediante barras (losas con emparrillados, elementos curvos mediante aproximaciones de elementos rectos, etc.), se plantean grandes dificultades ante estructuras continuas (superficies. y. volúmenes) y con geometrías complejas. De ahí que sea precisamente dentro del campo aeroespacial donde comiencen a desarrollarse las nuevas técnicas del MEF. Dada su generalidad el método se amplió a otros campos no estructurales como la conducción de calor, la mecánica de fluidos, etc. donde compitió con otros métodos numéricos como el de método de las diferencias finitas que aún siendo más intuitivos, tenían de nuevo dificultades de planteamiento para geometrías complejas. Con la llegada de los centros de cálculo y los primeros programas comerciales en los años 60, el MEF a la vez que se populariza en la industria refuerza sus bases teóricas en los centros universitarios.. 21.

(22) En los años 70 se produce un gran crecimiento de la bibliografía así como la extensión del método a otros problemas como los no lineales. En esta década, el MEF estaba limitado a caros ordenadores centrales generalmente poseído por las industrias aeronáuticas, de automoción, de defensa y nucleares. Se estudian nuevos tipos de tipos de elementos y se sientan las bases matemáticas rigurosas del método, que había aparecido antes como técnica de la ingeniería que como método numérico de la matemática.(Wikipedia). A partir de 1980: Por último, a partir de la década de los 80, con la generalización de los ordenadores personales, se extiende el uso de los programas comerciales que se especializan en los diversos campos, instaurándose el uso de pre y postprocesadores gráficos que realizan el mallado y la representación gráfica de los resultados. Se continúa en el estudio de la aplicación del método a nuevos modelos de comportamiento (plasticidad, fractura, daño continuo, etc.) y en el análisis de los errores.(Ramos Morales et al., 2007) En la actualidad, dentro del campo estructural, el MEF comparte protagonismo con el método matricial, siendo muchos los programas que mezclan el análisis por ambos métodos, debido sobre todo a la mayor necesidad de memoria que requiere el análisis por elementos finitos. Así se ha dejado la aplicación del MEF para el análisis de elementos continuos tipo losa o pantalla, mientras que los pórticos siguen todavía discretizándose en barras y utilizando el método matricial. Y desde el rápido declive en el coste de los ordenadores y el fenomenal incremento en la potencia de cálculo, el MEF ha desarrollado una increíble precisión. A día de hoy, los superordenadores son capaces de dar resultados exactos para todo tipo de parámetros. (Wikipedia). 1.4.3. Modelos de transferencia del calor. El análisis mediante MEF del un problema térmico se basa en la ecuación (1.3) de transferencia del calor en un cuerpo (Zhu and Chao, 2002):.  (T )c(T ).   T    T T    T   q   Kx(T )    Ky(T )    Kz (T )  x  x  y  t y  z  z . (1.4). 22.

(23) donde: ρ(T) =Densidad, (kg/m3) c(T) =Calor específico (J/(kg- ºC)) Kx(T), Ky(T), Kz(T) =coeficientes de conductividad térmica en las tres direcciones (en materiales isotrópicos este valor es el mismo en cualquier dirección) (W/(m- ºC)) T =Temperatura (ºC) t =Tiempo (s) Como se desprende, el problema térmico se rige por una ecuación diferencial no lineal, debido a que las propiedades termo físicas del material son dependientes de la temperatura. Las pérdidas de calor al medio circundante por radiación y convección se consideran con el empleo de las ecuaciones (1.4) y (1.5) : (Zhu and Chao, 2002). qc  h(T  T00 ). (1.5) 4. qr  eB(T 4  T ). (1.6). donde: h =Coeficiente de convección o Coeficiente de película. (W/(m2- ºC)). T  =Temperatura ambiente (ºC) e =Emisividad de la superficie del cuerpo B= Constante de Stefan-Boltzmann (W/(m2- ºC4)). 23.

(24) CAPITULO 2: MATERIALES Y MÉTODOS EMPLEADOS 2.1. Características de los materiales. Las materias primas empleadas en nuestro experimento pertenecen al sistema SiO2-Al-C por lo que en este epígrafe se exponen sus propiedades termo físicas y los efectos nocivos hacia la salud humana.. 2.1.1. Materias Primas.. 2.1.1.1. Aluminio (Al). El aluminio es el elemento metálico no ferroso, más abundante de los metales en la corteza de la tierra, constituyendo cerca del 8%. Sus propiedades han permitido que sea uno de los metales más utilizados en la actualidad. Es de color blanco y es el más ligero de los metales producidos a gran escala. La alúmina, que es extraída de la bauxita y mezclada con la criolita es la fuente del aluminio. El aluminio puro es demasiado blando, debidamente aleado se obtienen resistencias comparables al acero, por lo cual es útil para toda industria,. desde la construcción,. decoración, minería, iluminación hasta la industria aeronáutica. El aluminio es el único metal que proporciona dureza con bajo peso, es sumamente fácil de pulir, tenaz, dúctil y maleable, posee una gran resistencia a la corrosión y alta conductividad térmica y eléctrica, teniendo la mejor relación beneficios - costo que cualquier otro metal común. El aluminio brinda a los ingenieros, arquitectos, diseñadores, etc., la posibilidad de desarrollar una gran variedad de diseños, ya sea con el uso de perfiles estándares o a través del desarrollo de perfiles personalizados (Emsley, 2001). Propiedades Físicas: Densidad: La ligereza de la masa (peso) del aluminio es una de las propiedades más conocidas que este metal posee. Un centímetro cúbico de aluminio puede tener una masa de aproximadamente 2,699 g/cm3, comparado con los 7,85 g/cm3 del acero y 8,46 g/cm3 del cobre. Su peso es casi 24.

(25) un tercio del acero (Greenwood and Earnshaw, 1997). Esta ventaja ha permitido el desarrollo de muchas industrias como la aeronáutica y el transporte, además de facilitar la manipulación de los perfiles, reduciendo los costos de transporte y mano de obra. Conductividad Eléctrica: Aparte del cobre, el aluminio es el único metal común que posee una alta conductividad como para ser usado como conductor eléctrico. Su conductividad puede llegar a representar el 63,8% de la del cobre (en la aleación 6063 llega al 54%), sin embargo con igual masa de base, el aluminio dobla la capacidad conductiva del cobre. Para una misma capacidad de conducción eléctrica, un conductor de aluminio puede tener la mitad de la masa, que la que podría tener la sección transversal de un conductor de cobre. Conductividad Térmica: El aluminio tiene una alta conductividad térmica, que sólo es superada por el cobre, siendo además cuatro veces más grande que la conductibilidad del acero. Su temperatura de fusión es de 660,2 °C. Por ello ofrece grandes ventajas al ser usado en utensilios de cocina, industria química, aire acondicionado, disipadores de calor entre otras industrias. Reflectividad: El aluminio es muy reflectivo en la luz y con la radiación solar, más que ningún otro metal corriente. La reflectividad varía de acuerdo al grado de energía o las condiciones superficiales del metal, siendo la más alta del 75% en un rango de rayos ultra violeta, 85% en el rango de luz visible y sobre un máximo del 95% en el rango de radiación infrarroja. Resistencia a la Corrosión Se debe a la formación espontánea de una película muy delgada de óxido de aluminio que es insoluble en agua, la cual la protege del medio ambiente y la corrosión, tanto en forma de metal puro como cuando forma aleaciones, la cual le da las mismas ventajas que el acero inoxidable y lo hace verse muy bien en comparación con el acero. Una característica de esta capa, es que si es removido por algún medio mecánico, se formará una nueva capa protectora de óxido.. 25.

(26) Efectos nocivos para la salud: El aluminio y sus derivados son eternamente no tóxicos. En efecto una prueba de ello es que está presente en los utensilios de cocina, envases industriales, etc. los que no producen efectos nocivos (Wright, 2003).. 2.1.1.2. Silicio (Si) El silicio es el elemento electropositivo más abundante de la corteza terrestre. Es un metaloide con marcado lustre metálico y sumamente quebradizo. Por lo regular, es tetravalente en sus compuestos, aunque algunas veces es divalente, y es netamente electropositivo en su comportamiento químico. Además, se conocen compuestos de silicio pentacoordinados y hexacoordinados. El silicio elemental crudo y sus compuestos intermetálicos se emplean como integrantes de aleaciones para dar mayor resistencia al aluminio, magnesio, cobre y otros metales. el silicio metalúrgico con pureza del 98-99% se utiliza como materia prima en la manufactura de compuestos organosilícicos y resinas de silicona, elastómeros y aceites. Los chips de silicio se emplean en circuitos integrados. Las células fotovoltaicas para la conversión directa de energía solar en eléctrica utilizan obleas cortadas de cristales simples de silicio de grado electrónico. El dióxido de silicio se emplea como materia prima para producir silicio elemental y carburo de silicio. Los cristales grandes de silicio se utilizan para cristales piezoeléctricos. Las arenas de cuarzo fundido se transforman en vidrios de silicio que se usan en los laboratorios y plantas químicas, así como en aislantes eléctricos. Se emplea una dispersión coloidal de silicio en agua como agente de recubrimiento y como ingrediente de ciertos esmaltes (Emsley, 2001). Natural contiene 92.2% del isótopo de masa número 28, 4.7% de silicio-29 y 3.1% de silicio30. Además de estos isótopos naturales estables, se conocen varios isótopos radiactivos artificiales. El silicio elemental tiene las propiedades físicas de los metaloides, parecidas a las del germanio, situado debajo de él en el grupo IV de la tabla periódica. En su forma más pura, el silicio es un semiconductor intrínseco, aunque la intensidad de su semiconducción se ve enormemente incrementada al introducir pequeñas cantidades de impurezas. El silicio se parece a los metales en su comportamiento químico. Es casi tan electropositivo como el estaño 26.

(27) y mucho más positivo que el germanio o el plomo. De acuerdo con este carácter más bien metálico, forma iones tetrapositivos y diversos compuestos covalentes; aparece como un ion negativo sólo en unos pocos siliciuros y como un constituyente positivo de oxiácidos o aniones complejos (Greenwood and Earnshaw, 1997). Forma varias series de hidruros, diversos halogenuros (algunos de los cuales contienen enlaces silicio-silicio) y muchas series de compuestos que contienen oxígeno, que pueden tener propiedades iónicas o covalentes. Se encuentra en muchas formas de dióxidos y en innumerables variaciones de los silicatos naturales. Para un análisis de las estructuras y composiciones de las clases representativas. Por su abundancia, el silicio excede en mucho a cualquier otro elemento, con excepción del oxígeno. Constituye el 27.72% de la corteza sólida de la Tierra, mientras que el oxígeno constituye el 46.6%, y el siguiente elemento después del silicio, el aluminio se encuentra en un 8.13%. Se sabe que el silicio forma compuestos con 64 de los 96 elementos estables y probablemente forme siliciuros con otros 18 elementos. Además de los siliciuros metálicos, que se utilizan en grandes cantidades en metalurgia, forma compuestos importantes y de empleo frecuente con hidrógeno, carbono, los halógenos, nitrógeno, oxígeno y azufre. Además, se han preparado derivados organosilícicos de gran utilidad (Wright, 2003). Efectos nocivos para la salud: El silicio elemental es un material inerte, que parece carecer de la propiedad de causar fibrosis en el tejido pulmonar. Sin embargo, se han documentado lesiones pulmonares leves en animales de laboratorio sometidos a inyecciones intratraqueales de polvo de silicio. El polvo de silicio tiene pocos efectos adversos sobre los pulmones y no parece producir enfermedades orgánicas significativas o efectos tóxicos cuando las exposiciones se mantienen por debajo de los límites de exposición recomendados. El silicio puede tener efectos crónicos en la respiración. El silicio cristalino (dióxido de silicio) es un potente peligro para la respiración. Sin embargo, la probablilidad de que se produzca dióxido de silicio durante los procesamientos normales es muy remota. LD50 (oral)-3160 mg/kg. (LD50: Dosis Letal 50. Dosis individual de una sustancia que provoca la muerte del 50% de la población animal. 27.

(28) debido a la exposición a la sustancia por cualquier vía distinta a la inhalación. Normalmente expresada como miligramos o gramos de material por kilogramo de peso del animal.) El silicio cristalino irrita la piel y los ojos por contacto. Su inhalación causa irritación de los pulmones y de la membrana mucosa. La irritación de los ojos provoca lagrimeo y enrojecimiento. Enrojecimiento, formación de costras y picores son características de la inflamación cutánea. El cáncer de pulmón está asociado con exposiciones a silicio cristalino (especialmente cuarzo y cristobalita) en lugares de trabajo. En estudios realizados a mineros, trabajadores con tierra de diatomeas, trabajadores del granito, trabajadores de cerámica, trabajadores de ladrillos refractarios y otros trabajadores se ha documentado una relación exposición-respuesta (Wright, 2003).. 2.1.1.3. Carbono (C) El carbono es único en la química porque forma un número de compuestos mayor que la suma total de todos los otros elementos combinados. Con mucho, el grupo más grande de estos compuestos es el constituido por carbono e hidrógeno. Se estima que se conoce un mínimo de 1.000.000 de compuestos orgánicos y este número crece rápidamente cada año. Aunque la clasificación no es rigurosa, el carbono forma otra serie de compuestos considerados como inorgánicos, en un número mucho menor al de los orgánicos (Emsley, 2001). El carbono elemental existe en dos formas alotrópicas cristalinas bien definidas: diamante y grafito. Otras formas con poca cristalinidad son carbón vegetal, coque y negro de humo. El carbono químicamente puro se prepara por descomposición térmica del azúcar (sacarosa) en ausencia de aire. Las propiedades físicas y químicas del carbono dependen de la estructura cristalina del elemento. La densidad fluctúa entre 2.25 g/cm³ (1.30 onzas/in³) para el grafito y 3.51 g/cm³ (2.03 onzas/in³) para el diamante. El punto de fusión del grafito es de 3500ºC y el de ebullición extrapolado es de 4830ºC. El carbono elemental es una sustancia inerte, insoluble en agua, ácidos y bases diluidos, así como disolventes orgánicos. A temperaturas elevadas se combina con el oxígeno para formar monóxido o dióxido de carbono. Con agentes. 28.

(29) oxidantes calientes, como ácido nítrico y nitrato de potasio, se obtiene ácido melítico C6(CO2H)6. De los halógenos sólo el flúor reacciona con el carbono elemental. Un gran número de metales se combinan con el elemento a temperaturas elevadas para formar carburos (Greenwood and Earnshaw, 1997). Los compuestos de carbono tienen muchos usos. El dióxido de carbono se utiliza en la carbonatación de bebidas, en extintores de fuego y, en estado sólido, como enfriador (hielo seco). El monóxido de carbono se utiliza como agente reductor en muchos procesos metalúrgicos. El tetracloruro de carbono y el disulfuro de carbono son disolventes industriales importantes. El freón se utiliza en aparatos de refrigeración. El carburo de calcio se emplea para preparar acetileno; es útil para soldar y cortar metales, así como para preparar otros compuestos orgánicos. Otros carburos metálicos tienen usos importantes como refractarios y como cortadores de metal (Emsley, 2001). Efectos nocivos para la salud: El carbono elemental es de una toxicidad muy baja. Los datos presentados aquí de peligros para la salud están basados en la exposición al negro de carbono, no carbono elemental. La inhalación continuada de negro de carbón puede resultar en daños temporales o permanentes a los pulmones y el corazón. Se ha encontrado neumoconiosis en trabajadores relacionados con la producción de negro de carbón. También se ha dado parte de afecciones cutáneas tales como inflamación de los folículos pilosos, y lesiones de la mucosa bucal debidos a la exposición cutánea. Carcinogenicidad: El negro de carbón ha sido incluído en la lista de la Agencia Internacional de Investigación del Cáncer (AIIC) dentro del grupo 3 (agente no clasificable con respecto a su carcinogenicidad en humanos). El carbono-14 es uno de los radionucleidos involucrados en las pruebas nucleares atmosféricas, que comenzó en 1945, con una prueba americana, y terminó en 1980 con una prueba china. Se encuentra entre los radionucleidos de larga vida que han producido y continuarán produciendo aumento del riesgo de cáncer durante décadas y los siglos venideros. También puede atravesar la placenta, ligarse orgánicamente con células en desarrollo y de esta forma poner a los fetos en peligro (Wright, 2003).. 29.

(30) 2.1.2. Gases protectores. Durante la realización de la síntesis se emplea una atmosfera protectora de gas Argón o Nitrógeno con la finalidad evitar la reducción por vía carbotérmica del SiO2 a continuación se exponen sus propiedades termo físicas y los efectos nocivos hacia la salud humana.. 2.1.2.1. Argón (Ar). El argón es el tercer miembro del grupo 0 en la tabla periódica. Los elementos gaseosos de este grupo se llaman gases nobles, inertes o raros, aunque en realidad el argón no es raro. La atmósfera de la Tierra es la única fuente de argón; sin embargo, se encuentran trazas de este gas en minerales y meteoritos. El argón constituye el 0.934% del volumen de la atmósfera de la Tierra. De él, el 99.6% es el isótopo de argón-40; el restante es argón-36 y argón-38. Existe evidencia de que todo el argón-40 del aire se produjo por la descomposición radiactiva del radioisótopo potasio-40. El argón es incoloro, inodoro e insípido. En condiciones normales es un gas pero puede licuarse y solidificarse con facilidad. El argón no forma compuestos químicos en el sentido normal de la palabra, aunque forma algunos compuestos clatratos débilmente enlazados con agua, hidroquinona y fenol. Las moléculas de argón gaseoso son monoatómicas (Greenwood and Earnshaw, 1997). El uso en gran escala más antiguo del argón es en lámparas eléctricas o bombillas. El corte y soldadura de metales consume la mayor parte del argón. Los procesos metalúrgicos constituyen la aplicación de más rápido crecimiento. El argón y las mezclas de argón-kriptón se utilizan, con un poco de vapor de mercurio, para llenar lámparas fluorescentes. El argón mezclado con algo de neón se utiliza para llenar tubos fluorescentes de descarga eléctrica empleados en letreros de propaganda (parecidos a los anuncios de neón); esto se hace cuando se desea un color azul o verde en lugar del color rojo del neón. El argón se utiliza también para llenar tiratrones de contadores de radiación Geiger-Müller, en cámaras de ionización con las que se mide la radiación cósmica y tubos electrónicos de varias clases. La atmósfera de argón se utiliza en la manipulación de reactivos químicos en el laboratorio y en el sellado de empaques de estos materiales (Wright, 2003).. 30.

(31) La mayor cantidad de argón se produce en plantas de separación de aire. El aire se licua y se somete a una destilación fraccionada. Dado que el punto de ebullición del argón está entre el del nitrógeno y el del oxígeno, se puede obtener una mezcla rica en argón de las fracciones de las capas correspondientes a la parte superior de la columna de destilación. La mezcla rica en argón se destila, se calienta y se quema catalíticamente con hidrógeno para eliminar el oxígeno. Mediante una destilación final se elimina el hidrógeno y nitrógeno, produciendo argón de elevada pureza que contiene únicamente pocas partes por millón de impurezas. Efectos nocivos para la salud: Vías de exposición: La sustancia puede ser absorbida por el cuerpo por inhalación. Riesgo de inhalación: En caso de escape en el contenedor este líquido se evapora muy rápidamente provocando súper saturación del aire con grave peligro de asfixia cuando esto ocurre en un recinto cerrado. Efectos de la exposición: Inhalación: Mareos. Pesadez. Dolor de cabeza. Asfixia. Piel: Congelación en contacto con el líquido. Ojos: Congelación en contacto con el líquido. Inhalación: Este gas es inerte y está clasificado como un asfixiante simple. La inhalación de éste en concentraciones excesivas puede resultar en mareos, náuseas, vómitos, pérdida de consciencia y muerte. La muerte puede resultar de errores de juicio, confusión, o pérdida de la consciencia, que impiden el auto-rescate. A bajas concentraciones de oxígeno, la pérdida de consciencia y la muerte pueden ocurrir en segundos sin ninguna advertencia (Wright, 2003).. 2.1.2.2. Nitrógeno (N) El nitrógeno molecular es el principal constituyente de la atmósfera (78% por volumen de aire seco). Esta concentración es resultado del balance entre la fijación del nitrógeno atmosférico por acción bacteriana, eléctrica (relámpagos) y química (industrial) y su liberación a través de la descomposición de materias orgánicas por bacterias o por combustión. En estado combinado, el nitrógeno se presenta en diversas formas. Es constituyente de todas las proteínas (vegetales y animales), así como también de muchos materiales orgánicos. Su principal fuente mineral es el nitrato de sodio (Emsley, 2001).. 31.

(32) Gran parte del interés industrial en el nitrógeno se debe a la importancia de los compuestos nitrogenados en la agricultura y en la industria química; de ahí la importancia de los procesos para convertirlo en otros compuestos. El nitrógeno también se usa para llenar los bulbos de las lámparas incandescentes y cuando se requiere una atmósfera relativamente inerte. El nitrógeno, consta de dos isótopos,. 14. Ny. 15. N, en abundancia relativa de 99.635 a 0.365.. Además se conocen los isótopos radiactivos 12N, 13N, 16N y 17N, producidos por una variedad de reacciones nucleares. A presión y temperatura normales, el nitrógeno molecular es un gas con una densidad de 1.25046 g por litro (Wright, 2003). El nitrógeno elemental tiene una reactividad baja hacia la mayor parte de las sustancias comunes, a temperaturas ordinarias. A altas temperaturas, reacciona con cromo, silicio, titanio, aluminio, boro, berilio, magnesio, bario, estroncio, calcio y litio para formar nitruros; con O2, para formar NO, y en presencia de un catalizador, con hidrógeno a temperaturas y presión bastante altas, para formar amoniaco. El nitrógeno, carbono e hidrógeno se combinan arriba de los 1800ºC (3270ºF) para formar cianuro de hidrógeno. Cuando el nitrógeno molecular se somete a la acción de un electrodo de descarga condensada o a una descarga de alta frecuencia se activa en forma parcial a un intermediario inestable y regresa al estado basal con emisión de un resplandor amarillo oro. Los elementos de la familia del nitrógeno exhiben tres estados de oxidaciones principales, -3, +3 y +5 en sus compuestos, aunque también se presentan otros estados de oxidación. Todos los elementos de la familia del nitrógeno forman hidruros, así como óxidos +3, óxidos +5, haluros +3 (MX3) y, excepto para el nitrógeno y el bimuto, halogenuros +5 (MX5). E1 nitrógeno es el elemento más electronegativo de la familia. Así, además de los estados de oxidación típicos de la familia (-3,+3 y +5), el nitrógeno forma compuestos con otros estados de oxidación (Greenwood and Earnshaw, 1997) . Efectos nocivos para la salud: Las moléculas de Nitrógeno se encuentran principalmente en el aire. En agua y suelos el Nitrógeno puede ser encontrado en forma de nitratos y nitritos. Todas estas substancias son parte del ciclo del Nitrógeno, aunque hay una conexión entre todos.. 32.

(33) Los humanos han cambiado radicalmente las proporciones naturales de nitratos y nitritos, mayormente debido a la aplicación de estiércoles que contienen nitrato. El Nitrógeno es emitido extensamente por las industrias, incrementando los suministros de nitratos y nitritos en el suelo y agua como consecuencia de reacciones que tienen lugar en el ciclo del Nitrógeno.(Wright, 2003) Las concentraciones de Nitrógeno en agua potable aumentarán grandemente debido a esto. Nitratos y nitritos son conocidos por causar varios efectos sobre la salud. Estos son los efectos más comunes: . Reacciones con la hemoglobina en la sangre, causando una disminución en la capacidad de transporte de oxígeno por la sangre. (nitrito). . Disminución del funcionamiento de la glándula tiroidea. (nitrato). . Bajo almacenamiento de la vitamina A. (nitrato). . Producción de nitrosaminas, las cuales son conocidas como una de las más comunes causas de cáncer. (nitratos y nitritos). 2.1.3. Materiales del horno. El horno que se emplea para la síntesis tiene varios materiales, pero dentro de estos lo que influyen en los resultados del modelo térmico son la base de cobre, el reactor de grafito y la chaqueta de alúmina. A continuación se exponen sus propiedades termo físicas y los efectos nocivos hacia la salud humana.. 2.1.3.1. Cobre (Cu) El cobre es uno de los pocos metales que se encuentran en la naturaleza en estado "nativo", es decir, como metal directamente aprovechable. Por ello fue uno de los primeros en ser utilizado por el ser humano. Los otros metales nativos son el oro, el platino, la plata y el hierro de los meteoritos.. 33.

(34) El cobre posee varias propiedades físicas que propician su uso industrial en múltiples aplicaciones, siendo el tercer metal, después del hierro y del aluminio, más consumido en el mundo. Es de color rojizo y de brillo metálico y, después de la plata, es el elemento con mayor conductividad eléctrica y térmica. Es un material abundante en la naturaleza; tiene un precio accesible y se recicla de forma indefinida; forma aleaciones para mejorar las prestaciones mecánicas y es resistente a la corrosión y oxidación.(Greenwood and Earnshaw, 1997) Tanto el cobre como sus aleaciones tienen una buena maquinabilidad, es decir, son fáciles de mecanizar. El cobre posee muy buena ductilidad y maleabilidad lo que permite producir láminas e hilos muy delgados y finos. Es un metal blando, con un índice de dureza 3 en la escala de Mohs (50 en la escala de Vickers) y su resistencia a la tracción es de 210 MPa, con un límite elástico de 33,3 MPa. Admite procesos de fabricación de deformación como laminación o forja, y procesos de soldadura y sus aleaciones adquieren propiedades diferentes con tratamientos térmicos como temple y recocido. En general, sus propiedades mejoran con bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas.(Emsley, 2001) Efectos nocivos para la salud: Todos los compuestos de cobre tendrían que tratarse como si fuesen tóxicos, ingerir una cantidad de 30 g de sulfato de cobre es potencialmente letal en los humanos. El cobre en polvo es combustible y su inhalación puede provocar tos, dolor de cabeza, mareos, etc, por lo que se recomienda el uso de guantes, gafas y mascarillas en el manejo de de este producto en los centros de trabajo donde se elabore y manipule. El valor límite tolerado es de 0,2 mg/m³ para el humo y 1 mg/m³ para el polvo y la niebla. Reacciona con oxidantes fuertes tales como cloratos, bromatos y yoduros, originando un peligro de explosión. l agua con contenidos superiores a 1 mg/l puede ensuciar con cobre a la ropa y objetos lavados con ella si los contenidos 5 mg/l se decoloran y tiene un sabor desagradable (Wright, 2003).. 2.1.3.2. Alúmina (AL2O3) Es el oxido de aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el ingrediente más importante en la constitución de las arcillas y los barnices, impartiéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración.. 34.

(35) El oxido de aluminio existe en la naturaleza en forma de corindón, y de esmeril. Ciertas piedras preciosas, como el rubí, el zafiro, son formas de alumina coloreadas por indicios de óxidos de metales pesados; se pueden fabricar piedras artificiales por fusión en la llama oxhídrica. La alumina Al2O3 se halla también en forma de óxidos hidratados que son los componentes de la Bauxita y de la laterita (esta consta principalmente de hidróxidos aluminico y ferrico, sílice y menores proporciones de otros óxidos). El oxido de aluminio fundido y vuelto a cristalizar es idéntico en sus propiedades químicas y físicas al corindón natural. Solo le superan en dureza al diamante y algunas sustancias sintéticas, concretamente el carborundo o carburo de silicio. Tanto el corindón natural impuro (esmeril), como el corindón artificial puro se utilizan como abrasivos. A temperatura ordinaria, el oxido de aluminio es insoluble en todos los reactivos químicos comunes. Los cristales de oxido de aluminio son normalmente hexagonales y de tamaño diminuto. Los tamaños mayores de los granos se forman de numerosos cristales, a diferencia de los grandes granos monocristalinos del carburo de silicio (Rodrigo et al., 2005).. Fig. 2.1. Estructura de la alúmina. Las propiedades termo- físicas de los materiales del horno que se emplean en la elaboración del modelo de elementos finitos se muestran en la siguiente tabla.. 35.

(36) Tabla 2.1. Propiedades termo-físicas de los materiales del horno Propiedades Alúmina Cobre Grafito 3 3 Densidad 3960 Kg/m 8930 Kg/m 2250 Kg/m3. Pastilla 2620 Kg/m3. Temperatura 20.0 °C. 7.924 g/cc Temperatura 1100 °C. 7.846 g/cc Temperatura 1200 °C. 7.764 g/cc Temperatura 1300 °C. Calor Específico. 753 J/(Kg-°C). 385 J/(Kg-°C). 707,68 J/(Kg-°C) 819,65 J/(Kg-°C). 6.30 W/m-K. 357 W/m-K. 24.0 W/m-K. Temperatura 800 °C. Temperatura 727 °C. 13.0 W/m-K. 398 W/m-K. Temperatura 527 °C. Temperatura 27.0 °C. Temperatura 25.0 °C. 920 J/(Kg-°C) Temperatura 127 °C. 1046 J/(Kg-°C) Temperatura 227 °C. 1088 J/(Kg-°C) Temperatura 327 °C. 1172 J/(Kg-°C) Temperatura 527 °C. 1216 J/(Kg-°C) Temperatura 727 °C. 1238 J/(Kg-°C) Temperatura 927 °C. 1247 J/(Kg-°C) Temperatura 1127 °C. 1255 J/(Kg-°C) Temperatura 1327 °C. Conductividad Térmica. 141.53 W/m-K. 18.9 W/m-K Temperatura 327 °C. 24.2 W/m-K Temperatura 227 °C. 32.3 W/m-K Temperatura 127 °C. 46.0 W/m-K Temperatura 25.0 °C. 36.

(37) 2.4 Características generales del horno y de la fuente de energía El equipamiento para la realización de los experimentos está compuesto por un horno de laboratorio tri-arco utilizado es de fabricación norteamericana de la marca CENTORR Series 5 (figura 2.2), la caja de resistencias y una fuente de soldadura de corriente directa Figura (2.4).. Figura 2.2. Reactor: (a) base ánodo [+], (b) cristal de observación, (c) tapa, (d) guías cátodo [-]. El crisol cuenta con una base de grafito donde se apoya la pastilla, un cuerpo de grafito que rodea la pastilla una chaqueta de un material refractario para mantener el calor y proteger las piezas del exterior del calor extremo, y una base de cobre donde apoyan las demás piezas del horno, como se muestra en la figura 2.3. (Ver Anexo 2) (a) (b). (c) (d). Figura 2.3. Crisol: (a) pastilla, (b) base de grafito, (c) cuerpo de grafito, (d) base de bronce.. 37.

(38) Descripción de la Fuente de soldadura: Equipo marca Miller modelo SHR-404 Tensión de alimentación: 220/440 V Trifásico. 60Hz. Potencia primaria: 24.5 KVA Corriente primaria: 220 V. 64-76 A. 440 V. 32-38 A. Factor de potencia: cos  0.77 Figura 2.4 Fuente de calor Peso: 256 Kg Tabla 2.2. Características de la fuente de soldadura. Factor de marcha:. Corriente de soldadura:. Voltaje de salida:. Tensión en vacío:. 70%. 50-500 A. 17-40 V. 74 V. 70%. 50-500 A. 22-40 V. 74 V. Característica Horizontal Característica descendente. 2.3 Estrategia de la síntesis y reacciones involucradas. Las materias primas utilizadas fueron: cuarcita (99.0 % de contenido de SiO2, 6~10 μm), aluminio en polvo (99.0 % de pureza, <1 μm), y carbón vegetal (99.9 % de contenido de carbono reactivo, <2 μm). El carbón utilizado (de origen vegetal) del arbusto conocido como marabú perteneciente a la familia Mimosaceae del orden botánico Fabales o Phacilales, cuyo nombre científico es “Dichrostachys cinerea”, el cual constituye una potencial reserva de carbón vegetal, muy cotizado en el mercado mundial. Las reacciones principales involucradas en la reducción del SiO2 en el sistema SiO2/Al/C se muestran a continuación agrupadas en dos vías: I. Aluminotérmica: 3SiO2+4Al→3Si+2Al2O3. (1) 38.