Coccion De Arcillas

Universidad Técnica Federico Santa María

Quema o cochura de arcillas crudas para la fabricación de ladrillos refractarios

Nombre: Elena Reinoso

INTRODUCCIÓN

Todos los refractarios, excepto los aglomerados químicamente, los plásticos o los colados, se cuecen para su estabilización y fortalecimiento de su estructura; incluso en estas excepciones apuntadas existe un gran porcentaje de agregado estabilizado por el calor. El paso de la cocción en la fabricación de refractarios debe controlarse muy cuidadosamente, ya que el combustible, el mantenimiento del horno y la cantidad de trabajo constituyen la porción más elevada que entra en juego en el precio total del proceso de manufacturas. Por estas razones, resulta esencial que se posea un buen conocimiento de las reacciones que tienen lugar durante el ciclo de cocción. Alo largo del tiempo ha existido un gradual ascenso en las temperaturas de cocción, ya que se ha experimentado que generalmente el ladrillo debe estabilizarse a una temperatura tan alta o más que la temperatura de trabajo. Un ladrillo refractario para elevadas temperaturas se cuece a 1480º C, el ladrillo de caolín 1700º C y algunos ladrillos básicos a temperaturas de 1870º C.

Efecto del calor sobre la materia prima arcillosa

Las reacciones que tienen lugar en las arcillas durante su calentamiento constituyen uno de los temas fundamentales en el campo de la cerámica. Por esta razón, es conveniente para el fabricante de refractarios el conocer lo más profundamente posible todo lo relativo al tema. Pueden encontrarse gran número de artículos acerca de este tema que abarcan el trabajo de los últimos cincuenta años. Caolín. Es lógico iniciar la exposición mencionando la caolinita que cristaliza perfectamente y seguir los cambios que sufre a medida que se calienta lentamente. Existen muchos métodos disponibles para observar dichos cambios, entre los que pueden destacarse: -

Pérdida de peso Análisis térmico diferencial Difracción de rayos X Rehidratación Microscopio electrónico

Cuando el caolín bien cristalizado se calienta lentamente, no tiene lugar ningún proceso hasta conseguir la temperatura de 450º C punto en el cual ocurre una perdida de peso de 14% y una absorción de calor de 170 calorías por gramo. En límites superiores a esta temperatura, los datos de rayos X indican una rotura de la estructura de la caolinita, que es sustituida por un material denominado metacaolín. En otro tiempo se le denomino amorfo, pero con técnicas más refinadas se comprobó que existía una cierta ordenación, probablemente bidimensional, que podría ser debida a láminas de SiO. Aproximadamente a 950º C existe una fase de evolución aguda de calor y aparece una nueva fase cristalina, que presenta la estructura de la espinela y que se encuentra orientada a lo largo de los ejes cristalinos de la caolinita original. Por encima de 1050º C esta estructura de espinela se transforma gradualmente en mullita y cristobalita con una fase amorfa o vítrea. Al igual que la anterior, la mullita se encuentra orientada en sentido de la caolinita original. A la temperatura de 1350º C la composición es de un 30% de mullita, 15% de cristobalita y un 55% de fase vítrea. Esta secuencia de acontecimientos se presenta en la figura 1.

Fig.1Diagrama esquemático mostrando la cantidad de constituyentes cuando se calienta el caolín bien cristalizado.

Arcilla Refractaria. Los cambios experimentados en una caolinita menos perfectamente cristalina, o sea en una arcilla refractaria, son algo distintos, ya que las transformaciones resultan menos agudas y no existe ninguna o una pequeñísima correspondencia de alineación entre el material de caolinita inicial y el material correspondiente a la mullita resultante. McGee estudió los minerales existentes en varios caolines y arcillas refractarias que presentan distintas velocidades de enfriamiento. Encontró un contenido en mullita alrededor de 28% para todos los casos y condiciones, pero el contenido en cristobalita que se obtenía resultaba de 15% cuando la velocidad de enfriamiento era lenta, y de 2% en arcillas que se enfriaban rápidamente. En los caolines el contenido en cristobalita permanecía más alto incluso cuando éstos se enfriaban rápidamente. Mientras que durante los últimos años se han dado a conocer muchos datos acerca de los cambios que aparecen durante el calentamiento de la arcilla, todavía existen varias cuestiones que no han obtenido ninguna respuesta. Por ejemplo, ¿Cuál es la verdadera estructura de la mullita? ¿Por qué aparece un pico exotérmico tan repentino? ¿Por qué el metacaolín se rehidrata? Influencia de las impurezas sobre los efectos caloríficos

La mayoría de arcillas refractarias contienen impurezas que presentan efectos importantes en las propiedades frente a la cocción. Estas impurezas, generalmente carbonatos o sulfuros, se descomponen para formar óxidos cuando reaccionan con la arcilla. La tabla 1 representa alguna de las impurezas comunes junto con sus temperaturas de descomposición. Si se cuece demasiado rápidamente la pieza de arcilla, de tal modo que los gases de reacción no puedan

escapar de la estructura, puede producirse un núcleo mal cocido llamado “corazón negro”.

FeS2 + O2  FeS + SO2 4FeS + 7O2  2Fe2O3 + 4SO2 Fe2(SO4)3  Fe2O3 + 3SO3 C + O2  CO2 S + O2  SO2 CaCO3  CaO + CO2 MgCO3  MgO + CO2 FeCO3 + 3O2  2Fe2O3 + 4CO2 CaSO4  CaO + SO3

ºC 350-450 500-800 560-775 350 250-920 600-1050 400-900 800 1250-1300

ºF 660-840 930-1470 1040-1430 660 480-1690 1110-1920 750-1650 1470 2280-2370

Tabla1 Temperaturas de descomposición de las impurezas de la arcilla.

Los materiales fundentes que disminuyen la viscosidad de la fase vítrea permiten que tengan lugar las reacciones a velocidades mayores, o con la misma velocidad a temperaturas inferiores. Los álcalis, compuestos de hierro, fluoruros y tierras alcalinas, son a menudo la causa del aumento de la velocidad de reacción cuando se someten a un calentamiento. Contracción en la cocción y porosidad de las arcillas

Contracción de cocción. Desde el punto de vista práctico de su utilización, la contracción por la cocción de la arcilla presenta gran interés, ya que cuanto mayor sea la contracción, mayor será la dificultad de mantener los productos acabados dentro de las tolerancias permitidas. Asimismo, cuando aparecen altas contracciones se aumenta el peligro de agrietamiento al estar las piezas dentro del horno. En general, cuanto mas compacta sea la arcilla, menor será la contracción. Esta compacidad puede ser inherente a la arcilla, como por ejemplo en el caso de la arcilla magra, si bien puede producirse artificialmente por medio de alta presión aplicada a la misma. Las curvas de contracción de cocción de la figura 2 ilustran claramente lo que se ha dicho antes. Así, la curva A es un caolín sedimentario, pulverizado y moldeado a baja presión en forma de lingote. La contracción empieza a 550º C continuando a una velocidad prácticamente uniforme hasta 950º C donde tiene lugar una contracción repentina, que corresponde al cambio de metacaolín a la estructura de la espinela. Después aparece una ligera contracción que

se prolonga hasta 1100º C; mas allá de esta temperatura, la contracción continúa rápidamente al mismo tiempo que tiene lugar la formación conjunta de mullita y cristoibalita, obteniéndose así una fase vítrea cada vez más fluida hasta que se alcanza la porosidad cero.

Fig. 2. Curvas de contracción de cocción.

La Curva B se refiere a la arcilla magra triturada y moldeada con agua a baja presión. La parte inicial de la contracción es muy similar a la del caolín, pero a temperatura más altas la contracción cesa, e incluso se presenta una ligera expansión debida al hinchamiento producido por los gases atrapados en la fase vítrea. La curva C corresponde al mismo caolín de la curva A, pero en este caso fue moldeado con una presión isostática de 20 000 psi. Puede verse perfectamente que la contracción correspondiente a altas temperaturas queda materialmente anulada. Se ha encontrado también que las altas presiones permiten alcanzar la porosidad cero a temperaturas inferiores, debido a la energía de tensión que aparece entre las partículas de arcilla. Se han sugerido gran número de teorías que intentan explicar las causas de la contracción de cocción cuando está presente una fase vítrea. Se ha desarrollado la teoría llamada de la membrana rígida (o alargada), que intenta explicar la contracción de secado, en un intento por extender su aplicabilidad en este caso. En este caso las fuerzas de contracción son producidas por la fase vítrea que actúa en la superficie de los capilares. Se ha visto que, efectivamente, es cierto que las altas velocidades de contracción tienen lugar solamente cuando hay cierta cantidad de fase vítrea presente en el material.

Porosidad. La porosidad de las arcillas sometidas a cocción es una característica importante. Puede hacerse una distinción entre los poros abiertos, que se presentan a temperaturas inferiores a la de maduración ( o estabilización), y los poros cerrados que aparecen a veces por encima de dicha temperatura de maduración. El tanto por ciento en volumen de los poros abiertos puede obtenerse por un método de tres pesadas que se aplican en la forma siguiente: P = W –D * 100 W–A P = % en Volumen de poros en la relación con el Vol. Global W = peso de la muestra saturada en el aire D = peso de la muestra seca en el aire A = peso de la muestra saturada, sumergida en agua. La muestra puede saturarse hirviéndola en agua durante 2 horas. La determinación de la porosidad total, incluyendo la cerrada, puede obtenerse con mayor exactitud triturando tan finamente la muestra que puedan abrirse los poros y medir así la densidad verdadera por el método del picnómetro. La porosidad total será entonces: P= dt – db *100 dt Donde dt es la densidad verdadera, db la densidad aparente y p el porcentaje total de poros en relación al volumen global. El volumen global se calcula normalmente por medidas sobre un cubo de material que se obtiene, cortado a las dimensiones requeridas por medio de un disco de diamante. En algunos casos es interesante conocer la distribución de tamaños de poro en los poros abiertos, ya que el tamaño influye en la permeabilidad y en algunas otras propiedades. El método más práctico consiste en someter la muestra a varias presiones por medio de mercurio, y medir luego el volumen de penetración frente a la tensión superficial. La presión requerida será así inversamente proporcional al diámetro de poro. Pueden determinarse de este modo tamaños de poro desde 8.5 a 0.10 µ o menores. Comportamiento refractarios

en

el

calentamiento

de

los

materiales

No es muy aconsejable el producir un refractario directamente a partir de una arcilla plástica en crudo, debido a la gran contracción y distorsión que tendría lugar en el proceso de cocción. Una reducción

de la contracción en la cocción es un objetivo conveniente por las siguientes razones: 1.- Permite la producción de un refractario cocido que tendría las dimensiones aproximadas que se desean. 2.- Evita el alabeo del refractario durante la cocción. 3.- Permite un mayor peso de los ladrillos listos para cocción, dada una determinada capacidad de horno. 4.- Hace innecesario el control de la temperatura máxima de cocción frente al cuidado que debe tenerse si ocurre una gran contracción. Utilización de la Chamota. Uno de los métodos más simples para reducir la contracción de cocción del refractario consiste en la introducción de un material no plástico, tal como la chamota. Puesto que este material ya ha sido cocido una vez y por lo tanto ha alcanzado un volumen estable, actúa en cierto modo como esqueleto de compactación del ladrillo durante la operación de cocción. La fig. 3 muestra una curva de contracción de cocción. Así como su porosidad, de una mezcla de caolín y chamota calcinada a la Tº de 1650º C, durante dos horas. La chamota se calibró para un empaquetamiento denso, se aglomeró con caolín de Georgia crudo, y se moldeó a mano. Es interesante notar que la chamota aisladamente presenta solamente un 3% de contracción lineal cuando se cuece a esta temperatura. Unos cuidadosos estudios microscópicos de las piezas individuales de la misma chamota, calcinadas a la misma temperatura, han revelado que no hay cambio de volumen y que no se presenta redondeamiento de los bordes; pero, aparentemente, cuando la chamota se convierte en una masa de partículas en contacto, la tensión superficial o los efectos de presión son tales que producen redondeamiento en los puntos agudos y bordes, siendo de suficiente magnitud como para producir soldaduras entre sí y ciertas contracciones.

Fig. 3 Curvas de contracción y porosidad. Mezcas de arcilla y chamota.

Es interesante notar también que puede añadirse un aglomerante arcilloso, en cantidad aproximada de 25%, sin que se produzca ningún cambio en el fenómeno de la contracción de cocción. Ya que el volumen de huecos en esta chamota es aproximadamente el 25% del volumen global, se verá que el aglomerante actúa simplemente como relleno en los espacios de los poros y que, cuando se contrae, no afecta el volumen de la pieza entera, ya que la estructura global está controlada por la chamota. Sin embargo, cuando la cantidad de aglomerante se aumenta más allá del 25%, la contracción total empieza a aumentar más rápidamente hasta que se alcanza el 100% del mismo. Esto es debido a que cada vez aparecen películas más gruesas de aglomerante contraíble entre los granos de chamota. La porosidad, que constituye el 17% de todo el cuerpo de la chamota, baja bruscamente, tal como podía esperarse, con la adición de arcilla aglomerante hasta un valor de 6%, cuando la cantidad de arcilla añadida llega al 20%. Con mayor cantidad, la porosidad aumenta hasta un máximo de 15%, y vuelve a bajar hasta un 6% cuando todo está constituido por aglomerante. Las muestras aglomeradas con caolín, con un empaquetado denso y sometidas a una presión de 15 000 psi, se calcinaron a 1600º C y a 1700º C, con resultados que se indican en la tabla. Tº cocción [ºC]

Composición

Contracci ón lineal

Densidad aparente

Porosidad total

Crudo

Calcinado

Crudo

Calcinado

1600

Chamota+ 5% caolín 1.8 Chamota+ 10% caolín 2.0 Chamota+ 15% caolín 2.6 Chamota+ 20% caolín 3.5

2.20 2.22 2.24 2.28

2.31 2.35 2.39 2.50

19.4 17.4 16.5 14.5

14.1 12.8 11.1 7.0

1700

Chamota+ 5% caolín 5.0 Chamota+ 10% caolín 5.0 Chamota+ 15% caolín 4.3 Chamota+ 20% caolín 4.2

2.20 2.22 2.24 2.28

2.55 2.59 2.54 2.55

18.2 17.4 16.5 14.5

5.2 3.7 5.5 5.4

Poros abiertos De Calcinado

12.2 10.3 9.6 3.8 0.7 0.4 0.0 0.6

Tabla 2. Propiedades de las muestras cocidas prensadas a 15 000 psi.

A la temperatura más alta, la porosidad total era de 5% y la cantidad de poros abiertos era nula, con una contracción lineal presentada del 4 al 5%, lo que constituye un valor pequeño. Los poros cerrados pueden verse en superficies o secciones pulidas como pequeñas hendiduras debidas a la contracción del aglomerante que rodea a los granos de chamota de superior tamaño. Esta investigación llevada a cabo con el caolín podría repetirse indudablemente con las arcillas

refractarias. Así no hay duda, por todo lo dicho, de que un ladrillo no poroso puede fabricarse por métodos convencionales. Minerales expansionables. La contracción de un refractario de arcilla puede controlarse también añadiendo un mineral que se expansione durante el proceso de calcinación. Este mineral puede ser cianita que, mezclada con arcilla en estado crudo, o con arcilla y chamota, dará una expansión muy definida. Para ilustrar se moldearon por prensado en seco y se cocieron a varias temperaturas, en las cuales se mantuvieron durante tres horas. Las curvas de contracción se muestran en la figura 4. Se verá que la cianita da una expansión real en el margen que va desde 1290 a 1425º C), pero más allá de este punto se contrae más rápidamente que la mezcla de chamota y arcilla (esto es una desventaja cuando se intenta hacer un refractario de volumen constante a temperaturas más altas que la de la cocción original). Sin embargo, la mezcla de cianita al 12%, tiene el mismo volumen a la temperatura de cocción de 1635º C que cuando se moldeó. La cianita que posee los granos demasiado gruesos se resquebraja, debilitando su estructura, mientras que los granos demasiado finos dan una expansión muy pequeña o prácticamente nula. Cuando los granos son de un solo tamaño, se rompen en el transcurso de un corto margen de temperaturas, dando un pico en la curva de expansión que no es deseable.

Fig. 4 Expansión producida por la cianita.

Una de las principales ventajas de la contracción a bajas temperaturas de cocción es la capacidad de mantener tolerancias en el tamaño más cercanas a las exigidas sin que sea necesaria una estabilización extrema de las temperaturas de maduración. Sin

embargo, de la figura 4 se desprende que la adición de cianita no consigue este objetivo, puesto que las curvas de contraccióntemperatura poseen pendiente más pronunciada en los casos de presencia de cianita que sin ella. Se han ensayado también los minerales sillimanita, y andalucita en mezclas similares, y, a pesar de que han mostrado una ligera expansión, no se han mostrado tan efectivos como la cianita. Teóricamente es posible añadir un mineral de alta densidad, como la alúmina fundida en una mezcla de chamota y aglomerante, que después de un largo tratamiento térmico se disolverá en el vidrio y formará mullita de densidad más baja. Sin embargo, desde el punto de vista práctico, esta disolución progresa con extrema lentitud y parece difícil utilizar este método de un modo práctico, a pesar de ser un método que ha sido sugerido en una patente de Lambie y Ross. La expansión secundaria de arcillas de alto contenido en alúmina está probablemente causada por esta reacción. Hinchado. La reducción de la contracción puede asimismo tener lugar si la arcilla se hincha o forma burbujas en el vidrio debido a la descomposición de los sulfuros, carbonatos, etc. Este aumento de tamaño por hinchado puede explicar la expansión de algunas arcillas de alto contenido en alúmina y de arcillas magras, en el proceso de calentamiento, pero es necesario todavía llevar a cabo mucho trabajo experimental sobre esta cuestión antes de pronunciarse sobre el mecanismo exacto que lo produce. El hinchado, si tiene lugar con una cierta amplitud, no es particularmente deseable, ya que es difícil controlarlo, aunque no tendría lugar bajo cualquier presión que fuera apreciable. Por lo tanto, un material cocido puede mostrar un cambio nulo en sus dimensiones horizontales, pero puede sufrir contracción a la dirección vertical.

BIBLIOGRAFÍA

 Refractarios. F.H Norton.  Tecnología de los materiales refractarios. Carlos Rojas.