PROCESADO DE CERÁMICOS
Los materiales cerámicos se pueden clasificar según sus aplicaciones dentro de uno de los siguientes grupos:
PROCESADO DE MATERIALES CERÁMICOS
Los mayoría de los productos
cerámico son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son
posteriormente calentadas a altas temperaturas para enlazar las partículas entre
sí.
Las etapas básicas para el
proceso de cerámica de aglomeración de partículas son: (1) preparación de material;
(2) moldeado o fundido; (3) tratamiento térmico por secado y horneado por calentamiento
de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas
enlazadas.
Las materias primas para estos
productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica
terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes
pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan
tener propiedades muy «críticas» tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado
y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica
común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con
aglutinantes y otros aditivos.
El procesado de cerámicos por tecnología de partículas se basa en los siguientes pasos:
- Obtención de la materia prima
- Reacción en estado sólido
- Precipitación a partir de soluciones
- Precipitación a partir de fundidos
- Precipitación a partir de fase vapor
- Precipitación a partir de intermedios vítreos
- Preparación de la materia prima
- Natural (molienda-purificación)
- Artificial (molienda-purificación-síntesis-molienda)
- Conformado
- A partir de pulpas
- Colada en molde permeable
- Colada en cinta
- Extrusión
- A partir de polvos
- Sin calor
- Compactación uniaxial
- Compactación isotáctica (CIP)
- Con calor
- Compresión en calor
- Compactación isotáctica en caliente (HIP)
- Moldeo por inyección (PIM)
- Tratamientos térmico
- Secado
- Cocción (Sinterizado)
DEFINICIONES. CONFORMADO
A partir de pulpas
Colada
en molde permeable
Colada en cinta, se usa para
la producción de hojas y láminas delgadas de material cerámico en gran cantidad
y a bajo coste, que pueden ser apiladas y laminadas es estructuras multicapa.
Extrusión,
Esta técnica de conformado se emplea en la fabricación de productos cerámicos de
sección constante. Básicamente el proceso de extrusión consiste en forzar el paso,
mediante la aplicación de una presión, de la pasta con una consistencia plástica
(Elevada viscosidad) a través de una matriz
Compactación uniaxial. Se
trata de aplicar la fuerza de compactación en una sola dirección el proceso de compactación
se puede completar en un minuto para piezas más pequeñas entonces la compactación
una cial es adecuada para producir un gran número de piezas pequeñas y sencillas,
la compactación se utiliza para producir lo que se llama cerámica verde esta tiene
una resistencia respetable y se le puede manipular imaginar
Compactación
isotáctica (CIP). Cruzando un recipiente flexible en este proceso el polvo cerámico
se carga en un recipiente flexible hermético que está dentro de una Cámara de fluido
hidráulico a la que se aplica presión. aplicada compacta el polvo uniformemente
en todas las direcciones, tomando el producto la forma del contenedor flexible.
después de presionar la pieza hizo tácticamente, enfrío se pasa por algo de fuego
sinterización, para obtener las propiedades y microestructuras requeridas. materiales
como los refractarios ladrillos aislantes cúpula crisoles herramientas de carburo
etcétera son conformados mediante esta vía
A partir de polvos, con calor
Compresión en calor. En este
proceso se consiguen piezas cerámicas de altas densidades y propiedades mecánicas
optimizadas combinando la presión y los tratamientos de sinterizado. Se utilizan
tanto la presión unidireccional como los métodos ISO tácticos
Compactación isotáctica en caliente
(HIP). Fluido igual a gas inerte, las etapas que sigue son polvo en molde (metálico
o vidrio), Vacío en molde, molde en autoclave de alta presión, entre sus ventajas
está la buena distribución de la presión en él compacto la obtención de formas más
complicadas y se utiliza para piezas de alta dureza, y entre sus desventajas el
alto precio del equipo, poco control dimensional sobre el producto y discontinuidad
del proceso
Moldeo
por inyección (PIM). Los polvos cerámicos se mezclan con un plastificante termoplástico
y otros aditivos, esta mezcla se pasa a continuación por un extrusor y se inyecta
en un dado. Este método de inyección es el más adecuado para la elaboración de formas
complejas, el polímero existente en el material cerámico moldeado por inyección
se elimina por calor, es decir quemándolo, y lo que queda del cuerpo cerámico se
sinteriza a altas temperaturas
TRATAMIENTOS TÉRMICO
Secado. El propósito del secado
de cerámicos es eliminar agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometidos
a altas temperaturas, generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos
de 100º y puede tardar alrededor de 24 horas para un trozo de cerámica grande la
mayoría de los cimentados orgánicos pueden extraerse de las piezas cerámicas por
calentamiento en un rango de 200 300º aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden
requerir un calentamiento a temperaturas mucho más elevadas
Cocción
(Sinterizado). el proceso por el que se consigue que pequeñas partículas de
un material se mantengan Unidas por difusión en estado sólido se llama sinterización,
en la fabricación de cerámicos este tratamiento térmico se basa en la transformación
de un producto poroso compacto en otro denso y coherente. la sinterización se utiliza
de modo generalizado para producir formas cerámicas fabricadas de por ejemplo alúmina
berilio ferritas y titanatos. el proceso
de sinterización de partículas coalescente por difusión en estado sólido a temperaturas
muy altas, pero por debajo del punto de fusión del compacto que se hace interesar,
en ya sinterización, la difusión atómica tiene lugar entre la superficie del contacto
de las partículas a fin de que resulten químicamente unidas. a medida que el proceso
continúa las partículas más grandes se forman a expensas de las más pequeñas
PROCESADO DE VIDRIOS. Las materias primas utilizadas
en el procesamiento del vidrio son:
1) El vidrio
se forma con diferente tipos de sales, aunque el elemento principal en casi todos
los vidrios inorgánicos en la sílice (SiO2), que se obtiene de la Arena de cuarzo,
es el elemento vitrificador y el que constituye verdaderamente el vidrio, proporcionando
resistencia mecánica al vidrio.
2) Caliza, fuente
de óxido de calcio (CaO): actúa de estabilizador aportando también resistencia,
dureza y brillo.
3) Carbonato
sódico, fuente de óxido de sodio (Na2O): actúa de fundente, rebajando el punto de
fusión de la sílice desde los 1700 °C hasta los 850 °C.
4) Otros ingredientes:
como el mineral litargirio, fuente de óxido de plomo (PbO), o el bórax, fuente de
óxido de boro (B2O3), que proporcionan al vidrio determinadas propiedades físicas.
5) Vidrio reciclado: la proporción puede llegar hasta
un 100 %, dependiendo de la cantidad de desechos de vidrio disponibles y de las
especificaciones de la composición final. Además de preservar el ambiente, el reciclado
del vidrio facilita la fusión.
Los diferentes tipos de vidrios son hechos a base
de otros materiales, como se puede ver en la siguiente tabla.
|
Vidrios de elementos: |
Azufre, selenio, |
Telurio y fósforo |
|
Vidrios |
Óxidos |
Puros: SiO2, Bo2O3,
Pb2O5, As2O5 Mezclas con algunos de los anteriores: Al2O3, Ga2O3,
TiO2; alcalinos y alcalinoterreos: cal y CaO; soda, Na2O |
|
Inorgánicos |
Sulfuros |
Sulfuro de Arsénico, As2S3 |
|
Haluros |
Fluoruro de Berilio, BeF2, Cloruro de
Zinc, ZnCl2 |
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Nitratos |
Mezclas de Nitrato de Sodio y de Calcio |
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Sulfatos |
Sulfato de Potasio, K2S2O7 |
|
|
Carbonatos |
Mezclas de Carbonato de Potasio y Magnesio |
|
|
Fluoruros |
Fluoruro de Aluminio, AlF2 y fluoruro
de Berilio, BeF2 |
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Vidrios |
Moléculas simples |
Eter etílico, glicerina, alcohol metálico, glucosa y sacarosa |
|
Orgánicos |
Polímeros |
Polietileno y otros materiales plásticos |
Se encuentran, por ejemplo, los borosilicatos, que
tienen la particularidad de tener un bajisimo coeficiente de expansión, razón por
la cual se utilizan para hacer el vidrio refractario. Y el cristal que tiene óxido
de plomo, razón por la cual, cualquier objeto hecho con este vidrio, como ceniceros,
floreros entre otros, son bastante pesados.
RECEPCIÓN DE MATERIAS PRIMAS
En esta etapa se garantiza un control operativo y
técnico en las materias primas para verificar su calidad físico - química, para
la producción del vidrio.
La operación esencial en esta etapa es la realización
de los análisis físicos y químicos realizados a la materia prima, los cuales verifican
el cumplimiento de las especificaciones. Primero se debe cumplir con el requisito
de la granulometría, es decir, el tamaño de los granos de cada material, el cual,
debe estar entre ½ y ¾ de milímetro. Para el feldespato y la arena se debe cumplir
unos requisitos, tales como tener una composición química estable y determinada.
La arena no debe contener arcillas y su contenido de óxidos de hierro debe ser lo
más bajo posible. De acuerdo con el resultado del análisis, si el producto está
conforme con las especificaciones se define su disposición para ser utilizado posteriormente;
si la materia prima no cumple con las especificaciones se procede a darles el manejo
preestablecido como productos no - conformes.
PREPARACIÓN DE LAS MEZCLAS:
La preparación de la mezcla se puede dividir en cuatro
partes:
- Almacenamiento:
consiste en ubicar las distintas materias primas en diferentes sitios de almacenamiento
en donde permanecerán hasta su utilización.
- Pesaje: siguiendo
la formulación previamente establecida se pesa cada uno de los componentes
mediante mecanismos automáticos y en las proporciones determinadas.
- Mezclado: Luego
de ser pesadas cada una de las materias primas, son enviadas a las mezcladoras
en donde, por un tiempo previamente establecido y con una adición específica
de agua, los componentes son mezclados totalmente.
- Transporte: Finalmente la mezcla es enviada por medio de elevadores
y transportadores hasta los silos donde queda finalmente lista para ser cargada
al horno.
FUSION DE LA MEZCLA Y REFINACION DEL VIDRIO:
El horno es el sitio donde se lleva a cabo la fusión
de las materias primas. Consiste en un recipiente rectangular construido con materiales
refractarios resistentes al desgaste producido por el vidrio líquido y las llamas.
El horno utiliza como combustible el Crudo de Castilla para producir el calor, por
medio de dos quemadores, los cuales funcionan alternadamente veinte veces cada uno.
Por uno de sus extremos se carga la mezcla, mientras que por el otro se extrae el
vidrio fundido. Posteriormente hay una entrada de aire de 1000°C, con el fin de
enfriar el vidrio que se encuentra dentro del horno. Los gases producidos por el
horno son expulsados por lo regeneradores (1300°C).
El primer proceso que se identifica claramente en
el horno es el de fusión; aquí todas las materias primas no son propiamente fundidas,
sino que al suministrarles calor primero se descomponen y después reaccionan; así
pues los componentes que poseen menor punto de fusión se vuelven líquidos más rápido
que los que tienen mayor punto de fusión (para la sílice es mayor de 1600°C, y para
el casco entre 1050 y 1100°C); a medida que va aumentando la temperatura estos últimos
también se funden y desaparecen como materiales cristalinos.
A continuación, se realiza el proceso de refinación,
en el cual se eliminan las “semillas” (gran número de pequeñas burbujas que se originan
a partir de las reacciones de las materias primas); este proceso empieza casi simultáneamente
con el proceso de fusión y continúa hasta que la mezcla de materias primas esté
completamente líquida.
Luego el vidrio fundido pasa a un segundo tanque,
llamado tanque de refinación, donde se intenta igualar la temperatura del vidrio
en toda su extensión, para posteriormente repartirlo a las máquinas formadoras por
medio de los canales.
ACONDICIONAMIENTO DEL VIDRIO:
El canal es el encargado de enviar el vidrio desde
el horno hasta el lugar donde están las máquinas formadoras de envases. Durante
este trayecto se disminuye la temperatura del vidrio gradualmente (con lo cual aumenta
su viscosidad), de tal manera que al final del canal se obtenga el vidrio en un
estado en el que se pueda modelar, correspondiendo a una cierta temperatura para
fabricar una botella determinada.
Se denomina acondicionar el vidrio al hecho de controlar
la temperatura en el flujo del vidrio que está dentro de la canal desde refinación
hasta el orificio refractario y se forme la gota.
La homogeneidad de la mezcla del vidrio se mide revisando
las temperaturas existentes desde el fondo hasta la superficie y de lado a lado
a la entrada del tazón (última sección del canal antes de las máquinas I.S.); estas
temperaturas afectan directamente la distribución del vidrio en la botella, la forma
de la gota, y su cargue en la máquina, por esto una falla en esta parte del proceso
puede resultar en la formación de botellas deformes, con una masa mal distribuida
y, por lo tanto más frágiles. Para obtener una temperatura uniforme en el vidrio
se deben tener en cuenta las pérdidas de calor existentes a través del techo, las
paredes y el piso del canal, así como el calor suministrado por los quemadores.
Igualmente, para acondicionar el vidrio, es necesario tener en cuenta el color del
vidrio, la cantidad de vidrio que extrae cada máquina, la forma de la botella, la
cantidad de aire disponible para enfriar el equipo de moldura de la máquina y la
velocidad de fabricación de la máquina.
PROCESADO DEL VIDRIO
1. CONFORMADO DE PIEZAS DE VIDRIO
Sirven para producir vasos, botellas, bombillas y
lentes.
Moldeo. Si el vidrio está lo suficiente fluido se puede
colar en un molde.
- Se fabricar objetos de gran masa, como lentes y espejos para astronomía.
- Cuidado durante el enfriamiento para evitar tensiones internas.
- Acabado final de esmerilado y pulido.
- Método muy poco utilizado
Centrifugado. Similar a la fundición
centrífuga (en metales).
Sirve para producir componentes en forma de embudo:
tubos de rayos catódicos (sección posterior).
Prensado. Utilizado para la producción en serie de piezas de
vidrio, como platos, vasos, pantallas de televisores y artículos similares que son
relativamente planos.
Soplado. Se realiza en equipos muy automatizados. Existen dos
procedimientos:
Prensado-soplado. El proceso se adapta para fabricar
recipientes de boca ancha.
El mecanismo utilizado para el mecanismo de prensa
y soplo es el mismo que se utiliza para el mecanismo de soplo y soplo, cambiando
algunos aditamentos que lo hacen funcionar de manera diferente. La principal diferencia
radica en que la acción que realiza el contrasoplo es efectuada por un macho, el
cual se encarga de dar la preforma a la gota para formar el palezón; las demás etapas
son similares.
La gota de vidrio cae en el premolde (1). Inmediatamente
el vidrio entra al premolde, la tapa baja. El macho empieza a subir, a una presión
controlada, forzando al vidrio a llenar todos los vacíos, incluyendo la cavidad
de la boquillera, formándose así el palezón (2). Luego, el macho baja, la tapa sube
y el premolde abre. Enseguida, el palezón es transferido al molde (3). El palezón
continúa su recalentamiento y estiramiento en el lado del molde. A continuación,
se aplica aire comprimido para soplar el vidrio hasta llenar la cavidad del molde;
también se aplica vacío para reforzar el contacto del vidrio con el molde (4). Este
contacto con el molde más la circulación del aire del Soplo final enfrían el vidrio.
Después de abrir el molde, las pinzas trasladan el envase hasta la plancha muerta
(5) y el mecanismo barredor lo ubica sobre el transportador. Con el aire de enfriamiento
de los alrededores del envase continúa el proceso de remoción de calor hasta que
el vidrio alcanza una temperatura que asegura la estabilidad de su forma.
Soplado-soplado. El material vítreo (vidrio
fundido) entra en un molde hueco cuya superficie interior tiene la forma que queramos
darle al vidrio, mejor dicho, la forma del objeto final. Una vez cerrado el molde,
se inyecta aire comprimido en su interior para que el material se adapte a sus paredes.
Tras enfriarse, se abre el molde y se extrae el objeto.
Después de lograr el cargue de la gota (1) en el premolde
se utiliza aire comprimido para empujar el vidrio y formar el terminado (2. soplo
inicial); Después con aire comprimido se sopla el vidrio hacia arriba, formándose
así la burbuja y el palezón, de una forma limitada por el premolde y la tapa (3
Contrasoplo). Luego el palezón se transfiere al molde (4) y nuevamente con aire
comprimido a través de la sopladora se infla el palezón hasta llenar la cavidad
del molde (5 Soplo final). Después de esto la botella es retirada del molde (6)
y puesta sobre el transportador de línea, mediante los barredores, quién se encarga
de llevarla al archa de recocido.
Se emplea para hacer objetos de boca estrecha: botellas,
bombillas, equipo para laboratorio químico.
2. CONFORMADO DE PRODUCTOS CONTINUOS DE VIDRIO
Sirven para producir vidrio plano para ventana, tubos,
etc.
Proceso Fourcault
- Desarrollado en Europa en la Primera Guerra Mundial.
- Utiliza una matriz especial, que tiene una rendija estrecha, a través
de la que se estira la lámina de vidrio.
- La matriz, hecha de arcilla refractaria, se llama debiteuse.
- Los rodillos tiran
del vidrio hacia arriba.
Estirado de vidrio plano
Proceso Colburn
- Comercializado en 1920.
- La diferencia es que la lámina se dobla y se enfría en posición horizontal.
- El producto, una
vez laminado, debe esmerilarse y pulirse.
Laminado de vidrio plano. El producto, una vez
laminado, debe esmerilarse y pulirse.
Estirado de tubo de vidrio. Se conoce como proceso
Danner.
Los productos tubulares, incluyen equipo de laboratorio,
tubos fluorescentes, termómetros, etc.
3. CONFORMADO DE FIBRA DE VIDRIO
Se usan en aplicaciones que van desde la lana aislante
hasta líneas de comunicaciones de fibra óptica.
Pueden dividirse en dos categorías:
Temple del vidrio: introduce tensiones de comprensión
en la superficie, enfriando algo más rápidamente mediante chorros de aire frío o
introduciéndolo en un baño de aceite.
Aumenta la resistencia del vidrio hasta 4 veces la
del vidrio sin templar.
Temple químico: se generan las tensiones de compresión
en la superficie, reemplazando iones Na+ por iones K+, que tienen un radio iónico
mayor, mediante un baño a 500°C con una solución que contiene dichos iones en disolución.
A la vista del gráfico de distribución de tensiones,
se puede establecer que el temple químico tiene:
- Menor espesor de la capa a compresión.
- Tensiones de compresión mayores.
- Tensiones de tracción menores y con una distribución más uniforme.
·
La fusión del
vidrio se lleva a cabo, generalmente, entre 1500 y 1600 °C. El ciclo de fusión necesita
entre 24y 48h, para fundirlo y dejarlo enfriar a la temperatura de trabajo.
·
La fusión se
realiza en hornos:
1. de crisol (pequeña capacidad)
2. de tanque refractario (gran
capacidad)
3. de tanque refractario continuo
(alta producción)
4. eléctricos (variedad de diseños)
