1. CERÁMICOS Y REFRACTARIOS
Víctor H. Guerrero, Ph.D.
Departamento de Materiales
Escuela Politécnica Nacional

2. Materials in Design
Design = Process of
translating a new idea or
a market need into the
detailed information from
which a product can be
manufactured
Materials have limited
design since the
beginning
Need to decide about:
materials, processes

3. Materials
40000 to 80000 different
ones are available
Classical: The choice of
material is dictated by
design
Currently: New products
are developed because
we have new materials
available
How do we choose?
Experience, catalogs,
systematic procedure

4. Processes
Product forming technological processes depending on its shape complexity level and weight [2]

5. Materials Choice
The number of materials to be considered
depends on the stage during the design
process
Beginning Options are wide
List is shortened,
Design becomes more focused more data is needed
precise data
required for reduced
number
Finally of materials

6. Materials Choice
You need to
keep an open
mind
Choice cannot be
made
independently
$$$ is important

7. Materials Choice
Objective: develop a
methodology that, if
properly applied, gives
guidance through the
forest of complex choices
Consider:
Materials (data) – processes
(attributes)
Material – shape
Performance – cost
Aesthetics
Relationships among some factors
Ergonomics connected with materials, processes &
functions of a product [2]

8. Evolution of Engineering Materials
From:
Gold masks
Bronze swords
Stone tools
To:
Carbon fiber reinforced
Titanium watch tennis racquet Metal matrix composite
mountain bike

9. Evolution of Engineering Materials

10. Evolution of Engineering Materials
Theres has never been an era in which the
evolution of materials was faster and the range of
properties more varied
This is not the age of one material; it is the age of
an inmense range of materials
Designers who left college 20 years ago can be
forgiven for not knowing that have of them exist
Not knowing = risk to failure (disaster)

11. 1. Introducción
Las estructuras cristalina y amorfa
A escala atómica: Los átomos en los materiales se mantienen unidos mediante
un enlace químico: iónico, covalente, metálico, molecular y
de hidrógeno.
Un material puede ser cristalino (p.e. cerámica policristalina) o amorfo (p.e. vidrio).

12. Estructura a escala Propiedades intrínsecas: químicas, térmicas,
atómica eléctricas, magnéticas y ópticas.
ABO3
Ejemplos: punto de fusión, módulo elástico, coeficiente de expansión térmica,
ferroelectricidad (BaTiO3), fragilidad.

13. Monocristales y policristales. Microestructura.
Monocristal: Material constituído por una única orientación del cristal

14. Policristales: Materiales constituídos por un gran número de pequeños
cristales o granos, separados entre sí por fronteras de grano.
Propiedades de sus cristalitos,
Propiedades del policristal
moduladas por el estado de
agrupación de ellos
¿Por qué es más común el uso de cerámicas y metales policristalinos?

15. La microestructura: Se refiere a la naturaleza, cantidad y distribución de las diferentes
fases que forman el material
La microestructura cerámica: vítrea o cristalina, o cristalina y vítrea.
Microestructura Propiedades extrínsecas: mecánicas, reactividad,
propiedades finales
Ejemplos: la resistencia mecánica, la constante dieléctrica y la
conductividad eléctrica.

16. 2. La cerámica
Químicamente, las cerámicas son compuestos inorgánicos no metálicos, formados
de elementos metálicos y no metálicos, cuyos enlaces son predominantemente
iónicos
Óxidos simples: Al2O3, ZrO2
Óxidos complejos: BaTiO3, Bi4Ti3O12,YBa2Cu3O6+δ (0≤δ≤1)
No óxidos: SiC, B4C; Si3N4, BN; TiB2; MoSi2; LiF
Óxidos-nitruros: sialones β’: Si6-zAlzN8-zOz
Silicatos: caolinita (Al2Si2O5(OH)4), mullita (Al6Si2O13)

18. Estructuras cristalinas en las cerámicas
Si el enlace es iónico, la estructura está determinada por:
Cargas de los cationes, An+, y de los aniones Xm-,
tales que el cristal es eléctricamente neutro
rC rC rA
rA

19. Estable Estable Inestable

20. Cerámicas tipo AX
A: metal, X: no metal
Estructura del NaCl
•Número de coordinación = 6
•Estructura: dos redes FCC interpenetrantes
•Ejemplos: NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO

21. Estructura del CsCl
•Número de coordinación = 8
•Estructura: X en los vértices de un cubo y A en el centro,
o al revés.
•Ejemplos: CsCl, CsI

22. Estructura del ZnS (blenda o esfalerita):
•Número de coordinación = 4
•Estructura: A en vértices y centros de caras de un cubo,
y X en los sitios tetraédricos.
•Ejemplos: ZnS, ZnTe, SiC

23. Cerámicas tipo AmXp
Estructura del CaF2 (fluorita):
•Número de coordinación = 8
•Estructura: F en vértices un cubo,
y Ca alternadamente en los centros
•Ejemplos: UO2, PuO2, ThO2

24. Estructura del A2X3:
•Número de coordinación = 8
•Estructura: iones O forman red hexagonal, 6 iones A colocados
entre O, con ocupación 2:3 de los lugares
•Ejemplos: Al2O3, Cr2O3

25. Cerámicas tipo AnBmXp
Estructura perovskita, ABX3:
A
X
B
•Número de coordinación = 12 (A) y 6 (B)
•Estructura: A en vértices, B en el centro y X
en los centros de las caras de un cubo
•Ejemplos: BaTiO3, PbTiO3

26. Estructura espinela, AB2X4:
•Número de coordinación = 4 (A) y 6 (B)
•Estructura: Los iones X forman red FCC, los iones A
se ubican en lo sitios teraédricos y los B en los
octaédricos
•Ejemplos: MgAl2O4, FeAl2O4, NiFe2O4, ≈ ferritas

27. Silicatos
El tetraedro SiO4, enlace Si-O covalente
2MO + SiO2 2M2+ + SiO44-
oxígeno silicio

28. Ejemplo: La arcilla:
•Mineralógicamente, engloba a un grupo de minerales, filosilicatos (cuarzo,
feldespatos, etc.) en su mayor parte, cuyas propiedades físico-químicas dependen
de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino (inferior a 2 mm).
•Para un ceramista, una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con
agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta plástica.

29. Diversas formas de ordenamiento de los tetraedros SiO4
Los cationes, tales como Ca2+, Mg2+, Al3+ aseguran la neutralidad de la carga y
enlazan los tetraedros SiO44-

30. Silicatos y silicones
•Cadenas lineales de silicatos y silicones

31. Silicatos laminares:
Caolinita, Al2Si2O5(OH)4
Talco, Mg3(Si2O5)2(OH)2
Mica, p.e: KAl3Si3O10(OH)2

32. Silicatos de malla: SiO2 puro (sílice, cristalino: cuarzo, cristobalita);
feldespato (KAlSiO3)
cristobalita

34. Modificaciones de Sistema Densidad en
Condiciones de formación
cristalino g/cm3
SiO2
Cuarzo trigonal 2,65 T < 573ºC
Cuarzo hexagonal 2,53 T > 573ºC
Tridimita monoclínico 2,27
Tridimita hexagonal 2,26 T > 870ºC
Cristobalita tetragonal 2,32
Cristobalita cúbico 2,20 T > 1470ºC
Coesita monoclínico 3,01 P > 20kbar
Stishovita tetragonal 4,35 P > 80kbar
relámpagos incidentesen arena de puro
Lechatelierita vidrio amorfo 2,20 cuarzo, impactos de meteoritos
natural de sílice
Ópalo (SiO2 ´ amorfo 2,1 - 2,2
aq)

35. El carbono: como diamante

36. El carbono: como grafito

37. El carbono: como fullereno C60

38. Cálculo de la densidad teórica
n(∑ Ac + ∑ AA )
ρ=
Vc N A
n = número de unidades fórmula en la celda unidad
ΣAc = suma de pesos atómicos de todos los cationes en la fórmula
ΣAA = suma de pesos atómicos de todos los aniones en la fórmula
Vc = volumen de la celda unidad
NA = número de Avogadro, 6,023x1023 moléculas por mol

39. 3. Soluciones sólidas
Defectos cristalográficos
Defectos puntuales: Vacantes, Shottky y Frenkel
¿La estequiometría en la cerámica?

40. Soluciones sólidas
Soluciones sustitucionales
Ejemplo: Rubí, Cr3+ sustituyen un 1% de Al3+ en el Al2O3

41. Ejemplo: PbZr1-XTiXO3 (PZT)

45. Defectos lineales: Dislocaciones
Deslizamiento puro a nivel atómico

49. 4. Métodos de caracterización
Caracterización de Muestras Sólidas
Composición
elemental de volumen
Propiedades estructurales Fenómenos de superficie
Espectrom. Infrarrojos Dinámica SIMS
Espectrometría UV-VIS Estática SIMS
Etapas en disolución Análisis directo en sólido
Difracción de rayos X Mic. Electrón. Barrido
Absorción atómica Microprueba electrónica
Mic. Elect. Transmisión XPS / SAM
Espectrometría ICP Micros. Electrón. Barrido
Área superficial y
MET, emisión de campo porosimetría
Espectr. masas ICP Electrómetro de carbón
Micr. Fuerza Atómica

50. Difracción de rayos X

51. Ley de Bragg
n λ = 2d sen θ

52. 5. PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LA CERÁMICA
Clasificación de los materiales cerámicos en base a su aplicación
Vidrios Productos - arcilla Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicas avanzadas
Vidrios Estructuras Arcilla Cemento Refractarias
Vitrocerámica Porcelanas Sílice Yeso Electrocerámica
Artística Básicos (MgO) Caliza Resistentes a desgaste
Especiales (alúmina,
circonia, mullita, BeO)

53. ¿Qué propiedades generales caracterizan a la cerámica?
La mayor parte de la cerámica es:
Dura, resistente al desgaste, frágil, refractaria, aislante térmico, resistente a la
oxidación, propensa al choque térmico y químicamente inerte.
Su comportamiento eléctrico y magnético cubre un amplio rango:
Existen cerámicas aislantes, semiconductoras y superconductoras.

54. LA CERÁMICA AVANZADA
Aplicaciones en:
Electrónica
Óptica
Comunicación
Medicina
Control Medioambiental
Industria Aeroespacial

55. Aplicaciones Electromagnéticas
Condensadores Termistores PTC, NTC, CTR
Sustratos Varistores
Bujías
Celdas solares
Aislantes Semiconductores
Aisladores AV
Botellas magnéticas
Conductores iónicos Superconductores
Pilas de combustible
Levitación magnética
Sensores Piezoeléctricos Ferritas Cerraduras
Transductores
Actuadores Cabezas magnéticas
Osciladores Almacenamiento magnético
Micromotores

56. Aplicaciones Ópticas y en Comunicación
Trasmisión y detección infrarroja Lámpara de vapor de sodio de alta presión
LEDs Tubos de iluminación
Cerámica Traslúcida
Válvulas ópticas Moduladores de luz
Fibra óptica
Redes de fibras óptica Memorias ópticas

57. Aplicaciones Medioambientales y Químicas
Catalizadores en automóviles
Sensores de gas, humedad
Filtros Cerámica celular
Contenedores Cerámica porosa
Electrodos
Protección nuclear Membranas
Procesos fotoquímicos Transportadores de enzima
Capturadores de desechos tóxicos

58. Aplicaciones Médicas
Implantes: dientes, huesos,
articulaciones
Biocerámica Tomografía Computarizada de RX
Piezocerámica
Detectores de RX
Ecosonografia ultrasónica

59. Aplicaciones Mecánicas y Térmicas
Herramientas de corte Partes resistentes al desgaste
Recubrimientos cerámicos
Radiadores infrarrojos Cerámica refractaria
Hojas de turbina Azulejo cerámico aeroespacial

60. 5a. Comparación de propiedades entre metales, polímeros y
cerámicos
Coeficiente de Poisson
Metales Cerámicas Polímeros
0,5 Caucho nat. ∆V = 0
Pb PE
0,4 Ag
Cu PMMA
PS, PA 6-6
Coef. Poisson ν
Al
0,3 Fe, acero, W
Vidrio mineral
Al2O3, WC
∆V > 0
0,2 MgO
Si amorfo
0,1
Diamante
0

61. Límite de elasticidad / módulo elástico
Metales Cerámicas Polímeros
1
10-1
Fibras Diamante PE, EP, PA
SiC PMMA
Aleaciones Ti
10-2 Aceros
Al2O3, Si3N4
MgO
Aleaciones Al
Re / E
Aleaciones Cu
10-3 Concreto, cemento
Metales puros
10-4
10-5 Metales ultrapuros
10-6

62. Límite de elasticidad
Metales Cerámicas Polímeros
105
Diamante
Fibras Fe SiC
104 Si3N4
Al2O3
Acero Vidrio
103 Aleaciones Ti MgO
Re (MPa)
Aleaciones Al, Cu
PMMA
102 Metales puros
PA
Cemento EP
PS
10 Metales ultrapuros PE
Polímeros
expansivos
1
10-1

63. Comparación esfuerzo – deformación en tracción de varios materiales

64. Tenacidad
Metales Cerámicas Polímeros
200 Metales puros
Acero
100
50 Aleaciones Al
20
Tenacidad (MN-3/2)
10 Al2O3 + ZrO
BeO Si3N4
5 Al2O3
PS
2 SiC, MgO
PP-Nylon
1 PMMA
Vidrio PE
Epoxi
0,5
0,2 Cemento

65. Conductividad eléctrica
Metales Cerámicas Polímeros
1011
Semiconduc. Conductores
Cu,Ag,Al
108 Fe
Hg
TiC
Sn
Grafito
105 SiC
102
Ge puro,
SiC puro
10-1 GaAs
σ (Ω-1m-1)
Poliacetileno
10-4 (puro)
10-7 Al2 O3
Vidrio mineral
Aislantes
10-10
PMMA
10-13 Diamante PE, PS
SiO2 PTFE
10-16

66. Conductividad térmica
Metales Cerámicas Polímeros
104
Diamante
103
Cu,Ag
Al,W
Grafito
Zn
102
κ (W m-1 K-1)
Fe
Cr
Pb,Ni,acero Al2O3
TiC
10 SiO2
PE no orientado
Concreto PA
1 Verre Epoxi
PS
Caucho
10-1

67. Materiales Refractarios
- Un refractario, material refractario o producto refractario
está constituido de materias y productos no metálicos
(sin excluir algún constituyente metálico) donde la
resistencia piroscópica es equivalente a 1500ºC como
mínimo
- Definición tecnológica
“Todo material capaz de soportar a temperaturas
elevadas, las condiciones del medio en que está
inmerso, durante un periodo económicamente rentable,
sin deterioro excesivo de sus propiedades físico-
químicas”

68. Refractarios - Introducción
- Muchos productos utilizados en una sociedad
avanzada dependen directa o indirectamente de
procesos conducidos a altas temperaturas:
- Manufactura, conformado y tratamiento de metales
- Producción de cerámicos incluyendo vidrios y
cementos
- Materiales electrónicos
- Combustibles
- Productos químicos orgánicos e inorgánicos, etc.
Los refractarios hacen posible nuestra productividad

69. Funcionalidad e Integridad
FUNCIONALIDAD INTEGRIDAD
- Permeabilidad - Fusión y Vaporización
- Conductividad térmica - Estabilidad dimensional
- Capacidad térmica y de fases
- Conductividad eléctrica - Propiedades de flujos y
de resistencia
- Costo
- Propiedades elásticas
- Expansión térmica
Las mejores soluciones se - Resistencia a la
alcanzan considerando: corrosión
materiales, tipos, formas
dimensiones y - Resistencia a la erosión
configuraciones - Resistencia a la
abrasión

70. Refractarios como Materiales
- Constituyen una categoría de cerámicos técnicos
- Casi todos son complejas combinaciones de óxidos
cristalinos, unos pocos carburos, carbono y grafito
- Los cerámicos policristalinos tienen propiedades tales
como:
- Fragilidad
- Mucho menor resistencia en tensión que en compresión
- Considerable variabilidad en resistencia
- Exhiben fluencia a altas temperaturas
- Módulos de elasticidad elevados

71. Reto de Calidad
- Existe una variación inevitable en:
- Composición de las materias primas
- Tamaños y distribución de tamaños
- Composición y microestructura de la fase
final
- Grado de compactación del material
particulado

72. Productos Refractarios
CLASIFICACIÓN
- Existen unos 8000 productos refractarios con nombre de
marca
- Estos productos han sido organizados en unas pocas
docenas de clasificaciones
- En la actualidad la clasificación tiene como ejes la
estandarización y la aplicación
- Muchos productos se desarrollan para aplicaciones
específicas en conjunto con sus métodos de aplicación
- Se busca establecer una base de datos a nivel mundial
con una nomenclatura acordada

73. Clasificación
⎧ Densos
Finalidad ⎨
⎩ Aislantes
⎧Conformados
⎪
Presentación ⎨ Sin forma
⎪
⎩ Fibras
⎧ ⎧ Acidos
⎪ ⎪
⎪ Carácter químico ⎨Neutros
⎪ ⎪ Básicos
⎩
⎪
Naturaleza Química ⎨ ⎧ Sílice
⎪ ⎪Sílice-Alúmina
⎪Composición química ⎪
⎨
⎪ ⎪ Magnesia
⎪ ⎪ Especiales
⎩ ⎩

74. Se involucran los siguientes
sistemas de 3 componentes:
- MgO-Cr203-Si02
- CaO-Al203-Zr02
- CaO-MgO-Al203
- CaO-MgO-SiO2
- CaO-SiO2-ZrO2
- Cr203 -Si02-ZrO2
- Al203- Cr203 -Zr02
- MgO-Al203- Cr203
(6 sistemas monocomponente, 15
binarios y 20 ternarios, no
considera algunas composiciones
especiales que involucran TiO2,
beta-alúmina NaAl11O17, hafnia
HfO2, urania UO2)
Representación octaédrica de los
sistemas ternarios de materiales
refractarios

77. Refractarios Conformados (1)

78. Refractarios Conformados (2)

79. Refractarios No Formados (1)

80. Refractarios No Formados (2)

81. Algunas Propiedades a Tomar en
Cuenta
- Refractariedad
- Coeficiente de conductividad térmica
- Conductividad eléctrica
- Estabilidad dimensional
- Capacidad autoportante
- Corrosión
- Resistencia a la abrasión…

82. Temperaturas Máximas de Servicio
Temperaturas Máximas de Servicio para Refractarios Comerciales

83. Sensibilidad a Esfuerzos Térmicos –
Refractarios Monofásicos (1)

84. Sensibilidad a Esfuerzos Térmicos
Refractarios Monofásicos (2)

85. Sensibilidad a Esfuerzos Térmicos
Refractarios Multifásicos

86. Resistencia a Esfuerzos Térmicos
Refractarios Varios (1)

87. Resistencia a Esfuerzos Térmicos
Refractarios Varios (2)

88. Temperaturas Límite: Corrosión
Atmosférica/Alteración

89. Temperaturas Límite: Corrosión por
Líquidos Calientes

90. Propiedades de Diseño
- Coeficiente de Expansión Lineal
- Capacidad Calórica
- Conductividad Térmica
- Resistividad Eléctrica
- Propiedades Mecánicas

91. Coeficiente de
Expansión Lineal

92. Coeficiente de Expansión Lineal
Es usual reportar datos del CTE desde
temperatura ambiente hasta 1000ºC

93. Capacidad Calorífica Molal de Oxidos
Simples

94. Capacidad Calorífica Molal de Oxidos
Ternarios

95. Capacidad Calorífica Molal de No-Oxidos

96. Conductividad
Térmica para
Sustancias Densas

97. Conductividad
Térmica de
Oxidos Densos

98. Conductividad
Térmica de
No-Oxidos
Densos

99. Conductividad
Térmica de
Ladrillos
Básicos

100. Conductividad
Térmica de
Ladrillos con
Alúmina

101. Resistividad
Eléctrica de
Materiales
Aislantes

102. Propiedades Mecánicas de
Refractarios Densos Monofásicos

103. Esfuerzo de Flexión y Deformación
vs. Temperatura

104. Módulo a la Falla a Tambiente
vs. Porosidad para Ladrillos

105. Resistencia a la Compresión a
Tambiente
vs. Porosidad para Ladrillos

106. Módulo a la
Falla vs.
Temperatura
para Ladrillos

107. Módulo de Young vs. Temperatura
(a) Ladrillos, (b) Monolíticos

108. Manufactura de Refractarios

109. Diagrama de Flujo (1)

110. Diagrama de Flujo (2)

111. Materias Primas (1)
Naturales Sintéticas
Cuarzo Alúminas
Silicatos Magnesia
Bauxitas Mullita
Magnesita Carburo de Silicio Cerámica Tradicional
Dolomita Cementos
Cromita Espinelas - Materias Primas Plásticas
Zircon - Materias Primas
Talco Refractarias
- Materias Primas
Desengrasantes o Inertes
- Materias Primas Fundentes

112. Materias Primas
1. Minerales No Arcillosos
a) No silicatos
b) Sílices anhidros y silicatos
2. Arcillas y minerales similares

113. Cuarcitas Arena Diatomea
SiO2 >97 94-97 65-87
Sílice Al2O3
Fe2O3
0.1-2.0
0.1-2.0
1-3
0.1-0.5
3-10
1-3.5
CaO 0.1-0.5 0.1-0.2 0.5-1.5
MgO 0.1-0.5 0.1-0.3 0.5-3.5
Cristalina Amorfa
Minerales Rocas Opalos
Cuarzo Cuarcitas Diatomea
Calcedonia Grava Vidrio de
sílice
Agata Arena
Sílice
Pedernal Ganister
volátil
Cristobalita

114. Minerales No Arcillosos

115. Minerales Arcillosos

116. Arcillas y Caolines (1)
- Caolines: Color Blanco y cocción blanca, tamaño pequeño: 0.5
– 2 um, mineral más puro: caolinita
- Arcilla: Generalmente coloreadas y de cocción no blanca.
Tamaño fino, acompañadas de otros minerales y materia
orgánica
De acuerdo al uso
- Porcelana: caolines, cocción blanca
- Loza: caolines y caolines arcillosos
- Refractarios: solo arcillas de cono > 1580ºC
- Gres: Se busca vidrio, casi fusión. Exceso de sílice. Se
agregan feldespatos
- Mayólicas y terracotas: Arcillas magras. Muchos fundentes.
Hasta 40% de CaCO3. Cocción 900 – 1050ºC
- Ladrillos y baldosas: Mucho fundente, especialmente hierro.
Cocción: 900 – 1050ºC

117. Arcillas y Caolines (2)
- Minerales muy difundidos, estructura en capas, constituyen
la mayor parte de la corteza terrestre junto con los suelos
- Se consideran refractarias si tienen un cono superior al 33
(1743ºC)
Propiedades
Arcillas Duras Duras no plásticas,
(Flint clay, Fire clay) Fractura concoide, Aptas
para chamota
Arcillas Plásticas y Semiplásticas Plásticas, Untuosas ,
(Ball clay, bond clay) Forman liga
Caolines Alta pureza (caolinita),
(Kaolin) Blancas (bajo Fe),
Plasticidad relativa

118. Arcillas y Caolines (3)
Grupo Mineral Fórmula
Caolín Caolinita
Diquita Al203.2SiO2.2H20
Macrita
Montmorillonita Pirofilita Al203.4SiO2.H20
Montmorillonita (Mg,Ca)O.
Montronita Al203.5SiO2.4H20
Beidelita
Alcalino Mica arcillosa K2O.MgO
4Al203.7SiO2.2H20

119. Tipos de arcillas por color y
porosidad
Arcillas porosas coloreadas Arcillas porosas blancas
Tejares y alfares en bruto, barnizadas, Mayólicas finas
estanníferas Sanitarias y productos refractarios
Arcillas fusibles Arcillas refractarias
850-1100ºC 1000- 1550ºC
Arcillas impermeables coloreadas Arcillas impermeables blancas
Gres finos, comunes, clinkers Porcelanas duras, tiernas, china
Arcillas vitrificables vidriada
1100-1350ºC Caolines
1250- 1460ºC

120. Propiedades de las Arcillas
Plasticidad: “Material intermedio entre un líquido viscoso y
un sólido elástico”
La plasticidad está ligada a la estructura físico-química:
- Distribución de tamaño de partículas
- Capacidad de cambio de iones
- Naturaleza de los iones absorbidos inicialmente
- Naturaleza de los iones en el agua de amasado
- Contenido de materia orgánica
El aumento de plasticidad conduce a:
- Mayor ductilidad de los moldeados
- Mayor retención de agua
- Las barbotinas son más viscosas

121. Grano Premanufacturado: Materia
Prima Secundaria
- Chamota (grog) es uno de estos productos
- Es una fracción reciclada de ladrillos arcillosos
- Se utiliza para:
- Reducir el encogimiento
- Mejorar la resistencia a la corrosión
- Mejorar la estabilidad térmica
- Alterar la distribución de microfisuras y la porosidad
del refractario final
- Mejorar la respuesta a los ciclos térmicos y al choque
térmico

122. Aditivos Sólidos
- Químicos matriz
- Finamente subdivididos,
reaccionan o interactúen
con los constituyente
principales por motivos
de enlace
- Alteran la reología de la
mezcla

123. Otros Aditivos

124. Clasificación de Aditivos
⎧ Lignosulfonados
⎪ Polisacáridos
⎪
⎪ Alcohol polivinílico (PVA) ⎧ Silicatos de Na
⎪ ⎪Poliacrilato de Na
Liga temporal ⎨ PVA copolimerizado ⎪
Defloculantes ⎨
⎪ Carboxi-metil celulosa ⎪ Esteres orgánicos
⎪ ⎪
⎩ Fosfatos
⎪ Metil celulosa
⎪
⎩ Etil silicatos
⎧Na-Naftalen sulfonatos
Reducidores de H 2 O ⎨
⎩ Taninos
⎧Polietileno (líquido)
⎪ Acido esteárico
⎪ ⎧ Acido cítrico y sales
⎪
⎪ Aceites Otros ⎨ Acido oxálico y sales
Auxiliares de prensado ⎨ ⎪
⎪ Ceras ⎩ Glicerina
⎪ Polietilenglicol
⎪
⎩ Tensoactivos

125. Preparación de Sólidos
- La naturaleza química y la distribución del
tamaño de partícula de cada materia prima
constituyente debe estar de acuerdo con el
proceso de manufactura
- Algunos casos típicos incluyen:
- Fusión
- Granos con reacción previa y sinterizados
- Morteros y Fireclays

126. Morteros y Fireclays
- Uno o más constituyentes pueden ser calcinados a alta temperatura
en lugar de someterse a calcinación activa
- Varios constituyentes pueden ser molidos a un tamaño más grueso
- Los constituyentes matriz se muelen a un tamaño reducido y en un
estado químicamente activo
- Los morteros se formulan de acuerdo con los elementos que van a
unir
- La calcinación es necesaria no solo para remover el agua intercalada
y colapsar las estructuras cristalinas hidratadas sino también para
evitar la rehidratación
- Para arcillas y bauxitas esto significa no solo descomponer los
hidratos sino también inducir cambios de fase irreversibles
térmicamente activados

127. Fireclays
Caolinita pura y seca:
- La deshidratación ocurre rápidamente,
típicamente entre 550 y 650ºC
- El encogimiento de la caolinita se inicia
conjuntamente con su descomposición
- La caolinita luego se transforma en una
estructura casi amorfa de “meta-caolín”
- Termina en un estado vitreo anhidro alrededor
de 950-1000ºC
- Se detecta mullita alrededor de 1000ºC, luego
aparece cristobalita

128. Fireclays (2)
- Contienen Al2O3 y SiO2 en diferentes relaciones, así como otras
impurezas
- Su descomposición ocurre a temperaturas bajas y sobre rangos
amplios
- Se revierten en vidrios a temperaturas bajas, pero eventualmente
dan lugar a mullita y cristobalita
- La resistencia a rehidratación debería obtenerse aproximadamente a
los 900ºC
- Los vidrios formados a partir de los cristales originales son muy
rígidos
- Casi imposible obtener todo el encogimiento hasta alcanzar las
temperaturas de sinterización en fase líquida: 1500 – 1600ºC
- Calcinación elimina la lubricidad. Es necesario adicionar una arcilla
plástica

129. Refractarios No Formados o
Monolíticos
- Refractarios Sin Forma
- Especialidades
- Refractarios Especiales
- Refractarios Moldeables
- Refractarios Colables
- Concretos Refractarios
- Morteros Refractarios
Se estima que el consumo de este tipo de materiales es
del orden del 50-60% del consumo total

130. Ventajas Comparativas
- Menor tiempo de manufactura, por formato y cocción.
Reducción del espacio
- Menor costo energético. Eliminación de la contaminación
por gases
- Construcción de formas complicadas y de gran tamaño
utilizando soportes y anclajes
- En general son tan durables como los ladrillos, aun en
espesores menores
- Fácil instalación. Permite la reparación local
- Los refractarios monolíticos tienen menor expansión
térmica
- Dado el método de fabricación, permiten una mayor
flexibilidad de diseño según el requerimiento del servicio

131. Mezclado
- Se busca lograr la mayor homogeneidad posible
- Los distintos tipos de máquinas mezcladoras están
diseñadas para usos “casi específicos”: plásticos, áridos
secos, pastas finas, etc.
- El orden de mezclado debe minimizar las
heterogeneidades
- Orden de agregado
- Agregar los cortes gruesos (hasta malla 30 aprox.)
- Seguir con los extrafinos o fácilmente aglomerables
- Arcillas micronizadas
- Alúminas menores a 44 um
- Productos orgánicos
- Aditivos que van en poca proporción
- Agregar el resto (mallas menores que 30 y pulverizados)
- Si es necesario humectar hacerlo con chorro fino durante el
mezclado

132. Objetivos – Proyecto PIC 209
Seleccionar materiales que puedan ser
empleados en la construcción de
incineradores reduciendo costos
- Seleccionar materiales (propiedades,
disponibilidad)
- Ensayar los materiales puros
- Elaborar y ensayar mezclas

133. Recolección de Arcillas

134. Pruebas
- Sinterización
- Composición
- Densidad
- Porosidad
- Dilatación Térmica
- Conductividad

135. Características Físicas (1)
Arcillas/Arenas Codificación Características físicas
1. Arcilla de la Formación ATos1 En estado puro presenta una coloración amarilla
Tosagua 529897, 9790530 terrosa, después de la cocción adquiere una coloración
Fracción < 0.053mm café. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.
2. Arcilla de la Formación ATos2 En estado puro presenta una coloración amarilla más
Tosagua 554683, 9744610 intensa que la anterior, después de la cocción adquiere
Fracción < 0.053mm una coloración café oscura. Alta plasticidad. No se
disgrega con facilidad.
3. Arcilla Limón-Azuay ALim-Az En estado puro presenta una coloración blanco hueso,
después de la cocción adquiere una coloración amarilla
de baja intensidad. Baja plasticidad. Se disgrega con
facilidad.
4. Arcilla Engabao 1 AEng1 En estado puro presenta una coloración ocre, después
de la cocción adquiere una coloración café cobrizo.
Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.
5. Arcilla Engabao 2 AEng2 En estado puro presenta una coloración grisácea y
retiene su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se
disgrega con facilidad.

136. Características Físicas (2)
6. Arcilla Paján APaj En estado puro presenta una coloración amarilla intensa,
después de la cocción adquiere una coloración café. Alta
plasticidad. No se disgrega con facilidad.
7. Arcilla Socorro ASoc En estado puro presenta una coloración café, después de la
cocción adquiere una coloración cobriza. Baja plasticidad. Se
disgrega con facilidad.
8. Arena Quilotoa Aren-Quil En estado puro presenta una coloración blanca hueso y retiene
su color durante la cocción. Se disgrega con facilidad.
9. Sílice Nacional Sil-N En estado puro presenta una coloración blanca absoluta y
retiene su color durante la cocción. Se disgrega con facilidad.
10. Arcilla Loja- ALoj-Paj En estado puro presenta una coloración café y después de la
Paján cocción adquiere una coloración terracota. Baja plasticidad. Se
disgrega con facilidad.
11. Arcilla Loja ALoj En estado puro presenta una coloración grisácea y retiene su
color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con
facilidad.
12. Arcilla Colimes ACol-Bal En estado puro presenta una coloración negra-plomiza y retiene
del Balzar su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con
facilidad.

137. Elaboración de Probetas
Troqueles rectangulares Troquel circular: Ø = 25 mm, h = 50 mm.
Probetas cilíndricas Probetas prismáticas.

138. Sinterización (1)

139. Sinterización (2)

140. Sinterización (3)

141. Composición
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO TiO2 GRUPO
ARCILLA (wt.%) (wt.%) (wt.%) (wt.%) (wt.%) (wt.%)
Loja 19.36 9.52 3.17 1.27 0.67 0.42 1
Limón-Azuay 23.92 10.26 2.70 0.78 0.58 0.79
Engabao 2 19.13 9.38 3.15 1.25 0.68 0.42
Paján 18.15 8.83 3.07 1.15 0.69 0.43
Socorro 15.27 7.04 2.64 0.79 0.63 0.44
Sílice 15.58 7.20 2.49 0.75 0.66 0.53
Engabao 1 52.51 21.61 8.02 2.96 1.32 0.73 2
Loja-Paján 50.04 21.28 7.84 2.61 1.33 0.72
Tosagua 1 50.69 21.25 7.68 2.61 1.30 0.70
Tosagua 2 50.83 22.04 8.08 2.61 1.30 0.76
Colimes de
Balsar 53.64 21.96 8.10 2.98 1.33 0.74
Quilotoa 50.82 21.26 7.86 2.75 1.31 0.72

142. Densidad
Arcillas/Arenas Presión (psi)
2000 3000 4000
Arcilla Limón-Azuay 1.9 1.9 2.1
Arcilla Engabao 2 1.6 1.4 1.4
Arcilla Paján 2.1 2.1 2.1
Sílice Nacional 1.4 1.5 1.5
Arcilla Loja 2.3 2.3 2.3

143. Porosidad
Arcillas/ Arenas Porosidad Aparente (%) Porosidad Real (%)
Arcilla Engabao 2
3000 (psi) 0.5 0.2
4000 (psi) 0.9 0.3
Arcilla Limón-Azuay
3000 (psi) 1.6 1.2
Sílice Nacional
2000 (psi) 2.2 1.9
3000 (psi) 1.6 1.7
4000 (psi) 1.7 1.5
Arcilla Socorro
2000 (psi) 0.4 0.2
Arcilla Paján
3000 (psi) 0.3 15.8

144. Mezclas
Material Características Físicas y Químicas
Alúmina Material cerámico muy versátil, sus propiedades la hacen
especialmente apta para aplicaciones en donde la temperatura
es un factor critico, además de su relativa facilidad para
adaptarse a diversos trabajos y usos. Es un material con buenas
propiedades de adsorción de fluoruros del agua y constituyen
el material adsorbente mas usado.
Oxido de Tiene una temperatura de fusión alta, buena refractariedad y buena
Magnesio resistencia al ataque de los ambientes que a menudo se
encuentran en los procesos de fabricación de acero..Se le
considera como un refractario básico.
Ladrillo Constituido por sílice y alúmina. Su característica es ser poco
Refractario fundente, resiste el calor a altas temperaturas y posee poca
vitrificación.

145. Conductividad – Mezclas (1)
Coeficiente de Conductividad
Mezcla Presión (psi)
térmica (W/m K)
Socorro 55%
3000 4.88
Alúmina 45%
Engabao2 55%
3000 3.81
Alúmina 45%
Paján 55%
3000 3.16
Alúmina 45%
Loja 55%
3000 2.86
Alúmina 45%
Limón-Azuay55%
3000 2.01
Alúmina 45%
Sílice 55%
3000 2.56
Alúmina 45%
Limón-Azuay 25%
3000 1.53
Ladrillo Refractario 75%

146. Conductividad – Mezclas (2)
Limón-Azuay 50% Ladrillo Refractario 50% 3000 1.86
Limón-Azuay 75% Ladrillo Refractario 25% 3000 2.00
Formación Tosagua 1 25% Ladrillo Refractario 75% 3000 59.39
Formación Tosagua 1 50% Ladrillo Refractario 50% 3000 48.63
Formación Tosagua 2 75% Ladrillo Refractario 25% 3000 29.98
Formación Tosagua 2 50% Ladrillo Refractario 50% 3000 3.01
Formación Tosagua 1 25%-Ladrillo Refractario 75% 3000 3.26
Engabao 2 75% - Ladrillo Refractario 25% 3000 4.04
Engabao 2 50% - Ladrillo Refractario 50% 3000 4.99
Loja-Paján 50% - Ladrillo Refractario 50% 3000 8.26
Loja-Paján 75% - Ladrillo Refractario 25% 3000 8.13
Colimes de Balsar 75% - Ladrillo Refractario 25% 3000 4.25
Colimes de Balsar 50% - Ladrillo Refractario 50% 3000 4.14