W. Retegui 1

UNIVERSIDAD SAN IGNACIO DE LOYOLA

INGENIERA INDUSTRIAL Y COMERCIAL

CURSO

TECNOLOGA INDUSTRIAL.

CAPITULO VI

PROCESOS DE PRODUCCIN DE CERMICAS, REFRACTARIOS

Y VIDRIOS

Prof. W. Retegui

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Ses Sem (hrs) Tipo Contenido Actividades de Aprendizaje Recursos

Mdulo 6:Procesos de produccin de cermicas, refractarios y vidrios

Competencias Especficas:

1)Conoce las propiedades fundamentales de una cermica y de un refractario.

2)Conoce los procesos de produccin del vidrio.

6 6 4 AP

Materias primas bsicas.

Productos cermicos.

Refractarios. Hornos. Vidrio:

mtodos de produccin

Conoce y establece diferencias

entre materiales cermicos,

refractarios y vidrio. Se familiariza

con los procesos de produccin.

- Equipo multimedia.

- Pizarra acrlica y plumn.

- Material Bibliogrfico.

- Artculos de revistas

indexadas.

- Informe tcnicos

6 6 6 AA Lectura del libro texto de resea

y referencias complementarias

Investiga, refuerza y perfecciona

conocimientos logrados en clase.

- Material bibliogrfico

- Notas de clase

- Aula virtual

Competencias del Perfil Profesional

1. Planifica, administra y controla procesos y operaciones de produccin y comercializacin de bienes y servicios, diseando y evaluando sistemas integrados por activos y capital humano, analizando y diseando mtodos de trabajo, controlando sistemas de seguridad e higiene industrial y de impacto ambiental de los procesos productivos.

2. Lidera y conduce efectivamente equipos multidisciplinarios para el logro de objetivos comunes, promoviendo y aplicando prcticas preventivas en gestin ambiental, a fin de tomar decisiones comprometidas con la responsabilidad social.

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Competencias del Curso

Nmero Competencias generales del curso Nmero Competencias especificas del curso

1 Elabora e interpreta diagramas de flujo y de bloques para la representacin de los procesos.

1.1. Construye diagramas de flujo de un proceso industrial.

1.2. Identifica en el diagrama de flujo las diferentes variables de un proceso productivo.

2 Identificar y diferenciar las diferentes etapas de los procesos tecnolgicos: operaciones unitarias y Procesos unitarios.

2.1. Evala los requerimientos de masa de cada etapa del proceso productivo.

2.2. Evala los requerimientos de energa de cada etapa del proceso productivo.

3 Analizar las variables de operacin, los parmetros de proceso y las condiciones de calidad de los procesos de manufactura.

3.1. Realiza balances de masa y energa en base a un diagrama de flujo.

3.2. Reconoce las variables a controlar con la finalidad de mantener el equilibrio de un proceso productivo.

4 Evala loa aspectos ambientales en la produccin industrial

4.1. Evala las materias primas usadas en el proceso productivo.

4.2. Evala las caractersticas de los efluentes y los posibles tratamientos a aplicar.

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I. MATERIALES CERMICOS

La palabra cermica significa "quemar". En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno

de este trmino incluye a todos los materiales inorgnicos no

metlicos que se forman por accin del calor ( sinterizacin).

En general, se consideran nicamente como materiales cermicos aquellos que han sido producidos por el hombre de forma artificial.

El trmino cermica se utilizaba en el pasado para referirse al arte de producir artculos mediante la tcnica de la alfarera.

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Las cermicas tradicionales son materiales dedicados en general a la construccin (arcillas, cemento...) y a usos

aplicados en el hogar y la industria (loza, porcelana...).

En la actualidad se incluye dentro de los materiales cermicos a los xidos, carburos, nitruros, boruros, y

compuestos de ellos. Mientras que las cermicas

tradicionales tienen ms de 3 000 aos de antigedad.

La existencia de los compuestos cermicos es mucho ms reciente, en muchos casos no supera los 30 aos.

Las compuestos cermicos se han desarrollado,

modificando mediante nuevas tcnicas de produccin,

alguno de los diferentes niveles de la estructura del

material, desde el nivel atmico y la microestructura hasta

la forma definitiva del componente.

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Uno de los usos que ms auge est experimentando actualmente es el empleo de materiales cermicos como componentes

estructurales. Las cermicas estructurales son aquellas en las que

la mejora de las propiedades se ha centrado en los aspectos

mecnicos.

Estos usos requieren materiales con alta resistencia en diversas condiciones ambientales, capaces de soportar elevadas

temperaturas y resistentes a la corrosin y oxidacin .

Los materiales cermicos 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 vehculos

espaciales o implantes dentales.

Las aplicaciones para estos materiales es muy diversa, desde los ladrillos y azulejos a los componentes electrnicos y magnticos.

Las funciones de los productos cermicos dependen de su composicin qumica y la microestructura.

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EJEMPLOS DE MATERIALES CERMICOS:

Ferrita (Fe3O4) es utilizado en ncleos de transformadores magnticos y en ncleos de memorias magnticas.

Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material .

Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicpteros y cubiertas de tanques.

xido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura.

Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo.

Diboruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional.

xido de zinc (Zn4O), un semiconductor.

xido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares.

Esteatita o talco (Mg3Si4O10(OH)2), utilizada como un aislante elctrico.

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PROPIEDADES MECNICAS DE LA CERMICA

Los materiales cermicos son generalmente frgiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensin y presentan poca

elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos.

Tienen elevada resistencia a la compresin si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 C).

Bajo cargas de compresin las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de traccin o cizalladura las grietas tienden a

separarse, dando lugar a la fractura.

Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecnicas a altas temperaturas.

El mdulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa en el caso del Carburo de Titanio (TiC).

Resistencia mecnica: usualmente la exigencia se refiere a la resistencia a compresin y mdulo de elasticidad, magnitudes muy

relacionadas con la porosidad. Cabe as mismo sealar la aceptable

resistencia a traccin del material cermico

Color y aspecto: el color depende de las impurezas (xido de hierro) y de los aditivos empleados.

Densidad y porosidad: son en todo anlogas en lo definido para piedras naturales. La densidad real es del orden de 2g/cm3.

Absorcin: recibe el nombre de absorcin especfica al % en peso de agua absorbida respecto de una pieza seca. Con ella est

relacionada la permeabilidad.

Heladicidad: es la capacidad de recibir las bajas temperaturas sin sufrir deterioros en las caras expuestas al fro.

Resistencia mecnica: usualmente la exigencia se refiere a la resistencia a compresin y mdulo de elasticidad, magnitudes muy

relacionadas con la porosidad. Cabe as mismo sealar la aceptable

resistencia a traccin del material cermico

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Comportamiento refractario: Algunos materiales cermicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su

solidez. Son los denominados materiales refractarios.

Generalmente tienen baja conductividad trmica por lo que son empleados como aislantes.

Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de azulejos cermicos que protegen la nave de las altas temperaturas

causadas durante la entrada a la atmsfera.

Proteccin trmica del transbordador espacial.

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Termofluencia: La conservacin de las propiedades mecnicas a altas temperaturas toma gran importancia en determinados sectores

como la industria aeroespacial. Los materiales cermicos poseen

por lo general una buena resistencia a la termofluencia. Esto es

debido principalmente a dos factores en el caso de cermicos

cristalinos: altos valores de temperatura de fusin y elevada energa

de activacin para que comience la difusin.

Choque trmico: Se define como la fractura de un material como resultado de un cambio brusco de temperatura. Esta variacin

repentina da lugar a tensiones superficiales de traccin que llevan a

la fractura. Entre los factores que condicionan la resistencia al

choque trmico toma gran importancia la porosidad del material. Al

disminuir la porosidad (aumentar la densidad) la resistencia al

choque trmico y las caractersticas de aislamiento se reducen,

mientras que la resistencia mecnica y la capacidad de carga

aumentan.

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Muchos materiales son usados en estados muy porosos y es frecuente encontrar materiales combinados: una capa porosa con

buenas propiedades de aislamiento combinada con una delgada

chaqueta de material ms denso que provee resistencia, pero no se

pueden realizar contrastes especfIcos.

Materiales cermicos porosos. No han sufrido vitrificacin, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena. Su fractura (al romperse)

es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, lquidos y

grasas.

Refractarios. Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior hay unas proporciones grandes de xido de aluminio, torio, berilio y

circonio. La coccin se efecta entre los 1.300 y los 1.600 C.

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Almina

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AZULEJO : Se refiere a una objeto de cermica de poco espesor, generalmente cuadrada, en la cual una de las caras es vidriada, resultado de la

coccin de una sustancia a base de esmalte que se torna impermeable

y brillante.

Esta cara puede ser monocromtica o policromtica, lisa o en relieve. El azulejo es generalmente usado en gran cantidad como elemento

asociado a la arquitectura en revestimiento de superficies interiores o

exteriores o como elemento decorativo aislado.

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Los diferentes tonos cromticos se obtienen a partir de xidos metlicos:

cobalto (azul)

cobre (verde)

manganeso ( castao, negro )

hierro (amarillo)

estao (blanco).

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La cermica vidriada sigue el mismo procedimiento del producto cermico con la diferencia de que se eleva la

temperatura durante la coccin provocando as que se

vitrifique, los poros se cierran y el material se vuelve

compacto .

Otra manera de obtener cermica vidriada es mediante el empleo de barnices o esmaltes, con lo que los

productos obtienen una superficie dura, permeable y lisa.

Los azulejos son piezas de poco espesor utilizadas tanto en revestimientos verticales como en pavimentos.

Consta de un soporte arcilloso, denominado bizcocho y

de un recubrimiento vtreo por medio de un esmalte

cermico que le dota de una superficie impermeable y

dura.

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En el mbito de la tecnologa o el arte de los azulejos, el esmalte, (o esmalte vidriado, o esmalte porcelnico) es el resultado de la fusin

de cristal en polvo con un sustrato a travs de un proceso de

calentamiento, normalmente entre 750 y 850 C.

El polvo se funde y crece endurecindose formando una cobertura suave y vidriada muy duradera en el metal, el vidrio o la cermica. A

menudo se aplica el esmalte en forma de pasta, y puede ser

trasparente u opaco cuando es calentado.

El esmalte vidriado pueda aplicarse a la mayora de los metales.

El esmalte vidriado tiene muchas propiedades excelentes.:

Es suave

Resistente a las agresiones mecnicas o qumicas

Duradero

Puede mantener colores brillantes durante mucho tiempo y no es combustible.

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Entre sus desventajas destaca su tendencia a romperse o hacerse aicos cuando el sustrato es sometido a deformaciones o esfuerzos.

Tradicional cazuela de cocina fabricada en

hierro esmaltado.

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Una baldosa es una pieza manufacturada, normalmente horneada, que puede ser de distintos materiales como cermica, piedra,

porcelana, arcilla, metal e inclusive vidrio.

Las Baldosas son generalmente usadas para cubrir pisos y paredes u otros objetos tales como mesas u hornos.

En su mayora, son hechas de cermica, con un fino acabado esmaltado, que se consigue despus de un proceso de horneado.

Tambin se puede conseguir, entre los materiales para su

elaboracin elementos como, distintos tipos de piedra, vidrio y

cemento.

Las baldosas de piso pueden ser pintadas y esmaltadas. Son fijadas al piso mediante un mortero que es una mezcla de cal o

cemento, que acta como conglomerante, arena y agua, que al

secarse, adquiere una constitucin muy dura.

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MATERIALES CERMICOS MULTIFUNCIONALES BASADOS EN EL CONOCIMIENTO

Es el estudio y desarrollo de nuevos materiales multicomponentes avanzados. Los materiales estudiados se denominan materiales

multifuncionales o inteligentes, pues desarrollan funcionalidades especiales que les permiten tener propiedades mejoradas y de mayor

resistencia en condiciones extremas.

Estos materiales tienen una aplicacin directa en el sector : aeronutico y aeroespacial en el sector del automvil en el sector de bienes de equipo. En el tratamiento de efluentes industriales Los materiales cermicos mejorados tienen mejores propiedades

mecnicas a temperaturas y presiones elevadas.

Tienen elevada resistencia al desgaste, a la corrosin, a la oxidacin, al ataque fisicoqumico .

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La sntesis de membranas cermicas para diferentes aplicaciones en las que las membranas orgnicas no presentan suficiente estabilidad, debido a la

presencia de medios qumicamente agresivos o temperaturas elevadas.

De esta manera se han sintetizado unas membranas para ser empleadas en un proceso electroqumico de regeneracin de baos de cromado agotados

procedentes de industrias de tratamiento superficial, que han demostrado su

viabilidad, tanto a escala de laboratorio, como a escala piloto.

La sntesis de cermicas absorbentes de microondas, lnea que ya ha generado prototipos que se han ensayado

La sntesis de cermicas absorbentes de microondas, lnea que ya ha generado prototipos que se han ensayado como elementos activos en

cmaras diseadas para absorber el sonido que incide sobre las paredes,

suelos y techos de la misma, minimizando los efectos de eco y

reverberacin del sonido).

Eliminacin de microorganismos en sistemas de acondicionamiento de aire.

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LABORATORIO DE FISICOQUIMICA UNI-FIQT

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DUREZA (UNI-FC) : 10grf /WRR

Muestra: Zn-Co-Ni

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Microscopio Metalogrfico(UNI-FIQT)/WRR

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Resina

muestra

anclada

Microscopio ptico (UNI-FC) / WRR

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Resina sombra Pelcula ternaria Metal base Fe Foto N 11.29 Muestra M13S3, Micrografa Electrnica de Barrido a una escala de 10 micras

Equipo: SEM-505 PHILIPS , UNI- Facultad de Ciencias/ Laboratorio de pelculas delgadas y

caracterizacin de materiales. WRR

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Foto N 11.25 Microscopa de Fuerza Atmica (AFM-IPEN) : WRR

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II. El vidrio

Es un material inorgnico duro, frgil, transparente y amorfo que se encuentra en la naturaleza aunque tambin puede ser producido por el hombre. Los

vidrios forman un grupo familiar de cermicas; las aplicaciones tpicas son

recipientes, ventanas, lentes, fibra de vidrio y una gran variedad de productos.

El vidrio es un tipo de material cermico amorfo: sus molculas no estn dispuestas de forma regular.

El vidrio no es un slido cristalino. Los slidos son ms estables cuando estn en forma cristalina. Sin embargo, si un slido se forma con rapidez ( por

ejemplo cuando un lquido se enfra muy rpido), sus tomos o molculas no

tienen tiempo de alinearse por si mismos y pueden quedar fijos en posiciones

distintas a las de un cristal ordenado. Un material as formado se llama

amorfo.

Los slidos amorfos, como el vidrio, carecen de una distribucin tridimensional regular de tomos.

Los vidrios son silicatos no cristalinos que contienen xidos, principalmente: CaO, Na2O, K2O y Al2O3

El trmino "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinnimo de vidrio, aunque es incorrecto en el mbito cientfico debido a que

el vidrio es un slido amorfo (sus molculas no estn dispuestas de

forma regular) y no un slido cristalino.

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Representacin bidimensional de (a) Cuarzo cristalino y (b) vidrio de cuarzo no cristalino. Las

pequeas esferas representan el silicio. En realidad , la estructura del cuarzo es tridimensional. Cada

tomo de silicio est enlazado de manera tetradrica a cuatro tomos de oxgeno

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PROPIEDADES.

La slice se funde a temperaturas muy altas para obtener una masa vtrea. Dado que este vidrio tiene un punto de fusin muy alto y no

se contrae ni se dilata demasiado con el cambio de temperatura, es

muy apropiado para aparatos de laboratorio y para los objetos que

han de someterse a grandes variaciones trmicas, como los espejos

de los telescopios.

El vidrio es mal conductor tanto del calor como de la electricidad, por lo que suele utilizarse como aislante elctrico y trmico.

Para elaborar la mayor parte de los vidrios se combina la slice con diferentes proporciones de otras materias primas. Los fundentes

alcalinos, normalmente carbonato de sodio o de potasio, hacen que

descienda la temperatura requerida para la fusin y la viscosidad de

la slice. La piedra caliza o la dolomita (carbonato de calcio y

magnesio) actan como estabilizantes en el horneado. Si se aaden

otros ingredientes, como el plomo y el brax, se confiere al vidrio

propiedades fsicas determinadas.

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COLOR

Los xidos influyen en las propiedades del vidrio. El color del vidrio se debe en gran medida a la presencia de iones metlicos ( como

xidos):

El vidrio verde contiene xido de hierro (Fe2O3) u xido de cobre (CuO).

El vidrio amarillo contiene xido de uranio (UO2)

El vidrio azul contiene xido de cobalto (CoO) y de cobre (CuO)

El vidrio rojo contiene pequeas partculas de oro y cobre

Un vidrio tpico de cal y sosa est formado por aprox. 70% en masa de SiO2 y la diferencia es Na2O(sosa) y CaO

Para obtener un vidrio transparente e incolora, se aade manganeso

El vidrio se obtiene por fusin a unos 1.500 C a partir de:

arena de slice (SiO2)

carbonato de sodio (Na2CO3) y

caliza (CaCO3)

PROPIEDADES FISICAS

Segn su composicin, algunos vidrios pueden fundir a temperaturas de slo 500 C; en cambio, otros necesitan 1.650 C.

La resistencia a la traccin, que suele estar entre los 3.000 y 5.500 N/cm2, puede llegar a los 70.000 N/cm2 si el vidrio recibe un

tratamiento especial.

La densidad relativa (densidad con respecto al agua) va de 2 a 8, es decir, el vidrio puede ser ms ligero que el aluminio o ms

pesado que el acero.

Las propiedades pticas y elctricas tambin pueden variar mucho.

Los vidrios son sensibles a la temperatura

Los materiales vtreos ( no cristalinos) no solidifican de la misma manera que los materiales cristalinos.

Los vidrios son sensibles a la temperatura

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Los materiales vtreos ( no cristalinos) no solidifican de la misma manera que los materiales cristalinos.

Al enfriar, el vidrio se hace cada vez ms viscoso de forma continua a medida que la temperatura disminuye

No existe una temperatura definida a la cual el lquido se transforma en slido, tal como ocurre con los slidos cristalinos.

Una de las diferencias entre materiales cristalinos y no cristalinos, se basa en la dependencia del volumen especfico (inversa de la densidad) con la temperatura.

En el caso de materiales cristalinos, existe una disminucin discontinua en volumen a la temperatura de fusin (Tm ).

Para los materiales vtreos, el volumen disminuye continuamente con la reduccin de temperatura, la temperatura a la cual se produce un ligero cambio en la pendiente, se denomina temperatura de transicin vtrea (Tg).

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Por debajo de la temperatura de transicin vtrea, se considera que el material es un vidrio, por encima primero es un lquido subenfriado y finalmente un lquido.

FABRICACIN DE VIDRIO

El vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, como slice, fundentes, como los lcalis, y estabilizantes, como la cal.

Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta (de produccin continua) por medio de una tolva.

El horno se calienta con quemadores de gas o petrleo. La llama debe alcanzar una temperatura suficiente, y para ello el aire de combustin se

calienta en unos recuperadores construidos con ladrillos refractarios antes de

que llegue a los quemadores.

El horno tiene dos recuperadores cuyas funciones cambian cada veinte minutos: uno se calienta por contacto con los gases ardientes mientras el otro

proporciona el calor acumulado al aire de combustin.

La mezcla se funde (zona de fusin) a unos 1.500 C y avanza hacia la zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido.

En el otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 800 C. Al vidrio as obtenido se le da forma por laminacin o por otro mtodo.

Materiales y tcnicas: El ingrediente principal del vidrio es la slice, obtenida a partir de arena, pedernal o cuarzo.

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fabricacin de vidrio laminado

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