Introducción
Los refractarios son esenciales para las industrias que trabajan con altas temperaturas; estos pueden soportar extremas condiciones conservando sus propiedades mecánicas 1. La producción mundial anual de refractarios se estima entre 35 y 40 millones de toneladas por año 2. Estos volúmenes tan altos de producción generan dos problemas ambientales. El primero está relacionado con el uso exhaustivo de recursos naturales no renovables, y el segundo consiste en la producción de materiales posconsumo que se deben disponer adecuadamente 3. El reciclaje de refractarios posconsumo no ha recibido atención especial en el pasado, ya que las materias primas para refractarios son de bajo costo, además del bajo costo de disposición final 1.
Debido a consideraciones medioambientales, el uso de material reciclado para sustituir materiales vírgenes puede reducir los desechos refractarios y puede tener un impacto positivo promoviendo el desarrollo sostenible con impacto económico, social y ambiental. Existe una amplia variedad de ladrillos refractarios (ASTM C27 - 98) específicamente formulados para cumplir con los requisitos particulares para diferentes industrias. Estos ladrillos se pueden clasificar según la composición química y el método de fabricación, entre otros criterios 4. Una clasificación común de los refractarios es de acuerdo a su grado de porosidad 5. Los materiales que contienen una alta fracción de poros se usan donde se requiere un buen aislamiento térmico a altas temperaturas, mientras que una baja porosidad se usa donde se requiere buena resistencia a la corrosión química. Del mismo modo, otras propiedades físicas, como la resistencia, la abrasión y la permeabilidad al gas, a menudo están relacionadas con la densidad y la porosidad del refractario.
Los refractarios a base de sílice y alúmina se utilizan ampliamente en la industria, debido a su extensa gama de aplicaciones y bajo costo, además de la posibilidad de usarse en ambientes ácidos 6. El objetivo del presente estudio es evaluar la influencia de chamota, obtenida a partir de ladrillos porosos silico-alumisos que cumplieron su ciclo de vida en la industria cerámica, en las propiedades de un refractario como reemplazo de alúmina.
Materiales y métodos
Para evaluar la influencia de la chamota posconsumo en una pasta refractaria, se formularon cuatro mezclas como se muestra en la tabla 1. En estas se varió progresivamente el porcentaje en peso de chamota de 45 % a 0 % para hacer un análisis comparativo. La chamota posconsumo se obtuvo a partir de ladrillos porosos que ya habían cumplido su ciclo de vida en la industria cerámica. A estos se les realizó un proceso de conminución utilizando un molino de bolas cerámicas hasta llegar a obtener partículas 100 % pasante malla 50 (abertura de malla: 297 µm). La chamota se caracterizó mediante espectroscopia de fluorescencia de rayos X (Malvern Panalytical D-XRF ARL Optim’X).
La sinterización de las muestras se realizó en un horno a gas a una temperatura de 1600 °C. El cono pirométrico equivalente (CPE) se evaluó según la norma ASTM C-24. La densidad y la porosidad se determinaron siguiendo la norma ASTM C-20. La contracción lineal se determinó a partir de probetas con dimensiones de 50 mm X 50 mm y un espesor de 10 mm antes y después del sinterizado. Las muestras se formaron utilizando la maquina universal de ensayos con ciclos incrementales de carga de 15 kN hasta llegar a 62 kN para formar la probeta. Previo a la compactación, la humedad de las muestras fue ajustada a 8 %. La dilatometría se realizó a las muestras sinterizadas en un dilatómetro NETZSCH Expedis Series DIL 402 desde 30 °C hasta una temperatura de 1500 °C, a una velocidad de calentamiento de 5 °Cmin-1.
Resultados y discusión
Los refractarios de alúmina pueden clasificarse de acuerdo al contenido de este material. Por ejemplo, los refractarios de arcilla típicamente tienen un rango de contenido de alúmina entre 25 % y 45 % en peso; los refractarios de mullita tienen un contenido aproximado de alúmina de 63 % y 37 % de sílice en peso. Por otra parte, los refractarios de alúmina contienen un mínimo de 60 % en peso de Al2O3, aunque el contenido puede ser > 99 % para productos especializados. Un mayor contenido de alúmina proporciona una mejor resistencia a la fluencia y a la corrosión 4. Los resultados del análisis por espectroscopia de fluorescencia de rayos X de la chamota se muestran en la tabla 2. La chamota utilizada corresponde a un ladrillo sílico aluminoso a base de arcilla, con 59,54 % de SiO2 y 30,25 % de Al2O3.
Óxidos | % en peso |
---|---|
SiO2 | 59,54 |
Al2O3 | 30,25 |
CaO | 2,76 |
K2O | 1,89 |
Fe2O3 | 1,79 |
Na2O | 0,618 |
LOI | 0,51 |
MgO | 0,47 |
SO3 | 0,12 |
Otros | 2,052 |
El cono pirométrico equivalente, CPE, se utiliza ampliamente en la industria de los refractarios, ya que permite determinar el punto de ablandamiento de tales materiales 7. Los resultados obtenidos para las distintas formulaciones indican que la muestra 1 tiene un cono pirométrico equivalente de 32; la muestra 2, uno de 34; y las muestras 3 y 4, un cono superior a 36; esto revela que las temperaturas máximas de servicio son de 1717 °C, 1763 °C y mayores a 1804 °C, respectivamente. Estas temperaturas son adecuadas para su aplicación como materiales refractarios. Hay que tener en cuenta que la chamota tiene un contenido de K2O del 1,89 %, el cual es un óxido alcalino y es un precursor de la formación de fases liquidas, ya que este reacciona con los silicatos de aluminio bajando el punto de fusión del material, efecto que se refleja en la reducción del CPE a medida que aumenta el contenido de chamota en la formulación del refractario 8.
Por otra parte, la dilatometría es una técnica que permite evaluar el comportamiento térmico de los cerámicos refractarios durante su uso. Las propiedades térmicas de los refractarios están dadas por el tipo y la cantidad de fases presentes a la temperatura de operación 9. A partir del diagrama de fase de un sistema Al2O3-SiO210, se observa que la mulita y el corindón son las fases más estables a temperaturas de servicio, y estas influencian las propiedades de los refractarios, además de la formación de fase vítrea.
En general, bajos contenidos de alúmina en la formulación del refractario llevan a la formación de mullita, mientras que altos contenidos de este óxido favorecen la formación de mulita y corindón, que, en este caso, aumenta la refractariedad del material obtenido 9. En la figura 1 se pueden observar las diferentes curvas dilatométricas de las formulaciones; allí se tiene que el coeficiente de dilatación térmica cambia en función de la temperatura para cada una de las muestras. En general, en las figuras se puede observar una dilatación térmica entre la temperatura ambiente y 200 °C el cual puede estar asociado al cambio de cristobalita α a β 11. A partir de esta temperatura, los cambios pueden deberse a la reacción expansiva que se atribuye a la transformación de cuarzo α a β la cual se lleva a cabo a partir de 573 °C 12; luego están el proceso de formación de fase vítrea alrededor de los 800 °C, el proceso de mullitizacion, y, en otros casos, a causa de la formación de corindón dependiendo de la formulación. Nótese que en las figuras 1a y 1b, las muestras que presentan mayor chamota tienen un cambio más pronunciado y este se debe al aporte que hace la chamota de sílice, la cual genera una mayor formación de mulita 13. Por el contrario, en las figuras 1c y 1d, las curvas dilatometricas cambian debido a que se puede estar formando corindón, ya que estas formulaciones contienen una mayor proporción en peso de alúmina.
En la figura 2 se puede observar que el contenido de chamota afecta la contracción lineal de las muestras. A medida que se incrementa el porcentaje de chamota, las muestras tienen una mayor contracción. A partir de 15 % de chamota, las muestras presentaron una expansión, debido a que el mayor porcentaje de chamota lleva a que, en la formulación final, haya más sílice, y este, al interactuar con la alúmina, forma mulita, la cual genera un cambio del volumen 14.
Por otra parte, los efectos de la adición de chamota posconsumo sobre la porosidad y densidad se muestran en la figura 3 . En la figura 3a se puede observar cómo el porcentaje de chamota afecta la densidad de las muestras. Cuanto mayor sea la cantidad de chamota agregado a la pasta refractaria, mayor su densidad. En la figura 3b se observa que, a diferencia de la densidad, la porosidad disminuye cuando el porcentaje de chamota aumenta. Estos cambios en la densidad y porosidad son producto de la presencia de K2O al 1,89 % el cual es un precursor de la formación de fases líquidas, lo que termina reduciendo la porosidad y aumentando la densidad; de esta manera también afecta ciertas propiedades, como la conductividad térmica efectiva (ke) que disminuye al incrementarse la porosidad, debido a que el aire actúa como una barrera frente al flujo de calor 15. En general, con una apropiada proporción de chamota en la formulación de la pasta refractaria, se pueden lograr refractarios que tiene potencial aplicación cuando se requiere la formación de fases como la mulita, el corindón, o fases liquidas, además de aumentar la densidad del material refractario, brindando una mejor resistencia a la desintegración por choque térmico 4), (16.
Conclusiones
En este estudio se logró evidenciar diferencias en las propiedades de los refractarios obtenidos a partir de las distintas formulaciones. Se encontró que, con la adición de chamota, aumentó la densidad de las muestras y disminuye la porosidad. Los resultados obtenidos para las distintas formulaciones indican que la muestra 1 tiene un cono pirométrico equivalente de 32; la muestra 2, de 34; y las muestras 3 y 4 un cono superior a 36; esto indica que las temperaturas de ablandamiento son de 1717 °C, 1763 °C y superiores a 1804 °C, respectivamente, y son adecuadas para el uso como ladrillo refractario. Del mismo modo, las muestras con mayor contenido de chamota tienen un cambio más pronunciado en el ensayo de dilatometría debido al aporte que hace la sílice presente en la chamota que genera una mayor formación de mulita. Dado este comportamiento de las mezclas mediante la proporción de chamota en la pasta formulada, es posible modificar ciertas propiedades como la densidad, porosidad, temperatura máxima de trabajo, y conductividad térmica del refractario.