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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGAY MECNICA

CARRERA DE INGENIERA MECNICAPROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TITULO DE INGENIERO MECNICO

ELABORADO POR:CUICHN ALULEMA ALEJANDRO PAOLOLLANO GUANOCHANGA MAYRA JANET

DIRECTOR: MSc. JOS GUASUMBACO-DIRECTOR: ING. PATRICIO QUEZADADISEO Y ELABORACIN DE LADRILLO REFRACTARIO (22x11x6cm) EMPLEANDO MATERIAS PRIMAS NACIONALES, UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIN, MANTENIMIENTO Y REPARACIONES DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE

OBJETIVO GENERALDisear y elaborar ladrillo refractario (22x11x6cm) empleando materias primas nacionales, utilizados en la construccin, mantenimiento y reparaciones de hornos de crisol y cubilote, para el laboratorio de fundicin de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE.OBJETIVOS ESPECFICOSEstudiar la elaboracin de refractarios y las normas internacionales de fabricacin que rigen dichos elementos. Analizar los requerimientos del Laboratorio de Fundicin del DECEM y los procesos que se realizan en el mismo.

Elaborar y comprobar prototipos de ladrillo refractario con materias primas nacionales.

Analizar y Validar los resultados obtenidos por los distintos ensayos realizados a los prototipos.ALCANCE Se enfoca en disear y elaborar ladrillos refractarios empleando materias primas nacionales; evaluando la necesidades del laboratorio de fundicin para la seleccin del refractario ms idneo para satisfacer su requerimientos en cuanto a sus necesidades tcnicas y posterior a eso determinar cada uno de los componentes de los refractarios e investigar las fuentes ms prximas de las cuales se puede extraer los materiales bases, seguido a esto mediante la Norma: Norma INEN 0635 (ladrillos refractarios), Norma INEN 576 (composicin qumica) y otras que se vayan adhiriendo, realizar la respectiva fabricacin de los prototipos de ladrillo refractario, y realizar pruebas y ensayos de compresin y de transferencia de calor, para ser analizados y validados bajo parmetros internacionales.REFRACTARIOSon materiales cermicos.

Condiciones de trabajo:- Temperaturas - Lquidos - Gases corrosivos - Abrasin - Esfuerzos mecnicos y trmicos inducidos.

DIAGRAMA DE FLUJO - PROYECTO

DIAGRAMA DE FLUJO ELABORACIN REFRACTARIOS

FORMULACIN DE LA HIPTESISComposicin QumicaCompuestoPorcentajeSlice(SiO2)52.5 - 54.5 %Alumina(Al2O3)40 - 42.5%Oxido de Hierro (Fe2O3)1.4 - 2.4%Oxido de Titanio (TiO2)1.6 - 2.1%Otros xidos (CaO, MgO, lcalis)0.2 - 0.7%Tabla 3. 1 Composicin Qumica Ladrillo Refractario Norma ICONTEC-773, ASTMC-27Fuente: ERECOS, 2012Propiedades Mecnicas y FsicasDensidad Aparente2.03 2.26 g/ccPorosidad Aparente16.0 - 28 %Mdulo de Ruptura en frio60 180 kg/cm2Mdulo de Compresin en frio120 500 kg/cm2Tabla 3. 2 Propiedades Mecnicas y FsicasFuente: ERECOS, 2012RECURSOSANLISIS QUMICO PORCENTUALCompuestoSector YahuarcochaDiatomita (%)(En polvo)Si0270.72Al2O329.40MgO24.64Tabla 3. 10 Anlisis Qumico Porcentual de la DiatomitaFuente: Laboratorio de Cermicos, E.P.N.; 2013.ANLISIS QUMICO PORCENTUALCompuestoSector VeracruzSector San AntonioCaoln A (%)Caoln C (%)Si020.4960.0Al2O378.210.21MgO23.8430.4Tabla 3. 11 Anlisis Qumico Porcentual de las muestras de caoln.Fuente: Laboratorio de Cermicos, E.P.N.; 2013.ANLISIS QUMICO PORCENTUALCompuestoSector VeracruzChamota (%)(Caoln B)Si0242.95Al2O342.80MgO20.00Tabla 3. 12 Anlisis Qumico Porcentual de la Chamota.Fuente: Laboratorio de Cermicos, E.P.N.; 2013.DOSIFICACINMtodo - Fase Cordierita

Figura 3. 23 Sistema MgO-Al2O3-SiO2Fuente: ROMERO, Carmen; EDESA (2005)

Figura 3. 24 Los cinco puntos eutcticos que rodean a la cordierita.Fuente: ROMERO, Carmen; EDESA (2005)DOSIFICACINPeso molecular de la cordierita 584.99 gr/molComposicin QumicaPorcentaje(%)SiO251.36Al2O334.86 MgO13.78 Tabla 3. 9 Composicin en Peso de la Cordierita.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.FORMULACIN- MEZCLA A- Clculo de Dosificacin de la Materia Prima (Muestra A).- Peso referencial de 2 kilogramos de mezcla. Elementos que intervienen son Caoln A, Diatomita y Chamota.Materia PrimaPeso (Kg)Diatomita1.454Caolnv A5.503Tabla 3. 14 Pesos requeridos de materia prima.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.FORMULACIN- MEZCLA BPRUEBAS

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE, 2013.RESULTADOS MEZCLA A Y BComposicinLadrillo Refractario silico-aluminoso ERECOS ComposicinCordieritaMuestra AMuestra BAl2O340.0 - 42.534.8634.2746.54SiO252.5 - 54.551.3633.6223.54Fe2O31.4 - 2.4000TiO21.6 - 2.1000CaO0.2 - 0.4000MgO0.3 - 0.613.788.6814.39Sumatoria10010076.5784.47Tabla 3. 16 Tabla Comparativa- Composicin Qumica de la Muestra AFuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.RESULTADOS MEZCLA A Y BTabla 3. 17 Propiedades Fsicas de las Muestra A y B.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013. Propiedades Fsicas Muestra AMuestra BDensidad Especifica0.33025 gr/cm3------Plasticidad (Limite Liquido )Plstica-Tiesa60%Plasticidad (Limite Plstico )43.34%68.77%ndice Plstico0%8.77%Absorcin del Agua------------Porosidad Aparente------------MEJORAMIENTO- MEZCLA CComposicin Porcentual de la Mezcla B (Resultado de Pruebas)Oxido de Slice (MB SiO2) = 0.235Oxido de Aluminio (MB Al2O3) = 0.465Oxido de Magnesio (MB MgO2) = 0.144MEJORAMIENTO- MEZCLA CFigura 3. 31 Porcentaje de materia Prima requerido para la mezcla

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.MEJORAMIENTO- MEZCLA CComposicinLadrillo Refractario silico-aluminoso ERECOSComposicinCordieritaMuestra AMuestra BMuestra CAl2O340.0 - 42.534.8634.2746.5435.25SiO252.5 - 54.551.3633.6223.5450.02Fe2O31.4 - 2.4--------TiO21.6 - 2.1--------CaO0.2 - 0.4--------MgO0.3 - 0.613.788.6814.3913.67Sumatoria10010076.5784.4798.94Tabla 3. 19 Tabla Comparativa- Composicin Qumica, Muestras A y B.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.MEJORAMIENTO- MEZCLA CTabla 3. 20 Propiedades Fsicas de las Muestra A, B y C.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.Propiedades FsicasMuestra AMuestra BMuestra CDensidad Especifica0.33025 gr/cm3------1.61 gr/cm3Plasticidad (Limite Liquido )Plstica-Tiesa60%Plstica-TiesaPlasticidad (Limite Plstico )43.34%68.77%49.45%ndice Plstico0%8.77%0%TCNICAS APLICABLESMoliendaTamizadoSecadoCoccinPrototipo

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.MOLIENDATIEMPO ESTIMADO DE TRITURACIN DesignacinPeso(Kg)Tiempo Estimado(Horas) Diatomita26.691Caoln A8.472.5Caoln B15.523Tabla 3. 3 Tiempo de Trituracin de materia prima 10 ladrillos.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013

TAMIZADOLa porosidad aparente referencial de un ladrillo refractario posee el siguiente rango: 16 % - 26%, fuente extrada de Erecos, Enero(1993).Tamiz 5: Para obtener grano grueso, con el 54.6% de cada materia prima.Tamiz 100: Para obtener grano medio, con el 27.2% de cada materia prima.Tamiz 200: Para obtener grano fino, con el 18.2% de cada materia prima.

Fuente: Avgustinik, A.I. 1983, pp.162Anexo C: Serie de Tamices Standard Norma ASTM E-11/95Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.CONFORMADO

Figura 3. 15 Curvas de Contraccin de coccin.Fuente: Avgustinik, A.I., Ed. 1983, pp.184.La curva A es un caoln sedimentario pulverizado y moldeado a baja presin en forma de lingote.

La curva B se refiere a la arcilla magra triturada y moldeada con agua a baja presin.

La curva C corresponde al mismo caoln de la curva A, pero en este caso fue moldeado con una presin de 20000 psi.

Factor de contraccin: 14.3%CONFORMADO El contenido de agua requerida para la mezcla debe estar entre 12-15 % del peso total de la misma (IDEM, 2008) . (7,6 litros)

Disolver 250gr de C.M.C. en tres litro de agua.

Figura 3. 14 Preparacin del aglutinante

Figura 3. 18 Prensado a 6 toneladas.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE, 2013.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE, 2013.SECADOReposar el refractario al ambiente durante 48 horas despus del proceso de prensado

Figura 3. 19 Secado al ambiente.El horno se debe calentar a una temperatura constante de 120C por el lapso de 48 horas.

Figura 3. 20 Secado en horno elctrico. Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE, 2013.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, EPN, 2013.COCCINCICLO DE COCCIN PARA TEMPERATURAS MXIMASTiempo(H)1250C1300C1350C1400C0313131311.232692692692693.686676676676675.7512501300120012006.2512801325135014006.7512501300140014407.2511601160135014008.866006009209309.925505506006009.9654554560060010.8248048055055013.51232316016014.51002323Tabla 3. 5 Ciclo de Coccin para Temperaturas MximasFuente: ROMERO, Carmen; EDESA (2005); pp: 34-38

Figura 3. 22 Ladrillos en proceso de coccin. Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, EPN, 2013.COCCINFigura 3. 21 Curvas Temperatura de coccin vs Tiempo.

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.PROTOTIPOPROTOTIPO

Figura 3. 32 Molde del Ladrillo RefractarioFuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE, 2013.PRUEBAS Y ENSAYOS DEL LADRILLO REFRACTARIO

Propiedades del ladrillo refractario

En esta parte se realiza cada una de las pruebas con sus debidos procedimientos que nos ayudaran a determinar las caractersticas fsico - mecnicas que posee el ladrillo refractarioPara determinar la composicin Qumica del Ladrillo Refractario se utiliza la Norma INEN 576.

COMPOSICIN QUMICA

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.NORMA INEN 573POROSIDAD, ABSORCIN DE AGUA Y DENSIDAD APARENTE

G.- Masa de la Muestra Seca.Ga.- Masa de la muestra saturada de superficie hmeda. Gs.- Masa de la muestra saturada en agua.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.POROSIDAD APARENTESe calcula con la siguiente expresin:

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.ABSORCION DE AGUASe calcula con la siguiente expresin:

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.DENSIDAD APARENTESe calcula con la siguiente expresin:

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.NORMA INEN 574RESISTENCIA A LA ROTURA POR COMPRESIN EN FRIODatos Obtenidos ExperimentalmenteG: 20000 kg.a: 11.5 cme: 6.5 cmSe calcula con la siguiente expresin.

NORMA INEN 574RESISTENCIA A LA ROTURA POR FLEXIN EN FRIODatos Obtenidos ExperimentalmenteG: 1730 kg = 16971.3 NL: 170 mma: 115 mme: 65 mmCalculo de Mf

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE 2013.NORMA INEN 575CONO PIROMTRICO EQUIVALENTE

MuestrasTiempo de Encorvamiento11h 58min21h 56min31h 57min41h 65min51h 45min61h 55min71h 70min81h 50min Tiempo de Encorvamiento Promedio1h 57minTiempo de EncorvamientoTabla 4. 2 Tiempos de encorvamientos.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE 2013.NORMA INEN 575CONO PIROMTRICO EQUIVALENTE

Cono Orto No.TemperaturaCono Orto No.TemperaturaCono Orto No.Temperatura12133726162134176313134927164035178514139828164636180415143029165937182016149130166538183517151231168339186518152231 1/2169940188519154132171741197020156432 1/21727422015231605331743-----Tabla 5. 7 Temperatura de Equivalencia de Conos Piromtrico Fuente: Instituto Ecuatoriano de Normalizacin, Norma INEN 575ENSAYOS ESPECIALESDUREZA

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE 2013.RANGO DE DUREZA

Figura 4. 5 Ensayo de DurezaFuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013TAMAO DE GRAMO

Microscopio metalrgicoPresencia de grietas (ampliacin 50X)Parte superficial (ampliacin 50X)Porosidad (ampliacin 200X)

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.TAMAO DE GRAMOPresencia de gran cantidad cordierita (color negro) a 100X, en la parte superficial del refractario.

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.TAMAO DE GRAMOPresencia de cordierita (color negro) y fosterita (blanca) a 100X en similares cantidades, en la parte intermedia del refractario.

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.TAMAO DE GRAMOPresencia de gran cantidad de fosterita en la parte interna, a una ampliacin de 100X.

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.CONDUCTIVIDAD TRMICA

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, DECEM, ESPE, 2013.CALCULOS DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICADatos:

MODELO TERMO-FSICOCALCULO DE LAS RESISTENCIAS TRMICAS CALCULO DE LAS RESISTENCIAS TRMICAS CALCULO DE LAS RESISTENCIAS TRMICAS COMPARACIN DE RESULTADOS BAJO NORMA INEN 0635 Y PARAMETROS STANDARS

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.

Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.EVALUACION EN EL PROCESO DE OPERACION

Cambio de color Fisuras Resquebrajamientos Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.ANALISIS ECONOMICO Los Costos Indirectos de Fabricacin (C.I.F.) son la sumatoria de la Mano de obra Indirecta (M.O.I.) y Materia Prima Indirecta (M.P.I.).

COSTO TOTAL.- Para el clculo del Costo Total (C.T.) se sumaran los resultados de los Costos Directos (M.O.D. y M.P.D.) e Indirectos de Fabricacin (C.I.F.).

PRECIO INDIVIDUAL DEL LADRILLO REFRACTARIO

CONFORMACIN DEL COSTO DEL LADRILLO REFRACTARIONumero de Ladrillos Producidos1,300ConceptoPrecio UnitarioPrecio TotalCostosM.P.D.0.871,132.95M.O.D.0.801,033.50C.I.F.1.582,057.25TOTAL COSTOS3.254,223.70% de Rentabilidad15%Precio Unitario3.74Tabla 6. 8 Conformacin del Costo del Ladrillo RefractarioFuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013Resumen de InversionesAo 0Molino de Bolas10,000.00Concretera1,880.00Prensa Hidrulica manual850.00Horno Elctrico8,800.00Gastos de investigacin5,723.28Gastos de instalacin y adecuacin780.00TOTAL28,033.28Tabla 6. 12 Activos IntangiblesFuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013 Capital de Trabajo LA VAN Y LA TIR

Por tanto el tiempo de recuperacin es de: 4 aos 7 meses y 27 das.Fuente: Llano, M.; Cuichn A.; Ladrillo Refractario Alternativo, 2013.CONCLUSIONESUna vez obtenido el ladrillo refractario, se puede concluir que su fabricacin es factible, en cuanto tiene que ver con la adquisicin de materias primas, debido a que en el pas se cuenta con yacimientos de dicho material y son de fcil acceso, por otra parte cabe mencionar que estos lugares no estn concesionados, motivo por el cual las arcillas tienen un bajo costo. Dos de los parmetros ms importantes a controlar es la formulacin de la fase cordierita y el proceso de presando. La primera determina la refractabilidad del ladrillo, que para este caso se obtuvo con la mezcla C, un ciclo de coccin adecuado (Tmx 1400C y tiempo de coccin de 14 horas). Y la segunda proporciona las propiedades fsico-mecnicas del refractario, entre las que se destacan la resistencia a la flexin y compresin en frio, parmetros que fueron controlados con una presin de prensado de 6 toneladas, concluyendo as, que a mayor presin de prensado, mayores sers dichas propiedades.Uno de los aspectos adicionales que se tom en cuenta es el medio ambiente, pues la produccin de ladrillo refractario tiene un mnimo impacto en el ecosistema en donde se lo vaya a elaborar, pues cada uno de los elementos que conforman la materia prima se los puede reciclar, para posteriormente reutilizarlos en dicho proceso.

Para finalizar al realizar un estudio econmico y financiero a dicho proyecto, se puede concluir que el mismo es rentable, ya que el precio obtenido para el ladrillo refractario despus de todas las inversiones realizadas es razonable en comparacin con otros existentes en el mercado, cabe recalcar que el producto es de buena calidad y cumple con los Standards requeridos.RECOMENDACIONESA pesar de que existe conocimiento en cuanto a la ubicacin de yacimientos de las materias primas principales para este proyecto, se recomienda realizar estudios tcnicos que puedan revelar la magnitud de las mismas y el proceso adecuado de extraccin para disminuir el impacto ambiental, pues la extraccin artesanal que en este momento se realiza es en realidad la que va en contra de la integridad del ecosistema. Es recomendable no exceder los lmites en cuanto al porcentaje de humedad que debe contener los refractarios pues un exceso y a un rango de temperatura de coccin de 90C a 110C, los mismos pueden adquirir la singularidad de explotar y afectar el medio en donde se est produciendo la coccinEs importante recomendar que durante el proceso de elaboracin de ladrillo refractario, las personas involucradas en el mismo, utilicen todas medidas que involucran equipos y normas de seguridad industrial, para de esta manera prever y solucionar cualquier accidente que se presentara en dicho proceso.

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