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PROPIEDADES TÉRMICAS DE ARCILLAS ECUATORIANAS PARA SER UTILIZADAS COMO MATERIAL REFRACTARIO

Gabriela Tufiño, Natalia Vieira, Luis Lascano, Víctor Guerrero

Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador 1. Resumen En este trabajo se analizaron arcillas de diferentes lugares del Ecuador para utilizarlas como material refractario. Una vez analizadas las arcillas puras se escogió la que presentó las mejores propiedades térmicas y se formuló una mezcla refractaria adecuada para el trabajo requerido. Para el análisis se realizaron pruebas de: dilatometría, conductividad térmica, choque térmico y densidad. Como paso previo a la realización de las pruebas citadas al material se lo sometió a un proceso de sinterización. La finalidad de este proceso es reducir la porosidad y así obtener un material más denso y tenaz. La dilatometría se estudió para conocer la variación continua de longitud de una muestra conformada como probeta mediante el análisis térmico diferencial (ATD) que analiza la diferencia de temperaturas entre una muestra y un material de referencia que están sometidos a un cambio térmico en condiciones de trabajo controladas. Con la prueba de conductividad térmica se midió el coeficiente de conductividad de las muestras en probetas de 25 mm de diámetro y 10 mm de espesor. La resistencia al choque térmico consistió en exponer al material a ciclos de temperaturas altas de hasta 1400ºC seguidos por un enfriamiento lento durante un tiempo determinado. Se estudió la densidad del material para conocer su porcentaje de porosidad y con esto determinar la calidad de las arcillas para utilizarlas como material refractario. El análisis se lo realizó mediante las normas ASTM para analizar la densidad de las arcillas como material refractario. 2. Introducción La arcilla es una sustancia mineral terrosa compuesta de hidrosilicato de alúmina que se hace plástica cuando se humedece y dura cuando se calcina. Esta sustancia es la materia prima fundamental para la elaboración de cerámicos refractarios debido a la alta temperatura de cocción que exhibe y su capacidad de no perder solidez. Las propiedades de las arcillas derivan, principalmente, de su extremadamente pequeño tamaño de partícula (inferior a 2 µm), su morfología laminar (filosilicatos) y las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar [1]. 2.1. Estructura de los Filosilicatos Para comprender las propiedades de las arcillas, se requiere conocer la estructura de los filosilicatos. Los filosilicatos presentan una estructura basada en el apilamiento de planos de iones oxígeno e hidroxilos. Como se puede ver en la figura 1, los grupos tetraédricos (SiO4)4- se unen compartiendo tres de sus cuatro oxígenos con otros vecinos y formando capas de extensión infinita y fórmula (Si2O5)2-, que constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos. En ellos los tetraedros se distribuyen formando hexágonos. El silicio tetraédrico puede estar, en parte, sustituido por Al3+ o Fe3+. El plano de unión entre ambas capas está formado por los oxígenos de los tetraedros que se encontraban sin compartir con otros tetraedros (oxígenos apicales), y por grupos (OH)- de la capa brucitica o gibsitica, de forma que, en este plano, quede un (OH)- en el centro de cada hexágono formado por 6 oxígenos apicales. El resto de los (OH)- son reemplazados por los oxígenos de los tetraedros.

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Figura 1. Estructura de los Filosilicatos.

Como consecuencia de la morfología de los filosilicatos, las arcillas presentan una elevada área superficial y una gran superficie activa, con enlaces no saturados. Por ello pueden interactuar con sustancias muy diversas, en especial compuestos polares. Como consecuencia de esto, tienen comportamiento plástico en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y son capaces de hincharse en algunos casos. 2.2. Propiedades de la Arcilla Las propiedades más importantes de la arcilla son [2]: Plasticidad: Propiedad por la cual mediante la adición de una cierta cantidad de agua, la arcilla adquiere la forma deseada. Esto se debe a la forma de grano, la atracción química entre las partículas, la materia carbonosa o materia orgánica. Merma: Propiedad que se produce debido a la evaporación del agua contenida en la pasta y se representa con un encogimiento denominado merma durante el secado. Refractariedad: Todas las arcillas son refractarias, es decir, resisten los aumentos de temperatura sin sufrir variaciones, aunque cada tipo de arcilla tiene una temperatura de cocción. Porosidad: El grado de porosidad varía según el tipo de arcilla. Esta depende de la consistencia más o menos compacta que adopta el cuerpo cerámico después de la cocción. Las arcillas que cuecen a baja temperatura tienen un índice más elevado de absorción puesto que son más porosas. Color: Las arcillas presentan coloraciones diversas después de la cocción debido a la presencia en ellas de óxido de hierro y carbonato cálcico. 2.3. Tipos de Arcilla Las arcillas pueden clasificarse de acuerdo con diversos criterios. Así, según Rodees, existen las siguientes clasificaciones [3]: Según la Naturaleza Existen dos tipos de arcillas: las primarias y las secundarias. Las arcillas primarias o residuales son las formadas en el lugar de sus rocas madres y no han sido por tanto transportadas por el agua, el viento o los glaciares. Estas tienden a ser de grano grueso y relativamente no plásticas. Cuando han sido limpiadas de fragmentos de roca, son relativamente puras, blancas y libres de contaminación con materiales arcillosos. Las arcillas secundarias son las que han sido desplazadas del lugar de las rocas madres originales. Aunque el agua es el agente más corriente de transporte, el viento y los glaciares pueden también transportar arcilla. Según la Plasticidad

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De acuerdo con la plasticidad, la arcilla es de dos tipos: arcilla plástica y la antiplástica. Las arcillas plásticas hacen pasta con el agua y se convierten en modelables. Las arcillas antiplásticas confieren a la pasta una determinada estructura, que pueden ser químicamente inertes en la masa o crear una vitrificación en altas temperaturas (fundentes). Según el Color y Porosidad En la tabla 1 se puede observar una clasificación de las arcillas de acuerdo con el color y la porosidad.

Tabla 1. Tipos de arcillas por color y porosidad. Arcillas porosas coloreadas Arcillas porosas blancas

Tejares y alfares en bruto, barnizadas, estanníferas Arcillas fusibles 850-1100ºC

Mayólicas finas Sanitarias y productos refractarios Arcillas refractarias 1000- 1550ºC

Arcillas impermeables coloreadas Arcillas impermeables blancas

Gres finos, comunes, clinkers Arcillas vitrificables 1100-1350ºC

Porcelanas duras, tiernas, china vidriada Caolines 1250- 1460ºC

Según Su Fusibilidad Según el punto o grado de cocción, existen dos tipos de arcilla: las refractarias y las fusibles. Las arcillas refractarias son arcillas y caolines cuyo punto de fusión está comprendido entre 1600 y 1750ºC. Son blancas, grises y poco coloreadas después de su cocción. Las arcillas fusibles o arcillas de alfarería son arcilla cuyo punto de fusión se alcanza por encima de los 1100 ºC. Son de color castaño, ocre, amarillo o marfil tras su cocción y se suelen encontrar cerca de la superficie del suelo. 2.4. Propiedades Físicas, Térmicas y Conformabilidad de las Arcillas Una apreciación de las propiedades térmicas de los materiales es útil para comprender los fallos mecánicos que se observan cuando cambia la temperatura o cuando se seleccionan materiales para una determinada tasa de transferencia de calor. La evaluación de las arcillas como refractarios se realizó en base a la determinación de sus propiedades físicas, térmicas y la conformabilidad. Las propiedades térmicas a evaluar para determinar los materiales más apropiados para la formulación de refractarios son: dilatación térmica, conductividad térmica y resistencia al choque térmico. Además se evaluaron la densidad y la conformabilidad de las arcillas Los materiales con una alta temperatura de fusión como en el caso de los refractarios poseen bajos coeficientes de dilatación térmica. Es este caso se aspira obtener un valor aproximado al de bibliografía para el caso de refractarios, que es de 5.4 x 10-6 (ºC)-1. La conductividad térmica en los cerámicos es baja debido a la porosidad que incrementa la dispersión. En este caso se aspira obtener un valor aproximado al de bibliografía para el caso de refractarios, que es de 0.0016 (Btu.plg/ft2sºF). La conformabilidad es una propiedad importante y depende de la cantidad de poros que tenga la pieza cerámica, cuando ésta posee gran cantidad de poros la densidad disminuye, esto permite un incremento en el coeficiente de conductividad. 2.4.1. Propiedades Térmicas Dilatación Térmica El coeficiente lineal de dilatación térmica (α) está dado por el cambio de dimensiones (∆L) por unidad de longitud que se observa en un material que experimenta un cambio de temperaturas (∆T). Este coeficiente se define como:

Tll

TTlll

oof

of

∆∆

=−

−=

)(α [1]

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donde To y Tf son la temperatura inicial y final, y lo y lf son las dimensiones iniciales y finales del material. En la tabla 2 se muestran valores típicos de α para algunos materiales.

Tabla 2. Coeficientes de dilatación lineal de algunos materiales. Material Coeficiente de dilatación lineal ( ºC-1)Porcelana 3 x 10-6 Vidrio 9 x 10-6 Acero 12 x 10-6 Oro 14 x 10-6 Cobre 17 x 10-6 Latón 18 x 10-6 Aluminio 24 x 10-6 Cinc 29 x 10-6

La mayoría de los materiales cerámicos están enlazados por fuertes uniones iónicas o covalentes y tienen coeficientes de dilatación bajos en comparación con los metales. En los cerámicos refractarios, la alta temperatura de fusión, también se origina en las intensas atracciones atómicas que resultan en bajos coeficientes de dilatación térmica. Los enlaces entre átomos en los polímeros son covalentes, las fuerzas intermoleculares, que unen cadenas entre sí, son débiles, lo que propicia altos coeficientes. Conductividad Térmica La conductividad térmica relaciona al calor Q transferido por segundo a través de un plano dado de área A en un material sometido a un gradiente de temperatura ∆T/∆x como se indica:

xTK

AQ

∆∆

−= [2]

donde K representa el coeficiente de conductividad térmica. Cuando se calienta un extremo de la barra, el calor Q/A fluye hacia el extremo frío a una velocidad que está determinada por el gradiente de temperatura producido en la barra, como se observa en la figura 2:

Figura 2. Transferencia de calor por conducción en una barra.

La conductividad térmica de algunos materiales muestra en la tabla 3.

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Tabla 3. Conductividad térmica de materiales seleccionados

La energía térmica se transfiere en un material mediante dos mecanismos: la transferencia de electrones libres y vibraciones en la red o fotones. Los electrones de valencia adquieren energía, se mueven hacia áreas más frías del material y transfieren su energía a otros átomos. La cantidad de energía transferida depende del número de electrones excitados y de su movilidad: éstos a su vez, dependen del tipo de material, de las imperfecciones de la red y de la temperatura. Las vibraciones de los átomos, térmicamente inducidas, transfieren energía a través del material. La transferencia de calor en los materiales cerámicos es causada por vibraciones en la red o fotones. Debido a que no hay contribución electrónica, la conductividad térmica de la mayoría de los cerámicos es baja. Los materiales con estructura muy compacta producen fotones de alta energía, que propician conductividades térmicas elevadas. Los efectos de la red y la porosidad incrementan la dispersión reduciendo la conductividad. Así, el mejor tipo de ladrillo aislante contiene un gran porcentaje de porosidad. Resistencia al Choque Térmico Al enfriar con rapidez una pieza, se producen gradientes de temperatura que dan lugar a diferentes contracciones en zonas distintas. Estas contracciones distintas inducen a su vez esfuerzos mecánicos en el material, mismos que pueden conducir a su fractura. El choque térmico es la determinación del comportamiento de un refractario ante el cambio brusco de temperatura, y está determinado por varios factores [6]: Coeficiente de dilatación térmica: Un coeficiente bajo minimiza los cambios dimensionales, reduciendo el choque térmico. Conductividad térmica: la magnitud del gradiente de temperatura está parcialmente determinada por la conductividad térmica del material. Una conductividad térmica elevada ayuda a la transferencia de calor y a una rápida reducción de las diferencias de temperatura dentro del material. Módulo de elasticidad: Un bajo módulo de elasticidad permite grandes deformaciones del material antes de que la tensión llegue al nivel crítico requerido para causar fractura. Tensión de rotura: Una elevada tensión de rotura permite deformaciones mayores. Transformaciones de fase: Se originan cambios dimensionales mediante transformaciones de fase. La resistencia de inmaterial al choque térmico se evalúa mediante el parámetro de choque térmico:

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α

σE

KfTérmico Choque de Parámetro = [3]

donde σf es la tensión d rotura del material, K es la conductividad térmica del material, E es el módulo de elasticidad y α el coeficiente lineal de dilatación térmica. 2.4.2. Conformabilidad La conformabilidad de las arcillas se definió como la capacidad del material de formar un sólido compacto durante el proceso de sinterización. Para evaluar esta característica del material se sinterizaron diferentes muestras y se observaron los resultados obtenidos. 2.4.3. Densidad La densidad no es una propiedad térmica de los materiales pero se la ha tomado en cuenta por que los caracteriza disminuyendo o incrementando sus propiedades. Cuando en un material refractario se reduce la porosidad, existe un incremento de la densidad. La porosidad incrementa la dispersión reduciendo la conductividad. La densidad relativa es la relación entre la densidad de un cuerpo y la densidad del agua a 4 °C, que se toma como unidad. La densidad puede obtenerse de varias formas. Para objetos macizos de densidad mayor que el agua, se determina su densidad a través del principio de Arquímedes. Este principio establece que cuando un objeto se sumerge total o parcialmente en un líquido, éste experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del líquido desalojado. La mayoría de las veces se aplica al comportamiento de los objetos en agua, y explica porqué los objetos flotan y se hunden y porqué parecen ser más ligeros en este medio. En la figura 3 se ilustra el principio en el caso de un bloque de aluminio y uno de madera. El peso aparente de un bloque de aluminio sumergido en agua se ve reducido en una cantidad igual al peso del agua desplazada. Si un bloque de madera está completamente sumergido en agua, el empuje es mayor que el peso de la madera (esto se debe a que la madera es menos densa que el agua, por lo que el peso de la madera es menor que el peso del mismo volumen de agua). Por tanto, el bloque asciende y emerge del agua parcialmente desplazando así menos agua hasta que el empuje iguala exactamente el peso del bloque. Utilizando el principio de Arquímedes [8], la densidad se determina utilizando la siguiente expresión:

aguasumergidahúmeda

aArquímides d

mmmd ×−

= sec [4]

Donde la densidad del agua a 20ºC se considera a 1 g/cm3.

Figura 3. Demostración del Principio de Arquímedes.

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Los materiales refractarios deben cumplir ciertos requerimientos como ser químicamente inertes, es decir que no reaccionen durante su utilización a elevadas temperaturas, que no se ablande o derrita, y que su punto de fusión esté comprendido entre 1600ºC y 1750ºC. Debido a que la arcilla cumple con el requerimiento de los refractarios de resistir altas temperaturas, se la ha escogido en este proyecto para ser utilizada como recubrimiento aislante de un horno incinerador. El objetivo del proyecto consiste en encontrar la arcilla que presente las mejores propiedades para ser empleada en la formulación de materiales refractarios. Para esto se evaluaron diversas propiedades físcas y térmicas, así como su conformabilidad. Las propiedades físicas estudiadas incluyeron la densidad del material sinterizado en seco y la densidad del material sumergido en agua. Las propiedades térmicas incluyeron la conductividad, el coeficiente de dilatación y la resistencia al choque térmico. Desde el punto de vista de la conformabilidad, se evaluó la capacidad de las arcillas de conformar un sólido homogéneo y compacto durante la sinterización. Durante la evaluación se consideró que una arcilla constituiría un buen material refractario cuando su conductividad térmica y su coeficiente de dilatación son bajos. Además se buscaron arcillas con una relativamente baja porosidad, y consecuentemente relativamente alta densidad, de modo que se obtenga un material que no se resquebraje y una buena resistencia al choque térmico. Esto a pesar de que un incremento de la densidad resulta en el incremento de la conductividad. 3. Materiales y Métodos 3.1. Materiales Utilizando como nomenclatura el lugar de su extracción, los materiales estudiados son: (1) Arcilla de la Formación Tosagua: 529897, 9790530, fracción menor a 0.053 mm, (2) Arcilla de la Formación Tosagua: 554683, 9744610, fracción menor a 0.053 mm, (3) Arcilla Limón-Azuay, (4) Arcilla Engabao 1, (5) Arcilla Engabao 2, (6) Arcilla Paján, (7) Arcilla Socorro, (8) Arena Quilotoa, (9) Sílice Nacional, (10) Arcilla Loja-Paján, (11) Arcilla Loja y (12) Arcilla Colimes del Balsar. Utilizando esta nomenclatura, en la figura 4 se muestra la ubicación geográfica de los lugares de extracción de los materiales utilizados en este trabajo.

Figura 4. Ubicación geográfica de los lugares de extracción de los materiales estudiados.

En la tabla 5 se resumen las características físicas de los materiales estudiados.

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Tabla 5. Características físicas y codificación de los materiales estudiados. Arcillas/Arenas Codificación Características físicas

1. Arcilla de la Formación Tosagua 529897, 9790530 Fracción < 0.053mm

ATos1 En estado puro presenta una coloración amarilla terrosa, después de la cocción adquiere una coloración café. Alta plasticidad. No se disgrega con facilidad.

2. Arcilla de la Formación Tosagua 554683, 9744610 Fracción < 0.053mm

ATos2 En estado puro presenta una coloración amarilla más intensa que la anterior, después de la cocción adquiere 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.

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-Paján

ALoj-Paj

En estado puro presenta una coloración café y después de la 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 del Balzar

ACol-Bal En estado puro presenta una coloración negra-plomiza y retiene su color durante la cocción. Baja plasticidad. Se disgrega con facilidad.

Otro material utilizado es la carboximetilcelulosa, que se emplea como aglomerante para las arcillas que se disgregan con facilidad. El aglomerante permite granular y compactar por vía húmeda a la arcilla y así obtener probetas de mejor acabado. 3.2. Métodos Para la construcción de un horno incinerador, los materiales refractarios deben cumplir ciertos requerimientos como resistir altas temperaturas, que sean químicamente inertes, es decir que no reaccionen bajo temperaturas de uso, y que no se ablanden o derritan, es decir que no pierdan solidez. Un material refractario resistirá altas temperaturas cuando su conductividad térmica y su coeficiente de dilatación sean bajos, de esta manera se pueden utilizar como aislante en un horno.

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En un material refractario cuando la porosidad se reduce la densidad aumenta, esto incrementa la resistencia al choque térmico y a que el material refractario se resquebraje, pero disminuye las características de aislamiento. Para evaluar estos requerimientos se utilizó como método la determinación de las propiedades térmicas y la conformabilidad de las arcillas. Se realizaron las siguientes pruebas: dilatometría, conductividad térmica, choque térmico, densidad. 3.2.1. Preparación de la materia prima Para la preparación de las materia prima, las arcillas húmedas se secaron a 40ºC en una estufa. Una vez seca la materia prima, esta se molió en un mortero con pistilo con el fin de disminuir el tamaño de grano. Finalmente se tamizó utilizando un tamiz con malla 200.

Figura 8. Trituración manual de la arcilla en mortero.

Al sílice nacional se le dio un tratamiento diferente debido a su dureza. Este sílice fue molido durante 48 h en un molino de bolas hasta conseguir que pase la malla 200. Una vez lista la materia prima se dio paso a la elaboración de las probetas que se utilizaron en las pruebas de dilatometría, conductividad térmica y densidad. Para las pruebas de dilatometría se elaboraron probetas prismáticas mientras que para las pruebas de conductividad y densidad se usaron probetas cilíndricas. 3.2.2. Elaboración de las probetas Durante la realización de este trabajo se elaboraron probetas prismáticas y cilíndricas. Las probetas prismáticas tienen las siguientes dimensiones 5 x 5 x 50 mm3, las probetas cilíndricas tienen 25 mm de diámetro y 10 mm de espesor. Para las probetas prismáticas se pesaron 3 g de muestra (arcilla o arena) en una balanza analítica, mientras que para las probetas circulares (pastillas) se pesaron 10 g. Para las arcillas que se disgregan fácilmente, se elaboró una solución al 3% de aglomerante hecho a base de carboximetilcelulosa, que permite granular y compactar por vía húmeda a la arcilla para obtener probetas de mejor acabado. Para las probetas prismáticas se obtuvo una mezcla homogénea en un mortero agregando 3 g de muestra y 0.75 ml de solución aglomerante. Para las probetas cilíndricas se mezclaron 10 g de arcilla o arena y 1 ml de solución. Las mezclas obtenidas se introdujeron en troqueles de acero inoxidable. Para elaborar las barras se utilizaron los troqueles rectangulares que se muestran en la figura 6. Para las pastillas se utilizó el troquel mostrado en la figura 7. Los troqueles fueron colocados en una prensa y se conformaron probetas en forma de barras y pastillas a presiones de 2000, 3000 y 4000 psi. Las figuras 9 y 10 muestran ejemplos de las probetas obtenidas. Las probetas fueron finalmente sometidas a un proceso de secado en una estufa a 30 °C durante 4 horas.

Figura 2. Troqueles rectangulares. Figura 7. Troquel circular: Ø = 25 mm, h = 50 mm.

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Figura 9. Probetas cilíndricas. Figura 10. Probetas prismáticas.

3.2.3. Proceso de sinterización El proceso de sinterización en un paso previo para el desarrollo de las pruebas de densidad, conductividad y choque térmico. El proceso de sinterización de las arcillas empieza en forma de polvo mezclado con un lubricante para mejorar la compactación y se aplica presión para darles forma. Para sinterizar las probetas, estas fueron calentadas en un horno a una tasa de 5 ºC/min hasta alcanzar los 1250 ºC, posteriormente se mantuvo la temperatura durante 2 horas, y finalmente se dejó enfriar las probetas en el horno. Durante el proceso de sinterizado los iones se difunden a lo largo de los bordes de grano y de la superficie, hacia los puntos de contacto entre partículas, generando puentes y conexiones entre granos individuales. Una difusión adicional de los bordes de grano reduce los poros, incrementando la densidad y formándose poros más redondos. Partículas inicialmente más finas y temperaturas más altas aceleran la velocidad de reducción de poros, incluso después de largos tiempos de sinterización todavía podría quedar porosidad en la cerámica. En este proceso los poros se achican, resultando un producto más denso y fuerte, desarrollándose la microestructura y propiedades requeridas. 3.2.4. Determinación de las propiedades térmicas del material refractario Para la determinación de las propiedades térmicas se ensayaron las probetas de cada una de las arcillas y arenas, conformadas diferentes presiones. Para diferenciar las probetas conformadas a diferentes presiones se añadió a su codificación un subíndice que indica el valor de la presión a la que corresponde, de tal forma para el caso de la arcilla Limón – Azuay se tienen las codificaciones mostradas en la tabla 6.

Tabla 6. Codificación empleada para una arcilla conformada a diferentes presiones. Presión Nomenclatura

1 = Presión de 2000 psi ALim-Az1 2 = Presión de 3000 psi ALim-Az2 3 = Presión de 4000 psi. ALim-Az3

Coeficiente de dilatación de los materiales estudiados Las probetas prismáticas conformadas a diferentes presiones fueron utilizadas para determinar el coeficiente de dilatación térmica de los materiales seleccionados, pero sin ser sinterizados. Para determinar el coeficiente de dilatación térmica de una probeta en particular, esta fue colocada dentro del dilatómetro 402 E/3/6 Netzsch que se muestra en la figura 11. Una vez en el equipo, y cuidando que no se destruyan las aristas de la barra, esta fue sometida a un proceso de calentamiento desde la temperatura ambiente hasta los 800ºC, seguido de un enfriamiento hasta 120ºC durante 6 horas. Durante el proceso térmico, el equipo registra en papel el cambio en las dimensiones de la probeta analizada. De este modo, finalizado el proceso se obtiene un dilatograma del material ensayado y del estándar para comparación. Como último paso se procede al cálculo del coeficiente.

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Figura 11. Dilatómetro 402 E/3/6 Netzsch.

Las condiciones de operación del dilatómetro dependen del tipo de arcilla o arena a tratar. Estas condiciones se listan en la tabla 7. El sistema de medición empleado es el correspondiente a un tubo de Al2O3W2.5. El rango de temperaturas es 20-800-20°C.

Tabla 7. Condiciones de Operación del Dilatómetro. Material Sensibilidad

(µm) Velocidad del Papel (mm/h)

Tasa de Calentamiento (K/min)

Arcilla de la formación Tosagua 529897, 9790530

500

60

5

Arcilla de la formación Tosagua 554683, 9744610

5000 2500

60

10

Arcilla Limon-Azuay 2500 60 10 Arcilla Engabao 1 2500 60 10 Arcilla Engabao 2 2500 60 10 Arcilla Paján 2500 60 10 Arcilla Socorro 2500 60 10 Arena Quilotoa 2500 60 10 Sílice Nacional 2500 60 10 Arcilla Loja-Paján 2500 60 10 Arcilla Loja 2500 60 10 Arcilla Colimes del Balsar 2500 60 10

En la figura 12 se muestra un ejemplo de los dilatogramas que se obtienen empleando el dilatómetro 402 E/3/6 Netzsch. El análisis del dilatograma parte de los primeros puntos de la curva a partir de los cuales se traza la línea base D. Se toma valores de temperatura representativos a lo largo de toda la curva a los que se va a determinar el coeficiente de dilatación. Se marca los valores de temperatura en la línea T. Se traza líneas perpendiculares al plano de tal forma que intersequen tanto la línea base como la curva dilatométrica. Se mide las distancias desde la línea base hasta la curva dilatométrica de tal forma que se obtenga datos de temperatura (ºC) vs. longitud (mm). Cuando la curva dilatométrica D se encuentra debajo de la línea base, las longitudes son negativas, caso contrario son positivas. Se multiplica las longitudes medidas por el factor de sensibilidad correspondiente a cada muestra a la razón entre la sensibilidad de trabajo en micrómetros y 250 milímetros para obtener unidades de micrómetros.

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Figura 12. Ejemplo de dilatograma obtenido empleando el dilatómetro 402 E/3/6 Netzsch.

La determinación del coeficiente de dilatación se lo realiza utilizando la siguiente expresión:

f*)mm(l)m(l ∆=µ∆ [10] Donde ∆l (µm) es el valor de dilatación de la muestra en µm, ∆l (mm) es el valor de dilatación de la muestra, en milímetros, que se obtiene del dilatograma, y f es el factor de sensibilidad. Para determinar el valor de la dilatación estándar lk en función de la temperatura, se parte de la evaluación de resultados dilatométricos del estándar de vacromiun, cuyo dilatograma se muestra en la figura 13. Se calcula la longitud efectiva le para cada temperatura mediante una suma algebraica de la dilatación de la muestra y la dilatación del estándar utilizando el factor de sensibilidad para lk y tener en unidades de micrómetros 2*lk)m(l)m(le +µ∆=µ [11] Donde lk, es el valor de la dilatación del estándar. Se calcula el intervalo de longitud ∆l´en micrómetros )lele(l 1nn ++=∆ [12] Se calcula la relación:

oll∆

[13]

Donde lo es la longitud inicial de la barra dilatométrica. Se calcula el intervalo de temperaturas )TT(T 1nn +−=∆ [14] Se calcula el coeficiente de dilatación α en [K-1]: T/)l´/l( 0 ∆∆=α [15]

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Figura 13. Dilatograma estándar de Vacromiun.

Determinación del Coeficiente de Conductividad Térmica Las probetas cilíndricas conformadas a diferentes presiones y sinterizadas fueron utilizadas para determinar el coeficiente de conductividad térmica de los materiales seleccionados. Para estos ensayos se empleó el equipo de medición de conductividad térmica Cussons P5687, que se muestra en la figura 14. Este equipo consiste de un calorímetro base, un ensamble de muestras autosujetables con una fuente de calentamiento eléctrico, un aislamiento tipo vaso Dejar para asegurar que las pérdidas de calor sean despreciables, un tanque de suministro de agua de enfriamiento y una caja de acero en la que se encuentra montado un selector de 4 termocuplas multipuntos, cuyas lecturas de temperatura se registran en un contabilizador. Para realizar el ensayo se montó la muestra entre el bloque calefactor y el calorímetro del equipo, insertando las termocuplas dentro de los agujeros de las barras. Posteriormente se colocó el frasco Dejar en posición sobre las muestras y se suministró agua ajustando el caudal por medio de la válvula de la línea de salida. Se conectó el suministro de calor a la muestra, entregando la máxima corriente al calefactor hasta que la temperatura de la termocupla 4, que corresponde a la parte superior de la muestra, se aproxime a 200ºC. Una vez que las temperaturas de las 4 termocuplas se estabilizaron se registra las lecturas del equipo a intervalos de cinco minutos durante media hora. Los datos registrados incluyen: temperatura de entrada y salida del agua, temperatura de las cuatro termocuplas, masa de agua recolectada y tiempo que se requiere en recolectar la masa de agua. El caudal de agua se determinó cronometrando la recolección de 100 cm3 de agua.

Figura 14. Equipo de medición de conductividad térmica.

Para determinar la conductividad térmica de las muestras se considera que el calor se entrega en la parte superior de las muestras mediante el contacto con el bloque calefactor protegido termostáticamente, y se colecta en la base mediante contacto con el agua de enfriamiento. El calor

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transmitido a través de las muestras puede ser calculado a partir de las medicines del caudal y de la elevación de la temperatura del agua. Las pérdidas de calor debidas a radiación y conducción desde el bloque calefactor hacia otros receptores que no sean las muestras se consideran despreciables. La conductividad térmica se define como la cantidad de calor conducido por unidad de superficie y por grado de variación de temperatura a lo largo de la muestra. El calor conducido es igual a:

( )12 WWt

MJQ −= (W) [16]

y la conductividad térmica:

( )12 TTAQLK

−= (W/m2K/m) [17]

Donde W1 es la temperatura del agua a la entrada ( ºC), W2 es la Temperatura de las termocuplas ( ºC). T1-4 es la temperatura del agua a la salida ( ºC), M es la masa de agua recolectada (kg), t es el tiempo empleado para recolectar M kg de agua (s), Q es el calor conducido a través de la muestra, J se toma igual a 4186 J/kg, K es el coeficiente de conductividad a determinar, L es la distancia entre las termocuplas (m), y A representa el Área transversal de las muestras (m2). Determinacion de la densidad de las arcillas [11] Las probetas cilíndricas conformadas a diferentes presiones y sinterizadas fueron utilizadas para determinar la densidad de los materiales seleccionados. Para calcular el grado de la densificación de las muestras se calculó la relación entre la densidad de Arquímedes y la densidad teórica del sistema. La densidad de Arquímedes se determinó a partir de los valores de masa seca, masa húmeda y masa sumergida de cada pastilla por medio de la ecuación:

aguasumergidahúmeda

aArquímides d

mmmd ×−

= sec [18]

Donde la densidad del agua a 20ºC se considera a 1 g/cm3. Para esta prueba se sumergieron las pastillas por 24 horas. Para la determinación de la densidad se prepara la balanza de acuerdo a lo mostrado en la figura 15, colocando en el vaso agua destilada y evitando la presencia de burbujas.

Figura 15. Balanza analítica con cesta.

Se cierra la ventanilla de la balanza y se encera. Posteriormente se retira la pastilla del agua destilada y después de secar su superficie exterior se coloca en uno de los dos platillos del pescante. El valor obtenido corresponde a la masa húmeda. A continuación se coloca la pastilla en la cesta y se mide el peso, el valor obtenido corresponde a la diferencia entre la masa húmeda y la masa sumergida; como se trata de un valor negativo, se considera únicamente la magnitud.

15

4. Resultados Experimentales En esta sección se muestran los resultados experimentales obtenidos durante los ensayos de dilatometría, conductividad térmica y densidad de los materiales estudiados. También se muestran los resultados obtenidos durante la sinterización de las muestras, mismos que permiten obtener una idea de la conformabilidad de los materiales estudiados y guiar los ensayos. 4.1. Coeficiente de Dilatación Arcilla Limón-Azuay En la figura 16 se muestra, a modo de ejemplo, el dilatograma obtenido al ensayar una probeta prismática de la arcilla Limón-Azuay, conformada a 2000 psi. La tabla 8 muestra los resultados obtenidos al procesar el dilatograma para obtener el coeficiente de dilatación térmica de la muestra correspondiente. Los dilatogramas obtenidos mediante ensayos de dilatometría con los otros materiales estudiados, y los datos procesados correspondientes, se muestran en el Anexo 1.

Figura 16. Dilatograma de la arcilla Limón-Azuay conformada a 2000 psi.

Tabla 8. Coeficiente de dilatación térmica de la arcilla Limón-Azuay conformada a 2000 psi, T (ºC) L (mm) Lk (mm) ∆ L Le ∆ L` ∆L`/ lo ∆T α

20 0 0 0 0 -40 -8.0E-4 -30.0 2.67E-5 50 0 20 0 40 -8 -1.6E-4 -50.0 3.20E-6 100 -3 39 -30 48 -6 -1.2E-4 -50.0 2.40E-6 150 -5 52 -50 54 -32 -6.4E-4 -50.0 1.28E-5 200 -5 68 -50 86 -48 -9.6E-4 -50.0 1.92E-5 250 -3 82 -30 134 -44 -8.8E-4 -50.0 1.76E-5 300 -2 99 -20 178 -56 -1.1E-3 -50.0 2.24E-5 350 0 117 0 234 -42 -8.4E-4 -50.0 1.68E-5 400 1 133 10 276 -70 -1.4E-3 -50.0 2.80E-5 450 4 153 40 346 -84 -1.7E-3 -50.0 3.36E-5 500 8 175 80 430 -118 -2.4E-3 -50.0 4.72E-5 550 16 194 160 548 -156 -3.1E-3 -50.0 6.24E-5 600 28 212 280 704 -60 -1.2E-3 -50.0 2.40E-5 650 30 232 300 764 -30 -6.0E-4 -50.0 1.20E-5

16

700 29 252 290 794 -32 -6.4E-4 -50.0 1.28E-5 750 28 273 280 826 -40 -8.0E-4 -50.0 1.60E-5 800 27 298 270 866 40 8.0E-4 50.0 1.60E-5 750 28 273 280 826 22 4.4E-4 50.0 8.80E-6 700 30 252 300 804 20 4.0E-4 50.0 8.00E-6 650 32 232 320 784 30 6.0E-4 50.0 1.20E-5 600 33 212 330 754 26 5.2E-4 50.0 1.04E-5 550 34 194 340 728 58 1.2E-3 50.0 2.32E-5 500 32 175 320 670 44 8.8E-4 50.0 1.76E-5 450 32 153 320 626 30 6.0E-4 50.0 1.20E-5 400 33 133 330 596 42 8.4E-4 50.0 1.68E-5 350 32 117 320 554 46 9.2E-4 50.0 1.84E-5 300 31 99 310 508 34 6.8E-4 50.0 1.36E-5 250 31 82 310 474 28 5.6E-4 50.0 1.12E-5 200 31 68 310 446 446 8.9E-3 200.0 4.46E-5

Tabla 9. Coeficiente de dilatación térmica (α , ºC-1) de los materiales seleccionados para el estudio, conformados a diferentes presiones.

Presión (psi) Arcillas/Arenas

2000 3000 4000 Arcilla de la formación Tosagua: 529897, 9790530, Fracción < 0.053mm

Arcilla de la formación Tosagua: 554683, 9744610, Fracción < 0.053mm

1.32E-5 1.54E-6 1.21E-6

Arcilla Limón-Azuay 1.96E-5 1.93E-5 1.92E-5 Arcilla Engabao 1 7.09E-6 5.06E-6 5.14E-6 Arcilla Engabao 2 1.47E-5 1.47E-5 1.45E-5 Arcilla Paján 1.19E-5 1.20E-5 1.20E-5 Arcilla Socorro 1.53E-5 1.52E-5 1.52E-5 Arena Quilotoa 1.51E-5 1.47E-5 Sílice Nacional Arcilla Loja-Paján 1.49E-5 Arcilla Loja Arcilla Colimes del Balsar

4.2. Sinterización Al realizar la sinterización de las muestras a 1200ºC se observó que solo cinco arcillas: Engabao 2, Socorro, Limón-Azuay, Loja, Paján y la sílice nacional, no presentaron alteraciones en su forma y mostraron baja porosidad.

17

Figura 17. Muestras que no presentan alteraciones de forma después de la sinterización.

Las arcillas Engabao 1, Tosagua 2 y Loja-Paján, después de la sinterización se cuartearon, y alteraron su forma. Además, se observa que a mayor presión utilizada, mayor es la deformación que sufre la probeta.

Figura 18. Arcillas que presentaron alteraciones en su forma después de sinterizarlas.

Las muestras de la Arena del Quilotoa y Tosagua 1 después de la sinterización se cristalizaron. Además la muestra Tosagua 1 presenta alto grado de porosidad con respecto a las otras arcillas (Figura 19).

(a) (b)

Figura 19. Muestras cristalizadas después de la sinterización. (a) Arena del Quilotoa y Tosagua 1, (b) Detalle de la porosidad observada en las muestras de la Arcilla Tosagua 1.

La sinterización a 1100ºC, se la realizó con una tasa de calentamiento de 10ºC/min y se observó que los resultados fueron semejantes a los obtenidos a la sinterización descrita enteriormente. Además, las

18

muestras sinterizadas a 1100ºC presentaron un alto grado de porosidad, puesto que absorbían agua rápidamente. Para las pruebas de conductividad térmica y densidad únicamente se consideraron las muestras obtenidas a partir de los siguientes materiales: arcilla Limón-Azuay, Engabao 2, Paján, Socorrom Sílice nacional y Loja. Los otros materiales considerados para el estudio no fue considerados por cuanto no permitían obtener probetas apropiadas para los ensayos. 4.3. Coeficiente de Conductividad Térmica En la tabla 10 se muestra, a manera de ejemplo, los resultados del ensayo de conductividad térmica realizado con una probeta cilíndrica de arcilla Limón-Azuay conformada a 3000 psi y posteriormente sinterizada. Los datos experimentales recolectados durante los ensayos realizados con los otros materiales estudiados se muestran en el Anexo 2.

Tabla 10. Datos experimentales recopilados durante el ensayo de conductividad térmica de la arcilla Limón-Azuay, conformada a 3000 psi y sinterizada.

Temperatura de las termocuplas (ºC)Lectura T salida (agua) ºC T entrada (agua) ºC T1 T2 T3 T4

1 18.4 18 26 40 188 199 2 18.6 18.1 27 40 188 199 3 18.4 18 28 41 188 198 4 18.4 18 28 41 187 198 5 18.4 18 28 42 187 197 6 18.4 17.8 29 42 186 193

Promedio 18.43 17.98 27.67 41.00 187.33 197.33 En la tabla 10 se resumen los coeficientes de conductividad térmica de las muestras que luego de la sinterización no alteraron su forma.

Tabla 10. Coeficiente de conductividad térmica (K, W/mK) de los materiales seleccionados para el estudio, conformados a diferentes presiones.

Presión (psi) Arcillas/Arenas

2000 3000 4000 Arcilla Limón-Azuay 3.32 4.2014 3.60 Arcilla Engabao 2 4.10 3.49 Arcilla Paján Arcilla Socorro 5.03 4.6435 4.45 Sílice Nacional Arcilla Loja 21.0146 4.9966 4.39

4.4. Densidad

Tabla 11. Densidad( ρ , g/cm3) de los materiales seleccionados para el estudio, conformados a diferentes presiones y sinterizados.

Presión (psi) Arcillas/Arenas

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 Arcilla Socorro Sílice Nacional 1.4 1.5 1.5 Arcilla Loja 2.3 2.3 2.3

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Tabla 12. Densidad ( h24ρ , g/cm3) medida luego de sumergir durante 24 h y en agua los materiales seleccionados para el estudio. Los materiales fueron conformados a diferentes presiones y sinterizados.

Presión (psi) Arcillas/Arenas

2000 3000 4000 Arcilla Limón-Azuay 2.39 2.32 2.37 Arcilla Engabao 2 1.74 1.60 1.48 Arcilla Paján 2.21 2.19 2.17 Arcilla Socorro 1.41 Sílice Nacional 1.86 1.90 1.90 Arcilla Loja 2.29 2.51 2.41