JUAN DAVID BONILLA G. FRANGER ANDRES VELA P. OMAR STIVEN PEALOZA M.

PARTE I INSTITUCIN EDUCATIVA GENERAL SANTANDER CONVENIO UNIVERSIDAD DE PAMPLONA GRADO 11 C 2.011

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La razn de ser de la cermica, as como su importancia econmica, se basan en el hecho de que la coccin de las pastas previamente moldeadas provoca una modificacin fundamental en sus propiedades, dando lugar a un material duro de consistencia ptrea e inalterabilidad de forma, elevndose su dureza y resistencia mecnica, resistente al agua y a los productos qumicos y que posee, adems, caractersticas excelentes y muy diversificadas. La coccin de los productos cermicos constituye, en consecuencia, la etapa ms importante del proceso de fabricacin. En esta fase se pone de manifiesto si las operaciones o etapas de fabricacin anteriores se han desarrollado convenientemente y si el producto cocido ha adquirido las propiedades y caractersticas deseadas fijadas por las normas.

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En la industria cermica, se entiende por coccin el proceso fsico - qumico de calentamiento, de acuerdo con un plan preestablecido, de las piezas crudas moldeadas, seguido de un enfriamiento segn un plan igualmente bien definido. En l las arcillas se transforman en silicatos de aluminio cristalinos sin hidratar. No se conoce exactamente la influencia de algunos factores que intervienen en la coccin, no bastando con elevar la temperatura, pues cada tipo de producto necesita una determinada en funcin de su composicin qumica, sus dimensiones y sobre todo del espesor. Si la coccin se hace lentamente, se mejora la calidad, pero con ello aumentan los costos. Industrialmente se estudian las curvas de temperatura-tiempo de cada horno para conseguir el equilibrio del sistema.

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Mediante el aporte de calor se produce un proceso de transformaciones fsicoqumicas que modifican la estructura qumica y cristalina de las arcillas de forma irreversible, adquiriendo consistencia ptrea y obtenindose finalmente los productos cermicos. Adems de las transformaciones permanentes que experimentan las materias primas durante la coccin, las piezas sufren igualmente un cierto nmero de modificaciones temporales, entre las que cabe destacar la dilatacin que experimentan como consecuencia del calentamiento. Tambin es importante tener en cuenta que las piezas cocidas an calientes actan, durante un cierto tiempo, como acumuladores de calor. Durante el proceso, se genera una movilidad atmica que conduce a la unin de las partculas y a la disminucin de la porosidad. La variacin de dimensiones que se produce modifica la porosidad, dependiendo del proceso de fabricacin y del grado de coccin. Si las variaciones de volumen no se producen de modo regular durante el proceso de coccin, las piezas presentarn falta de uniformidad y tensiones. Es necesario, pues, controlar la velocidad de coccin ya que una contraccin rpida puede llevar a tensiones y provocar la rotura.

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En la coccin de productos cermicos preparados con materias primas arcillosas, es importante considerar el intervalo de coccin, es decir, el rango de temperatura entre el inicio de la vitrificacin (formacin de fase vtrea) y el inicio de la deformacin. Este intervalo depende de las caractersticas de la pasta y debe ser lo ms amplio posible, debiendo estar la temperatura ptima de coccin dentro de dicho intervalo, no demasiado cerca del inicio de la vitrificacin para que el material no sea demasiado poroso, y no demasiado cerca del inicio de la deformacin para que la pieza no quede deformada. Con un intervalo de coccin demasiado corto, cualquier pequea diferencia de temperatura del horno hace que el producto pase de poco a demasiado cocido.

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Otras condiciones para una buena coccin son: (1).- Uniformidad de la temperatura en el horno lo ms perfecta posible, evitando el contacto directo de la llama con el producto cermico. (2).- Control de la curva de coccin (Figura 4.5.6.1) incluso durante el calentamiento y enfriamiento, ya que pueden presentarse tensiones que produzcan roturas. (3).- Atmsfera del horno controlada.

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La cuestin es ms complicada para las piezas gruesas, puesto que la superficie se calienta ms rpidamente que el interior, y de este gradiente de temperatura resulta una contraccin exterior ms rpida, que puede tener como resultado la fisuracin del producto. Es esencial que la diferencia de temperatura entre el ncleo y la superficie de la pieza, en el momento del paso por los puntos crticos resulte pequea para que los cambios dimensionales que experimente el material en las citadas zonas sea lo ms parecido posible. Entonces, la curva de coccin deber de establecerse en funcin de las caractersticas de los materiales atendiendo a su forma. La coccin puede considerarse como la fase ms delicada de todo el proceso de fabricacin cermica, porque un gran nmero de defectos del producto cermico se manifiestan despus de la misma, aunque su origen est en una etapa anterior del proceso de fabricacin.

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Durante la operacin de coccin intervienen tres factores fundamentales: temperatura, tiempo y atmsfera del horno. Los fenmenos que se desarrollan durante la coccin pueden clasificarse en fenmenos fsicos y fenmenos qumicos. Los fenmenos fsicos se manifiestan en todos los materiales crudos o cocidos y pueden citarse la dilatacin trmica, las transformaciones alotrpicas, la densificacin, la fusin de ciertos constituyentes, etc. La dilatacin trmica es un efecto de la elevacin de la temperatura y se manifiesta de modo que el volumen aumenta en ausencia de transformaciones que modifiquen la naturaleza del material. En el caso general, la dilatacin es isotrpica.

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Las transformaciones alotrpicas son propias de las fases cristalinas y pueden producir grandes perturbaciones en el material. As, por ejemplo, el cuarzo presenta una transformacin ALFA BETA a los 573 C. Esta transformacin va acompaada de una variacin de volumen del 0.8 %. Este fenmeno es necesario considerarlo en productos crudos o cocidos que presenten cuarzo libre. A ms alta temperatura, a partir de los 920 C y bajo la accin de mineralizadores, el cuarzo-D> da cristobalita - < con un aumento de volumen del 14.3 %. En los productos cocidos, la cristobalita se transforma reversiblemente en la variedad >, entre 240 y 170 C, con una variacin de volumen comprendida entre el 3 y el 7%. De estas transformaciones se deriva la baja resistencia al choque trmico de los productos refractarios a base de slice. Entre los fenmenos qumicos que se pueden producir se pueden citar, esencialmente, los que conciernen a los silicatos y silico - aluminatos, compuestos fundamentales de las materias primas cermicas, y los que conciernen a los compuestos denominados impurezas, presentes en las mismas.

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Muchos de los silicatos y silico - aluminatos que constituyen las materias primas naturales contienen agua bajo diferentes formas, segn el tipo de unin qumica presente en estos silicatos. Se pueden distinguir diferentes tipos de agua lgala: el agua libre (humedad), el agua ligada por adsorcin, el agua zeolitica y el agua de constitucin. Despus de la deshidratacin tiene lugar la destruccin del retculo cristalino y la formacin de nuevas fases cristalinas y vtreas.

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- Descomposicin de carbonatos, que tiene lugar entre 800 y 900 C. En las pastas a base de silicatos de aluminio se nota que su descomposicin se acelera y se forma progresivamente wollastonita, gelenita y anortita en las pastas clcicas y dipsido en las dolomiticas. - Los carbonatos ferrosos se descomponen a xido frrico sobre los 370 C y a alta temperatura se forma magnetita (Fe3O4). - Los hidrxidos de aluminio hidratados pasan a xidos sobre los 300 C. - La presencia de materia orgnica produce una descomposicin gradual, en atmsfera oxidante, entre los 300 y 900 C. -El sulfato de cal es estable hasta los 1100 C y el sulfato de magnesio descompone antes de los 1000 C.

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- DE 0 A 400: SE ELIMINA RESIDUO DE HUMEDAD CON DILATACIN DE LA PASTA. - DE 400 A 600: ELIMINACIN DEL AGUA COMBINADA. DESCOMPOSICIN EN XIDOS. RETRACCIN DE LA PASTA Y AUMENTO DE POROSIDAD. - DE 600 A 900: FORMACIN DE UN METACAOLN INESTABLE. - DE 900 A 1000: FORMACIN DE SILICATOS POR REACCIN DE LOS XIDOS. - MS DE 1000: TRANSFORMACIN MOLECULAR DE LOS SILICATOS CRISTALIZANDO EN AGUJAS. SOBRE 1800: FUSIN DEL MATERIAL VITRIFICANDO.

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Se observa que los hornos pueden ser de tipo discontinuo como los primitivos o continuos como los actuales con mayor rendimiento. El combustible puede entrar o no en contacto con las piezas, consiguindose menores impurezas en el ltimo caso de la siguiente tabla.

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(1).- Por la forma de calentamiento: - Elctricos. - De combustin: - Con combustible slido. - Con combustible liquido. - Con combustible gaseoso. (2).- Por el tipo de proceso: - Intermitentes. - Continuos. (3).- Por las disposiciones del material con respecto a los productos de combustin: - De llama libre. - Muflado.

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- Productos porosos de ladrillera y tejera: 900 a 1000C. - Loza y gres cermico: 1000 a 1300C. - Porcelana, refractarios y vitrificados: 1300 a 1500C. Dependen del tipo de arcilla empleada y el tipo de horno, por ello se establece una curva terica de coccin que se consigue en cada caso determinado.

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El punto de vista ms importante para la eleccin del horno es su modo de funcionamiento. Vamos a considerar diversos tipos de hornos empleados actualmente.

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Se entiende por hornos intermitentes aquellos que necesitan una interrupcin entre los ciclos de coccin. El esquema del proceso es: - Entrada de los productos. - Precalentamiento. - Coccin de los productos. - Enfriamiento de los productos. - Salida de los productos.

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Los tiempos que ocupan estas operaciones no son idnticos y difieren considerablemente segn el producto a cocer y la naturaleza del proceso. La coccin se realiza segn una curva de temperatura que debe estar adaptada al producto, es decir, que las variaciones de temperatura con el tiempo puedan ser soportadas por las piezas sin que aparezcan daos. Debido al sistema de funcionamiento de este tipo de hornos, en los que muros y bveda estn sometidos al mismo ciclo de temperatura del material, interesa que stos sean capaces de absorber y desprender calor, como mnimo con la misma facilidad que ste. Interesa tambin, para reducir el gasto de calentamiento, reducir el peso de los mismos y que el calor especifico del revestimiento refractario sea bajo, con el fin de conseguir un mayor rendimiento trmico por este concepto.

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Con el empleo de los materiales aislantes (Baja densidad) en la construccin del horno se consigue: - Disminucin de los espesores del revestimiento. - Disminucin de la masa del conjunto. - Disminucin de la capacidad calorfica. -Mayor resistencia a las variaciones de temperatura. - Facilidad de montaje, sobre todo en materiales fibrosos.