ES2345648B1 - Procedimiento de obtencion de un material ceramico de forsterita. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de obtención de un material
cerámico de forsterita.
Procedimiento de obtención de un material
cerámico a partir de un silicato laminar hidroxilado,
preferiblemente talco, que comprende: mezclar una suspensión acuosa
de silicato laminar hidroxilado con óxido de magnesio; secar la
suspensión obtenida anteriormente a una temperatura de hasta 350ºC;
y tratar térmicamente el producto secado a una temperatura de hasta
1600ºC. Además, la invención se refiere a un material cerámico
obtenible por el procedimiento descrito que comprende forsterita en
una proporción de entre un 70% y un 95% en peso del material
cerámico, y a sus aplicaciones como material refractario o como
material electrocerámico.
Description
Procedimiento de obtención de un material
cerámico de forsterita.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de obtención de un material cerámico a partir de un
silicato laminar hidroxilado, preferiblemente talco. Además, la
invención se refiere al material obtenido y a sus aplicaciones como
material cerámico refractario o electrocerámico.
Dentro de los refractarios básicos, los
refractarios de forsterita (orto-silicato de
magnesio MgSiO_{4} de composición química molar 2MgO.1SiO_{2} y
punto de fusión 1910ºC) se han preparado por tratamiento térmico a
partir de silicatos naturales empleando materias primas con magnesio
en elevada proporción, tal como el olivino de Noruega y dunitas y
serpentinas de Rusia e India.
La roca natural olivino se compone de cristales
mixtos de forsterita y fayalita (silicato de hierro 1
FeO.1SiO_{2}), junto con pequeñas cantidades de serpentina y, a
veces, talco, variando las proporciones relativas de las diferentes
fases minerales con la procedencia de la roca. El único mineral con
propiedades como refractario es la forsterita, siendo la fayalita un
constituyente de las escorias metalúrgicas de hierro. El talco y la
serpentina producen cantidades importantes de fase líquida por
encima de 1500ºC, lo que repercute desfavorablemente en la
refractariedad del material, más aún si se somete a una carga o
esfuerzos termomecánicos.
Por otro lado, materiales refractarios aislantes
de forsterita, con porosidad total 44-70%, han sido
obtenidos a partir de mezclas de una roca ígnea compuesta casi
enteramente de olivino y denominada dunita, con magnesita.
También se han logrado preparar y estudiar
materiales refractarios de forsterita a partir de mezclas de
serpentinas españolas, a veces magnéticas al contener magnetita, y
diversas magnesitas comerciales.
Durante los últimos años, la preparación de
materiales cerámicos de forsterita ha experimentado un cierto
desarrollo teniendo en cuenta el procesado de tipo
sol-gel y la formación de nanocomposites y
materiales multifásicos. De este modo, se han preparado y
densificado materiales cerámicos de forsterita a partir de
precursores reactivos partiendo de nitrato de magnesio, etanol
absoluto y un alcóxido de silicio, tetraetoxisilano, a 60ºC con
agitación hasta que se produce la formación de un sol que después
gelifica y se seca a 100ºC, calcinando a 400ºC y después a 1200ºC y
1500ºC, obteniendo materiales con forsterita en proporción
mayoritaria con densidades de 97% de la teórica partiendo de geles
difásicos y 91% de geles monofásicos, pero teniendo que someter a
tratamiento térmico el material a 1200ºC durante 30
horas para eliminar la enstatita (cfr. Kazakos, A., Komarmeni, S. and Roy, R., Materials Letters, 1990, 9, 405-409).
horas para eliminar la enstatita (cfr. Kazakos, A., Komarmeni, S. and Roy, R., Materials Letters, 1990, 9, 405-409).
La síntesis de forsterita sin que contenga
enstatita una vez que ha cristalizado la primera fase, también ha
sido conseguida mediante la obtención de precursores poliméricos
organometálicos de tipo poli(metacrilato), vía
copolimerización de sales alcalinas del ácido metacrílico con varias
combinaciones de siloxano-metacrilato y
metoxi-silil-metacrilato con
metacrilato de magnesio, dando lugar a una conversión de los óxidos
precursores durante la pirólisis en aire que origina rendimientos
del 77% del teórico (cfr. Hogan, M., et al., J. Am. Ceram.
Soc., 1992, 75, 1831-1838). Asimismo, en la
síntesis de forsterita y enstatita por la vía
sol-gel, se ha empleado incluso el propio metal
magnesio y tetrametoxisilano o tetraetoxisilano, en diversas
relaciones molares, en presencia de ácido clorhídrico como
catalizador de la reacción de hidrólisis, de tal modo que la
forsterita cristaliza a 500ºC (cfr. Ban, T., Ohya, Y. and Takashi,
Y., J. Am. Ceram. Soc., 1999, 82, 22-26).
Aunque la refractariedad de los materiales con
forsterita en proporción mayoritaria es alta, teóricamente la
forsterita funde a 1910ºC, su resistencia a los cambios bruscos de
temperatura o choque térmico es relativamente baja. Para mejorar la
resistencia al choque térmico de los materiales refractarios de
forsterita, se han realizado diversas modificaciones en la
preparación de los mismos. Una mejora importante en las propiedades
mecánicas y resistencia al choque térmico de este tipo de materiales
refractarios de forsterita, se ha logrado mediante su obtención a
partir de silicato de zirconio (zircón) y óxido de magnesio por
reacción en estado sólido, lo que da lugar a un material compuesto
de forsterita y óxido de zirconio, siendo éste último el responsable
de esta mejora (cfr. Yangyun, S. and Brook, R.J., Ceramics
International, 1983, 38-46).
En general, existen varios procedimientos de
utilidad para la obtención y fabricación de materiales cerámicos,
electrocerámicos y refractarios que contienen forsterita en
proporción mayoritaria que presentan un alto interés tecnológico,
pero se parte de materias primas en forma de rocas muy compactas,
como el olivino, la dunita o la serpentina, con un paso previo
fundamental de molienda que consume energía, o bien se parte de
reactivos metalorgánicos que son de precio y pureza elevados. Estos
últimos precursores, además, se presentan en estado líquido a
temperatura ambiente y, generalmente, son fácilmente inflamables, lo
que lleva asociado otra serie de inconvenientes, como son el uso de
disolventes no acuosos, también generalmente inflamables, con alto
coste relativo y condiciones especiales de manipulación en
atmósferas protegidas o inertes para evitar la humedad ya que se
provoca su hidrólisis, además de originar residuos y problemas
medioambientales por su toxicidad. Como mayor inconveniente, se
señala el coste elevado que llevaría asociado un escalado de este
tipo de procedimientos descritos, hasta ahora a nivel de
laboratorio, restringiéndolos a la obtención de cantidades pequeñas
de materias primas precursoras para la fabricación de piezas de
tamaño reducido destinadas a unas aplicaciones muy puntuales.
La presente invención proporciona un
procedimiento de obtención de materiales cerámicos con alto
contenido en forsterita partiendo de materias primas inorgánicas
relativamente asequibles, de alta o media pureza y de moderado o
bajo coste, y sin utilizar reactivos metalorgánicos.
Una ventaja del procedimiento de la invención es
la utilización de un silicato laminar hidroxilado como materia
prima, por ejemplo el talco que es un silicato mineral con relativa
abundancia en España en provincias como León o Málaga, y otros
países de Europa, y que puede encontrarse finamente dividido o es de
fácil molienda, con una pureza elevada a bajo coste, a diferencia de
los procedimientos que emplean materias primas en forma de rocas muy
compactas, como el olivino o la dunita, que requieren una molienda
previa muy intensa. Como ventaja adicional, el bajo coste de la
materia prima a utilizar en este procedimiento de la invención
permite su fácil escalado.
Otra ventaja es que mediante el procedimiento de
la invención se evita el uso de reactivos metalorgánicos, con sus
inconvenientes, que son conocidos por cualquier experto en la
materia.
Por tanto, un primer aspecto de la presente
invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material
cerámico de forsterita, caracterizado porque comprende (a partir de
ahora procedimiento de la invención):
- a.
- mezclar una suspensión acuosa de silicato laminar hidroxilado con óxido de magnesio;
- b.
- secar la suspensión obtenida en el paso (a) a una temperatura de hasta 350ºC; y
- c.
- tratamiento térmico del producto del paso (b) a una temperatura de hasta 1600ºC.
El procedimiento de la invención consiste en la
preparación de materiales cerámicos, preferiblemente
electrocerámicos o refractarios básicos compuestos de forsterita
partiendo un silicato laminar hidroxilado.
Por "silicato laminar hidroxilado" se
entiende en la presente invención a un mineral compuesto
mayoritariamente de silicio, magnesio y agua estructural. Estos
silicatos podrían ser, pero sin limitarse a mica magnésica,
serpentina, talco o clorita. Preferiblemente el mineral contiene
talco.
Pueden utilizarse como materias primas para la
obtención de forsterita talcos industriales, abundantes en países
Europeos como España, que presenten variables contenido en
impurezas, e incluso materiales procedentes de la purificación de
talco destinado a la industria farmacéutica, cosmética o cerámica en
la cual esté limitado, por ejemplo, al mínimo contenido en óxidos de
hierro o bien al contenido en minerales accesorios, como son clorita
y serpentina, que actúan como iniciadores en la formación de
forsterita por tratamiento térmico a unos
800-1000ºC. En este sentido, una realización
preferida del procedimiento de la invención consiste en someter el
talco previamente a un tratamiento térmico para conseguir la
eliminación del agua estructural y la formación de enstatita y
sílice, además de la nucleación de forsterita a partir del mineral
de clorita como impureza, mezclando este polvo con óxido de
magnesio, seguido de un tratamiento térmico posterior. Mediante la
utilización de este tipo de talco se reutilizan subproductos de
otras industrias y, además, permite su fácil escalado.
Por lo tanto, el uso de talco con impurezas
también es una clara ventaja, siempre y cuando estas impurezas sean
de otros silicatos, como la serpentina o los de tipo clorita, grupo
de silicatos que pueden contener hierro y magnesio en su estructura.
Los silicatos del grupo de la clorita son silicatos laminares de
tres capas tipo 2:1 y, en particular, las cloritas poseen estas tres
capas más una capa de tipo brucita, con una subdivisión en subgrupos
de cloritas di- y trioctaédricas. Las cloritas se descomponen por
tratamiento térmico a temperaturas relativamente más bajas que el
talco y se origina forsterita en forma de pequeños cristales que
pueden ser núcleos de otros mayores. De este modo, se puede
aprovechar esta circunstancia de forma positiva para favorecer el
proceso de síntesis de forsterita por reacciones en estado sólido, a
temperaturas más elevadas, con adición de óxido de magnesio para
conseguir forsterita en proporción estequiométrica.
Se utiliza una materia prima silicatada a la que
se añade y mezcla óxido de magnesio en polvo, preferiblemente en
cantidad estequiométrica, para conseguir la formación de forsterita
en proporción mayoritaria por reacción en estado sólido entre los
productos de descomposición térmica del silicato laminar hidroxilado
y el óxido de magnesio adicionado. El precursor obtenido se trata
térmicamente para conseguir la transformación del talco en enstatita
y la liberación de sílice, y posteriormente, se trata a una mayor
temperatura para que se produzca la descomposición de la enstatita y
la reacción de formación de forsterita entre enstatita y sílice con
el óxido de magnesio adicionado. La forsterita es el producto final
del procedimiento de la invención que se obtiene en proporción
mayoritaria a partir de la mezcla de un silicato laminar hidroxilado
y óxido de magnesio.
En una realización preferida del procedimiento
de la invención el silicato laminar hidroxilado del paso (a) se
tritura previamente a un tamaño de partícula con diámetro medio de,
al menos, 0.100 mm. Más preferiblemente la suspensión acuosa del
silicato del paso (a) contiene también acetona.
El silicato laminar hidroxilado, previamente a
la preparación de una suspensión acuosa, se puede calcinar a una
temperatura de entre 1200ºC y 1400ºC.
En una realización preferida del procedimiento
de la invención el óxido de magnesio que se emplea en el paso (a) se
calcina, previamente a su mezcla con la suspensión del silicato
laminar hidroxilado, a una temperatura mínima de 1.700ºC. Más
preferiblemente el óxido de magnesio tiene una pureza de al menos un
90% en peso y un tamaño de partículas inferior a 0.100 mm. Aún más
preferiblemente el óxido de magnesio tiene una pureza de al menos un
97% en peso y un tamaño de partículas inferior a 0.063 mm.
En otra realización preferida del procedimiento
de la invención, el secado al aire del paso (b) se lleva a cabo a
una temperatura de entre 250ºC y 350ºC, durante un tiempo de entre
30 y 120 minutos. En una realización más preferida este secado se
lleva a cabo en dos etapas:
- b1)
- secado al aire a una temperatura de entre 90ºC y 120ºC, durante un tiempo de hasta 15 h.
- b2)
- secado posterior al paso (b1) a una temperatura de entre 250ºC y 350ºC, durante un tiempo de entre 30 y 120 minutos.
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Otra realización preferida del procedimiento de
la invención comprende el conformado del producto obtenido en el
secado del paso (b) antes de su tratamiento térmico del paso
(c).
Este proceso de conformado se puede llevar a
cabo por cualquier método conocido por un experto en la materia,
como por ejemplo, pero sin limitarse, prensado uniaxial, prensado
isostático o el prensado en caliente (HIP). Preferiblemente el
conformado se lleva a cabo mediante prensado uniaxial.
En otra realización preferida del procedimiento
de la invención el tratamiento térmico del paso (c) se lleva a cabo
en las siguientes etapas:
- c1)
- tratamiento térmico a una temperatura de hasta 800ºC a una velocidad de calentamiento de entre 40ºC y 80ºC por hora, durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos;
- c2)
- el producto obtenido en (c1) se trata a una temperatura de hasta 1000ºC a una velocidad de calentamiento de entre 40ºC y 80ºC por hora, durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos; y
- c3)
- el producto obtenido en (c2) se trata a una temperatura de entre 1200ºC y 1600ºC a una velocidad de calentamiento de unos 60ºC por hora durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos.
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Más preferiblemente el tratamiento térmico del
paso (c) se lleva a cabo en una única etapa y a una temperatura de
entre 1200ºC y 1600ºC a una velocidad de calentamiento de unos 60ºC
por hora durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos. Aún más
preferiblemente, el tratamiento térmico del paso (c) se lleva a cabo
a una temperatura de 1500ºC durante un tiempo entre 30 y 150
minutos.
El material cerámico de alto contenido en
forsterita, chamota o arena forsterítica obtenido por el
procedimiento de la invención ya descrito, puede someterse también
posteriormente a una molienda adicional y el polvo obtenido, una vez
conformado, preferiblemente por prensado uniaxial, se puede tratar
térmicamente para conseguir eliminar los restos de fases amorfas y
cristalinas que no es deseable que estén presentes en el material,
como enstatita y sílice, y además que la proporción de forsterita
sea la máxima posible.
Por tanto, en otra realización del procedimiento
de la invención la chamota de forsterita o el material obtenido en
el tratamiento térmico del paso (c) y que posteriormente puede ser
triturado, se somete a:
- i)
- conformado; y
- ii)
- tratamiento térmico del producto conformado en (i) a una temperatura de entre 1200ºC y 1600ºC durante un tiempo de entre 60 y 240 minutos.
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En una realización preferida, la chamota de
forsterita tiene un 38% en peso de una fracción inferior a 0.100 mm
y una fracción inferior a 0.040 mm de 54% en peso, con un diámetro
medio de las partículas de 0.063 mm.
Otro aspecto de la presente invención se refiere
a un material cerámico obtenible por el procedimiento de la
invención y que comprende forsterita en una proporción de entre un
70% y un 95% en peso del material cerámico total (a partir de ahora
material cerámico de la invención). Además, el material cerámico
tiene una relación molar de óxido de magnesio y dióxido de silicio
es de aproximadamente 2:1.
En una realización preferida del material
cerámico de la invención, se caracteriza por una densidad aparente
de hasta 2,66 gr/cm^{3}, una porosidad de al menos 14% en volumen,
un coeficiente de dilatación térmico a una temperatura de entre 20ºC
y 900ºC de al menos 11,82 x 10^{-6} ºC^{-1}, una constante
dieléctrica de entre 7 y 7,8 a temperatura ambiente y resistente a
temperaturas de hasta 1800ºC.
El material cerámico de la invención se puede
utilizar como refractario, debido a sus propiedades, preferiblemente
como material estructural para construcción de hornos de alta
temperatura (>1500ºC), siderurgia y metalurgia, preparación de
materiales electrocerámicos al poseer el producto final del
procedimiento de la invención aplicación como material dieléctrico
para su uso en circuitos de alta frecuencia y microondas.
Además, el material obtenido mediante el
procedimiento de la invención posee aplicación como material
cerámico y refractario básico debido a su alto contenido en óxido de
magnesio, por ejemplo, como sustrato rígido, filtro para utilizar a
alta temperatura, aislante o soporte de catalizadores.
Además, el producto resultante del procedimiento
de la invención, reducido a polvo por trituración, es una materia
prima para la preparación de materiales cerámicos avanzados con
altas prestaciones termomecánicas con interesantes aplicaciones en
ingeniería, en particular como componentes estructurales capaces de
ser utilizados en dispositivos sometidos a altas temperaturas
(máximo 1800ºC), en particular en zonas más expuestas al calor que a
los cambios bruscos de temperatura, como recubrimientos refractarios
o piezas de soporte de hornos sin que se vean sometidos a excesivos
cambios bruscos de temperatura, así como en la preparación de
materiales para aplicaciones LASER que contienen Cromo y en la
preparación de materiales electrocerámicos, al ser un material
dieléctrico con uso en circuitos de alta frecuencia y en
microondas.
A lo largo de la descripción y las
reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no
pretenden excluir otras características técnicas, aditivos,
componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos,
ventajas y características de la invención se desprenderán en parte
de la descripción y en parte de la práctica de la invención Los
siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se
pretende que sean limitativos de la presente invención.
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A continuación se ilustrará la invención
mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de
manifiesto la efectividad del procedimiento de la invención
\vskip1.000000\baselineskip
En esta realización particular de la invención,
se utiliza de materia prima un talco industrial con una composición
química típica como la siguiente (% en peso): SiO_{2}, 53.67%;
MgO, 29.72%; Al_{2}O_{3}, 3.07%; Fe_{2}O_{3}, 3.53%,
TiO_{2}, 0.14%; CaO, 0.74%; Na_{2}O, 0.07%; K_{2}O, 0.00;
pérdida por calcinación a 1000ºC, 8.74% y el total suma 99.68%. Esta
composición química del talco industrial se separa de los valores
teóricos del talco en cuanto a contenido en óxidos de silicio y
magnesio y pérdida por calcinación (SiO_{2}, 63.36% en peso; MgO,
31.89%), ya que contiene como impureza otro silicato con hierro,
aluminio y magnesio en la estructura, identificándose por difracción
de rayos X que se trata de clorita. La pérdida por calcinación a
1000ºC de talco puro es de 4.75%, luego la diferencia observada con
la que presenta este talco industrial se debe asociar a compuestos
orgánicos o bien a otras impurezas hidroxiladas, como son los
silicatos del grupo de la clorita. El bajo contenido en CaO excluye,
además, una presencia significativa de asbesto de tremolita, mineral
a veces asociado con el talco y que no es deseable que se encuentre
presente, así como excluye a calcita.
La composición mineralógica del talco industrial
que se determina en el ejemplo de realización de la invención es de
70% en peso de talco como silicato hidroxilado de magnesio y 30% en
peso de otro mineral, en este caso particular clorita que contiene
hierro y magnesio en su estructura. Asimismo, el análisis
termogravimétrico confirma la presencia de clorita que se descompone
por tratamiento térmico entre 400 y 800ºC, con deshidroxilación del
talco entre 850 y 1100ºC.
El talco se somete a una trituración previa de
tal modo que el análisis granulométrico por sedimentación en agua,
previa dispersión de las partículas, de una muestra del producto de
la molienda indique que el tamaño de las partículas es inferior a 40
\mum en un 95%, con un diámetro medio de las partículas de, al
menos, 10 \mum. Este paso es de importancia, puesto que un grado
fino de división de las partículas puede actuar favorablemente a la
hora de producirse las reacciones en estado sólido que den lugar a
la descomposición del talco y posteriormente a la formación de
forsterita por tratamientos térmicos.
Se utiliza también de materia prima óxido de
magnesio (MgO comercial, mínimo 90-99% en peso), de
preferencia obtenido por tratamiento térmico de un precursor del
óxido tal como magnesita (carbonato de magnesio) o el hidróxido
(brucita), calcinado como mínimo a 1700-1800ºC y
molido. No conviene partir directamente de magnesita o brucita para
evitar pérdidas de peso relativamente elevadas debido a la
eliminación dióxido de carbono, en un caso, o agua en el otro y
también para evitar contracciones importantes en los materiales
conformados de forsterita que se preparen con el procedimiento de la
invención. El óxido de magnesio puro como materia prima está
disponible comercialmente en varias calidades. Se debe calcinar
previamente a 1000ºC durante 60 minutos y se deja enfriar hasta
110ºC para eliminar, en lo posible, partículas de óxido hidratadas
en parte que puedan existir y hayan originado una capa de hidróxido
de magnesio sobre las partículas de óxido. El tamaño medio de las
partículas del óxido de magnesio debe ser inferior a 100 \mum, de
preferencia como mínimo un 97% en peso ha de ser inferior a 63
\mum.
El MgO como materia prima para refractarios
puede ser periclasa de primer grado o "first grade", con un
contenido mínimo de 96-99%, considerado el más
adecuado para la realización de la invención, y con contenido en
óxido de hierro inferior al 0.2% en peso, una relación CaO:SiO_{2}
de 3:1 ó 4:1, contenido en Boro inferior al 0.01% en peso y densidad
de 3.44 g/cc.
Polvos de óxido de magnesio de segunda calidad ó
"second quality" para refractarios poseen un contenido mínimo
de 95% de MgO, óxido de hierro inferior al 1% y una relación
CaO:SiO_{2} de 2:1, contenido bajo en Boro y densidad de 3.4
g/cc.
Otro tipo de polvo de óxido de magnesio o
periclasa que se puede emplear es el calcinado a muerte o "dead
burned", con un contenido de 90-95% de MgO,
contenido de SiO_{2} como máximo de 6-4% en peso,
3. 5% de CaO, 1-2% de Al_{2}O_{3},
1-2% de Fe_{2}O_{3} y pérdida por calcinación a
1000ºC como máximo de 0.5% en peso.
Si se emplea un polvo de óxido de magnesio de
una inferior calidad o con mayor contenido de impurezas atendiendo,
al contenido en óxidos de hierro, aluminio, boro, calcio o sílice,
además del coste, pero en este caso el material cerámico o
refractario resultante será también de inferior calidad debido al
incremento de la fase vítrea y otras fases distintas de la
forsterita, en detrimento de las propiedades mecánicas.
La proporción de talco y óxido de magnesio que
es necesaria y suficiente para conseguir la máxima formación de
forsterita por reacción en estado sólido se basa en la relación
estequiométrica de la misma, esto es, 2 moles de MgO y 1 mol de
sílice, equivalente teóricamente a 57,14% en peso de MgO y 42,85% en
peso de SiO_{2}. Según esto, partiendo de un talco ideal
(SiO_{2}, 63.36% en peso, MgO, 31.89%), se deben mezclar
60-70% en peso de talco, siendo el óptimo 65.53% en
peso, y 30-40% en peso de óxido de magnesio, siendo
el óptimo 34.46% en peso de óxido de
magnesio.
magnesio.
En el ejemplo de la invención partiendo de talco
industrial, cuyas características químicas ya se han descrito
anteriormente, y óxido de magnesio de 99% en peso, se utilizan
60-70% en peso de este talco industrial, siendo el
óptimo 71.60% en peso, y 30-20% en peso del óxido de
magnesio de 99% en peso, siendo el óptimo 28.40% en peso.
Para realizar la mezcla, como el talco no llega
a mojarse cuando se le adiciona agua y se aglomeran las partículas
por hidrofobicidad, es necesario realizar una modificación del medio
de mezcla, además de evitar en lo posible que el óxido de magnesio
calcinado a muerte se hidrate en el medio y origine hidróxido. Para
ello, se dispone de una mezcla de agua desionizada y acetona (mínimo
98% en peso) en una relación 1:1 en volumen. Se añade la cantidad
exactamente pesada de talco que corresponda al porcentaje en peso de
la mezcla y se comienza a adicionar el óxido de magnesio en polvo,
agitando continuamente con un agitador enérgico Selecta provisto de
hélice. El tiempo de mezclado ha de estar comprendido entre 50 y 90
minutos, siendo el óptimo de 60 minutos.
Una vez mezcladas y homogeneizadas las dos
materias primas, se procede a la eliminación del medio líquido
utilizado por evaporación al aire con un tratamiento térmico suave
de secado en condiciones controladas a 110ºC. Una vez se haya secado
la masa, se deshacen los aglomerados y el polvo obtenido, bajo forma
de pastillas, pellets, etc., o tal como se ha obtenido ya seco, se
somete a un tratamiento térmico entre 250 y 350ºC en aire, siendo el
óptimo 300ºC, y un tiempo de duración del mismo entre 30 y 120
minutos, siendo el óptimo de 90 minutos. Con este tratamiento se
logra la eliminación del agua y acetona retenidos en la masa que no
se hubiesen eliminado, a su vez, en el primer secado y disminuir en
lo posible la hidratación de las partículas de óxido de magnesio,
pues si se ha producido, el hidróxido de magnesio se descompondrá
entonces con liberación de agua con aumento de la pérdida por
calcinación.
calcinación.
El producto resultante del secado, que contiene
el precursor de forsterita, se tritura de nuevo para deshacer los
aglomerados y el polvo resultante se procesa por métodos
convencionales empleados en cerámica. Por ejemplo, se preparan
pastillas o pellets partiendo de 30 gramos de polvo, mediante
prensado uniaxial a 50 MPa, con 5% de humedad, en dos tiempos,
empleando un molde metálico cilíndrico en una prensa de 120 Tm,
modelo CMH-120 AF. Así se obtienen pastillas
cilíndricas de 50 mm de diámetro y altura variable, próxima a 10
mm.
De acuerdo con los resultados de evolución de
pérdida de peso con la temperatura a velocidad de calentamiento
constante del talco industrial utilizado en este ejemplo como
materia prima, es conveniente realizar el tratamiento térmico del
precursor de forsterita en varias etapas. En una primera etapa, se
trata el polvo previamente secado a 110ºC y 300ºC primero hasta
800ºC a una velocidad de calentamiento entre 40 y 80ºC por hora,
siendo la óptima de 60ºC por hora, durante un tiempo de permanencia
a esa temperatura comprendido entre 60 y 150 minutos, siendo el
óptimo de 120 minutos, para lograr la eliminación de agua
estructural de la clorita y propiciar su descomposición térmica que
origina núcleos cristalinos de forsterita.
Posteriormente, se eleva la temperatura hasta
1000ºC a una velocidad de calentamiento de 60ºC por hora y se
mantiene a esta temperatura durante 120 minutos para conseguir una
total deshidroxilación del talco y favorecer el crecimiento de los
núcleos cristalinos de forsterita inicialmente originados en la
descomposición de la clorita. A partir de este tratamiento, se eleva
la temperatura hasta 1200-1600ºC, siendo la óptima
1500ºC, a una velocidad de calentamiento entre 40 y 80ºC por hora,
siendo la óptima de 60ºC por hora, durante un tiempo comprendido
entre 60 y 150 minutos, siendo el óptimo de 120 minutos.
Se comprueba por difracción de rayos X y
análisis de fases cristalinas que la formación de enstatita a partir
de talco contenido en la mezcla precursora de forsterita se produce
a 1000ºC, con un máximo desarrollo a 1300ºC y su desaparición como
fase secundaria a 1450ºC con 120 minutos de tratamiento a esa
temperatura. La sílice amorfa producida en la descomposición térmica
del talco, se detecta a 1000-1150ºC, transformándose
en cristobalita y alcanzando su máximo desarrollo en la mezcla
cerámica a la temperatura de 1250ºC, desapareciendo a 1350ºC.
La forsterita, como fase cristalina, se detecta
a 1000ºC al ser un producto de la descomposición térmica de la
clorita presente en la mezcla con el talco industrial y por reacción
en estado sólido que se produce entre el óxido de magnesio añadido a
la mezcla, cristobalita y enstatita, aumenta en proporción relativa
al resto de fases cristalinas a la vez que disminuye la del óxido de
magnesio que se va consumiendo progresivamente con el tratamiento
térmico a temperaturas por encima de 1250ºC y la duración del
mismo.
A una temperatura de 1500ºC, con un tratamiento
térmico entre 60 y 150 minutos, siendo el óptimo de 120 minutos, la
proporción de fases cristalinas en el producto resultante se puede
estimar de 80-85% de forsterita como fase
mayoritaria, 10% de óxido de magnesio o periclasa que queda sin
reaccionar, menos del 5% de magnesioferrita (MgO.Fe_{2}O_{3}) y
menos del 5% de espinela (MgO.Al_{2}O_{3}).
Un ejemplo de material cerámico o material
refractario que se puede obtener después de tratamiento del polvo
precursor de forsterita, previamente prensado a 50 MPa, a la
temperatura de 1500ºC durante 120 minutos con el procedimiento de la
invención, posee las siguientes características
físico-químicas:
Contracción lineal: 10.2%
Capacidad de absorción de agua: 5.8% en peso
Densidad aparente: 2.49 g/cm^{3}
Porosidad abierta: 14.5% en volumen
Porcentaje de dilatación total o variación en
dimensiones de probeta previamente prensada a 50 MPa, después de
tratamiento térmico del material refractario a 1450ºC, valor medio
de 1.18%. Este valor está por debajo de 1.7%, límite que se da para
refractarios estándar de ese tipo.
Coeficiente de dilatación térmica medio entre 20
y 900ºC de 11.70 x 10^{-6} x ºC^{-1}.
Resistencia a los cambios bruscos de
temperatura, o resistencia al choque térmico, medida como número de
ciclos que resiste el material refractario sin agrietarse ni perder
su cohesión, realizando el ensayo desde temperatura ambiente a 950ºC
y enfriando en agua, mínimo de 3 ciclos.
Composición química (% en peso): SiO_{2},
41.22%; MgO, 52.98%; Al_{2}O_{3}, 2.35%; Fe_{2}O_{3}, 2.70%,
TiO_{2}, 0.11%; CaO, 0.56%; Na_{2}O, 0.05%; K_{2}O, 0.00;
pérdida por calcinación a 1000ºC, 0.00% y el total suma 99.97%.
Relación molar MgO/SiO_{2} del material
refractario obtenido = 1.93 (2.00 es el valor teórico deducido de
2MgO/
1SiO_{2})
1SiO_{2})
Estimación de la composición de fases según
difracción de rayos X y análisis químico: 80-85%
forsterita, 10% de óxido de magnesio o periclasa, < 5%
magnesioferrita (MgO.Fe_{2}O_{3}), < 5% espinela
(MgO.Al_{2}O_{3}).
El material electrocerámico que se obtiene
presenta idéntica composición química y mineralógica a la descrita
anteriormente, con una densidad aparente de 2.49 g/cm^{3} y
porosidad abierta de 14.5% en volumen y un valor de constante
dieléctrica, medida a temperatura ambiente, de 7.3.
Con objeto de ilustrar sobre el efecto positivo
que supone la utilización de materia prima precalcinada en la
síntesis de forsterita, en este ejemplo de realización de la
invención se parte del mismo tipo de talco con clorita descrito en
el ejemplo anterior y se somete a un tratamiento térmico previo. Con
esto, se consigue nuclear cristales de forsterita primarios a partir
de los productos de descomposición térmica de la clorita y se logra
una transformación parcial del talco en enstatita y sílice
amorfa.
Se prepara una chamota o calcina a partir del
talco previamente secado que, conformado como pastillas cilíndricas
o pellets a la presión de 50 MPa, se trata térmicamente a una
temperatura comprendida entre 1200 y 1400ºC, siendo el óptimo
1300ºC, durante un tiempo mínimo de 30 minutos y máximo de 150
minutos, siendo el óptimo de 120 minutos. A continuación, se deja
enfriar en el horno.
Se comprueba por difracción de rayos X que las
fases presentes en este producto así obtenido son enstatita en
proporción mayoritaria, cristobalita en una proporción media como
producto de cristalización de la sílice amorfa e indicios de
forsterita.
El producto de la calcinación del talco
industrial se somete a una trituración que permita obtener una
materia prima con granulometría controlada. Empleando un molino de
martillos industrial, debido a la compacidad de este talco
pelletizado y calcinado, se realiza esta operación. Se coloca un
tamiz de luz de malla de 1 mm, es decir, 1000 \mum, para que pase
todo el resultado de la molienda. Es necesario realizar un control
de la granulometría del producto de la molienda, pues la práctica
asegura que no debe ser polvo demasiado fino ni demasiado grueso,
más bien con tamaños de partícula intermedios para favorecer la
reacción de síntesis de forsterita pero también para conseguir
características físicas aceptables, por ejemplo, en cuanto a
porosidad y contracción del material cerámico o refractario.
Por tamizado en húmedo, se obtienen valores
medios de porcentajes en peso de diversas fracciones que son
ilustrativos de este ejemplo de realización de la invención:
Residuo superior a 1000 \mum, 14. 8%; entre
1000 y 420 \mum, 18.9%; entre 420 y 200 \mum, 10.6%; entre 200 y
100 \mum, 7.4%; entre 100 y 63 \mum, 28.2%; inferior a 63
\mum, 20%. Diámetro medio de las partículas: 0.360 mm.
Se mezcla entonces este talco calcinado,
preparado y triturado tal como se describe anteriormente, con el
óxido de magnesio. En este ejemplo, la proporción de talco calcinado
y óxido de magnesio que es necesaria y suficiente para conseguir la
máxima formación de forsterita por reacción en estado sólido se basa
también en la relación estequiométrica de la misma, esto es, 2 moles
de MgO y 1 mol de sílice, equivalente teóricamente a 57,14% en peso
de MgO y 42,85% en peso de SiO_{2}. Según esto, se deben mezclar
70-60% en peso de talco, siendo el óptimo 64.40%, y
40-30% de óxido de magnesio, siendo el óptimo 35.60%
en peso. En el ejemplo de realización de la invención se deben
mezclar 70-60% en peso de talco industrial
previamente calcinado, siendo el óptimo 68,36% en peso, y
30-40% en peso del óxido de magnesio de 99% en peso
de pureza, siendo el óptimo 31.63% en peso.
Asimismo, pueden utilizarse otros tipos de polvo
de MgO con las indicaciones descritas en el ejemplo anterior.
Para realizar la mezcla, además de evitar
también en lo posible que el óxido de magnesio calcinado a muerte se
hidrate en el medio y origine hidróxido, se dispone de una mezcla de
agua desionizada y acetona (mínimo 98% en peso) en una relación 1:1
en volumen. Se añade una cantidad exactamente pesada de talco
calcinado y triturado y se comienza a adicionar el óxido de magnesio
en polvo, agitando continuamente con un agitador enérgico Selecta
provisto de hélice. El tiempo de mezclado ha de estar comprendido
entre 60 y 100 minutos, siendo el óptimo de 90 minutos.
Una vez mezcladas y homogeneizadas las dos
materias primas, se procede a la eliminación del medio líquido
utilizado por evaporación al aire con un tratamiento térmico suave
de secado en condiciones controladas a 110ºC. Una vez se haya secado
la masa, se deshacen los aglomerados y el polvo obtenido, bajo forma
de pastillas, pellets, etc., o tal como se ha obtenido ya seco, se
somete a un tratamiento térmico entre 250 y 350ºC en aire, siendo el
óptimo 300ºC, y un tiempo de duración del mismo entre 30 y 120
minutos, siendo el óptimo de 90 minutos. Con este tratamiento se
logra la eliminación del agua y acetona retenidos en la masa que no
se hubiesen eliminado, a su vez, en el primer secado y además
disminuir en lo posible la hidratación de las partículas de óxido de
magnesio.
El producto resultante del secado, considerado
el precursor de forsterita, se tritura de nuevo para deshacer los
aglomerados y el polvo resultante se procesa por métodos
convencionales empleados en cerámica. Por ejemplo, se preparan
pastillas o pellets partiendo de 30 gramos de polvo, mediante
prensado uniaxial a 76 MPa, pues el polvo necesita algo más de 50
MPa para ser conformado con mejores propiedades en verde, con 5% de
humedad, en dos tiempos, empleando un molde metálico cilíndrico en
una prensa de 120 Tm, modelo CMH-120 AF. Así se
obtienen pastillas cilíndricas de 50 mm de diámetro y altura
variable, próxima a 10 mm.
Para llevar a cabo el tratamiento térmico del
precursor de forsterita, como el talco ya está previamente calcinado
a una temperatura suficientemente alta, se eleva la temperatura
hasta 1200-1600ºC, siendo la óptima 1500ºC, a una
velocidad de calentamiento entre 40 y 80ºC por hora, siendo la
óptima de 60ºC por hora, durante un tiempo comprendido entre 60 y
240 minutos, siendo el óptimo de 180 minutos.
Se comprueba por difracción de rayos X y
análisis de fases cristalinas que la fase enstatita formada a partir
de talco disminuye en proporción con la temperatura de tratamiento
térmico y la duración de la misma, aunque puede persistir a 1500ºC
con 120 minutos de tratamiento a esa temperatura. La cristobalita
producida por cristalización de la sílice amorfa procedente de la
descomposición térmica del talco, se detecta a 1200ºC y disminuye
con la temperatura de tratamiento, desapareciendo a 1350ºC.
La forsterita, como fase cristalina, se detecta
a 1200ºC al ser un producto de la descomposición térmica de la
clorita, presente en la mezcla con el talco industrial. Por reacción
en estado sólido entre el óxido de magnesio añadido a la mezcla,
cristobalita y enstatita, la forsterita aumenta en proporción
relativa al resto de fases cristalinas a la vez que disminuye la del
óxido de magnesio que se va consumiendo progresivamente con el
tratamiento térmico a temperaturas por encima de 1300ºC y la
duración del mismo.
A una temperatura de 1500ºC, con un tratamiento
térmico entre 60 y 240 minutos, siendo el óptimo de 180 minutos, la
proporción de fases cristalinas en el producto resultante se puede
estimar de 70-75% de forsterita,
15-10% de óxido de magnesio o periclasa y
15-20% de otras fases como enstatita
(MgO.SiO_{2}), magnesioferrita (MgO.Fe_{2}O_{3}) y espinela
(MgO.Al_{2}O_{3}).
En este caso, el material cerámico o refractario
que se obtiene sería muy próximo al de tipo
forsterita-periclasa, ya que así se denomina al MgO
y dado que su proporción en el refractario es mayor que en el
material obtenido descrito en el ejemplo 1.
Un tipo de material cerámico o material
refractario que se puede obtener después de tratamiento del polvo
precursor de forsterita, previamente prensado a 50 MPa, a la
temperatura de 1500ºC durante 120 minutos con el procedimiento de la
invención, según se describe en este ejemplo 2 que emplea chamota de
talco y MgO, posee las siguientes características
físico-químicas:
- Contracción lineal: 9.6%
- Capacidad de absorción de agua: 14.83% en
peso
- Densidad aparente: 2.14 g/cm^{3}
- Porosidad abierta: 31.74% en volumen
- Coeficiente de dilatación térmica medio entre
20 y 900ºC de 11.82 x 10^{-6} x ºC^{-1}
- Resistencia a los cambios bruscos de
temperatura, o resistencia al choque térmico, medida como número de
ciclos que resiste el material refractario sin agrietarse ni perder
su cohesión, realizando el ensayo desde temperatura ambiente a 950ºC
y enfriando en agua, mínimo de 3 ciclos.
- Composición química (% en peso): SiO_{2},
41.06%; MgO, 52.88%; Al_{2}O_{3}, 2.34%; Fe_{2}O_{3}, 2.70%,
TiO_{2}, 0.10%; CaO, 0.57%; Na_{2}O, 0.05%; K_{2}O, 0.00;
pérdida por calcinación a 1000ºC, 0.00% y el total suma 99.70%.
- Relación molar MgO/SiO_{2} del material
refractario obtenido = 1.92 (el valor teórico es de 2.00)
\vskip1.000000\baselineskip
La composición mineralógica del material
obtenido, según los resultados de difracción de rayos X y análisis
químico, se puede estimar de 70-75% de forsterita,
15-10% de MgO y 15-20% de otras
fases como enstatita (MgO.SiO_{2}), magnesioferrita
(MgO.Fe_{2}O_{3}) y espinela (MgO.Al_{2}O_{3}).
En el caso del ejemplo 2, el uso de chamota de
talco produce un mayor grado de porosidad en el material y un valor
más bajo de densidad aparente, además de contracción lineal
ligeramente inferior, por lo que su aplicación estaría unida más a
ser utilizado como material aislante que no esté sometido a grandes
cambios de temperatura, pues su resistencia en este sentido es
idéntica al del ejemplo 1.
El material electrocerámico que se obtiene se
prepara por sinterización a 1500ºC y presenta idéntica composición
química a la descrita anteriormente, con una densidad aparente de
2.14 g/cm^{3} y porosidad abierta de 31.74% en volumen y un valor
de constante dieléctrica, medida a temperatura ambiente, de 7.8.
\vskip1.000000\baselineskip
Con objeto de ilustrar sobre el efecto que
supone la utilización de chamota con contenidos
medio-altos en forsterita para mejorar las
propiedades en cuanto al material cerámico o refractario que se
consigue obtener con el procedimiento de la invención, en este
ejemplo de realización de la invención se parte del precursor de
forsterita descrito en el ejemplo 1 preparado a una temperatura
determinada por debajo de 1400ºC. De este modo se consigue que parte
de la forsterita ya se encuentre nucleada a partir de los productos
de descomposición térmica de la clorita y otra parte de la misma
fase se forme por reacción en estado sólido entre el óxido de
magnesio añadido y las fases enstatita y sílice amorfa, esta última
cristalizada como cristobalita, procedentes de la descomposición del
talco.
Se prepara una chamota, calcina o arena
forsterítica reactiva a partir del precursor de forsterita
previamente secado que, conformado como pastillas cilíndricas o
pellets a la presión de 50 MPa con un 5% de humedad, se trata
térmicamente a una temperatura comprendida entre 1200 y 1400ºC,
siendo el óptimo 1300ºC, durante un tiempo mínimo de 30 minutos y
máximo de 150 minutos, siendo el óptimo de 120 minutos. A
continuación, se deja enfriar en el horno.
Se comprueba por difracción de rayos X que las
fases presentes en este producto así obtenido son forsterita en
proporción mayoritaria junto con enstatita, en proporción media y
óxido de magnesio, con sílice amorfa que no ha cristalizado como
cristobalita.
El producto de la calcinación del precursor de
forsterita, obtenido como ya se ha descrito, se somete a una
trituración que permita obtener una materia prima con granulometría
controlada. Empleando un molino de martillos industrial, debido a la
compacidad de esta chamota pelletizada y calcinada, se realiza esta
operación. Se coloca un tamiz de luz de malla de 0.2 mm, es decir,
200 \mum, para que pase todo el resultado de la molienda. Es
necesario realizar un control de la granulometría del producto de la
molienda, pues la práctica asegura que no debe ser polvo demasiado
fino ni demasiado grueso, más bien con tamaños de partícula
intermedios para favorecer la reacción de síntesis de forsterita
pero también para conseguir características físicas aceptables, por
ejemplo, en cuanto a porosidad y contracción del material cerámico o
refractario.
Por tamizado en húmedo, se obtienen valores
medios de porcentajes en peso de diversas fracciones de la chamota
de forsterita que son ilustrativos de este ejemplo de realización de
la invención:
Residuo superior a 100 \mum, 37.6%; entre 100
y 63 \mum, 3.8%; entre 63 y 50 \mum, 1.7%; entre 50 y 40 \mum,
2.7%; inferior a 40 \mum, 54.1%. Diámetro medio de las partículas
= 0.063 mm, o 63 \mum.
El producto resultante del esta molienda se
procesa por métodos convencionales empleados en cerámica. Por
ejemplo, se preparan pastillas o pellets partiendo de 30 gramos de
polvo, mediante prensado uniaxial a una presión de 76 MPa, con 5% de
humedad, en dos tiempos, empleando un molde metálico cilíndrico en
una prensa de 120 Tm, modelo CMH-120 AF. Así se
obtienen pastillas cilíndricas de 50 mm de diámetro y altura
variable, próxima a 10 mm.
Para llevar a cabo el tratamiento térmico del
precursor reactivo de forsterita, se trata térmicamente a
1200-1600ºC, siendo la temperatura óptima 1500ºC, a
una velocidad de calentamiento entre 40 y 80ºC por hora, siendo la
óptima de 60ºC por hora; durante un tiempo comprendido entre 60 y
240 minutos, siendo el óptimo de 180 minutos.
Se comprueba por difracción de rayos X y
análisis de fases cristalinas que la fase enstatita, formada a
partir de talco disminuye en proporción con la temperatura de
tratamiento térmico y la duración de la misma, hasta que no se
encuentra presente a 1350ºC con 120 minutos de tratamiento a esa
temperatura. La cristobalita producida por cristalización de la
sílice amorfa procedente de la descomposición térmica del talco, se
detecta a 1200ºC y disminuye con la temperatura de tratamiento,
desapareciendo a 1300ºC.
La forsterita, como fase cristalina, presente
inicialmente, aumenta en proporción relativa debido a la reacción en
estado sólido entre el óxido de magnesio añadido a la mezcla,
cristobalita y enstatita, a la vez que disminuye la del óxido de
magnesio que se va consumiendo progresivamente con el tratamiento
térmico a temperaturas por encima de 1300ºC y la duración del
mismo.
A una temperatura de 1500ºC, con un tratamiento
térmico entre 60 y 240 minutos, siendo el óptimo de 180 minutos, la
composición de fases estimada por difracción de rayos X indica que
la proporción de forsterita es mayoritaria (90-95%)
en el producto resultante y cantidades inferiores al
10-5% en peso de otras fases incluyendo la fase
vítrea Por tanto, su porosidad debe disminuir debido al mayor grado
de sinterización alcanzado con los efectos combinados de la
granulometría, redistribución de las fases inicialmente presentes y
el tratamiento térmico.
En este caso, el material cerámico o refractario
que se obtiene sería del tipo forsterita y su proporción es mayor
que en los materiales obtenidos descritos en los ejemplos 1 y 2.
En el ejemplo de la invención, un típico
material cerámico o refractario que se puede obtener después de
tratamiento del polvo precursor de forsterita, previamente prensado
a 50 MPa, a la temperatura de 1500ºC durante 120 minutos con el
procedimiento de la invención, según se describe en este ejemplo 3
que emplea chamota forsterítica obtenida por tratamiento térmico del
precursor de forsterita a 1300ºC durante 120 minutos, posee las
siguientes características físico-químicas:
- Contracción lineal: 11.6%
- Capacidad de absorción de agua: 5.34% en
peso
- Densidad aparente: 2.66 g/cm^{3}
- Porosidad abierta: 14% en volumen
- Coeficiente de dilatación térmica medio entre
20 y 900ºC de 11.70 x 10^{-6} x ºC^{-1}
- Resistencia a los cambios bruscos de
temperatura, o resistencia al choque térmico, medida como número de
ciclos que resiste el material refractario sin agrietarse ni perder
su cohesión, realizando el ensayo desde temperatura ambiente a 950ºC
y enfriando en agua, mínimo de 3 ciclos.
- Composición química (% en peso): SiO_{2},
41.22%; MgO, 52.98%; Al_{2}O_{3}, 2.35%; Fe_{2}O_{3}, 2.70%,
TiO_{2}, 0.11%; CaO, 0.56%; Na_{2}O, 0.05%; K_{2}O, 0.00;
pérdida por calcinación a 1000ºC, 0.00% y el total suma 99.97%.
- Relación molar MgO/SiO_{2} del material
refractario obtenido = 1.93 (teórico es de 2.00)
\vskip1.000000\baselineskip
Su composición mineralógica es
90-95% de forsterita como fase mayoritaria.
En el caso de este ejemplo 3, el uso de chamota
de forsterita produce un menor grado de porosidad en el material y
un valor más alto de densidad aparente, además de contracción lineal
similar a los obtenidos en los ejemplos 1 y 2, por lo que su
aplicación estaría unida más a ser utilizado como material para la
construcción de hornos y tratamiento del acero que no esté sometido
a grandes cambios de temperatura, pues su resistencia en este
sentido es idéntica a la de los ejemplos 1 y 2.
Asimismo, mediante trituración del producto
obtenido según el procedimiento de la invención siguiendo este
ejemplo, se obtiene una chamota, calcina o arena de alto contenido
en forsterita que puede ser empleada también en aplicaciones
diversas como las descritas y como materia prima para la preparación
de refractarios con determinadas propiedades físicas, como una
porosidad controlada, con aplicaciones como material aislante, o
bien previa adición de sales de cromo, para aplicaciones en
LASER.
El material electrocerámico que se obtiene por
sinterización a 1500ºC durante 120 minutos, presenta idéntica
composición química a la descrita anteriormente, con una densidad
aparente de 2.66 g/cm^{3} y porosidad abierta de 14% en volumen y
un valor de constante dieléctrica, medida a temperatura ambiente, de
7.1.
En este último ejemplo, con el procesado del
polvo previa formación de fase forsterita y la nueva distribución de
los cristales conseguida por un nuevo prensado y tratamiento térmico
se logra una redistribución de las fases, tanto cristalinas como
vítreas, que favorece las reacciones en estado sólido y, en
consecuencia, el contenido en forsterita es superior al de los otros
dos ejemplos. Asimismo, la densidad aparente aumenta por el mayor
grado de sinterización que se consigue y la porosidad disminuye,
entre otras propiedades de interés.
Las características generales de los
refractarios de forsterita, según la norma UNE 61027 que establece
una sola calidad basada principalmente en las características
físicas de estos materiales, son las siguientes:
- -
- Contenido en Fe_{2}O_{3} en porcentaje (%) en peso, menor del 7%
- -
- Contenido en Al_{2}O_{3} en porcentaje en peso, menor del 1.5%
- -
- Contenido en CaO en porcentaje, menor del 0.5%
- -
- Porosidad máxima, en porcentaje en volumen, 20%
Comparando estos valores con los
correspondientes a los materiales cerámicos y refractarios obtenidos
según el procedimiento de la invención atendiendo a los ejemplos 1,2
y 3, puede deducirse que el contenido en óxido de hierro de los
mismos cumple perfectamente las especificaciones dadas en la norma
descrita.
El contenido en alúmina es superior pero no
demasiado elevado y se evita utilizando como materia prima de
partida un talco industrial de contenido inferior en alúmina al de
los ejemplos 1, 2 y 3.
Finalmente, en cuanto a la porosidad, los
materiales cerámicos y refractarios que se obtienen como resultado
del procedimiento de la invención presentan valores incluso
inferiores al especificado en la norma.
Claims (26)
1. Procedimiento de obtención de un material
cerámico de forsterita, caracterizado porque comprende:
- a.
- mezclar una suspensión acuosa de silicato laminar hidroxilado con óxido de magnesio;
- b.
- secar la suspensión obtenida en el paso (a) a una temperatura de hasta 350ºC; y
- c.
- tratamiento térmico del producto del paso (b) a una temperatura de hasta 1600ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
donde el silicato laminar hidroxilado se selecciona de la lista que
comprende mica magnésica, serpentina, talco o clorita.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
donde el silicato laminar hidroxilado es talco.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, donde el silicato laminar hidroxilado del
paso (a) se tritura previamente a un tamaño de partícula con
diámetro medio de, al menos, 0.100 mm.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, donde el óxido de magnesio que se emplea en
el paso (a) está calcinado a una temperatura mínima de 1.700ºC.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
donde el óxido de magnesio está en un contenido mínimo de 90% en
peso de óxido de magnesio con partículas de tamaño inferior a 0.100
mm.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
donde el óxido de magnesio está en un contenido mínimo del 97% en
peso de óxido de magnesio con partículas de tamaño inferior a 0.063
mm.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, donde la suspensión acuosa del paso (a)
contiene acetona.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, donde, previamente al paso (a), el silicato
laminar hidroxilado se calcina a una temperatura de entre 1200 y
1400ºC.
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, donde se conforma el producto obtenido en el
paso (b) antes del tratamiento térmico del paso (c).
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, donde el secado al aire del paso (b) se
lleva a cabo a una temperatura de entre 250ºC y 350ºC, durante un
tiempo de entre 30 y 120 minutos.
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, donde el secado del paso (b) se lleva a
cabo en dos etapas:
- b1.
- secado al aire a una temperatura de entre 90ºC y 120ºC, durante un tiempo de hasta 15 h.
- b2.
- secado posterior al paso (b1) a una temperatura de entre 250ºC y 350ºC, durante un tiempo de entre 30 y 120 minutos.
\vskip1.000000\baselineskip
13. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, donde el tratamiento térmico del paso (c)
se lleva a cabo en las siguientes etapas:
- c1.
- tratamiento térmico a una temperatura de hasta 800ºC a una velocidad de calentamiento de entre 40ºC y 80ºC por hora, durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos;
- c2.
- el producto obtenido en (c1) se trata a una temperatura de hasta 1000ºC a una velocidad de calentamiento de entre 40ºC y 80ºC por hora, durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos; y
- c3.
- el producto obtenido en (c2) se trata a una temperatura de entre 1200ºC y 1600ºC a una velocidad de calentamiento de unos 60ºC por hora durante un tiempo de entre 60 y 150 minutos.
\vskip1.000000\baselineskip
14. Procedimiento según la reivindicación 1 a
12, donde el tratamiento térmico del paso (c) se lleva a cabo a una
temperatura de entre 1200ºC y 1600ºC a una velocidad de
calentamiento de unos 60ºC por hora durante un tiempo de entre 60 y
150 minutos.
\newpage
15. Procedimiento según la reivindicación 14,
donde el tratamiento térmico del paso (c) se lleva a cabo a una
temperatura de 1500ºC durante un tiempo entre 30 y 150 minutos.
16. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 15, que además comprende:
- i.
- triturar el material obtenido en el tratamiento térmico del paso (c),
- ii.
- el material previamente triturado en el paso (i) es conformado; y
- iii.
- el producto conformado en (ii) es tratado térmicamente a una temperatura de entre 1200ºC y 1600ºC durante un tiempo de entre 60 y 240 minutos.
\vskip1.000000\baselineskip
17. Procedimiento según la reivindicación 16,
donde la el material obtenido en el tratamiento térmico del paso (c)
tiene 38% en peso de una fracción inferior a 0.100 mm y una fracción
inferior a 0.040 mm de 54% en peso, con un diámetro medio de las
partículas de 0.063 mm.
18. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 10 o 16, donde el conformado del producto o
material se lleva a cabo mediante prensado uniaxial.
19. Material cerámico obtenible por el
procedimiento descrito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a
18 que comprende forsterita en una proporción de entre un 70% y un
95% en peso del material cerámico.
20. Material cerámico según la reivindicación
19, donde la relación molar de óxido de magnesio y dióxido de
silicio es de aproximadamente 2:1.
21. Material cerámico según cualquiera de las
reivindicaciones 19 o 20, con una densidad aparente de hasta 2,66
gr/cm^{3}, una porosidad de al menos 14% en volumen, un
coeficiente de dilatación térmico a una temperatura de entre 20ºC y
900ºC de al menos 11,82 x 10^{-6} ºC^{-1}, una constante
dieléctrica de entre 7 y 7,8 a temperatura ambiente, resistente a
temperaturas de hasta 1800ºC.
22. Uso del material cerámico según cualquiera
de las reivindicaciones 19 a 21, como material refractario.
23. Uso del material según la reivindicación 22,
como filtro, sustrato, aislante o soporte para catalizadores.
24. Uso del material según la reivindicación 22,
para la fabricación de componentes en metalurgia, siderurgia, la
industria del cemento o para aplicaciones LASER.
25. Uso del material según cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 21, como material electrocerámico.
26. Uso del material según la reivindicación 25,
para la fabricación de componentes en circuitos de alta frecuencia o
microondas.
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| ES200900844A ES2345648B1 (es) | 2009-03-27 | 2009-03-27 | Procedimiento de obtencion de un material ceramico de forsterita. |
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| GONZALEZ, F. et al. "{}Tamaño cristalino y contenido de microtensiones en muestras de forsterita obtenidas a partir de Talco y MgO"{} Ciencia y Tecnología de los Materiales Cerámicos y Vitreos España ' 89 Faenza Editrice Iberica SL. 1990, páginas 119-121; apartado 2. * |
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